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Influence des changements climatiques sur la performance de couverture à effet de barrière capillaire : étude du cas Lorraine

Gwendoline Hotton

Masters thesis (2019)

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Cite this document: Hotton, G. (2019). Influence des changements climatiques sur la performance de couverture à effet de barrière capillaire : étude du cas Lorraine (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3851/
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Abstract

Résumé La restauration des aires d’accumulation des rejets miniers (parcs à résidus, haldes à stériles), en particulier pour les sites générateurs de drainage minier acide (DMA), constitue un des principaux défis environnementaux auxquels doivent faire face l’industrie minière et les gouvernements responsables des sites abandonnés. De plus, à ces risques environnementaux intrinsèques aux activités minières, s’ajoutent désormais les enjeux liés aux changements climatiques (CC). En effet, d’importantes variations de températures et de précipitations sont à prévoir sur l’ensemble du Canada au cours des prochaines décennies. En particulier, au sud du 50ème parallèle, une augmentation de la fréquence et de la durée des évènements de sécheresse ainsi qu’une augmentation des moyennes annuelles de précipitations et de température sont anticipées. Actuellement, les travaux de restauration minière prennent peu en considération les CC dans leur conception et augmentent ainsi les risques environnementaux associés aux problèmes de stabilité chimique et physique des rejets miniers. Le site minier Lorraine a été abandonné à la fin de l’exploitation en 1968 sans aucune considération environnementale, laissant ainsi les résidus contenant des minéraux sulfureux s’oxyder et générer du DMA pendant plus de 30 ans. La restauration entreprise par le ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles (MERN) a permis la construction en 1999 d’une couverture à effets de barrière capillaire (CEBC) visant à limiter la production de DMA. La performance de cette technique se base sur le maintien d’un degré de saturation (Sr) supérieur à 85 % dans l’une des couches du recouvrement, appelée couche de rétention d’eau, afin de limiter la migration de l’oxygène vers les résidus réactifs sous-jacents. Cependant, plusieurs incertitudes liées à l’influence des CC sur la performance des CEBC émergent en raison de leur interaction avec le milieu environnement, en particulier les conditions climatiques. En effet, l’augmentation des précipitations peut avoir un effet positif sur le degré de saturation réduisant le flux d’oxygène vers les rejets réactifs. Cependant, les évènements de sécheresse pourraient causer la désaturation de la couche de rétention d’eau et donc, induire une augmentation du flux d’oxygène à travers le recouvrement et générer du DMA. Le principal objectif de cette étude est d’évaluer l’influence des CC sur la performance à long-terme de la CEBC du site Lorraine. De façon plus spécifique, les objectifs du projet consistent à : (i) développer un modèle numérique capable de représenter le comportement hydrogéologique actuel de la CEBC du site Lorraine, (ii) évaluer l’influence des conditions climatiques annuelles moyennes d’ici 2100 et (iii) évaluer l’influence de conditions extrêmes de sécheresse sur la performance à long-terme de la CEBC. Un modèle numérique 2D a ainsi été développé avec le logiciel SEEP/W (Geo-Slope International Ltd.). Le modèle a premièrement été validé à partir de trois années de données météorologiques et hydrogéologiques mesurées sur le terrain entre 2001 et 2003. Les données journalières de six paramètres climatiques ont pu être appliquées comme condition frontière de surface grâce à la condition land-climate-interaction (LCI) : la température, les précipitations, l’humidité relative et la vitesse du vent obtenues de la station météorologique de l’aéroport d’Earlton, l’albédo défini à 0,2 et correspondant à un sol peu végété comme sur le site Lorraine et les variations du rayonnement solaire estimées par SEEP/W en fonction de la latitude du site (47,7°). Le modèle validé a ensuite été utilisé avec 3 scénarios de CC pour la période 2098-2100 (IPSL, MIROC et GFDL). Le scénario IPSL a été choisi car il simule le pire changement climatique attendu pour le comportement hydrogéologique de la CEBC. Il projette la combinaison d’une augmentation élevée de température (+ 7 °C) et d'une faible augmentation des précipitations (+ 0,7 %), pouvant conduire à une plus importante désaturation de la couche de rétention d’eau. GFDL a été sélectionné comme scénario