Regional groundwater levels in crystalline aquifers: structural domains, groundwater level monitoring, and factors controlling the response time and variability

This thesis aims to determine the degree to which fracture networks control the response time and fluctuation of groundwater levels in regional crystalline aquifers in comparison to topography, sediment deposits, precipitation and snowmelt. In this respect, the compartmentalization of the crystalline aquifer into structural domains is necessary, in order to take into account the heterogeneity of the crystalline aquifer in relation to the different fracture networks existing in the rock mass. Field investigations were conducted in the Lanaudiere region, Quebec, Canada, where the underlying crystalline rock outcrops in several locations, allowing access to outcrops for fracture sampling. In addition, four unequipped boreholes drilled into the crystalline rock were available for fracture sampling. Typically, fracture sampling involves the collection of multiple fracture samples, which involve numerous fracture clusters. Grouping fracture samples into structural domains is generally useful for geologists, hydrogeologists, and geomechanicians as a region of fractured rocks is subdivided into sub-regions with similar behavior in terms of their hydromechanical properties. One of the commonly used methods to group fracture samples into structural domains is Mahtab and Yegulalp's method, considering the orientation of fracture clusters and ignoring several fracture parameters, such as fracture spacing, aperture, and persistence, that are important for fluid circulation in the rock mass. In this thesis, we proposed a new cluster-based similarity method that considers cluster orientation as well as the aperture, persistence and spacing. In addition, a method for compartmentalizing a given study area into structural domains using Voronoi diagrams has also been proposed. The proposed method is more suitable than the previous method for applications in hydrogeology and rock mechanics, especially for regional studies of fluid flow in the rock mass. The study of response time and variability of groundwater levels requires a groundwater level monitoring network. The inclusion of private boreholes in these monitoring networks can provide a cost-effective means of obtaining a larger data set; however, the use of these boreholes is limited by the fact that frequent pumping, in these boreholes, generates outliers in the recorded time series. In this thesis, a slope criterion is applied to identify and remove outliers from groundwater level time series from exploited private boreholes. Nevertheless, the removal of outliers creates a missing value problem, which biases the subsequent time series analysis. Thus, 14 imputation methods were used to replace missing values. The proposed approach is applied to groundwater level time series from a monitoring network of 20 boreholes in the Lanaudiere region, Quebec, Canada. The slope criterion is shown to be very effective in identifying outliers in exploited private boreholes. Among the characteristics of the missing value pattern, the gap size and gap position in the time series are the most important parameters that affect the performance of the imputation methods. Among the imputation methods tested, linear and Stineman interpolations, and Kalman filtering were the most effective. This thesis demonstrates that privately operated boreholes can be used for groundwater monitoring by removing outliers and imputing missing values. At local and regional scales, groundwater level is controlled by several factors. The most commonly studied factors are climatic, geologic and geomorphologic controls on groundwater level variability and response time, and in many cases only one controlling factor is considered in the analysis. However, many other factors can affect groundwater level variability and response time, such as the sediment deposit properties and fracture network characteristics in crystalline aquifers. In this study, a more inclusive approach is used to consider climatic, geomorphological, and fracture network parameters as potential controlling factors. A total of 18 parameters were analyzed for interrelationships as each controlling factor is described by several parameters. The study analyzed a two-year record of groundwater levels in 20 boreholes, drilled into the crystalline rock of the Canadian Shield in the Lanaudière region, Québec, Canada. Factors associated to geomorpgology and fracture network are related to groundwater level variability and its response time. Of the various parameters analyzed in each control factor, sediment thickness and local slope of the geomorphological factor, as well as average persistence and equivalent hydraulic conductivity of the fracture network factor, are most closely related to groundwater level variability and response time. However, further studies are needed to elucidate the physical processes behind certain interrelationships between fracture network parameters and groundwater