Modélisation du bilan hydrique de cellules expérimentales de roches stériles avec ou sans recouvrement végétalisé

Jalabert, Julieta Roxana (2024). Modélisation du bilan hydrique de cellules expérimentales de roches stériles avec ou sans recouvrement végétalisé. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1872

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Résumé

RÉSUMÉ

L'industrie minière génère de grandes quantités de roches stériles qui doivent être entreposées en surface dans des haldes. Ces haldes occupent une superficie importante et peuvent atteindre une hauteur considérable. Elles constituent un milieu favorable à l'infiltration de l'eau. La gestion des volumes d’eau importants engendrés par cette percolation représente un défi pour l’industrie minière pendant les opérations et après restauration, en particulier si l’eau est contaminée ou lors d’événements extrêmes de précipitations. Ainsi, toute réduction de ces volumes représente un avantage pour les gestionnaires de sites.

Dans un climat humide comme celui du Québec, des volumes importants d'eau peuvent s'infiltrer et percoler à travers les haldes à stériles. Il a été démontré que l'utilisation d'un recouvrement de sol végétalisé est une technique prometteuse pour réduire le volume d'eau des précipitations qui percole. Cette technique combine l'utilisation d'une couverture ayant la capacité de stocker l'eau de pluie pendant les périodes humides et de la relarguer par évaporation pendant les périodes sèches. La présence de plantes contribue également à diminuer la quantité d'eau disponible dans le sol. Cette approche s'apparente au concept d'un recouvrement évapotranspirant de type stockage-relargage (SR).

L'approche de conception des recouvrements recommandée en restauration minière intègre l’utilisation de modèles numériques couplée à des essais à différentes échelles pour identifier les meilleurs designs. Il semble essentiel d’intégrer l’effet de la végétation dans ces approches, mais peu de travaux sont encore disponibles sur la capacité des modèles numériques à intégrer cet effet de manière satisfaisante.

Ce projet vise à évaluer l'effet de la végétalisation sur le bilan hydrique de roches stériles et à déterminer la capacité d'un modèle numérique d’hydrogéologie non saturée à simuler cet effet. L’approche proposée pour la réalisation de ce projet s’est appuyée dans un premier temps sur l'évaluation et la quantification des composantes du bilan hydrique dans un contexte minier réel. Trois cellules lysimétriques à grande échelle (64 m2 - 71 m2), équipées de sondes de teneur en eau, de réservoirs collecteurs et de sondes de niveau pour mesurer la percolation, et d’une station météorologique pour quantifier les différents paramètres météorologiques, ont été construites sur la berme ouest du parc à résidus de la mine Canadian Malartic (MCM). La première cellule était composée de 1,2 m de roches stériles seules (Lys-5), la deuxième de 1,2 m de roches stériles avec un recouvrement en sol de 0,5 m d’épaisseur (Lys-4), et la troisième de 1,2 m de roches stériles avec un recouvrement en sol de 0,5 m d’épaisseur végétalisé avec une plantation de saule à croissance rapide (Salix miyabeana Sx64) (Lys-2). Le recouvrement en sol des cellules Lys-4 et Lys-2 comportait 0,4 m de mort-terrain, classifié comme du sable silteux avec gravier, présentant une distribution granulométrique faiblement étalée (SP – Classification USCS) (désigné sous le nom de MT ou MT-SP dans le présent document), et 0,1 m de terre végétale.

Un suivi sur cinq saisons de croissance (2017-2021), de juin à octobre, a montré que la percolation représente la principale composante du bilan hydrique des roches stériles non restaurées (Lys-5). Sur roches stériles seules, la percolation a atteint des valeurs entre 75 % et 86 % des précipitations cumulées. L'ajout d'une couche de sol de 0,5 m (Lys-4) a entraîné une diminution de 36 % du volume d'eau de précipitation percolant au cours de la première année, atteignant un maximum de 64 % de réduction en 2021. Et finalement, l'ajout d'une plantation de saules à croissance rapide sur le recouvrement de sol, a permis de mieux contrôler le volume de percolation. Les résultats ont montré une réduction pouvant aller jusqu’à 88 % de la percolation par rapport à la cellule de stériles sans recouvrement (Lys-5) et jusqu’à 34 % par rapport à la cellule avec un recouvrement non végétalisé (Lys-4).

