Numerical Simulation of Groundwater Flow in the Chateauguay River Aquifers

Le bassin versant de la rivière Châteauguay couvre une partie du nord-ouest de l’état de New York (USA) et du sud-ouest de la province de Québec. L’aquifère régional est présent dans les unités sédimentaires fracturées de la Plateforme du Saint-Laurent. Des sédiments quaternaires d’épaisseur variable, pouvant atteindre 45 m, recouvrent le roc. La conductivité hydraulique moyenne de l’aquifère rocheux, obtenue à partir de 548 mesures de terrain, est de 5,1 × 10–5 m/s avec un écart type de 0,7 des logarithmes. La région modélisée s’étend du piedmont des Adirondacks jusqu’au fleuve Saint-Laurent et couvre 2850 km². Le modèle d’écoulement numérique a été développé avec le simulateur d’éléments finis FeFlow. Le modèle comprend 13 couches, dont l’épaisseur varie de 5 m au sommet à 75 m à la base. L’épaisseur moyenne du modèle numérique est de 655 m pour un volume total de 1898 km³. Le fleuve Saint-Laurent est considéré comme une limite à charge constante, la base du modèle ainsi que la plupart des limites latérales sont considérées comme des limites à flux nul, alors que des limites à charge et à conductivité définies sont spécifiées le long des cours d’eaux et des milieux humides principaux. Une recharge spatialement distribuée a été appliquée en tant que flux spécifique au sommet du modèle et est considérée fixe afin de réduire les incertitudes du modèle. Les prélèvements d’eau souterraine sont de 34 Mm³/a et ont été assignés à la fois en tant que puits pour les prélèvements majeurs et en tant que flux négatif appliqué au sommet du modèle pour les usages domestiques et autres usages diffus. Le calage du modèle a été basé sur 153 mesures de charge hydraulique. La conductivité hydraulique horizontale ainsi que l’anisotropie verticale sont des paramètres de calage. L’écoulement souterrain est de 268 Mm³/a dont 12.7% sont soutirés pour les usages domestiques. La contribution de l’aquifère au flux des cours d’eau et aux milieux humides est de 176 Mm³/a alors que 55 Mm³/a alimentent directement le fleuve Saint-Laurent. L’écoulement des eaux souterraines semble contrôlé par la présence de fractures de litage horizontales causant une anisotropie verticale élevée.
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\n<h2>Abstract</h2>
\nThe Chateauguay River watershed extends over northeastern New York State (USA) and southwestern Quebec (Canada). Fractured sedimentary rocks of the St. Lawrence Platform host the regional aquifers. Quaternary sediments of variable thickness of up to 45 m overlie the bedrock. The geometric mean hydraulic conductivity of the bedrock aquifers obtained from 548 field measurements is 5.1 × 10–5 m/s with a standard deviation of 0.7 of the logarithms. The modelled area extends from the foothills of the Adirondacks to the St. Lawrence River and covers 2,850 km². The numerical groundwater flow model was developed using the finite element simulator FEFLOW. The model has 13 layers with layer thicknesses ranging from 5 m for the top layer to 75 m for the bottom layer. The average thickness of the numerical model is 655 m, for a total volume of 1,868 km3. The St. Lawrence River is considered as a specified head boundary; the base and other lateral limits are considered as no-flow boundaries, whereas a head and conductivity-dependent boundary is specified along major streams and wetlands. Spatial recharge rate is applied as a specified flux across the top of the model and was fixed during calibration to reduce model uncertainty. Groundwater withdrawal of 34 Mm³/yr is assigned using sinks for major wells and as a uniform negative flux across the top of the model to account for domestic and other diffuse uses. Calibration was carried out against 153 hydraulic head measurements, with horizontal hydraulic conductivity and vertical anisotropy used as calibration parameters. The regional groundwater flow amounts to 268 Mm³/yr: 12.7% is withdrawn for domestic purposes; aquifer contribution to streams and wetlands is 176 Mm³/yr, and 55 Mm³/yr is discharged to the St. Lawrence River. Groundwater flow appears to be controlled by the sub-horizontal bedding planes contributing to relatively high vertical anisotropy.

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