Influence de la végétalisation sur le bilan hydrique d'un recouvrement barrière à l'oxygène utilisé pour contrôler le drainage minier acide

Arabyarmohammadi, Hoda (2024). Influence de la végétalisation sur le bilan hydrique d'un recouvrement barrière à l'oxygène utilisé pour contrôler le drainage minier acide. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1655

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Résumé

RÉSUMÉ
Les recouvrements avec nappe phréatique surélevée (NPS) font partie des diverses méthodes développées ces dernières décennies pour contrôler le drainage minier acide associé aux installations de stockage de résidus miniers. L’efficacité et le bilan hydrique de ces systèmes de recouvrement sont étroitement liés. La végétation est connue comme un élément interférant sur le bilan hydrique des recouvrements en influençant des processus tels que l’évapotranspiration et la rétention d’humidité dans les matériaux du recouvrement, en pompant l’eau à travers les racines et en modifiant les propriétés des matériaux colonisés. La présente étude visait à évaluer l’impact de la colonisation racinaire de deux types de végétation (plantes herbacées et ligneuses) sur le bilan hydrique et les propriétés hydrogéologiques de différentes configurations de recouvrement NPS dans un contexte de climat humide. L'étude a été réalisée à l'aide de six cellules expérimentales de type lysimètres volumiques en forme de pyramides tronquées inversées, avec une couche de 1 m de résidu générateur d'acide au fond, recouverte d'une couche de 0,5 m d'épaisseur de résidus silteux désulfurés comme couche de barrière à l’oxygène (couche fonctionnelle), puis d’une couche de mort-terrain non argileux à grains fins de 0,3 m d'épaisseur en surface. Le premier objectif était d'évaluer l'effet de différents types de végétation et de l’ajout de couches de matériaux supplémentaires sur le bilan hydrique de ce système de recouvrement pendant la saison de croissance. À cette fin, le bilan hydrique a été mesuré sur cinq cellules, incluant une cellule témoin sans végétation, et quatre cellules végétalisées (une avec herbacées agronomiques et trois avec saule à croissance rapide). Parmi les trois cellules plantées de saules, deux comportaient une couche supplémentaire (sable ou boues de traitement des eaux acides – HDS) entre mort-terrain et résidus désulfurés. Les données hydrogéologiques (teneur en eau et succion dans les couches, position de la nappe phréatique dans les cellules) et les données de précipitations ont été collectées au cours de trois saisons de croissance successives après la végétalisation (c.a.d. 2019, 2020 et 2021). L’évolution de la végétation aérienne et souterraine a également été surveillée. Il a été constaté que pour tous les scénarios testés, l’évapotranspiration était la principale composante du bilan hydrique, avec une part de 79 à 98 % des précipitations cumulées. La végétation herbacée s'est avérée fournir une option plus sûre pour la performance du recouvrement que la végétation ligneuse, gardant les résidus Goldex plus saturés pendant toute la période d'étude (le degré de saturation moyen, 0.6<Sr<1) et la nappe phréatique plus haut dans la cellule (principalement dans la couche de résidus Goldex). Cependant, en présence de saules, la nappe phréatique se trouvait la plupart du temps dans la couche de résidus réactifs Doyon et le Sr dans la couche de résidus Goldex variait entre 0.4-0.9. L'augmentation de l'épaisseur du système de recouvrement en ajoutant une couche de boues HDS à grains fins au-dessus de la couche fonctionnelle a stimulé la croissance des saules, abaissé la position de la nappe phréatique ainsi que le Sr dans les résidus Goldex. L'ajout d'une couche de bris capillaire à grains grossiers a augmenté la part de percolation.

L'étude visait en deuxième lieu à étudier tout lien possible entre les paramètres racinaire et les propriétés hydrogéologiques de la couche de recouvrement faite de résidus désulfurés. Un suivi sur le terrain a été menée à cet effet en utilisant les six cellules expérimentales. Des carottes non perturbées ont été collectées dans la couche fonctionnelle du recouvrement en 2020 et 2021, respectivement, ainsi que des échantillons consécutifs de matériaux à profondeur croissante pour caractériser la densité de colonisation racinaire. Les paramètres racinaires, tels que la densité de longueur des racines (RLD), et les propriétés hydrogéologiques (conductivité hydraulique saturée et courbe de rétention en eau) ont été mesurés sur les carottes non perturbées afin d'évaluer les relations possibles entre les deux catégories de variables. Des tranchées d'observation des racines ont également été creusées dans chaque cellule afin de mieux analyser les profils de densité et d'occurrence des racines visibles à l’oeil nu. Au cours de la période d'étude, les racines des plantes herbacées et ligneuses ont principalement colonisé la couche supérieure de mort-terrain de la cellule (>86 % de racines visibles) et ont à peine occupé la couche fonctionnelle du recouvrement (moins de 10 % de racines visibles). À la fin de la période d'étude de quatre ans, le comportement hydrogéologique de la couche fonctionnelle dans toutes les cellules avec/sans végétation/couches de matériau supplémentaires s'est avéré similaire sans aucun impact significatif des racines sur les principales variables hydrogéologiques contrôlant l’efficacité du recouvrement.