Dans un deuxième temps, l’approche a consisté à utiliser un modèle numérique d'éléments finis (SEEP/W) pour simuler la dynamique d'écoulement observée sur les trois cellules de terrain. Les modèles ont été calibrés et vérifiés à l'aide des données de terrain en ajustant les propriétés hydrogéologiques des matériaux et les paramètres de végétation.

Les résultats des simulations du logiciel SEEP/W ont démontré la possibilité de simuler efficacement la dynamique de percolation observée sur chaque cellule de terrain. Le calibrage et la vérification du Cas 1 avec roches stériles seules indiquent que le modèle est capable de reproduire la dynamique de percolation générale observée sur le terrain, mais qu'il peut exister une légère surestimation ou sous-estimation de la percolation pendant certains épisodes pluvieux (RMSE 0,005 - 0,008 m3). Pour les simulations avec couche de sol ± plantation de saules (Cas 2 et Cas 3), les simulations ont également été capables de reproduire la dynamique de percolation avec des RMSE de 0,005 - 0,006 m3 pour le Cas 2, et de 0,003 - 0,0013 m3 pour le cas 3. Cependant, des écarts ont été observés entre les valeurs simulées et mesurées de teneur en eau volumique dans le sol, particulièrement dans le mort-terrain (RMSE de 0,040 - 0,048 m3/m3 pour le Cas 2, et de 0,092 - 0,099 m3/m3 pour le cas 3). Dans les Cas 1 et 2, il a été nécessaire d'augmenter d'un ordre de grandeur les valeurs de conductivité hydraulique saturée mesurées au laboratoire des trois matériaux (stériles, MT-SP et terre végétale), tout en restant dans une gamme de valeurs réalistes, pour obtenir un modèle reflétant la percolation sur le terrain.

Deux paramètres entrainent des divergences importantes entre évapotranspiration simulée et déduite des mesures terrain, lorsque l’équation de Penman-Wilson est utilisée : l’indice de surface foliaire et la pression interstitielle minimale à la surface du modèle. Pour poursuivre les travaux, il serait conseillé d’évaluer pourquoi le modèle de Penman-Wilson, lorsque combiné à des valeurs de LAI plus élevées, donne des résultats d’évapotranspiration qui dépassent les précipitations. Il serait également nécessaire d'étudier la nécessité d'imposer une pression interstitielle minimale à la surface du modèle pour contrôler la perte d'eau par évaporation. Sans contrainte, les succions générées à la surface atteignent des valeurs excessivement élevées, atteignant plusieurs dizaines de milliers de kPa.

ABSTRACT

The mining industry generates large quantities of waste rock, which must be stored on the surface in stockpiles. These stockpiles occupy large areas and can reach considerable heights. They constitute a favorable environment for water infiltration. Managing the large volumes of water generated by this percolation is a challenge for the mining industry during operations and after reclamation, particularly if the water is contaminated or during extreme precipitation events. Thus, any reduction in these volumes represents an advantage for site managers.

In a humid climate like Quebec's, large volumes of water can infiltrate and percolate through waste rock piles. The use of a vegetated soil cover has been shown to be a promising technique for reducing the volume of water percolating from precipitation. This technique combines the use of a cover with the capacity to store rainwater during wet periods and release it by evaporation during dry periods. The presence of plants also helps to reduce the amount of water available in the soil. This approach is similar to the concept of an evapotranspiration storage-release (SR) cover.

This concept of covers recommended for mine incorporates the use of numerical models coupled with testing at different scales to identify the best designs. It seems essential to incorporate the effect of vegetation in these approaches, but little work is yet available on the ability of numerical models to integrate this effect satisfactorily.

