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Influence des changements climatiques sur la performance de couverture à effets de barrière capillaire : étude du cas Lorraine

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Hotton, Gwendoline (2019). Influence des changements climatiques sur la performance de couverture à effets de barrière capillaire : étude du cas Lorraine. Mémoire. Rouyn-Noranda, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Génie, 216 p.

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Résumé

La restauration des aires d’accumulation des rejets miniers (parcs à résidus, haldes à stériles), en particulier pour les sites générateurs de drainage minier acide (DMA), constitue un des principaux défis environnementaux auxquels doivent faire face l’industrie minière et les gouvernements responsables des sites abandonnés. De plus, à ces risques environnementaux intrinsèques aux activités minières, s’ajoutent désormais les enjeux liés aux changements climatiques (CC). En effet, d’importantes variations de températures et de précipitations sont à prévoir sur l’ensemble du Canada au cours des prochaines décennies. En particulier, au sud du 50ème parallèle, une augmentation de la fréquence et de la durée des évènements de sécheresse ainsi qu’une augmentation des moyennes annuelles de précipitations et de température sont anticipées. Actuellement, les travaux de restauration minière prennent peu en considération les CC dans leur conception et augmentent ainsi les risques environnementaux associés aux problèmes de stabilité chimique et physique des rejets miniers. Le site minier Lorraine a été abandonné à la fin de l’exploitation en 1968 sans aucune considération environnementale, laissant ainsi les résidus contenant des minéraux sulfureux s’oxyder et générer du DMA pendant plus de 30 ans. La restauration entreprise par le ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles (MERN) a permis la construction en 1999 d’une couverture à effets de barrière capillaire (CEBC) visant à limiter la production de DMA. La performance de cette technique se base sur le maintien d’un degré de saturation (Sr) supérieur à 85 % dans l’une des couches du recouvrement, appelée couche de rétention d’eau, afin de limiter la migration de l’oxygène vers les résidus réactifs sous-jacents. Cependant, plusieurs incertitudes liées à l’influence des CC sur la performance des CEBC émergent en raison de leur interaction avec le milieu environnement, en particulier les conditions climatiques. En effet, l’augmentation des précipitations peut avoir un effet positif sur le degré de saturation réduisant le flux d’oxygène vers les rejets réactifs. Cependant, les évènements de sécheresse pourraient causer la désaturation de la couche de rétention d’eau et donc, induire une augmentation du flux d’oxygène à travers le recouvrement et générer du DMA. Le principal objectif de cette étude est d’évaluer l’influence des CC sur la performance à long-terme de la CEBC du site Lorraine. De façon plus spécifique, les objectifs du projet consistent à : (i) développer un modèle numérique capable de représenter le comportement hydrogéologique actuel de la CEBC du site Lorraine, (ii) évaluer l’influence des conditions climatiques annuelles moyennes d’ici 2100 et (iii) évaluer l’influence de conditions extrêmes de sécheresse sur la performance à long-terme de la CEBC. Un modèle numérique 2D a ainsi été développé avec le logiciel SEEP/W (Geo-Slope International Ltd.). Le modèle a premièrement été validé à partir de trois années de données météorologiques et hydrogéologiques mesurées sur le terrain entre 2001 et 2003. Les données journalières de six paramètres climatiques ont pu être appliquées comme condition frontière de surface grâce à la condition land-climate-interaction (LCI) : la température, les précipitations, l’humidité relative et la vitesse du vent obtenues de la station météorologique de l’aéroport d’Earlton, l’albédo défini à 0,2 et correspondant à un sol peu végété comme sur le site Lorraine et les variations du rayonnement solaire estimées par SEEP/W en fonction de la latitude du site (47,7°). Le modèle validé a ensuite été utilisé avec 3 scénarios de CC pour la période 2098-2100 (IPSL, MIROC et GFDL). Le scénario IPSL a été choisi car il simule le pire changement climatique attendu pour le comportement hydrogéologique de la CEBC. Il projette la combinaison d’une augmentation élevée de température (+ 7 °C) et d'une faible augmentation des précipitations (+ 0,7 %), pouvant conduire à une plus importante désaturation de la couche de rétention d’eau. GFDL a été sélectionné comme scénario médian avec une augmentation de température d'environ 5 °C et une augmentation de précipitations de 26,1 %. MIROC a quant à lui été choisi comme scénario présentant les plus fortes augmentations de température et de précipitations, + 9,9 °C et + 51,1 %, respectivement. Des conditions extrêmes de sécheresse ont également été appliquées au modèle de la CEBC de Lorraine. La méthodologie développée dans cette étude consistait à se concentrer sur deux paramètres : la durée de la sécheresse (d) et le cumul des précipitations des 30 jours précédents la sécheresse (CPBD). La sécheresse historique maximale observée à la station de l’aéroport d’Earlton a pu être caractérisée avec une durée de 42 jours pour un CPBD de 3 mm. Le même travail de caractérisation a été effectué sur les données climatiques projetées avec le scénario IPSL et a permis de calculer le changement relatif entre les sécheresses de la période historique et celles de la période future. Ainsi, une augmentation de 22 % de la durée des sécheresses et une augmentation de 50 % du CPBD ont été calculée pour l’horizon 2100. Une sécheresse future a ainsi été définie et appliquée au scénario IPSL en considérant une durée de 51 jours et un CPBD de 6 mm. Les résultats des différentes simulations effectuées indiquent que le comportement hydrogéologique de la CEBC du site Lorraine est impacté par les scénarios et les conditions climatiques extrêmes testés. Les niveaux piézométriques baissent de 14 cm en moyenne avec le scénario climatique le plus pessimiste (IPSL) et baissent au maximum de 42 cm lorsqu’une sécheresse future est appliquée. Cependant, les teneurs en eau volumique simulées dans le recouvrement indiquent que les effets de barrière capillaire persistent malgré les CC et les évènements de sécheresse et le critère de performance (Sr > 85 % dans la couche de rétention) a été atteint avec tous les scénarios et conditions climatiques testés. Ce projet a permis de mettre en avant l’influence des CC sur la CEBC du site Lorraine et confirme que le design de ce recouvrement est robuste face aux CC et aux conditions extrêmes de sécheresse testés. Plus généralement, cette étude illustre l’utilité des modélisations numériques pour quantifier l’influence des CC sur la performance à long terme des CEBC à contrôler la génération de DMA. De tels travaux permettraient par la suite de développer des indices climatiques adaptés au secteur minier, adaptables à chaque site en tenant compte des scénarios climatiques locaux. Ils pourraient s’intégrer dans une approche méthodologique permettant de prendre en considération les CC et les futures conditions climatiques extrêmes dès la conception des ouvrages de restauration minière et faciliteraient l’intégration des CC dans les cadres réglementaires.

Type de document: Thèse (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Buissière, Bruno
Co-directeurs de mémoire/thèse: Pabst, Thomas
Mots-clés libres: Couverture à effets de barrière capillaire (CEBC), Drainage minier acide (DMA), Restauration de site minier, Modélisation numérique, Changements climatiques
Divisions: Sciences appliquées > Maîtrise en sciences appliquées
Date de dépôt: 10 juin 2019 15:05
Dernière modification: 10 juin 2019 15:05
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/814

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