médian avec une augmentation de température d'environ 5 °C et une augmentation de précipitations de 26,1 %. MIROC a quant à lui été choisi comme scénario présentant les plus fortes augmentations de température et de précipitations, + 9,9 °C et + 51,1 %, respectivement. Des conditions extrêmes de sécheresse ont également été appliquées au modèle de la CEBC de Lorraine. La méthodologie développée dans cette étude consistait à se concentrer sur deux paramètres : la durée de la sécheresse (d) et le cumul des précipitations des 30 jours précédents la sécheresse (CPBD). La sécheresse historique maximale observée à la station de l’aéroport d’Earlton a pu être caractérisée avec une durée de 42 jours pour un CPBD de 3 mm. Le même travail de caractérisation a été effectué sur les données climatiques projetées avec le scénario IPSL et a permis de calculer le changement relatif entre les sécheresses de la période historique et celles de la période future. Ainsi, une augmentation de 22 % de la durée des sécheresses et une augmentation de 50 % du CPBD ont été calculée pour l’horizon 2100. Une sécheresse future a ainsi été définie et appliquée au scénario IPSL en considérant une durée de 51 jours et un CPBD de 6 mm. Les résultats des différentes simulations effectuées indiquent que le comportement hydrogéologique de la CEBC du site Lorraine est impacté par les scénarios et les conditions climatiques extrêmes testés. Les niveaux piézométriques baissent de 14 cm en moyenne avec le scénario climatique le plus pessimiste (IPSL) et baissent au maximum de 42 cm lorsqu’une sécheresse future est appliquée. Cependant, les teneurs en eau volumique simulées dans le recouvrement indiquent que les effets de barrière capillaire persistent malgré les CC et les évènements de sécheresse et le critère de performance (Sr > 85 % dans la couche de rétention) a été atteint avec tous les scénarios et conditions climatiques testés. Ce projet a permis de mettre en avant l’influence des CC sur la CEBC du site Lorraine et confirme que le design de ce recouvrement est robuste face aux CC et aux conditions extrêmes de sécheresse testés. Plus généralement, cette étude illustre l’utilité des modélisations numériques pour quantifier l’influence des CC sur la performance à long terme des CEBC à contrôler la génération de DMA. De tels travaux permettraient par la suite de développer des indices climatiques adaptés au secteur minier, adaptables à chaque site en tenant compte des scénarios climatiques locaux. Ils pourraient s’intégrer dans une approche méthodologique permettant de prendre en considération les CC et les futures conditions climatiques extrêmes dès la conception des ouvrages de restauration minière et faciliteraient l’intégration des CC dans les cadres réglementaires. Mots clés : Couverture à effets de barrière capillaire (CEBC), Drainage minier acide (DMA), Restauration de site minier, Modélisation numérique, Changements climatiques ----------ABSTRACT Mine site reclamation, especially for acid mine drainage (AMD) generating sites, is one of the main environmental issues faced by the mining industry and the governments responsible for abandoned sites. In addition to these environmental risks specific to mining activities, climate change (CC) issues are now added. Significant variations in temperature and precipitation are expected across Canada in the coming decades. Mean annual precipitation, temperature, and the frequency and the duration of drought events are expected to increase in Québec south of the 50th parallel. At present, most mining reclamation works integrate superficially CC in their design increasing the environmental risks associated with the chemical and physical stability problems of mine wastes. The Lorraine mine site was abandoned at the end of the operation in 1968 without environmental consideration. Tailings were exposed to oxygen and water and sulfide oxidation occurred, leading to AMD generation for more than 30 years. The Ministry of Energy and Natural Resources (MERN) started reclamation of the Lorraine site in 1997 and a cover with capillary barrier effects (CCBE) was built as oxygen barrier in 1999 to limit the production of DMA. The performance of this technique depends on maintaining a high degree of saturation (Sr) (> 85 %) in one of the cover layers, called the moisture-retaining layer (MRL), in order to limit the migration of oxygen to the underlying reactive tailings. However, several uncertainties related to the influence of CCs on the CCBE performance are emerging because of their interaction with the environment, especially with climatic conditions. Increases in precipitation may have positive effects on