Origine, occurrence et devenir des nitrates dans les eaux souterraines du substratum rocheux sédimentaire dans les Maritimes

Cathy Ryan, Université de Calgary, 2012 - 2014
Enjeu

La contamination des eaux souterraines due aux activités agricoles dans les régions où les aquifères sont peu profonds représente une menace sérieuse pour la qualité des eaux souterraines au Canada. Dans les régions fracturées, l’héritage de contamination par les nitrates qui se diffusent depuis des décennies dans la matrice rocheuse peut poser un problème dont les incidences ne sont pas comprises par les scientifiques et dont les utilisateurs ne sont pas pleinement conscients. Dans les régions qui dépendent majoritairement de l’eau souterraine, les utilisateurs doivent comprendre dans quelle mesure la gestion agricole permet d’atténuer la charge de nitrates dans la nappe phréatique sans susciter de pertes économiques importantes et, lorsque la charge des eaux souterraines diminuera, à quel rythme on peut s’attendre à voir diminuer les concentrations actuelles de nitrates dans l’eau des puits. 

Malgré le danger de contamination des eaux souterraines, ce problème n’a toutefois pas fait l’objet de recherche appliquée et il n’existe donc pas de données probantes sur lesquelles appuyer la prise de décisions en matière de réglementation et de gestion. De plus, il n’y a pas de méthode convenue pour l’estimation du devenir et du transport des nitrates dans les eaux souterraines des aquifères peu profonds. Les utilisateurs et les autorités de réglementation des eaux souterraines des régions où la contamination par des nitrates pose problème ont besoin d’un cadre scientifique et économique à l’appui de la prise de décisions en matière de traitement et de contrôle des sources de pollution. Ce projet, sous la direction de Cathy Ryan, fournit des orientations pour la conception de programmes de surveillance des eaux souterraines et la construction de puits d’approvisionnement qui maximisent la production et limitent le captage d’eaux souterraines riches en nitrates. 

Le projet vise les objectifs suivants :

i)                    Améliorer l’estimation quantitative de la charge de nitrates dans les eaux souterraines peu profondes en fonction de diverses bonnes pratiques de gestion;

ii)                   Améliorer la compréhension de l’écoulement entre les zones insaturées et les zones d’eaux souterraines;

iii)            Comprendre le rôle des nitrates stockés dans la matrice et les mécanismes d’atténuation. 

Projet

L’équipe de recherche effectuera des études de terrain dans des aquifères situés en milieu de roche fracturée à l’aide de nouvelles méthodes novatrices pour caractériser la zone non saturée, les zones d’eaux souterraines peu profondes et les zones d’eaux souterraines profondes dans des secteurs ciblés des Maritimes, afin de mieux définir les relations entre les pratiques agricoles et la qualité des eaux souterraines et de caractériser le système des eaux souterraines (notamment, les voies et temps d’écoulement des eaux et des contaminants). Ces travaux permettront d’évaluer l’impact actuel des activités agricoles et d’en prédire l’impact futur. Les chercheurs intégreront à des modèles conceptuels et mathématiques des estimations de la charge de nitrates dans les eaux souterraines, et procéderont à une extrapolation à une plus vaste échelle géographique. Ils effectueront une évaluation sur le terrain de la masse de nitrates stockés dans la matrice pour améliorer le modèle conceptuel de l’écoulement et du transport des nitrates dans les aquifères de roche sédimentaire. Ces travaux permettront d’améliorer le paramétrage sur le terrain et la modélisation mathématique aux fins d’établir le pronostic de la teneur en nitrates dans les eaux souterraines dans les secteurs touchés depuis longtemps, une fois les charges réduites.

Les chercheurs réaliseront également une analyse économique afin d’estimer les bénéfices nets que représenteraient pour le producteur de nouvelles pratiques agricoles qui influent sur les teneurs en nitrates dans les eaux souterraines. Pour ce faire, ils recueilleront des données économiques et hydrologiques qu’ils intégreront à des modèles économiques et de bassins versants au moyen de références spatiales d’un système d’information géographique (SIG). Ils pourront ainsi examiner le rendement comparatif de pratiques exemplaires de gestion et cerner des zones prioritaires pour l’implantation de ces pratiques en vue de l’atteinte d’objectifs de protection des eaux souterraines aux plus faibles coûts économiques possible. L’application de l’analyse économique du rendement comparatif au niveau de l’exploitation agricole sera étendue à l’échelle régionale et de l’aquifère.

