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

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. Mots clés : Érosion éolienne, Parcs à résidus, Modèle SWEEP, Poussières, BSNE

Abstract

The management of dust emissions is one of the major challenges for the mining industry, even for natural wind erosion or mine operations. In Quebec, wind erosion is a problem encountered in many tailings impoundments, which are desert areas without wind barriers. This phenomenon occurs when the wind speed is greater than the threshold velocity and when the mining discharges are subjected to desiccation by the sun (late spring, summer and early autumn) or, mostly, by freeze-drying at the beginning of the frost, in autumn. Near the tailings impoundments, spreads of contaminated substances can become major long-term environmental issues. In order to estimate the amount of tailings particles spreads, numerical modeling of the wind erosion phenomenon would simplify complex operations and determine the directions in which the tailings are flowing, as well as quantify these particle emissions. The purpose of this research was to suggest a functional numerical model permitting the estimation of soil loss caused by strong winds on the tailings impoundments, in order ultimately to estimate the quantities of residues leaving the storage areas. Most of the wind erosion prediction models are used in agriculture and industry. The prediction of wind erosion in mining industry is an aspect to investigate further. The software chosen is developed since 2007 by the USDA-ARS (United States Department of Agriculture) and has 70 years of research on wind erosion. The Single-event Wind Erosion Evaluation Program (SWEEP) allows simulating the action of wind on a soil during a daily episode. In order to test, use and calibrate this model, soil loss measurements in the field needed to compare model results. First, the work consisted in studying the wind statistics from 4 experimental sites (A, B, C and D) to predict the installation of dust collection stations during the experimental period, from August to November 2018. Then, on sites A, C and D, field measurements were possible and achievable with BSNE stations, positioned at 5, 10, 35, 60, 100 and 150 cm high relative to the soil surface. The BSNE collectors are the most commonly used in the study of wind erosion. The particle sizes of the collected dusts, combined with a method determining the catch capacity of BSNEs, made it possible to define an efficiency of approximately 60% on the three experimental sites. Thus, the dust masses collected were increased by 40%. During the experimental period, several wind events permitted to capture masses of residue particles. These harvested masses, at the level of the stations, were transformed into horizontal dust flux (kg/m wide), thanks to an integration method. Once these horizontal dust flux were divided by the distance upwind (m) to the collection stations, the total soil losses (kg/m²) of the different dust collections were determined. During the summer period (T> 0°C), the total soil loss measured ranged from 0.02 to 0.08 kg/m² at site A, from 0.150 to 0.244 kg/m² at site C, and from 0.001 to 0.006 kg/m² at site D. During the freeze-drying period (T< 0°C), the total soil loss measured ranged from 0.05 to 0.250 kg/m² at site A and from 0.007 to 0.010 kg/m² on the site D. Then, to compare the results with the SWEEP model, the determination of the days, presenting the conditions favorable to the wind erosion was carried out. Thus, 6 days were selected for the site A, 1 for the site C and 2 for the site D. In parallel, the inputs of the model were measured, such as the field properties (length, width, orientation, wind barriers), soil properties (particle size distribution, density, size and stability of aggregates), soil surface properties (random roughness) and climate properties (wind speed and direction, temperature, aerodynamic roughness). Some of these parameters were estimated and then calibrated; this is the geometric mean diameter (GMD), the geometric standard deviation (GSD) and the stability of the aggregates. The results of the simulations, for the selected days, with the SWEEP model proved to be well correlated with the field measurements (R² = 0.85). Some disagreements are observed during storms with low dust generation (total soil loss measured less than 0.03 kg/m²). The model seems to overestimate the mechanisms of wind erosion plus the area of the model is important. In addition, the threshold velocity is determined at 9 m/s for the three experimental sites, in summer. During the freeze-drying period, this is estimated at 8 m/s for site D and remains unchanged for sites A and C. Threshold velocities were reliable with the wind speeds measured at weather stations or anemometers, during different storms events seen on the field. In order to use the model for the mining industry, more tests are needed to validate the modelling results and calibration methods could be useful in adjusting the internal coefficients and empirical equations of the SWEEP model. Keywords: Wind erosion, Tailings impoundments, SWEEP model, Dusts emissions, BSNE.