maintaining the saturation of the MRL and reducing the oxygen flux to the reactive tailings. However, drought events could cause temporary desaturation of the MRL and, consequently, increase the potential for acid generation. The main objective of this study is to evaluate the influence of CC on the long-term performance of the Lorraine CCBE. More specifically, the objectives of the project are: (i) to develop a numerical model representing the current hydrogeological behavior of the Lorraine CCBE, (ii) to evaluate the influence of the mean annual climatic conditions by 2100 and (iii) to evaluate the influence of extreme drought conditions on the long-term performance of the CCBE. A 2D numerical model was developed with SEEP/W software (Geo-Slope International Ltd.). The model was first validated using three years of meteorological and hydrogeological data measured in the field between 2001 and 2003. The daily data of six climatic parameters were applied as a surface boundary condition thanks to the land-climate-interaction condition. (LCI): temperature, precipitation, relative humidity and wind speed obtained from the Earlton airport meteorological station, albedo defined as 0.2 and corresponding to a low vegetated soil as on the Lorraine site and solar radiation variations estimated by SEEP/W with the latitude of the site (47.7°). The validated model was then used with 3 CC scenarios for the period 2098-2100 (IPSL, MIROC and GFDL). The IPSL scenario is expected to be the worst case for the CCBE hydrogeological behavior. It projects a combination of a high increase of temperatures (+ 7 °C) and a low increase in precipitation (+ 0.7 %), which may lead to the MRL desaturation. GFDL was selected as median climate scenario, with a temperature increase of about 5 °C and an increase of annual precipitation of 26.1 %. The MIROC scenario presents the most advantageous climate scenario, with temperature and precipitation increasing by +9.9 °C and +51.1 %, respectively. Extreme drought conditions were also applied to the Lorraine CCBE numerical model. The methodology developed in this study consisted of focusing on two parameters: the duration of the drought (d) and the cumulative precipitation of the 30 days preceding the drought (CPBD). The maximum historical drought observed at the Earlton airport station was characterized with a duration of 42 days for a 3 mm CPBD. The same characterization work was performed on the projected climate data with the IPSL scenario and the relative change between the droughts of the historical period and the future period was calculated. Thus, an increase of 22 % in the duration of droughts and an increase of 50 % of the CPBD were calculated for the 2100 horizon. A future drought was thus defined and applied to the IPSL scenario considering a duration of 51 days and a CPBD of 6 mm. The results of the different simulations performed in this study indicate that the hydrogeological behavior of the Lorraine CCBE is impacted by the climate scenarios and the extreme climatic conditions tested. Piezometric levels drop by an average of 14 cm with the most pessimistic climate scenario (IPSL) and drop to a maximum of 42 cm when a future drought is applied. However, simulated volumetric water contents in the cover indicate that capillary barrier effects are well developed despite CC and drought events and the performance criteria (Sr> 85 % in the MRL) is reached with all scenarios and climatic conditions tested. This project highlights the influence of CC on Lorraine CCBE and confirms that the design of the cover is robust with respect to CC and extreme drought conditions tested. More generally, this study illustrates the utility of numerical modeling to quantify the influence of CC on the long-term performance of CEBCs to control AMD generation. Such works would then lead to the development of climatic indices adapted to the mining sector and modifiable for each site considering local climate scenarios. They could be part of a methodological approach to consider CC and future extreme climatic conditions into the design of mine reclamation infrastructures and facilitate the CC integration into regulatory frameworks. Keywords: Cover with capillary barrier effects (CCBE), Acid mine drainage (AMD), Mine site reclamation, Numerical modeling, Climate change

Open Access document in PolyPublie
Department: Département des génies civil, géologique et des mines
Dissertation/thesis director: Bruno Bussière and Thomas Pabst
Date Deposited: 11 Oct 2019 11:18
Last Modified: 11 Oct 2019 11:18
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3851/

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