Distribution du temps de séjour des eaux souterraines alimentant les rivières : méthodes de reconnaissance et implications pour l’étude de la vulnérabilité des sources d’eau potable de surface. Étude de cas du bassin versant de la prise d’eau potable de la rivière Saint-Charles (Québec, Canada)

La prise d’eau de la rivière St Charles alimente plus de 300 000 personnes en eau potable sur la commune de Québec. Une partie du débit de la rivière est prélevée puis traitée avant d’être distribuée aux habitants en aval. Des menaces pèsent sur la gestion de la ressource en eau, dans ce bassin versant partiellement urbanisé dans un contexte de changement climatique, avec des crues plus importantes au printemps et des étiages plus sévères en été. De précédentes études ont permis de proposer un schéma conceptuel hydrogéologique et dresser une première carte de la vulnérabilité des ressources en eaux sur le bassin versant de la prise d’eau.

Aujourd’hui, le caractère transitoire des écoulements de surface et souterrain doit être investigué. Le projet consiste à quantifier les apports d’eaux souterraines à la rivière St-Charles au cours du temps et identifier le contrôle exercé par ces apports souterrains sur la disponibilité et la qualité de la ressource en eau de surface. La détermination de la distribution des temps de séjour et du temps de séjour moyen des eaux souterraines alimentant la rivière est un outil innovant pour décrire la vulnérabilité et la résilience de la ressource face aux changements à la surface (forçages anthropiques).

Une méthodologie se basant sur l’étude de traceurs géochimiques (ions majeurs, éléments traces métalliques et silice dissoute) isotopiques (¹⁸O et ²H) a été développée pour quantifier la fraction d’eau souterraine en rivière au cours du temps (période de temps : 2012 – 2023). A l’année longue, 55 % du débit de la rivière est constituée d’apports souterrains (incluant la période printanière) alors que ces apports représentent plus de la moitié du débit de la rivière pour plus de 75 % des jours de l’année. Plus largement, ce travail révèle que les gestionnaires de l’eau au Québec bénéficieraient grandement du suivi de traceurs environnementaux en rivière. En particulier, l’alcalinité se révèle être un excellent traceur de la part d’eau souterraine en rivière puisqu’elle est directement héritée du passage de l’eau dans la zone non saturée. Le couplage avec la silice dissoute, dont la concentration est directement fonction du temps d’interaction eau/roche dans l’aquifère, met en évidence les différents processus contrôlant la disponibilité de l’eau en rivière avec (i) la vidange préférentielle en rivière de l’eau récemment rechargée à la fonte des neiges au printemps et en été, (ii) l’augmentation progressive du temps de séjour des eaux souterraines se déchargeant en rivière en hiver et (iii) la décharge d’eaux relativement vieilles au début de la fonte des neiges.

La distribution des temps de résidence de l’eau souterraine soutenant les rivières a été investiguée à l’aide d’une combinée unique de traceurs : CFCs, SF₆, ³H, ⁸⁵Kr. Cette approche permet de révéler les informations d’âge du débit de base à l’échelle du bassin versant. La période hivernale a été choisie pour mener à bien ce projet car les conditions particulières (couche de glace partielle sur la rivière, conditions d’étiage prononcé) facilitent l’utilisation de telles méthodes. Bien que les CFCs et le SF₆ se soient révélés inutilisables à des fins de datation à cause d’une pollution locale de l’aquifère se déchargeant dans la rivière, le ³H et le ⁸⁵Kr ont permis de déterminer un temps de séjour moyen de 10 ans. Cette recherche démontre que les éventuelles contaminations de la partie de l’aquifère alimentant la rivière peuvent se déverser en rivière pendant des décennies, ce qui fait le lien avec la faible résilience de la ressource, et met en lumière l’intérêt de la datation des eaux souterraines pour une meilleure gestion de l’eau potable de surface au Québec.

Cette thèse a également fait l’objet de développements méthodologiques pour (i) mieux quantifier le débit des cours d’eau (traçage isotopique), et (ii) favoriser l’accès à la datation des eaux souterraines récentes et le traçage artificiel aux gaz (mesure des gaz communs, rares, CFCs et SF₆ à partir d’un seul échantillon)