Benefits and limitations of using isotope-derived groundwater travel times and major ion chemistry to validate a regional groundwater flow model: example from the Centre-du-Québec region, Canada

Abstract

Understanding groundwater dynamics at the regional scale (> 100 km) is essential to the development of sustainable water management regulations. Groundwater flow models are increasingly used to support these strategies. However, in order to be reliable, these models need to be calibrated and validated. The objective of this work is to evaluate the benefits and the limitations of using isotope-derived groundwater travel times and major ion chemistry to validate a regional-scale groundwater flow model in the humid continental climate of southern Québec (Canada). A three-dimensional regional-scale steady-state groundwater model was created using MODFLOW for the fractured bedrock aquifer of the Centre-du-Québec region (Québec, Canada), using data acquired during recent aquifer characterization projects. The model covers an area of 7452 km², from the unconfined Appalachian Mountains to the confined St. Lawrence Platform. Groundwater travel times were simulated for 211 wells using particle tracking. The groundwater flow model was calibrated using 11,775 regionally distributed heads and 15 baseflow values. The model was validated using 23 ³H/³He residence time (3 to 60 years), 17 ¹⁴C residence time (226 to 22,600 years), and the major ion compositions from 211 wells. Results indicate that the model is able to satisfactorily simulate ³H/³He isotopic residence time, while ¹⁴C isotopic residence times are generally underestimated. These results suggest substantial mixing between groundwater recharged during the last deglaciation and recently recharged water. Regional groundwater flow is limited or absent, and most of the recharge discharges to the river network as baseflow. The analysis of travel times indicates a statistically distinct mean travel time for the different groundwater types. Median travel time is 68 years for recently recharged groundwater (Ca-HCO₃), 274 years for semi-confined groundwater (Na-HCO₃), and 738 years for confined groundwater (Na-Cl). This confirms that groundwater chemistry is a broad indicator of groundwater travel time.

La compréhension de la dynamique régionale (> 100 km) de l’eau souterraine est essentielle au développement d’une règlementation orientée vers le développement durable de cette ressource. Les modèles d’écoulement de l’eau souterraine sont de plus en plus utilisés pour supporter ces stratégies. Par contre, pour être utilisés à des fins de règlementation, ces modèles doivent être calés et validés. L’objectif de ce travail est d’évaluer les avantages et les limites de l’utilisation de l’âge isotopique de l’eau souterraine et de la géochimie des ions majeurs pour valider un modèle régional de l’écoulement de l’eau souterraine dans le climat continental humide du sud du Québec (Canada). En utilisant les données acquises dans le cadre de projets de caractérisation hydrogéologiques récents, un modèle à trois dimensions régional en régime permanent a été construit avec MODLOW afin de représenter l’aquifère fracturé de la région du Centre-du-Québec (Québec, Canada). Le modèle couvre une superficie de 7 452 km² à partir des zones en nappe libre des montagnes Appalachiennes jusqu’aux secteurs de nappe captive de la plate-forme du Saint-Laurent. Les temps de parcours de l’eau souterraine ont été simulés à 211 puits en utilisant le traçage de particules (MODPATH). Le modèle d’écoulement souterrain a été calé avec 11 775 niveaux distribués dans toute la zone d’étude et avec 15 mesures de débit de bases obtenues à partir de séparation d’hydrogramme ou de mesures manuelles en période d’étiage. Le modèle a ensuite été validé en utilisant les âges isotopiques dérivés de 23 ratios ³H/³He (entre 3 et 60 ans) et de 17 valeurs de ¹⁴C (entre 226 et 22 600 ans), ainsi qu’avec 211 résultats de géochimie des ions majeurs. Les résultats montrent que le modèle est en mesure de simuler de manière satisfaisante les âges ³H/³He tandis que les âges ¹⁴C sont généralement sous-estimés. Ces résultats suggèrent un mélange important entre l’eau rechargée durant la dernière déglaciation et l’eau récemment rechargée. Le flux d’eau souterraine régional est faible ou absent et la grande majorité de la recharge retourne au cours d’eau sous forme de débit de base. L’analyse des temps de parcours moyens indique une différence statistiquement significative (α = 0.01) entre les types d’eau souterraine. Le temps de parcours médian est de 165 ans pour les zones de recharge (Ca-HCO₃), de 746 ans pour les zones semi-captives (Na-HCO₃) et de 7 841 ans pour les zones captives (Na–Cl). Ces résultats montrent bien l’utilité des types d’eau souterraine comme indicateurs généraux des temps de parcours de l’eau souterraine.

Acknowledgments

The authors would like to thank the Quebec Ministry of Environment (Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques) and the partners of the regional groundwater assessment projects of the Bécancour and the Nicolet-Saint-François area for their financial contributions. We would also like to thank all the people who were involved in the two regional groundwater projects (research associates, MSc students, field assistant and technicians). Finally, we wish to thank the reviewers for their comments that greatly improved the quality of this work.