Hydrogeology and hydrogeochemistry of the Chaudière River watershed aquifers, Québec, Canada

Abstract

A comprehensive hydrogeological study has been conducted in the Chaudière River watershed (6695 km²) located south of the St. Lawrence River, near Québec City. Updated maps of simplified bedrock geology and surficial sediments are presented together with the newly generated maps of the regional potentiometric surface, spatial distribution of the annual infiltration rate and spatial distribution of encountered groundwater types. Detailed analyses of the hydraulic conductivity, groundwater use, salinity sources and isotopic signatures are conducted. At the end, a conceptual model describing the hydrogeological setting is proposed for the regional groundwater flow system. In the watershed, about 150,000 inhabitants or roughly 80% of the total population depend almost entirely on groundwater as a source of potable water. Fine-grained sedimentary rocks of the Appalachian geological province form the major regional aquifer unit. The aquifer is generally unconfined to semi-confined in the Appalachian Uplands, and semi-confined to confined in the Appalachian Piedmont. Local granular aquifers are composed of coarse river valley sediments, but their extent and thickness vary throughout the watershed. The hydraulic connection between the granular units and bedrock is strongly influenced by the nature of the ubiquitous glacial sediments. The overall recharge rate to the bedrock aquifers is estimated at about 27 mm/y, or roughly 180 Mm³/y, compared to the average groundwater use of 17.4 Mm³/y. The low hydraulic conductivity, K~8×10⁻⁷ m/s, constrains groundwater flow to the top portion of the fractured strata. Groundwater flow in the Appalachian Uplands occurs at local scale and is dominated by recent recharge. Further along the flowpath in the Appalachian Piedmont, the concentrations of the major chemical constituents gradually increase along with the radiocarbon age of groundwater. Still, independent of their location along the flowpath, groundwater samples always contain a fraction of relatively young water (≤ 50 years).

Abstract

Une étude hydrogéologique complète a été réalisée dans le bassin de la rivière Chaudière (6.695 km²) situé au sud du fleuve Saint-Laurent, près de la ville de Québec. Des cartes de la géologie simplifiée accompagnent les cartes produites. Des analyses des propriétés physiques et chimiques de l’eau souterraine ont été menées et un modèle conceptuel décrivant le système d’écoulement régional sont proposées. À l’intérieur du bassin versant, environ 150,000 habitants, soit environ 80% de la population totale dans le bassin dépendent presque entièrement de l’eau souterraine comme source d’eau potable. La principale unité aquifère régionale est formée de roches sédimentaires à grain fin de la province géologique des Appalaches. Cette unité est généralement libre à semi-confinée dans les hautes terres appalachiennes et semi-confinée à confinée dans le piémont appalachien. Des aquifères granulaires se trouvent localement et sont principalement composés de sédiments grossiers des vallées de rivière, mais leur étendue et leur épaisseur varient dans tout le bassin. La connexion hydraulique entre les unités granulaires et rocheuses est fortement influencée par la nature et l’omniprésence des sédiments glaciaires. Le taux de recharge moyen pour les aquifères du substratum rocheux est estimé à 27 mm/an, soit environ 180 Mm³/an, comparativement à l’utilisation des eaux souterraines qui est de 17,4 Mm³/an. La relativement faible conductivité hydraulique, K~8×10⁻⁷ m/s, retient l’écoulement de l’eau souterraine à la partie supérieure du roc fracturé. L’écoulement de l’eau souterraine dans les hautes terres des appalachiennes se produit à l’échelle locale et elle est dominée par la recharge récente. La concentration des principaux constituants chimiques augmente progressivement ainsi que l’âge radiocarbone des eaux souterraines le long des lignes d’écoulement dans le piedmont appalachien. Pourtant, indépendamment de leur emplacement le long du chemin d’écoulement, des échantillons d’eau souterraine contiennent toujours une fraction d’eau relativement fraîche (≤ 50 ans).

Acknowledgements

This work is part of the National Groundwater Mapping Program of Natural Resources Canada-Geological Survey of Canada. It was conducted in collaboration with Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue and Université Laval. Financial support was provided by Natural Resources Canada, Agriculture and Agri-Food Canada, and by the Ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec. The authors would like to thank the watershed authority COBARIC, the UPA Federations of Beauce, Lévis-Bellechasse and Lotbinière-Mégantic, the Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (MAPAQ) and the local residents for their respective contributions. The authors are grateful to Dr. Steve Grasby, the Associate Editor, and three anonymous reviewers for their constructive comments and suggestions which significantly improved the quality of the manuscript.