Dans la dernière partie de cette étude, un modèle hydrogéologique a été développé et calibré en utilisant les propriétés hydrogéologiques mesurées comme entrées du modèle. Ce modèle calibré a ensuite été utilisé pour des prédictions de la performance de la technique sous les effets potentiels du changement climatique (climat projeté pour la fin du siècle) et de l'évolution de la végétation (conditions forestières futures anticipées) à l'aide de simulations numériques SEEP/W. Le modèle hydrogéologique a été calibré avec comme sorties les percolations mesurées sur le terrain et les valeurs de Sr dans les couches de recouvrement de trois cellules, dont la cellule témoin avec une couche de mort-terrain et les deux autres cellules de configuration similaire comparant différents types de végétation. Les ratios entre l'évapotranspiration cumulée (E) et la percolation cumulée (P), entre E et les précipitations cumulées (R) et entre P et R ont été calculés pour analyser les résultats. Selon les simulations, si la végétation actuelle persistait, le scénario de changement climatique sélectionné entraînerait des ratios E/R et P/R plus élevés pour toutes les cellules, avec une recharge et un niveau plus élevé de la nappe phréatique par les précipitations; le recouvrement s'est avéré efficace pendant la majeure partie de la saison de croissance. En considérant la végétation forestière future combinée au climat actuel, un E plus élevé et un P plus faible que celles avec végétation actuelle (E/R = 98,6 %, P/R = 0 %) et une perte de performance du recouvrement ont été prédits (Sr dans la couche du résidus Goldex < 85 % et niveau phréatique inférieur à la valeur d'entrée d'air des résidus réactifs). Enfin, la combinaison du changement climatique au scénario de végétation de fin de succession n’a pas modifié de manière significative les résultats du modèle par rapport à la végétation de fin de succession sans changement climatique. Cette étude préliminaire et exploratoire a indiqué que les impacts à long terme de la végétation sur le bilan hydrique et la performance des systèmes de recouvrement de type NPS devraient être pris en compte dans les conceptions futures et surveillés après construction. Il est recommandé d’utiliser l’approche méthodologique combinant modèles physiques et numériques avec végétation pour mieux intégrer celle-ci dans la conception des systèmes de recouvrement.

ABSTRACT
Covers with an elevated water table (EWT) are among the various reclamation methods developed in recent years devoted to control acid mine drainage from tailings storage facilities. The efficiency and the water balance of these cover systems are closely interrelated. Vegetation is known as an interfering component on the water balance of covers by influencing processes such as evapotranspiration and soil moisture retention in the cover by pumping water through the roots and modifying the properties of the colonized material. The present study aimed to evaluate the impact of root colonization of two types of vegetation (seeded herbaceous and planted willows) on the water balance and the hydrogeological properties of a EWT cover in context of a humid climate. The study was carried out using six experimental cells in form of inverse truncated pyramidal lysimeters with a basic design of 1 m of acid-generating residue at the bottom, covered with a 0.5 m-thick layer of desulphurized silty residue as the functional layer of the cover and covered with 0.3 m-thick fine-grained non-clayey overburden. One of the main objectives was to evaluate the effect of different types of vegetation and additional layers on the water balance of this type of cover. For this purpose, water balance was measured for five cells including the control cell with an overburden top layer, and the remaining four vegetated cells. Hydrogeological (moisture content and suction in layers, water table positions in cells), and precipitation data collected throughout three successive growing seasons after revegetation (i.e. 2019, 2020, and 2021). Above- and below-ground vegetation developments were also monitored. It was found that for all tested scenarios, the evapotranspiration was the main water balance component with 79–98% share of the total precipitated water. Herbaceous vegetation was found to provide much safer support for the cover performance than woody vegetation, keeping the Goldex tailings more saturated during the whole study period (the mean degree of saturation, 0.6<Sr<1) and the water table higher in the cell (mainly in the Goldex tailings layer). However, in the presence of willows, the water table was mostly in the Doyon reactive tailings layer and the Sr in the Goldex tailings layer varied between 0.4-0.9. Elevating the thickness of the layer above the functional layer by adding a layer of fine-grained HDS sludge, stimulated willow growth, lowered the water table position as well as the Sr in the Goldex tailings. Adding a coarse-grained capillary break layer increased the share of percolation.