Produits
  • Élaboration de cinq guides destinés aux utilisateurs sur les sujets suivants :
    • Forage et instrumentation de puits de surveillance des eaux souterraines efficaces pour la collecte de données hydrogéologiques dans le substratum rocheux fracturé;
    • Forage de puits d’approvisionnement d’eaux souterraines qui minimisent les intercommunications dans la roche fracturée (pour réduire les voies d’accès) et les zones riches en nitrates;
    • Conception de programmes de surveillance de la qualité des eaux souterraines adéquats pour évaluer les répercussions des changements dans l’utilisation des terres;
    • Approches efficaces pour l’évaluation de la charge relative de nitrates dans les eaux souterraines en fonction de différentes pratiques exemplaires de gestion pour tous les aspects de l’industrie agricole;  
    • Création d’un modèle conceptuel robuste qui permet l’évaluation des zones de protection des têtes de puits et des projections à long terme.
  • Analyse économique des pratiques exemplaires de gestion en tant que vecteurs de changements dans la qualité des eaux.
  • Évaluation et comparaison de politiques novatrices (p. ex., système de vente aux enchères inversée, système de permis pour mesures d’atténuation) par rapport aux politiques conventionnelles en matière de coût-efficacité, d’efficience environnementale et d’équité.

Pour diffuser les résultats et planifier les recherches, les chercheurs et les partenaires se rencontreront sur une base régulière :

  • Réunions à l’Université de l’Île-du-Prince-Édouard en mai 2013 regroupant quelque 30 participants;
  • Notre partenaire d’Agriculture et Agroalimentaire Canada, Yefang Zhang, a organisé une visite sur le terrain au site de recherche de Souris en mai 2013 et quelque 15 personnes y ont participé;
  • Il y aura une visite guidée hydrogéologique de la Vallée d’Annapolis (région d’aquifère en milieu de grès fracturé où il y a une intense activité agricole et des problèmes connexes de nitrates dans les eaux souterraines) à laquelle participeront quelque 35 personnes.
Résultats
  • Changements dans les pratiques en lien avec la production de guides sur la conception et l’instrumentation de puits de surveillance des eaux souterraines, de puits artésiens pour usage domestique ou industriel, ainsi que de méthodes d’études des eaux souterraines et la conception de réseaux de surveillance améliorés en milieux sédimentaires fracturés.
  • Prise de décision éclairée en lien avec l’analyse économique des pratiques exemplaires de gestion et les résultats de la comparaison des options de politiques novatrices
  • Meilleures connaissances grâce aux programmes de surveillance des eaux souterraines.
Ryan_288.jpg

Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Cathy Ryan, professeure agrégée, Université de Calgary
Alfons Weersink, professeur, Université de Guelph
David L. Burton, professeur et titulaire de la Chaire de recherche en changement climatique, Collège d’agriculture de la Nouvelle-Écosse
Karl Butler, professeur et directeur du département de génie géologique, Université du Nouveau-Brunswick

John A. Cherry, professeur distingué émérite et professeur auxiliaire, Université de Waterloo et Université de Guelph

Kerry T. MacQuarrie, professeur et titulaire de la Chaire de recherche du Canada, Université du Nouveau-Brunswick
Irene Novaczek, directrice, Institut d’études de l’Île, Université de l’Île-du-Prince-Édouard
Alfons Weersink, professeur, Université de Guelph
Beth Parker, professeure et titulaire de la Chaire de recherche industrielle, Université de Guelph

Partenaires

Direction générale des services agroenvironnementaux, Agriculture et Agroalimentaire Canada, Ontario
Direction générale de la recherche, Agriculture et Agroalimentaire Canada, Nouveau-Brunswick
Fermes Cavendish, Nouveau-Brunswick
Ministère de l’Environnement, du Travail et de la Justice de l’Île-du-Prince-Édouard

Ville de Charlottetown, Île-du-Prince-Édouard
Ministère de l’Environnement de la Nouvelle-Écosse
L’institut canadien des engrais, Ottawa (Ontario)
Prince Edward Island Potato Board, Île-du-Prince-Édouard
Stantec Consulting Inc., Nouveau-Brunswick
Ministère de l’Agriculture de l’Île-du-Prince-Édouard
Environnement Canada, Fredericton (Nouveau-Brunswick)