The aim of this project is to assess the effect of vegetation on the water balance of waste rock, and to determine the ability of a numerical model of unsaturated hydrogeology to simulate this effect. The approach proposed for this project was based initially on the evaluation and quantification of water balance components in a real mining context. Three large-scale lysimeter cells (64 m2 – 71 m2), equipped with water content probes, collection tanks, level probes to measure percolation and a weather station to quantify the various meteorological parameters, were built on the western bench of the Canadian Malartic Mine (CMM) tailings facility. The first cell consisted of 1.2 m of waste rock alone (Lys-5), the second of 1.2 m of waste rock with a 0.5 m thick soil cover (Lys-4), and the third of 1.2 m of waste rock with a 0.5 m thick vegetated soil cover consisting of a plantation of fast-growing willow (Salix miyabeana Sx64) (Lys-2). The soil cover of cells Lys-4 and Lys-2 consisted of 0.4 m of overburden, classified as silty sand with gravel, with a poorly graded particle size distribution (SP - USCS Classification) (referred to as MT or MT-SP in this document) and 0.1 m of topsoil.

Monitoring over five growing seasons (2017-2021), from June to October, showed that percolation represents the main component of the water balance on unrestored waste rock (Lys-5). On waste rock alone, percolation reached values between 75 % and 86 % of cumulative precipitation. The addition of a 0.5 m layer of soil (Lys-4) resulted in a 36 % reduction in the volume of precipitation percolating in the first year, reaching a maximum reduction of 64 % in 2021. And finally, the addition of a fast-growing willow plantation on the soil cover helped to better control percolation volume. Results showed a reduction of up to 88 % in percolation compared with the waste rock cell without a cover (Lys-5) and up to 34 % compared with the cell with an unvegetated cover (Lys-4).

Secondly, a numerical finite element model (SEEP/W) was used to simulate the flow dynamics observed on the three field cells. The models were calibrated and validated using field data, adjusting the hydrogeological properties of the materials and vegetation parameters.

The results of the SEEP/W software simulations demonstrated the ability to effectively simulate the percolation dynamics observed on each field cell. Calibration and verification of Case 1 with waste rock alone indicate that the model is capable of reproducing the general percolation dynamics observed in the field, but that there may be a slight overestimation or underestimation of percolation during certain rainfall events (RMSE 0.005 - 0.008 m3). For simulations with soil layer ± willow planting (Case 2 and Case 3), the simulations were also able to reproduce percolation dynamics with RMSE of 0.005 - 0.006 m3 for Case 2, and 0.003 - 0.0013 m3 for Case 3. However, discrepancies were observed between simulated and measured soil volumetric water content values, particularly in the overburden (RMSE of 0.040 - 0.048 m3/m3 for Case 2, and 0.092 - 0.099 m3/m3 for Case 3). In Cases 1 and 2, it was necessary to increase the saturated hydraulic conductivity values measured in the laboratory for the three materials (waste rock, overburden – MT-SP and topsoil) by an order of magnitude, while remaining within a realistic range of values, to obtain a model reflecting percolation in the field.

Two parameters cause significant discrepancies between simulated evapotranspiration and that deduced from field measurements, when the Penman-Wilson equation is used: leaf area index and minimum pore water pressure at the model surface. For further work, it would be advisable to assess why the Penman-Wilson model, when combined with higher LAI values, gives evapotranspiration results that exceed precipitation. It would also be necessary to investigate the need to impose a minimum pore water pressure at the model surface to control evaporative water loss. Without this constraint, suctions generated at the surface reach excessively high values, reaching several tens of thousands of kPa.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Guittonny, Marie
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Bussière, Bruno
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	modélisation numérique, SEEP/W, bilan hydrique, roches stériles, recouvrement végétalisé, saules, lysimètre volumique, numerical modeling, SEEP/W, water budget, waste rock, vegetated cover, willows, volumetric lysimeter
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	03 sept. 2026 13:27
Dernière modification:	03 sept. 2026 13:27
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1872

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