Modélisation numérique de l'érosion éolienne en application sur des aires d'entreposage de résidus miniers

Fresser, William (2019). Modélisation numérique de l'érosion éolienne en application sur des aires d'entreposage de résidus miniers. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/813

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Résumé

La gestion des émissions de poussières est l’un des enjeux majeurs pour l’industrie minière, que ce soit au niveau des opérations de la mine ou de l’érosion éolienne d’origine naturelle. Au Québec, l’érosion éolienne est un problème rencontré sur plusieurs parcs à résidus miniers, représentant des zones désertiques dépourvues de barrières au vent. Ce phénomène survient lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse de friction seuil et lorsque les rejets miniers sont soumis à la dessiccation par le soleil (fin printemps, été et début automne) ou, plus particulièrement, par cryodessiccation (freeze–drying), au début du gel de l’automne. Aux alentours des parcs à résidus, se disséminent ainsi des substances nocives qui peuvent devenir des problématiques environnementales majeures à long-terme. Afin d’estimer la quantité de résidus miniers sortant d’une aire d’entreposage de résidus miniers, la modélisation numérique du phénomène d’érosion éolienne, permettrait de simplifier des opérations complexes, de déterminer les directions dans lesquelles s’envolent les résidus miniers ainsi que de quantifier ces émissions de particules. L’objectif de ce travail de recherche était de proposer un modèle numérique fonctionnel capable d’estimer les pertes de sol occasionnés par des vents puissants sur les parcs à résidus pour, en finalité, estimer les quantités de résidus sortant des aires d’entreposage. Les principaux modèles numériques permettant d’estimer l’érosion éolienne sont utilisés essentiellement dans le domaine agricole et industriel. La prédiction de l’érosion éolienne sur les parcs à résidus est un aspect à approfondir.
Le logiciel choisi est un modèle développé depuis 2007 par l’USDA-ARS (United States Department of Agriculture) et dispose de 70 ans de recherche sur le phénomène d’érosion éolienne. Il s’agit du Single-event Wind Erosion Evaluation Program (SWEEP), simulant l’action du vent sur un sol pendant un épisode journalier. Afin de tester, d’utiliser et calibrer ce modèle, des mesures de pertes de sol sur le terrain ont été nécessaires pour comparer les résultats de modélisations. Premièrement, les travaux ont consisté à étudier les statistiques éoliennes de 4 sites d’étude (A, B, C et D) pour prévoir l’implantation de stations de collecte de poussière pendant la période expérimentale, d’août à novembre 2018. Ensuite, sur les sites A, C et D, les mesures de terrain ont été possibles et réalisables avec des stations de collecteurs BSNE, positionnés à 5, 10, 35, 60, 100 et 150 cm de hauteur par rapport à la surface du sol. Les collecteurs BSNE sont les plus communément utilisés dans l’étude de l’érosion éolienne. Les tailles granulométriques des poussières captées, combinées à une méthode détermination de la capacité de collecte des BSNE, ont permis de définir une efficacité d’environ 60% sur les trois sites expérimentaux. Ainsi, les masses de poussières collectées ont été augmentées de 40%. Pendant la période expérimentale, plusieurs évènements de vent ont permis de capter des masses de particules de résidus. Ces masses récoltées, au niveau des stations, ont été transformées en flux horizontaux totaux (kg/m de large), grâce à une méthode d’intégration. Une fois ces flux divisés par la distance soumise au vent (m) en amont des stations de collecte, les pertes de sol totales (kg/m²) des différentes collectes de poussières ont été déterminées. Pendant la période estivale (T>0°C), les pertes de sol totales mesurées variaient de 0,02 à 0,08 kg/m² sur le site A, de 0,150 à 0,244 kg/m² sur le site C et de 0,001 à 0,006 kg/m² sur le site D. Pendant la période de freeze-drying (T<0°C), les pertes de sol totales mesurées variaient de 0,05 à 0,250 kg/m² sur le site A et de 0,007 à 0,010 kg/m² sur le site D. Puis, pour comparer les résultats avec le modèle SWEEP, la détermination des jours présentant les conditions favorables à l’érosion éolienne a été réalisée. Ainsi, 6 jours ont été sélectionnés pour le site A, 1 pour le site C et 2 pour le site D. En parallèle, les intrants du modèle ont été mesurés et renseignés, tel que les propriétés de terrain (longueur, largeur, orientation, barrières au vent), du sol (granulométrie, densité, taille et stabilité des agrégats), de la surface du sol (rugosité aléatoire) et du climat (vitesse et direction du vent, température, rugosité aérodynamique). Certains de ces paramètres ont été estimés puis calibrés ; il s’agit du diamètre moyen géométrique (GMD), de l’écart-type géométrique (GSD) et de la stabilité des agrégats. Les résultats des modélisations, des jours sélectionnés, avec le modèle SWEEP se sont avérés être bien corrélés avec les mesures de terrain (R²=0,85). Quelques divergences sont constatées lors de tempêtes faiblement génératrices de poussières (perte de sol totale mesurée inférieure à 0,03 kg/m²). Le modèle semble surestimer les mécanismes de l’érosion éolienne plus la superficie du modèle est importante. De plus, la vitesse de friction seuil est déterminée à 9 m/s pour les trois sites expérimentaux, en période estivale. En période de freeze-drying, celle-ci estimée à 8 m/s pour le site D et demeure invariable pour les sites A et C. Ces vitesses de friction seuil concordaient avec les vitesses de vent des stations météorologiques ou des anémomètres, pendant les différents évènements vus sur le terrain.
Afin d'utiliser le modèle pour l'industrie minière, davantage de tests sont nécessaires pour valider les résultats de la modélisation et des méthodes d'étalonnage pourraient être utiles pour ajuster les coefficients internes et les équations empiriques du modèle SWEEP.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse:	Mbonimpa, Mamert
Mots-clés libres:	Érosion éolienne, Parcs à résidus, Modèle SWEEP, Poussières, BSNE
Divisions:	Sciences appliquées > Maîtrise en sciences appliquées
Date de dépôt:	10 juin 2019 13:19
Dernière modification:	10 juin 2019 13:19
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/813

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