The study also aimed at investigating any possible link between root characteristics and hydrogeological properties of the cover layer. The four-year field investigation for this purpose was conducted using all six experimental cells. Consecutive and undisturbed cores were collected from the cover’s functional layer in 2020 and 2021, respectively. Root parameters, such as root length density, and hydrogeological properties were measured on the core samples to assess the possible relationships between the two categories of variables. Root observation trenches were also cut in each cell to better analyze the root density and occurrence profiles. Within the period of the study, both herbaceous and woody vegetation roots mostly colonized the top overburden layer of the cell (>86% visible roots) and barely occupied the functional layer of the reclamation cover (less than 10% visible roots). The observed maximum desorption rates for the functional layer were lower than the predicted values, which could be a short-term effect of the fine roots. At the end of the four-year study period, the hydrogeological behavior of the functional layer in all cells with/without vegetation/additional soil layers were found to be similar with no significant impact of roots on the main hydrogeological variables controlling the cover’s efficiency.

As the final part of this study, a hydrogeological model was developed and calibrated using the root-modified hydrogeological properties an input and was further used for predictions on the performance of the technique under the effects of climate change and those of the vegetation evolution. For the predictions, the effects of end-of-century projected climate and anticipated future forest conditions on water balance of the cover were analyzed using SEEP/W numerical simulations. The hydrogeological model was calibrated with field percolations and Sr values in cover layers of three cells, including the control cell with an overburden layer and two other cells with similar configuration comparing different vegetation types. Ratios of cumulative evapotranspiration (E) to cumulative percolation (P), E to cumulative rainfall (R), and P to R were calculated to analyze the outputs. According to the simulations, if the current vegetation persisted, climate change led to higher E/R and P/R ratios for all the cells, resulting in higher recharge of the water table by precipitation; the cover was found to be efficient for most of the growing season. Considering the ultimate forest vegetation under the current climate, higher E and lower P than current conditions (E/R = 98.6%, P/R = 0%) and loss of performance of the cover were predicted (Sr <85% and phreatic level below the air entry value of reactive tailings). Finally, adding climate change to late successional vegetation scenarios did not significantly change the model outputs compared to late vegetation only. This preliminary and exploratory study indicated that long-term vegetation impacts on the water budget and performance of EWT covers should be closely considered and monitored in future designs. It is recommended to use the methodological approach combining physical and numerical models with vegetation to better integrate it into the design of covering systems.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Guittonny, Marie
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Demers, Isabelle
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal. / Cette thèse contient des articles qui ont été publiés dans des revues. Voici les liens vers les versions officielles : l’article « Influence of vegetation and additional surface layers on the water balance of a reclamation cover with elevated water table » a été publié par Springer Nature’s dans la revue « Environmental Earth Sciences » en 2023 : https://doi.org/10.1007/s12665-023-10969-1; l’article « Root colonisation effects on the key hydrogeological properties of a reclamation cover with an elevated water table » a été publié par Taylor & Francis dans la revue « International Journal of Mining, Reclamation and Environment » en 2024 : https://doi.org/10.1080/17480930.2024.2325187; l’article « Numerical simulation of the effects of climate change and late-successional vegetation on the water balance of a soil cover with an elevated water table » a été publié par Springer Nature’s dans la revue « Hydrogeology Journal » en 2025 : https://doi.org/10.1007/s10040-025-02877-4.
Mots-clés libres:	Recouvrements de type barrière à l'oxygène, Bilan hydrique, Percolation, Évapotranspiration, Couches de revégétalisation, Restauration des résidus miniers générateurs d'acide, Résidus désulfurés, Oxygen-barrier cover systems, Water balance, Percolation, Evapotranspiration, Revegetation layers, Reclamation of acid generating mine wastes, Desulfurized tailings
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	24 mars 2025 14:15
Dernière modification:	24 mars 2025 14:15
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1655

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