Regional groundwater flow dynamics and residence times in Chaudière-Appalaches, Québec, Canada: Insights from numerical simulations

Abstract

As part of the Quebec PACES III provincial groundwater resources assessment programme (Programme d’acquisition des connaissances en eaux souterraines), a regional-scale two-dimensional numerical groundwater model was developed in the Chaudière-Appalaches region, Québec, Canada. The model considers groundwater flow, transport of groundwater age and the influence of a fault on the flow system and its implications for groundwater quality. By including deep and shallow flow systems, the study helps fill a knowledge gap with respect to intermediate flow systems and the role they would play during potential energy resource development including shale gas exploitation from the Utica Shale. Physical and chemical hydrogeological data, including an analysis of ¹⁴C in dissolved inorganic carbon in sampled groundwater, supported a regional conceptual flow model forming the basis for numerical simulations. The numerical model is first calibrated to regional piezometry through a semi-automated workflow using the inverse model PEST. Although some evidence for deeper regional flow exists, the area appears to be dominated by local flow systems on maximum length scales of about 5 km, with significant flow through the top 40 to 60 m of the fractured sedimentary rock aquifer. This regional-scale flow model is also supported by the local hydrogeochemical signatures. Simulated mean groundwater ages show young shallow water of < 100 years with rapid increases in age with depth suggesting diffusion-controlled age evolution. Groundwater age is likely being perturbed in the vicinity of the Jacques Cartier River fault, which can act as both a barrier and a preferential pathway, provided permeability contrasts with the surrounding rock are at least two orders of magnitude.

Dans le cadre du projet Programme d’acquisition de connaissances sur les eaux souterraines III pour la région de Chaudière-Appalaches, Québec, au Canada, l’étude présente une analyse approfondie de l’influence des dynamiques d’écoulement sur la qualité des eaux souterraines dans un contexte régional. L’écoulement régional, le transport d’âge et l’impact d’une faille sur la qualité de l’eau souterraine sont étudiés par l’entremise de modèles numériques bidimensionels. En considérant les systèmes d’écoulement profonds et peu profonds, l’étude clarifie les dynamiques intermédiaires qui les relient et le rôle qu’elles pourraient jouer dans l’exploitation potentielle des gaz de shale de l’Utica. La combinaison de connaissances hydrogéologiques physiques et chimiques, y compris une analyse des concentrations de ¹⁴C dans les eaux souterraines échantillonnées, a conduit à l’ébauche d’un modèle conceptuel de l’écoulement régional sur lequel des simulations numériques ont été basées. Le modèle est d’abord calibré à l’aide du logiciel PEST en comparant les charges simulées à la piézométrie régionale. Bien que le modèle numérique affiche l’existence d’un écoulement régional profond, la région à l’étude apparaît être dominée par des systèmes d’écoulements locaux à des échelles maximales d’environ 5 km, avec un écoulement significatif dans le roc fracturé peu profond. L’écoulement actif se limitant à une profondeur maximale de 40 à 60 m du roc fracturé. La simulation du transport advectif-dispersif de l’âge montre des eaux jeunes de < 100 ans près de la surface et une augmentation rapide de l’âge avec la profondeur suggérant l’importance de la diffusion comme processus de transport. Enfin, les résultats suggèrent que, si le contraste de perméabilité entre la faille et la roche mère est au moins de deux ordres de grandeur, la faille de la Rivière Jacques Cartier pourrait agir à la fois comme une barrière et une zone d’écoulement préférentielle.

Ackowledgements

We acknowledge research support from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), and from a Canada Research Chair in Quantitative Hydrogeology of Fractured Porous Media held by the second author. We are grateful for the assistance from the INRS PACES-CA team, notably Harold Vigneault, Jean-Marc Ballard, Marc-André Carrier, Marc Laurencelle, Xavier Malet, Annie Therrien, Châtelaine Beaudry and Guillaume Légaré Couture, for field work, technical assistance and advice. Christine Rivard, Geneviève Bordeleau and Pierre Ladevèze of the Geological Survey of Canada also provided generous support. We also thank P. Therrien of Université Laval who provided valuable computer technical support.