Impact de la colonisation racinaire sur les propriétés hydrogéologiques d'une couverture monocouche avec nappe phréatique surélevée

La production du drainage minier acide (DMA) par les rejets miniers réactifs peut avoir des effets sur l’environnement. Depuis la fin des années 1980, l’industrie minière canadienne et les gouvernements ont investi considérablement pour trouver des solutions à ce défi environnemental. En restauration minière, la technique de la couverture monocouche avec nappe phréatique surélevée (CM_NPS) est l’une des techniques de recouvrement de type barrière à l’oxygène récemment mises au point pour contrôler la production du DMA. Le concept consiste à limiter le flux d’oxygène vers les résidus sulfureux réactifs en maintenant ces derniers à un haut degré de saturation, sous la nappe phréatique ou dans la zone vadose presque saturée. Les CM-NPS installées sur les sites miniers restaurés sont soumises à l’occupation naturelle ou artificielle par la végétation comme c’est le cas pour le site Manitou. Les racines de cette végétation peuvent modifier les propriétés hydro géotechniques des matériaux de recouvrement et leur bilan hydrique, ce qui peut affecter leur performance et potentiellement leur capacité à contrôler l’oxydation des résidus réactifs sous-jacents. Par conséquent, dans cette étude, l’objectif principal est d’évaluer l’effet de la colonisation racinaire sur la conductivité hydraulique saturée d’une CM-NPS constituée de résidus recyclés non réactifs, sous deux types de végétation : herbacées (H) et Saule (Salix sp.) avec herbacées (SH). Les objectifs spécifiques consistent à (i) Caractériser le profil des matériaux de recouvrement (résidus Goldex) en termes de colonisation racinaire et de propriétés géotechniques (granulométrie, porosité, densité relative des grains solides); (ii) Comparer les caractéristiques morphologiques des racines et les propriétés hydrogéologiques sous deux types de végétation et (iii) Relier les caractéristiques morphologiques des racines à la conductivité hydraulique saturée du matériau de recouvrement. L’approche méthodologique est basée sur une approche de terrain et de laboratoire. Les travaux de terrain ont eu lieu en été 2021 sur le parc 2 (restauré par la technique CM-NPS) du site minier de Manitou, Canada, Québec. La caractérisation de la couverture monocouche en termes de recouvrement par la végétation (méthode des points de contact) et de colonisation racinaire (profil d’occurrence et de densité, profondeur maximale) a été réalisée respectivement sur un quadrat d’1 m2 et dans des tranchées in situ (1 m x 1 m x 1 m). Des tests d’infiltration in situ sur dix (10) stations de trois types (H, SH et stations témoins sans végétation TSV) et des tests de perméabilité en laboratoire sur dix-neuf (19) carottes non perturbées prélevées à la pelle mécanique in situ, ont été réalisés en vue d’obtenir la ksat. Le profil des propriétés géotechniques a été réalisé par échantillonnage à 5 niveaux de profondeur sur toutes les stations (25). Les analyses granulométriques par diffraction laser portant sur les échantillons ont permis de caractériser chaque profil en termes de strate granulométrique. Enfin, l’analyse des paramètres racinaires par imagerie (densité de longueur des racines RLD, densité de volume racinaire RVD, densité de masse des racines RMD et diamètre moyen des racines) avec WinRhizo sur 19 carottes non remaniées a été effectuée après lavage au tamis, tri et numérisation des racines. Le taux de couverture par la végétation herbacée trouvé est de 100% avec une prédominance des Poaceae (plus de 80%) dans les stations H et SH. Dans les deux cas la colonisation racinaire de la monocouche a diminué avec la profondeur et 90% de la présence des racines se concentre sur les premiers 30 cm de la surface. La profondeur maximale moyenne d’enracinement a été de 28 cm, avec un maximum de 40 cm pour la végétation étudiée. La moyenne de RLD reste légèrement inférieure dans les stations herbacées avec saule (SH) par rapport à celles herbacées (H). Cependant, les valeurs des paramètres RMD, RVD et le diamètre moyen des racines étaient supérieures dans les stations SH. Dans les trois cas, les valeurs moyennes de ksat mesurées sont du même ordre de grandeur 10-5 cm/s. Cette étude de caractérisation de la colonisation racinaire sur une CM-NPS est la première de ce type portant sur cette méthode de remise en état. Douze ans après la construction, la colonisation racinaire n’a pas eu d’effet significatif sur la conductivité hydraulique saturée de la monocouche sous les deux types de végétation. L’augmentation des valeurs des paramètres racinaires comme le diamètre sous les stations SH est liée à la présence de saules et peut augmenter avec le temps et la succession forestière. Par conséquent, il est recommandé de poursuivre la surveillance de l’effet de la végétation sur la conductivité hydraulique sur le long terme. Mots-clés Restauration minière, Couverture monocouche avec nappe phréatique surélevée, site Manitou, colonisation racinaire, conductivité hydraulique saturée, végétation.

