Impact des changements climatiques sur le bilan hydrique et la qualité de l'eau dans un lac de fosse

Les lacs de fosse constituent une solution de restauration fréquemment utilisée par l'industrie minière afin de limiter l'oxydation des minéraux sulfureux contenus dans les murs de fosse et les rejets miniers ennoyés permettant ainsi de contrôler la génération de drainage minier acide (DMA). L'épaisseur de la couverture en eau est généralement considérée comme le facteur critique d'efficacité de cette méthode de restauration. Or, le niveau d'un lac de fosse varie au cours du temps et selon les conditions climatiques. Les changements climatiques (CC) sont donc susceptibles d'affecter durablement l'épaisseur du recouvrement en eau et constituent une source d'incertitude quant aux risques de débordement et à la performance des lacs de fosse à contrôler la génération de DMA à long terme. L'objectif principal de cette étude était de caractériser l'impact des CC sur le bilan hydrique et la qualité de l'eau dans un lac de fosse au moyen d'une approche de mise à l'échelle. Un modèle physique représentant un lac de fosse à échelle réduite a été réalisé au laboratoire. Les équipements installés permettaient de contrôler le niveau phréatique et les variables climatiques (vitesse du vent, humidité relative, température de l'air et radiation solaire). Le niveau du lac, la conductivité électrique et les apports et pertes en eau dans le modèle ont été mesurés et utilisés pour calibrer une équation globale du bilan hydrique. Des simulations numériques, réalisées en combinant les logiciels Seep 3D (Geoslope Int.) et Goldsim (GoldSim Technology Group LLC), ont permis de prédire le bilan hydrique et la qualité de l'eau d'un lac de fosse à échelle réelle. L'effet des conditions climatiques (localisation du site, modèle climatique, scénario d'émission) et hydrogéologiques (caractéristiques du bassin versant, conductivité hydraulique du roc fracturé, morphologie de la fosse, variabilité du niveau phréatique et son gradient hydraulique) a été évalué au moyen d'une analyse paramétrique. L'évolution du bilan hydrique du lac de fosse et de la qualité de l'eau a été étudiée pour des climats nord-américains actuels et futurs au moyen de divers modèles climatiques (CanRCM4, CRMC5 et HIRHAM5) et scénarios d'émission (RCP 4.5 et RCP 8.5). Les résultats ont révélé que la couverture en eau contrôlait effectivement efficacement la diffusion de l'oxygène depuis la surface, et que l'écoulement des eaux souterraines entrant constituait la principale source en oxygène dissous, entrainant ainsi l'oxydation des rejets miniers situés au fond de la fosse. La qualité de l'eau semblait cependant rester acceptable selon la réglementation locale en vigueur. Un lac de fosse devrait donc être conçu de façon à avoir un niveau supérieur au niveau phréatique alentour afin de limiter l'apport d'oxygène dissous. Ainsi, un lac de fosse avec un bilan hydrique négatif (typique des climats chauds et secs) qui favorisait l'écoulement des eaux souterraines entrant était moins performant pour prévenir la génération de DMA qu'un lac de fosse avec un bilan hydrique positif (typique des climats froids et humides). De plus, les lacs de fosse avec un bilan hydrique négatif étaient soumis à l'évapoconcentration, ce qui augmentait encore la contamination du lac de fosse. Cependant, l'industrie minière doit accorder autant d'importance à la protection des eaux souterraines et des eaux de surfaces. C'est pourquoi, dans certains cas et selon le contexte, les lacs de fosse qui agissent comme un piège hydraulique (i.e. avec un bilan hydrique négatif) pourraient être une solution de restauration minière plus adaptée. Dans tous les cas simulés, les CC devraient contribuer à augmenter la température de l'air et les précipitations en particulier pour le climat arctique. Le réchauffement climatique devrait aussi provoquer une diminution de l'enneigement, mais aucun un changement significatif sur l'humidité relative, la radiation solaire et la vitesse du vent. Le taux d'évaporation et des précipitations devraient donc augmenter pour tous les lacs de fosse simulés. Dans la majorité des cas, les CC devraient contribuer à augmenter faiblement le niveau du lac de fosse sans faire varier significativement la qualité de l'eau. Les exceptions observées impliquent cependant qu'une étude au cas par cas est nécessaire pour caractériser l'impact des CC sur chaque lac de fosse. Enfin, l'influence du choix du scénario d'émission sur les résultats était négligeable comparativement au choix du modèle climatique. Cette étude aura permis de proposer plusieurs recommandations afin de concevoir les lacs de fosse comme une solution de restauration minière efficace pour contrôler la génération de DMA et assurer leur résilience face au CC.

