Étude hydrogéologique de l’aquifère transfrontalier Milk River (Canada-USA) : modèles géologique, conceptuel et numérique pour la gestion raisonnée de la ressource

Depuis le début du 20ème siècle, les eaux souterraines de l’aquifère transfrontalier Milk River (MRA) ont constitué une importante ressource dans le sud de l’Alberta (Canada) et le nord du Montana (USA). L’utilisation intensive de cette ressource sous un climat semi-aride a provoqué une baisse importante des niveaux d’eau localement, si bien que des inquiétudes concernant la pérennité du MRA sont apparues dès les années 60. Les études précédentes du MRA étaient limitées par les frontières nationales, empêchant ainsi une compréhension complète de la dynamique de l’aquifère. L’objectif de cette thèse était de réaliser une étude transfrontalière du MRA afin de caractériser cette ressource régionale d’eau souterraine selon ses limites naturelles. À cette fin, trois modèles transfrontaliers ont été développés : un modèle géologique, un modèle conceptuel hydrogéologique et un modèle numérique d’écoulement souterrain. Des travaux de terrain de part et d’autre de la frontière Canada/USA et une revue de littérature exhaustive des études précédentes ont supporté la réalisation de ces modèles. De plus, une première évaluation des niveaux d’exploitation historiques du MRA a été réalisée en Alberta. 
\nLe modèle géologique 3D (50 000 km²) représente le MRA (Membre Virgelle de la Formation Milk River/Eagle) et ses unités confinantes continûment à travers la frontière internationale. Le développement de ce modèle a requis une harmonisation des nombreuses nomenclatures stratigraphiques de la région et la délimitation transfrontalière du MRA.
\nLe modèle conceptuel hydrogéologique du MRA a montré deux flux d’écoulement souterrains transfrontaliers, dirigés du Montana vers l’Alberta. La Milk River intercepte la majeure partie du flux souterrain venant du sud, si bien que l’écoulement au nord de la rivière est très faible. Les analyses isotopiques confirment que les eaux du MRA sont principalement fossiles à l’exception de la zone de recharge située le long de la zone d’affleurement du MRA. Les zones du MRA avec une forte conductivité hydraulique et de faibles concentrations en chlorures correspondent à des voies d’écoulement préférentielles. L’émergence des eaux du MRA a lieu via la drainance à travers les unités confinantes notamment le long des vallées enfouies.
\nLe modèle numérique (26 000 km²) d’écoulement souterrain du MRA en régime permanent est une transposition des modèles géologique et conceptuel. Il montre que le modèle conceptuel précédemment développé est hydrauliquement plausible. Le modèle d’écoulement donne une meilleure compréhension du système aquifère en représentant la dynamique de l’écoulement souterrain dans la situation pré-exploitation. Le traçage de particules indique des temps de résidence advectifs de près de 750 000 ans à la limite nord du MRA, ce qui est inférieur aux âges obtenus par les analyses isotopiques (2 Ma).
\nLa zone au sud de la Milk River bénéficie de la totalité du flux transfrontalier venant du Montana tandis que la zone au nord de la rivière ne reçoit qu’une partie du flux de recharge provenant du sud à cause de l’interception par la Milk River. Les bilans en eau des modèles conceptuels et numériques montrent tous les deux que l’extraction de l’eau souterraine dépasse de loin la recharge au nord de la Milk River. Un modèle d’écoulement transitoire serait requis pour définir le volume d’eau provenant de l’emmagasinement dans le MRA et préciser le rôle des aquitards durant le pompage. Par ailleurs, en tant que ressource internationale partagée, une gestion transfrontalière des eaux du MRA serait justifiée dans la région comprise entre la zone de recharge au Montana et le sud de la Milk River en Alberta. Ainsi, ces trois modèles transfrontaliers du MRA forment une base commune internationale de connaissances scientifiques à l’échelle de l’aquifère et pourraient supporter l’évaluation future du meilleur usage possible de cette ressource partagée et limitée. De futurs travaux peuvent inclure l’effet des champs de gaz localisés aux limites du MRA et les conditions paléo-hydrogéologiques liées à l’évolution géochimique de l’eau souterraine. <br /><br />Since the beginning of the 20th century, groundwater from the Milk River Aquifer (MRA) has been an important water resource in southern Alberta (Canada) and northern Montana (USA). The intensive use of this resource under a semi-arid climate has locally led to important drops in waters levels, thus raising concerns on the MRA sustainability since the 1960s. Previous MRA studies were limited by the national boundaries, thus preventing a full understanding of the aquifer dynamics. The objective of this thesis was to carry out a transboundary study of the MRA to define this regional groundwater resource within its natural boundaries. For this purpose, three cross-border models were developed: a geological model, a conceptual hydrogeological model and a numerical groundwater flow model. These developments were supported by focused field work on both sides of the Canada/USA border and a comprehensive review of previous studies. Furthermore, a first assessment of the historical exploitation levels of the MRA was done for southern Alberta.
\nThe 3D geological model (50,000 km²) continuously represents the MRA (Virgelle Member of the Milk River/Eagle Formation) and confining units through the international border. Development of this model required harmonization of various stratigraphic nomenclatures in the study area and the transboundary delineation of the MRA extent.
\nThe hydrogeological conceptual model of the MRA indicated two transboundary groundwater fluxes from Montana to Alberta. The Milk River intercepts most of the groundwater flux incoming from the south, thus leading to limited groundwater flow north of the Milk River. Isotopic analyses confirm that the MRA contains mostly fossil groundwater, with the exception of the recharge area located along the outcrop area of the aquifer. Areas within the MRA with a high hydraulic conductivity and low chloride concentrations correspond to preferential groundwater flowpaths. Discharge from the aquifer occurs as vertical leakage through the overlying confining units, especially along bedrock valleys. 
\nThe numerical steady-state groundwater flow model of the aquifer system (26,000 km²) is a transposition of the geological and conceptual models, and it shows that the previously developed conceptual model is hydraulically plausible. The groundwater flow model provides a better understanding of the aquifer system by representing the dynamics of groundwater flow under pre-development conditions. Particle tracking indicates advective residence times of up to 750,000 years in the northern limit of the aquifer, which is lower than ages obtained from isotopic analyses (2 Ma).
\nThe area south of the Milk River benefits from all of the transboundary groundwater flux from Montana whereas north of the Milk River, only a portion of the recharge flux coming from the south is transmitted due to the interception of the Milk River. Groundwater
\nbudgets from both the conceptual and numerical models show that groundwater extraction far exceeds recharge north of the Milk River. A transient model would be required to determine how much water is derived from storage in the MRA and to assess the role of the confining units during pumping. Furthermore, as an internationally shared resource, a transboundary management of the MRA would be appropriate, especially in the area comprised between the recharge area in Montana and the Canadian reach of the Milk River.
\nTogether, these transboundary models of the MRA constitute a common international basis of scientific knowledge at the aquifer scale and could support further assessments of the best possible exploitation of the shared but limited resource. Future works could include the study of the effects of the gas fields located at the limits of the MRA as well as paleo-hydrogeological conditions relative to the geochemical evolution of groundwater.

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