Hydrogeological study of the Milk River Transboundary Aquifer (Canada-USA) : Geological, conceptual and numerical models for the sound management of the groundwater resources

Dès 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 réalisés: 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.Le 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.Le 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.Le 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).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 géochimiqie de l'au souterraine.

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