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Influence de la végétation et des racines sur la performance d'une couverture à effets de barrière capillaire sur un site minier dix-sept ans après restauration

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Proteau, Alex (2021). Influence de la végétation et des racines sur la performance d'une couverture à effets de barrière capillaire sur un site minier dix-sept ans après restauration. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1319

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Résumé

Lors de l’exploitation minière, une quantité importante de rejets miniers sans valeur économique est produite et doit être entreposée. Parmi ces rejets on retrouve les résidus de concentrateur ou résidus miniers, roches broyées restantes suite au traitement du minerai, et les stériles miniers, roches sans valeur commerciale non traitées suite à leur extraction du sol pour atteindre les zones minéralisées. La gestion efficace des rejets miniers est l’un des défis les plus importants pour l’industrie minière en raison de l’impact sur l’environnement que ces derniers peuvent engendrer notamment dans le cas où ils sont générateurs de drainage minier acide (DMA). Le DMA provient principalement de l’oxydation des minéraux sulfureux présents dans les résidus. Un des facteurs essentiels à la création du DMA est donc un apport en oxygène. Ainsi, plusieurs méthodes visant à limiter cet apport en oxygène existent telles les barrières à l’oxygène de type couverture à effets de barrière capillaire (CEBC). Dans un climat humide, une CEBC efficace contient une couche de rétention d’humidité (CRH) maintenue à un haut degré de saturation en eau pour limiter l’apport en oxygène aux résidus réactifs. En effet, un degré de saturation (Sr) élevé dans un sol entraine un faible coefficient de diffusion de l’oxygène (De), ce qui limite le flux de l’oxygène par diffusion; en contrôlant les flux d’oxygène, on limite l’oxydation des résidus miniers et par conséquent la génération de DMA. La végétation consomme l’eau du sol et pourrait nuire à la performance d’une CEBC puisque celle-ci est basée sur le maintien d’un degré élevé de saturation en eau. L’importance d’évaluer l’impact des plantes sur ce type de recouvrement vient également du fait que la présence de racines pourrait modifier la porosité des matériaux, la conductivité hydraulique et la courbe de rétention en eau de la CRH. Si les racines atteignent la CRH d’une CEBC, la formation de macropores par les racines vivantes ou mortes pourrait augmenter la valeur de ksat des matériaux de la CRH, ce qui pourrait d’une part entrainer sa désaturation et d’autre part créer des chemins préférentiels de diffusion de l’oxygène. Cependant, comme les racines des végétaux consomment de l’oxygène, il est aussi possible que celles-ci aient un impact positif sur la performance en consommant une partie de l’oxygène traversant la CEBC. Peu d’études se sont intéressées à la colonisation racinaire des recouvrements et l’effet des racines sur la performance des recouvrements de type barrière à l’oxygène n’a jamais été mesuré directement. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer la performance à moyen terme d’une CEBC colonisée par la végétation et construite en matériaux naturels (sable et silt). Plus précisément, le présent projet vise d’abord à mesurer la végétation aérienne et souterraine colonisant une CEBC de 17 ans d’âge se situant en forêt boréale tempérée, pour ensuite mesurer les paramètres hydrogéologiques de la CRH ainsi que la diffusion d’oxygène à travers la CEBC, et finalement analyser et quantifier l’impact de la végétation sur la performance de la CEBC. Pour ce faire, plusieurs analyses et tests furent effectués. La colonisation végétale a été étudiée par des relevés de densité et de couvert végétal sur 12 transects. Ensuite, la végétation aérienne et l'intensité de la colonisation racinaire (analyse 2D, n= 148) à trois profondeurs de la CRH ont été caractérisées sur 25 parcelles de cinq types de végétation dominants (Salix sp., Populus sp., Alnus sp., Picea sp. et espèces herbacées). De plus, un échantillon de la CRH contenant des racines a été étudié par analyse tomographique aux rayons X (analyse 3D). Des essais en perméamètres à paroi flexible (n= 9) et des tests de rétention d'eau par cellules de pression Tempe (n= 8) ont été utilisés pour caractériser la conductivité hydraulique saturée (ksat) ainsi que la courbe de rétention en eau de la couche de rétention d'humidité (CRH) de la CEBC. Plusieurs échantillons ont été récoltés pour mesurer les propriétés hydrogéotechniques de la CRH, notamment la distribution granulométrique et la porosité (n= 164). La performance de la CRH à contrôler la migration de l'oxygène a été évaluée à l'aide de tests de consommation d'oxygène (TCO, n=20 