level variability parameters. \n \nCette thèse a pour but de déterminer le degré auquel les réseaux de fractures contrôlent le temps de réponse et la fluctuation du niveau des eaux souterraines dans les aquifères cristallins régionaux par rapport à la topographie, aux dépôts de sédiments, aux précipitations et à la fonte des neiges. À cet égard, la compartimentation de l'aquifère cristallin en domaines structuraux est nécessaire, afin de prendre en compte l'hétérogénéité de l'aquifère cristallin par rapport aux différents réseaux de fractures existants dans le massif rocheux. Des investigations de terrain ont été menées dans la région de Lanaudière, Québec, Canada, où la roche cristalline sous-jacente affleure à plusieurs endroits, permettant un accès aux affleurements pour l'échantillonnage des fractures. De plus, quatre forages non équipés, forés dans la roche cristalline, étaient disponibles pour l'échantillonnage des fractures. Habituellement, l'échantillonnage de fractures comprend la collecte de plusieurs échantillons de fractures, qui impliquent de nombreux groupes de fractures. Le regroupement des échantillons de fractures en domaines structuraux est généralement utile pour les géologues, les hydrogéologues et les géomécaniciens dans la mesure où une région de roches fracturées est subdivisée en sous-régions ayant un comportement similaire en termes de propriétés hydromécaniques. L'une des méthodes couramment utilisées pour regrouper les échantillons de fractures en domaines structuraux est celle de Mahtab and Yegulalp, considérant l'orientation des clusters de fractures et ignorant plusieurs paramètres de fractures, tels que l'espacement, l'ouverture et la persistance des fractures, qui sont importants pour la circulation des fluides dans le massif rocheux. Dans cette thèse, nous avons proposé une nouvelle méthode de similarité basée sur les clusters qui considère l'orientation des clusters ainsi que l'ouverture, la persistance et l'espacement des clusters. En outre, une méthode pour la compartimentation d'une zone d'étude donnée en domaines structuraux au moyen de diagrammes de Voronoï a également été proposée. La méthode proposée est plus adaptée que la méthode précédente pour des applications en hydrogéologie et en mécanique des roches, notamment pour les études régionales de la circulation des fluides dans la masse rocheuse. L'étude du temps de réponse et de la variabilité du niveau des eaux souterraines nécessite un réseau de surveillance du niveau des eaux souterraines. L'inclusion de forages privés dans ces réseaux de surveillance peut fournir un moyen peu coûteux d'obtenir un ensemble plus large de données ; cependant, l'utilisation de ces forages est limitée par le fait que le pompage fréquent de ces forages génère des valeurs aberrantes dans les séries temporelles enregistrées. Dans cette thèse, un critère de pente est appliqué pour identifier et éliminer les valeurs aberrantes des séries temporelles du niveau des eaux souterraines provenant de forages privés exploités. Néanmoins, l'élimination des valeurs aberrantes crée un problème de valeurs manquantes, ce qui biaise l'analyse ultérieure des séries temporelles. Ainsi, 14 méthodes d'imputation ont été utilisées pour remplacer les valeurs manquantes. L'approche proposée est appliquée aux séries temporelles du niveau des eaux souterraines provenant d'un réseau de surveillance de 20 forages dans la région de Lanaudière, Québec, Canada. Le critère de pente s'avère très efficace pour identifier les valeurs aberrantes dans les forages privés exploités. Parmi les caractéristiques du modèle de valeurs manquantes, la taille et la position des lacunes dans la série temporelle sont les paramètres les plus importants qui affectent les performances des méthodes d'imputation. Parmi les méthodes d'imputation testées, les interpolations linéaires et de Stineman, ainsi que le filtrage de Kalman ont été les plus efficaces. La présente thèse démontre que les forages privés exploités peuvent être utilisés pour la surveillance des eaux souterraines en éliminant les valeurs aberrantes et en imputant les valeurs manquantes. À l'échelle locale et régionale, le niveau des eaux souterraines est contrôlé par plusieurs facteurs. Les facteurs les plus couramment étudiés sont les contrôles climatiques, géologiques et géomorphologiques sur la variabilité du niveau des eaux souterraines et le temps de réponse, et dans de nombreux cas, un seul facteur de contrôle est pris en compte dans l'analyse. Cependant, de nombreux autres facteurs peuvent affecter la variabilité du niveau des eaux souterraines et le temps de réponse, tels que les propriétés des dépôts de sédiments et les caractéristiques du réseau de fractures dans les aquifères cristallins. Dans cette étude, une approche plus globale est utilisée pour considérer les paramètres climatiques, géomorphologiques et du réseau de fractures comme des facteurs de contrôle potentiels. Au total, 18 paramètres ont été analysés pour déterminer les interrelations, sachant que c

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