Multi-Scale Investigation of Bank Filtration : Investigating the Province Wide Occurrence of Bank Filtration and Methods to Characterize Recharge

Les investigations des sites de filtration sur berge (FSB) au Québec se font depuis quelques années seulement, et le nombre de sites au Québec qui utilisent la filtration sur berge n'est pas connu. Dans les systèmes de filtration sur berge, les eaux de surface passent à travers les berges d'un lac ou d'une rivière vers un ou plusieurs puits de pompage grâce au gradient hydraulique naturel ou induit par pompage. Leur qualité est ainsi généralement améliorée comparé aux eaux de surface. Grâce à une abondance d'eau de surface dans la province, il est probable qu'un grand nombre de puits font de la filtration sur berge, c'est-à-dire qu'ils pompent un mélange d'eau souterraine et de surface. La réglementation au Québec encadre bien le développement et le suivi des sites d'eau souterraine et d'eau de surface, toutefois, ces sites hybrides ne sont pas spécifiquement discutés. D'autre part, certains paramètres clés dans la capacité d'atténuation des contaminants tels que le taux de mélange de l'eau infiltrée avec l'eau souterraine régionale et le temps de résidence de l'eau de surface au sein des berges sont difficiles à quantifier avec les méthodes actuelles du génie. Il est donc important i) de mieux caractériser l'occurrence de la filtration sur berge dans la province pour permettre d'évaluer la nécessité du développement de règlements propres à ces sites et ii) de développer des approches novatrices permettant de caractériser les écoulements aux sites de FSB. La première partie de cette étude vise à proposer une première évaluation de la distribution spatiale des sites de FSB et de la population alimentée par ces sites. Pour ce faire, une structure SIG a été utilisée afin notamment de calculer la distance entre ceux-ci et les plans d'eau en proximité. Un regard plus rapproché sur certains bassins versant a ensuite permis d'améliorer la compréhension des interprétations en prenant en compte le type d'aquifère et certains autres facteurs régionaux. Une des trois régions investiguées a démontré un potentiel élevé de FSB (Laurentides), une deuxième nécessiterait des informations supplémentaires pour améliorer le niveau de confiance dans les interprétations (Nicolet), et dans une troisième région (Vaudreuil-Soulanges) il a été démontré que l'utilisation de la FSB est peu-probable. À partir de cette approche, il a été démontré que près de 1 million de québécois sont alimentés en eau potable à partir de puits municipaux situés à moins de 500 m d'un plan d'eau de surface, et que plus d'un demi-million d'habitants ont une probabilité élevée d'être alimentés par des puits de FSB. La deuxième partie de cette étude s'est concentrée sur l'utilisation du 222Rn comme chronomètre naturel in-situ des temps de résidence de l'eau de surface infiltrée au travers des berges. Plus précisément, l'objectif était d'encadrer les conditions nécessaires à l'obtention de résultats les plus représentatifs possibles. Tandis que les études existantes s'étaient centrées sur une seule ligne d'écoulement en régime permanent, cette étude a visé à investiguer l'utilisation du 222Rn pour déterminer les temps de résidence sur un site avec plusieurs puits et des conditions hydrauliques transitoires. La proximité des puits et l'estimation hydrodynamique des temps de résidence (2 à 7 jours) faisait du site à l'étude un candidat favorable pour l'utilisation du 222Rn comme traceur de temps. Des mesures de radon ont été faites pendant 1.5 ans et les temps de résidence ont été calculés pour chacun des échantillons en utilisant divers pôles de mélanges et valeurs à l'équilibre du 222Rn. Il a été déterminé que la proportion d'eau souterraine a un impact important sur les temps de résidence calculés. Ceci était particulièrement évident lorsque les proportions d'eau souterraine étaient faibles (<50%) et les temps de résidence calculés étaient typiquement courts (<5 jours). Aussi, la présence de stratification des traceurs dans l'aquifère complique les calculs de temps de résidence puisque certaines portions d'eau qui sont à l'équilibre avec le substrat ne sont pas visible avec cette approche. Malgré que cette méthode soit considéré bien développée par certains auteurs, des travaux sont encore requis pour établir les conditions exactes sur un site qui permette de produire des calculs de temps de résidence fiables. Des pôles stables, un niveau de confiance élevé dans la représentativité des mesures, et la présence de mélange binaire simple sont tous nécessaires pour que la méthode soit fiable. Cette étude sensibilise à l'utilisation généralisée de la filtration sur berge pour l'approvisionnement de nombreuses municipalités au Québec. Elle met en évidence la nécessité de coupler divers outils de caractérisation. Ses résultats permettent des études plus ciblées basées sur les recommandations de ce manuscrit. Des études à l'échelle régionale utilisant des traceurs environnementaux pourraient aider à évaluer plus précisément l'occurrence de la filtration sur berge non seulement dans la province, mais aussi à une plus grande échelle au Canada et dans d'autres pays.

