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Transience of Bank Filtration in Snowmelt-Dominated Basins: from Tracer-Based Characterization to Monitoring and Operational Strategies

Janie Masse-Dufresne

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Bank filtration (BF) is a pre-treatment technology to produce drinking water that benefits from the natural capacity of the sediments to attenuate contaminants. As BF systems operate in transient conditions, predicting their efficiency is difficult, especially under flood conditions. Meanwhile, little has been done to understand how these systems function in snowmelt-dominated basins, where the hydrological cycle is shaped by springtime freshets and frequent flood events. The objective of this thesis was to reveal the dynamics of groundwater flow patterns at a BF site affected by recurring springtime flood events. The specific objectives were: (1) to distinguish the role between anthropic and meteorological controls on the mixing ratios and on the physico-chemical quality of the raw water, (2) to develop a short time-step monitoring strategy to reveal the spatiotemporal dynamics of the groundwater flow patterns under extreme flood events, and (3) to differentiate the respective role of direct floodwater inputs and temporary subsurface storage of floodwater on the water balance of a lake used as source water for the BF site. First, a time-varying binary mixing model was developed to investigate the competition between anthropic and meteorological forcings on the origin of pumped water at a monthly timescale. Given that the BF sites are operated under highly transient conditions, it appeared crucial to determine the spatiotemporal variability of the origin of raw water due to pumping (anthropic forcing) and water level variations (meteorological forcing). It was shown that pumping schemes can be used to control the origin and quality of the pumped water. The operation of the pumping wells on a continuous basis allowed to outweigh the meteorological control (i.e., water levels), except during flood event. Such pumping scheme at high pumping helped at maintaining the mixing ratios at ~62% of Lake A water and at limiting the total iron (Fe) and total manganese (Mn( concentrations in the pumped water. Conversely, the operation of wells on an intermittent or occasional basis resulted in large variations in mixing ratios (i.e., from 0% to 100%) on the annual timescale and was found to deteriorate the physcio-chemical quality of the pumped water. Second, an optimized combination of environmental tracers, including electrical conductivity (EC), stable isotopes of the water molecule (δ18O- δ2H) and temperature, and a short time-step monitoring, allowed to better understand the daily to monthly dynamics of groundwater flow patterns reorganization during and after an extreme flood event. It is recognized that floods represent a challenge for the operation of BF systems. In fact, the quality of surface water is typically deteriorated, and short travel times are often observed at BF systems during floods. Thereby, BF systems are vulnerable to various contaminations during inundation. The different tracers were found to be complementary and to provide information that can help at anticipating microbial water quality changes and guide the timing and the frequency of more expensive and time-consuming monitoring analyses (e.g., bacteriological indicators) to secure the production of high-quality drinking water. While the evolution of EC and δ18O in the pumped mixed water and at the pumping wells revealed a gradual evolution of the origin of water over a 1-month period, automated measurements of temperature and EC at observation wells allowed to detect changes in the groundwater flow patterns at a daily timescale. Monitoring for environmental tracers additionally allowed to track the impact of a dyke failure on the origin of the bank filtrate. A continuous monitoring of CE and temperature revealed a rapid reorganization of the groundwater flow patterns, leading to a temporary inversion of the hydraulic gradients in the vicinity of the pumping wells and a change in the origin of the pumped water. Lastly, the monitoring of δ18O at the pumping wells helped at depicting the recovery dynamics to normal conditions. As expected, the operation of wells at high rates (i.e., ≥ 1000 m3/day) accelerated the recovery to pre-flood mixing ratios. Third, a volume-dependent stable isotope mass balance was developed to estimate the partitioning between groundwater and floodwater to Lake A (i.e., principal source water to the pumping wells), in order to depict the resilience of the hydrosystem to changes. The model revealed that groundwater inputs dominated the annual water budget, with groundwater representing 60%-72% of the total inputs on the annual timescale. However, when considering the potential temporary subsurface storage (and discharge) of floodwater, the partitioning between groundwater and surface water inputs tends to equalize. This implies that floodwater inputs and storage contribute to increase the resilience of the lake to groundwater quantity and quality changes. Thereby, the recurring floods appear to contribute positively to the hydrosystem and help at securing the sustainability of drinking water production at the BF site. Considering all parts, this thesis provides methodological approaches to enhance knowledge on the functioning of BF systems affected by recurring springtime freshets. This research explored the dynamics of groundwater flows and floodwater storage from the daily to annual timescales at both the BF site scale and hydrosystem scale. Monitoring and operational strategies were applied and tested. They now contribute to the solutions that operators and scientists dispose to manage water quality. This work thus benefits to the water managers and scientists, as it can help at operating existing BF sites and planning future BF projects in snowmelt-dominated basins.