Abstract

Pit lakes are often used by the mining industry as a mine reclamation solution to limit the oxidation of sulfidic minerals contained in pit walls and backfilled mine tailings, and to control the generation of acid mine drainage (AMD). The thickness of the water cover in the lake is generally considered the critical factor of this reclamation method. However, the level of a pit lake varies with time and climatic conditions. Climate change (CC) is therefore likely to have an impact on the thickness of the water cover and is a source of uncertainty regarding the long-term performance of pit lakes controlling AMD generation in the long term and the risk of overflowing. The main objective of this research was therefore to characterize the impact of CC on pit lake's water balance and water quality using a multiscale approach. A physical model representing a small-scale pit lake was built in the laboratory. Water level and climatic variables (wind speed, relative humidity, air temperature and solar radiation) were controlled and monitored during the experiments. Lake level, electrical conductivity and water inputs and outputs were measured and used to calibrate a global water balance equation. Numerical simulations, carried out by combining Seep 3D (Geoslope Int.) and Goldsim (GoldSim Technology Group LLC) codes, were then used to predict the water balance and water quality of a full-scale pit lake. The effect of climatic conditions (site location, climate model, emission scenario) and hydrogeological characteristics (watershed, fractured rock mass hydraulic conductivity, pit morphology, water table position and regional hydraulic gradient) were assessed through a comprehensive parametric analysis. The evolution of pit lake water balance and water quality was studied for current and future North American climates using various climate models (CanRCM4, CMRC5 and HIRHAM5) and emission scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). Results showed that the pit lake was efficient to control oxygen diffusion from the surface, and that the groundwater flow was the main source of dissolved oxygen, eventually contributing to the oxidation of the mine tailings located at the bottom of the pit. However, the water quality seemed to remain acceptable to local regulations. Nevertheless, a pit lake should therefore be designed to guarantee that its level always remains above the surrounding water table to limit the dissolved oxygen ingress toward the pit. As a consequence, a pit lake with a negative water balance (typical of hot and dry climates) may increase groundwater inflow and be less efficient to prevent AMD generation than a pit lake with a positive water balance (typical of cold and humid climates). In addition, pit lakes with a negative water balance may be subjected to evapoconcentration, which could further increase contamination of the pit lake. However, the mining industry must attach equal importance to the protection of groundwater and surface water. This is why, in specific conditions, pit lakes that are used as a hydraulic trap (i.e. with a negative water balance) could be more sustainable mining reclamation solution. In all the simulated cases, CC contributed to increasing air temperature and precipitation, especially for arctic climate. Global warming is also expected to cause a decrease of snow cover but no significant changes in relative humidity, solar radiation and wind speed are expected. Evaporation and precipitation rates should therefore increase for all the simulated pit lakes, and in most cases, CC are expected to contribute to a slight increase in the lake level without significantly affecting the water quality. However, some exceptions were observed and imply that a case-by-case study is necessary to characterize the impact of CC on each pit lake. Finally, the influence of the choice of the emission scenario on the results was negligible compared to the choice of the climate model. Several recommendations were formulated based on this study and should be useful for practitioners to design pit lakes and improve their performance as a sustainable and resilient reclamation solution to control AMD generation.