Abstract

The study of bank filtration in the province of Quebec is still in its early stages, and an overall understanding of the prevalence of this type of groundwater extraction is unknown. During bank filtration, water is drawn towards a pumping well via a natural or induced gradient and water quality is improved relative to surface water. Due to the abundance of surface water in the province of Quebec, Canada, it is suspected that many groundwater wells are pumping a mixture of groundwater and surface water via induced bank filtration (IBF). The regulatory framework in Quebec provides comprehensive guidance for the development and monitoring of surface water and groundwater drinking water production systems. However, the regulations do not specifically address hybrid groundwater-surface water production systems such as IBF sites. Certain key parameters for attenuation of contaminants, notably residence times and mixing between regional groundwater and infiltrating surface water and the residence times of surface water are difficult to quantify using traditional methods that are the current standard practices. It is therefore important to i) better characterize the occurrence of bank filtration sites in the province in order to better evaluate whether new regulations should be adapted to these sites and, ii) develop innovative approaches that allow for characterizing groundwater flow at BF sites. In order to provide a first evaluation of municipal wells potentially using IBF and the corresponding population served by these wells, a Geographic Information Science framework (GISc) was used to implement an IBF spatial database and calculate the distance from each well to the nearest surface water body. GISc is based on open-source GIS programs and openly available data, to facilitate the reproducibility of the works. From this provincial scale approach, we show that nearly one million people are supplied by groundwater from municipal wells located < 500 m from a surface water body and half a million would have a significant probability to be supplied by IBF wells. A more focused look at watershed scale distribution of wells allows us to improve our interpretations by considering the aquifer type and other regional factors. This approach reveals strong spatial variability in the distribution of wells in proximity to surface water. Of the three selected regions, one has high potential for IBF (Laurentides), one requires additional information do draw precise conclusions (Nicolet), and the third region (Vaudreuil-Soulanges) is unlikely to have widespread use of IBF. With this study, we demonstrate that extensive use of IBF is likely and that there is a need for improved understanding and management of these sites in order to properly protect the drinking water supply. The second part of this study focuses on the use of 222Rn as a tracer for calculating residence times of infiltrating surface water. This study aims to incorporate the lessons learned from various studies into a more comprehensive understanding of the conditions when the 222Rn method is an effective method of evaluating residence times, and to test the impact of endmember choice on the calculations of residence time. Whereas the previous studies were typically investigating a single flow line under steady state flow conditions, this study was undertaken to evaluate the use of 222Rn as a tracer for calculating residence times in a multi-well bank filtration system under variable pumping and hydraulic conditions. On this site, the close proximity of pumping wells to surface water, and the residence times estimated in previous studies (2-7 days) made it a favourable candidate for use of the previously established method of residence time calculations using 222Rn. It was determined that the proportion of groundwater strongly impacts calculated residence times. This was particularly evident when the proportion of surface water was low (<50%) and the resulting residence times was typically short (<7 days). Additionally, aquifers with stratification of either 222Rn production or EC are not favorable for use of this method for determining residence times as there are portions of water at equilibrium that cannot be identified. Despite this method being considered well developed by some authors, additional work should be conducted to establish the exact hydrogeological conditions that are required for this approach to provide representative results. A clear stable radon end-member, high confidence in the representativity of samples and simple binary mixing are all essential for this. Several steps are recommended in order to improve this method and determine when and under what conditions it is appropriate. This study raises awareness of the widespread use of bank filtration for supplying many municipalities within the province of Quebec. Its results enable more targeted studies based on the recommendations of this manuscript. Regional scale studies using environmental tracers could help to more precisely evaluate the occurrence of bank filtration not only in the province, but also at a wider scale in Canada and in other countries.