tests) et de modélisation numérique faite avec POLLUTE. Les propriétés hydrogéotechniques obtenues ont ensuite été mises en relation avec les paramètres de colonisation racinaire. Les travaux de relevé de végétation montrent qu’après 17 ans, la CEBC présente un couvert végétal relativement faible (environ 51%) avec présence d’individus matures du même âge que la CEBC démontrant la capacité de la végétation forestière environnante à coloniser ce site. Les défis rencontrés par les espèces ligneuses sont le manque d’eau dans la couche de protection ainsi que le manque de nutriments dans le sol. Les espèces ligneuses dominantes sur le site sont donc des espèces fixatrices d’azote comme Alnus sp., tolérantes au manque d’eau comme P. mariana ou tolérantes au manque de nutriments et ayant un système racinaire profond pouvant atteindre l’eau de la CRH comme Salix sp. Suite à la caractérisation effectuée, la colonisation racinaire se concentre surtout dans la partie supérieure de la CEBC, soit entre 0 et 40 cm de profondeur, ce qui inclut la couche de protection (CP) et les premiers 10 centimètres de la CRH. La densité de longueur des racines (RLD) moyenne dans les parcelles dominées par Salix sp. était plus élevée que dans les autres parcelles. Cette colonisation a été observée sous tous les types de végétation étudiés, incluant les espèces herbacées. La conductivité hydraulique saturée augmente avec l’intensité de colonisation racinaire en termes de RLD. Les résultats ont montré qu'une densité de longueur de racine plus grossière (diamètre > 0,5 mm) avait une corrélation linéaire positive avec ksat (R2 = 0,90) et que, à mesure que la densité de longueur racinaire totale (RLD) augmentait, les valeurs d'entrée d'air diminuaient (R2 = 0,70). Le taux de désorption est aussi affecté par la colonisation racinaire. Le taux de désorption est la vitesse à laquelle l’eau se draine de la CRH à différentes valeurs de succion. L’augmentation de la colonisation racinaire en termes de RLD semble diminuer ce taux, ralentissant ainsi la sortie d’eau en drainage et diminuant donc la conductivité hydraulique. Il semblerait aussi que la présence de racine crée une double porosité dans la CRH modifiant ainsi sa courbe de rétention d’eau. Il a été observé que la porosité totale de la CRH n’a pas changé significativement suite à la colonisation racinaire de la CEBC, mais il est possible que la distribution des pores l’ai été. La colonisation par les racines fines qui absorbent l’eau et le degré de saturation sont négativement liés par une relation linéaire (p= 0,001, R2= 0,50). Malgré la colonisation racinaire à la surface de la CRH, les flux d’oxygène furent généralement conformes aux critères de conception de la CEBC. Une consommation d'oxygène a été mise en évidence dans la CRH et a été exprimée avec un coefficient de réactivité (Kr). Une corrélation linéaire positive (p< 0,001, R2 = 0,70) a été trouvée entre RLD et Kr, donc la présence de racines dans la CRH impacte le flux d’oxygène qui traverse la CEBC. Il a été observé que le niveau de CO2 augmente dans les chambres à gaz des TCO ce qui laisse supposer qu’il y a respiration racinaire dans le sol. Les TCO ont permis de quantifier l’impact racinaire sur le flux d’oxygène et il semblerait que celui-ci soit réduit de 0,5 à 76 g/m2/an avec une moyenne de 13 g/m2/an. La présence de racines dans la CRH a entrainé une diminution du flux d’oxygène dans tous les TCO effectués. Pour conclure, la colonisation racinaire après 17 ans ne diminue pas la performance d’une CEBC en forêt boréale tempérée. Comme la colonisation se limite aux 10 premiers cm de la CRH, le reste de la CRH maintient la performance globale du recouvrement. De plus, la présence de racines crée une consommation en oxygène qui semble non négligeable et aide au maintien de la performance. Cette performance devrait être maintenue à long terme si la colonisation racinaire reste en surface de la MRL. Un suivi de la végétation devrait être répété à plus long terme afin de s’assurer du niveau de pénétration des racines dans la CEBC.

Type de document: Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse: Guittonny, Marie
Codirecteurs de mémoire/thèse: Bussière, Bruno et Maqsoud, Abdelkabir
Mots-clés libres: couverture à effets de barrière capillaire, drainage minier acide, restauration minière, résidus miniers, couverture de type barrière à l’oxygène en milieu forestier, respiration des racines, test de consommation d’oxygène, impact de la végétation, modélisation numérique, impact racinaire, conductivité hydraulique, courbe de rétention en eau.
Divisions: Mines et eaux souterraines > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt: 21 déc. 2021 14:34
Dernière modification: 21 déc. 2021 14:34
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1319

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