Assimilation de données hydrogéophysiques par filtre de Kalman d'ensemble pour l'estimation de la teneur en eau en restauration minière

Le drainage minier acide (DMA) est une problématique environnementale majeure dans l'industrie minière qui survient lorsque les rejets miniers contenant des sulfures réagissent avec l'eau et l'oxygène. Les risques de génération de DMA peuvent être mitigés par la construction de couvertures à effet de barrière capillaire (CEBC) sur les aires d'entreposage des rejets miniers. En effet, ces couvertures possèdent une couche de matériaux fins qui conservent une saturation supérieure à 85 %, ce qui permet de limiter les flux d'oxygène de l'atmosphère vers les rejets réactifs. La performance de la CEBC dépend donc directement du degré de saturation dans la couche de rétention d'eau. La saturation doit ainsi être mesurée adéquatement sur l'ensemble de l'aire d'entreposage des rejets miniers, qui s'étend souvent sur plusieurs hectares. Il s'agit d'un défi important puisque ce suivi repose habituellement sur des mesures précises, mais locales de la teneur en eau. La méthode de tomographie de résistivité électrique (ERT) est intéressante dans ce contexte puisqu'elle permet d'estimer la résistivité électrique sur de larges étendues à faibles coûts. La résistivité peut ensuite être convertie en teneur en eau à l'aide d'une relation pétrophysique. Cependant, les données ERT sont souvent utilisées de façon qualitative en raison des incertitudes reliées à leur traitement par inversion et à la relation pétrophysique. Un traitement conjoint des données ERT et des sondes hydrogéologiques permettrait d'estimer précisément et à grande échelle l'état de teneur en eau dans la CEBC au cours du temps. À cet effet, ce projet propose une approche basée sur les filtres de Kalman d'ensemble (EnKF), qui est une méthode d'assimilation de données séquentielles, capable d'estimer les variables dynamiques (teneur en eau) ou statiques (paramètres de modèles) d'intérêts pour des problèmes non linéaires. L'estimation de la teneur en eau par EnKF repose d'abord sur la prédiction issue d'un modèle théorique (écoulement non saturé unidimensionnel), qui est ensuite corrigée en tenant compte des données disponibles (sondes de teneur en eau et données ERT). Cette approche est prometteuse puisque la combinaison de la prédiction et des données hydrogéophysiques permet d'obtenir la meilleure estimation de la teneur en eau, en minimisant son incertitude. La performance des EnKFs pour l'estimation de la teneur en eau dans la CEBC a d'abord été évaluée à l'aide de cas synthétiques, permettant ainsi de déterminer les paramètres d'assimilation optimaux. Par exemple, l'effet de la taille de l'ensemble, du format des données ERT et du nombre de données assimilées a été étudié. L'assimilation de données par EnKF a généralement permis d'estimer la teneur en eau avec une bonne exactitude (erreur moyenne < 0.01 m3/m3) et une faible incertitude (écart-type < 0.02 m3/m3), ce qui est similaire à la précision des sondes de teneur en eau. Dans les cas où les données assimilées étaient peu sensibles à l'état de teneur en eau, l'estimation était tout de même disponible, mais avec une incertitude importante (écart-type ≃ 0.1 m3/m3). De plus, l'algorithme montre une certaine robustesse face à un modèle théorique inexact, l'erreur moyenne demeurant inférieure à 0.02 m3/m3. Ces performances sont atteintes même en réduisant significativement le nombre de données assimilées, par exemple en ne gardant qu'une seule sonde de teneur en eau dans les résidus. Enfin, l'algorithme a été modifié pour permettre d'estimer simultanément la teneur en eau ainsi que les propriétés hydrogéologiques des matériaux (porosité, perméabilité et paramètres de Van Genuchten). Pour tester l'approche dans des conditions réalistes, une colonne de laboratoire a été construite en reproduisant la structure (géométrie et matériaux) d'une CEBC en cours d'investigation à la mine Canadian Malartic, une mine d'or située au Québec. Des sondes de teneur en eau et des électrodes ont mesuré la teneur en eau et la résistance au cours des 3 mois de drainage de la colonne. De même que pour les cas synthétiques, l'assimilation des données expérimentales hydrogéophysiques a permis d'estimer la distribution de teneur en eau au cours du temps ainsi que les propriétés hydrogéologiques des résidus et stériles miniers. De plus, la teneur en eau estimée par l'assimilation des données ERT a permis de mettre en évidence un biais dans la relation pétrophysique puisque la teneur en eau estimée était inférieure à la teneur en eau mesurée par les sondes. Des pistes de solution ont été proposées afin d'améliorer la relation entre la teneur en eau et la conductivité électrique comme l'estimation des paramètres pétrophysiques par EnKF. Finalement, l'étude du cas synthétique et du cas expérimental simplifié a permis de démontrer le potentiel de l'assimilation de données hydrogéophysiques par EnKF pour l'estimation de la teneur en eau dans les résidus miniers. Plusieurs recommandations ont été effectuées afin d'assimiler des données hydrogéophysiques à plus grande échelle en conditions réelles. Par exemple, la prise en compte des variations de température et de conductivité électrique ainsi que la parallélisation pour accélérer la vitesse de calcul.