Abstract

The production of acid mine drainage (AMD) from reactive mine waste can have environmental impacts. Since the late 1980s, the Canadian mining industry and governments have heavily invested in finding solutions to this environmental challenge. In mine reclamation, the Monolayer Cover with Elevated Water Table (MC_EWT) technique is one of the recently developed oxygen barrier capping techniques to control AMD production. The concept is to limit the flow of oxygen to the reactive sulphide tailings by keeping the tailings at a high degree of saturation, below the water table or in the near saturated vadose zone. MC-EWT installed on reclaimed mine sites are subject to natural or artificial occupation by vegetation as is the case for the Manitou site. The roots of this vegetation can alter the hydrogeotechnical properties of the capping materials and their water balance, which can affect their performance and potentially their ability to control the oxidation of the underlying reactive tailings. Therefore, in this study, the main objective is to evaluate the effect of root colonisation on the saturated hydraulic conductivity of a MC-EWT made of non-reactive recycled tailings, under two types of vegetation: grasses (H) and Willows (Salix sp.) with grasses (SH). Thus, the specific objectives are to (i) characterise the profile of the monolayer cover material (Goldex tailings) in terms of root colonisation and geotechnical properties (grain size distribution, porosity, specific gravity); (ii) compare the morphological characteristics of the roots and the hydrogeological properties under the two vegetation types; and (iii) relate the morphological characteristics of the roots to the saturated hydraulic conductivity of the monolayer cover material. The methodological approach is based on a field and laboratory approach. The field work took place in summer 2021 on park 2 (restored by the MC-EWT technique) of the Manitou mine site, Canada, Quebec. The characterisation of the monolayer cover in terms of vegetation cover (point intercept method) and root colonisation (occurrence and density profile, maximum depth) was carried out respectively on a 1 m2 quadrat and in situ trenches (1 m x 1 m x 1 m). In situ infiltration tests on ten (10) stations of three types (H, SH and control stations without vegetation TSV) and laboratory permeability tests on nineteen (19) undisturbed cores taken by mechanical shovel in situ, were carried out in order to obtain the ksat. The geotechnical properties’ profile was carried out by sampling at 5 depths on all stations (25). The Laser diffraction particle size analysis of the samples allowed the characterisation of each profile in terms of particle size strata. Finally, imaging analysis of root parameters (root length density RLD, root volume density RVD, root mass density RMD and mean root diameter) with WinRhizo on 19 undisturbed cores was carried out after sieve washing, sorting and scanning of the roots. The rate of cover by herbaceous vegetation found is 100% with a predominance of Poaceae (more than 80%) in stations H and SH. In both cases the root colonisation of the monolayer decreased with depth and 90% of the root presence was concentrated in the first 30 cm of the surface. The average maximum rooting depth was 28 cm with a maximum of 40 cm for the studied vegetation. The average RLD was slightly lower in the herbaceous stations with willows (SH) than in the herbaceous ones (H). However, the values of the parameters RMD, RVD and mean diameter were higher in the SH stations. In all three cases, the average values of ksat measured were of the same order of magnitude 10-5 cm/s. This study characterising root colonisation on a MC-EWT is the first of its kind involving this cover system. Twelve years after construction, root colonisation have had no significant effect on the saturated hydraulic conductivity of the monolayer under both vegetation types. The increase in root parameter values such as diameter under the SH stations is related to the presence of willows and may increase with time and forest succession. Therefore, it is recommended to continue monitoring the effect of vegetation on hydraulic conductivity in the long term. Keywords Mine reclamation, Single layer cover with raised water table, Manitou site, root colonisation, saturated hydraulic conductivity, vegetation.