Résumé

La filtration sur berge (FSB) est une méthode de prétraitement pour la production d'eau potable qui s'appuie sur la capacité naturelle des sédiments à atténuer les contaminants. Étant donné que les systèmes de FSB fonctionnent dans des conditions transitoires, il est difficile de prédire leur efficacité, tout particulièrement lors d'inondations. Toutefois, le fonctionnement de ces systèmes dans les régions où le cycle hydrologique est fortement marqué par la fonte des neiges (impliquant des crues printanières et des inondations fréquentes) reste encore peu étudié et méconnu. L'objectif de cette thèse était de révéler la dynamique de l'écoulement des eaux souterraines sur un site de FSB affecté par des inondations printanières induites par la fonte des neiges. Les objectifs spécifiques étaient : (1) de distinguer le rôle des contrôles anthropiques et météorologiques sur l'origine et la qualité physico-chimique de l'eau brute pompée, (2) de développer une stratégie de surveillance à courte échelle de temps pour révéler la dynamique spatio-temporelle des schémas d'écoulement lors de crues extrêmes, et (3) de différencier le rôle des apports directs d'eau de crue et du stockage souterrain temporaire des eaux de crue dans le bilan hydrique d'un lac alimentant le site de FSB. Premièrement, un modèle de mélange binaire transitoire a été développé pour étudier la compétition entre les forçages anthropiques et météorologiques sur l'origine de l'eau pompée à une échelle mensuelle. Sachant que les sites de FSB sont opérés sous des conditions hautement transitoires, il apparaissait crucial de déterminer la variabilité spatiotemporelle de l'origine de l'eau pompée induite par le pompage (forçage anthropique) et les variations des niveaux d'eau (forçage météorologique). Il a été démontré que les schémas de pompage peuvent être utilisés pour contrôler l'origine et la qualité de l'eau pompée. L'opération des puits de pompage sur une base continue a permis de moduler l'origine de l'eau pompée en contrant l'effet des variations des niveaux d'eau, sauf pendant une période de crue. Une telle opération à un débit de pompage élevé a contribué à maintenir la contribution du Lac A à ~62% (le reste correspondant au Lac B) et à limiter les concentrations totales de fer (Fe) et de manganèse (Mn) dans l'eau pompée. À l'inverse, l'opération des puits de pompage sur une base intermittente ou occasionnelle a entraîné de plus importantes variations de l'origine de l'eau à l'échelle annuelle et a détérioré la qualité physico-chimique de l'eau pompée. Deuxièmement, la combinaison de traceurs environnementaux, incluant la conductivité électrique (CE), les isotopes stables de la molécule d'eau (δ18O- δ2H) et la température, accompagnée par la mise en place d'un programme de suivi à court terme, a permis de mieux comprendre la dynamique des schémas d'écoulement des eaux souterraines de l'échelle quotidienne à mensuelle, pendant et après un événement de crue extrême. Il est reconnu que les crues représentent un enjeu pour l'opération des systèmes de FSB. En effet, la qualité des eaux de surface est typiquement détériorée et des temps de séjours courts sont souvent observés aux systèmes de FSB pendant des crues. Par conséquent, les systèmes de FSB sont potentiellement plus vulnérables à différentes contaminations pendant les inondations. Les différents traceurs se sont avérés complémentaires, fournissant des informations pouvant aider à anticiper les changements de la qualité microbienne de l'eau et à guider le moment et la fréquence des échantillonnages et analyses garantissant la qualité microbiologique de l'eau distribuée. Alors que l'évolution de la CE et de δ18O aux puits de pompage et au mélange pompée ont révélé une évolution progressive de l'origine de l'eau sur une période d'un mois, les mesures automatiques de la température et de la CE au niveau des puits d'observation ont permis de détecter des perturbations au niveau des schémas d'écoulement à une échelle de temps quotidienne. Le suivi des traceurs environnementaux a également permis de suivre l'impact de la rupture d'une digue sur l'origine de l'eau dans la berge. Un suivi en continu de la CE et de la température a permis de constater une réorganisation rapide (c.-à-d. sub-journalière) des schémas d'écoulements souterrains, menant à une inversion temporaire des gradients hydrauliques à proximité des puits et un changement de l'origine de l'eau pompée. Enfin, le suivi de δ18O dans les puits de pompage a permis de décrire l'évolution du système suite à l'événement de crue. Tel qu'anticipé, l'opération des puits à des débits de pompage élevés (c.-à-d. ≥ 1000 m3/jour) a accéléré le retour aux conditions observées avant la crue. Troisièmement, un bilan de masse isotopique transitoire a été développé pour estimer les apports en eau souterraine et en eau de crue au Lac A (c.-à-d., principale source d'eau de surface aux puits de pompage), en vue de comprendre la résilience de l'hydrosystème aux changements. Le modèle a révélé que les apports en eau souterraine dominaient le bilan hydrique annuel, les eaux souterraines représentant 60 à 72 % des apports totaux sur l'échelle de temps annuelle. Cependant, si l'on tient compte du potentiel stockage souterrain temporaire (et de la décharge) des eaux de crue, la répartition entre les apports en eau souterraine et en eau de surface tend à s'égaliser. Ceci implique que les apports et le stockage des eaux de crue contribuent à augmenter la résilience du lac face à des changements de quantité et de qualité des apports en eau souterraine. Ainsi, les inondations récurrentes semblent contribuer positivement à l'hydrosystème et permettent d'assurer la production d'eau potable au site de FSB. En considérant l'ensemble, cette thèse fournit à la fois des approches méthodologiques et des résultats concrets pour améliorer la connaissance du fonctionnement des systèmes de FSB soumis à des crues printanières récurrentes. Cette recherche a exploré la dynamique des schémas d'écoulements souterrains et du stockage des eaux de crue, du pas de temps journalier à annuel, à la fois à l'échelle du site de BF et de l'hydrosystème. Des stratégies d'opération et de suivi ont été appliquées et testées. Elles contribuent maintenant aux solutions dont disposent les opérateurs et les chercheurs pour gérer la qualité de l'eau. Ce travail profite donc aux gestionnaires de l'eau et aux scientifiques, car il peut contribuer à améliorer l'opération des sites de FSB existants et à la planification de futurs projets de FSB, en particulier dans les régions où le cycle hydrologique est affecté par la fonte des neiges.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Paul Baudron, Florent Barbecot and Philippe Pasquier
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9731/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 21 Apr 2022 11:04
Last Modified: 08 Apr 2024 10:10
Cite in APA 7: Masse-Dufresne, J. (2021). Transience of Bank Filtration in Snowmelt-Dominated Basins: from Tracer-Based Characterization to Monitoring and Operational Strategies [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9731/

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