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Influence des facteurs climatiques sur la performance de la nappe phréatique surélevée combinée à un recouvrement monocouche

Élodie Lieber

Masters thesis (2019)

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Cite this document: Lieber, É. (2019). Influence des facteurs climatiques sur la performance de la nappe phréatique surélevée combinée à un recouvrement monocouche (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3977/
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Abstract

Résumé Sur un site minier, l’une des infrastructures les plus imposantes et pouvant présenter une problématique environnementale importante est le parc à résidus miniers. Ces résidus, issus du processus de traitement du minerai, peuvent encore contenir une quantité parfois importante de sulfures. La réaction chimique de ces sulfures avec l’eau et l’oxygène est responsable du drainage minier acide (DMA). Il se caractérise par un faible pH et des concentrations en métaux et en sulfates élevés, paramètres nocifs pour l’environnement si celui-ci n’est pas contrôler. Afin de limiter la génération de DMA, il est important, dès le début de vie de l’exploitation minière, d’élaborer un plan de restauration pour le parc à résidus. Les méthodes de restauration ont pour but d’éliminer l’une des trois composantes de l’oxydation des sulfures, soit l’eau, l’oxygène ou les sulfures eux-mêmes. En climat humide, les méthodes de restauration utilisées privilégient l’exclusion de l’oxygène comme la méthode de la nappe phréatique surélevée. Associé à un recouvrement monocouche, cette technique permet de maintenir la nappe phréatique à un niveau optimal permettant aux résidus de demeurer saturés ou proche de la saturation, limitant ainsi l’oxydation des sulfures et la génération de DMA. Cette technique est intrinsèquement dépendante des précipitations qui vont en grande partie être responsable de la fluctuation du niveau de la nappe phréatique au sein du parc à résidus. Les changements climatiques attendus d’ici 2100 vont avoir pour conséquence un changement dans le régime de précipitations. Au Québec, des variations importantes des températures et des précipitations moyennes annuelles ainsi qu’une augmentation de la fréquence et de l’intensité des événements extrêmes sont attendus. L’augmentation des précipitations aurait un impact positif sur le scénario de restauration, alors que les périodes de sécheresse pourraient la rendre inefficace à stopper la génération de DMA. L’objectif de ces travaux est d’étudier la performance à long terme de la méthode de la nappe phréatique surélevée combinée à un recouvrement monocouche dans le contexte des changements climatiques. Cette méthode de restauration doit être mise en place sur les parcs à résidus du site minier Doyon-Westwood (Cadillac, Québec). Afin de tester cette méthode, des cellules de terrain ont été construites sur le site. Un suivi hydrologique et géochimique a été réalisé de 2015 à 2018. Les matériaux utilisés pour la construction des cellules ont été caractérisés au laboratoire en 2015 lors de la construction des cellules afin de déterminer en particulier la conductivité hydraulique saturée et la courbe de rétention d’eau. De nouveaux essais ont été réalisés dans le cadre de cette étude afin de confirmer les résultats obtenus en 2015. Un modèle numérique 1D a été bâti à l’aide du logiciel SEEP/W afin de représenter les cellules de terrain. Le modèle a été calibré en utilisant les données météorologiques de la station de Rouyn-Noranda et en modifiant les propriétés des matériaux afin de reproduire les données de teneurs en eau volumiques obtenus lors du suivi des cellules sur le terrain. Le parc à résidus #2 a par la suite été également simulé numériquement en utilisant l’épaisseur moyenne de résidus Doyon et un recouvrement monocouche d’un mètre de résidus désulfurés Westwood.Afin d’intégrer les changements climatiques, plusieurs modèles climatiques ont été utilisés selon deux scénarios radiatifs (RCP4.5 et RCP8.5). Un total de 18 simulations climatiques a ainsi été obtenu. Dans le cadre de ces travaux, trois scénarios issus de ces simulations ont été utilisés dont un représentant le pire scénario possible pour la méthode de restauration soit une faible augmentation des précipitations combiné à une augmentation importante des températures. Les variables climatiques des trois scénarios climatiques sélectionnés ont été intégrées aux modèles numériques (cellules et parc #2) afin de simuler l’évolution du comportement hydrogéologique de la méthode de restauration de 2020 à 2100. Les différentes simulations réalisées ont démontré l’impact principal des paramètres tel que le niveau de la nappe phréatique et les propriétés des matériaux. L’épaisseur du recouvrement monocouche peut également être optimisé afin d’améliorer le comportement de la méthode de restauration. Lorsque les paramètres de design de la méthode de restauration mentionnés précédemment sont optimisés, la saturation des résidus Doyon qui traduit la bonne performance de la méthode est assurée même dans le cas du pire scénario climatique utilisée. Cette observation a également été faite dans le cas des deux autres scénarios climatiques dont les résultats n’ont pas démontré de différences significatives. ---------- Abstract On a mine site, one of the largest and potentially significant environmental issues is the tailings management facility. Tailings, from the ore processing process, may still contain a large quantity of sulphides. The chemical reaction of these sulphides with water and oxygen is responsible for acid mine drainage (AMD). It is characterized by low pH and high concentrations of metals and sulphates, which are harmful to the environment if not controlled. In order to limit the generation of AMD, it is important from the beginning of the mining operation, to develop a reclamation plan for the tailings management facility. Reclamation methods are intended to remove one of the three components of sulphide oxidation: water, oxygen or sulphides. In wet climates, the reclamation methods used favour the exclusion of oxygen, such as the method of the elevated water table combined with a monolayer cover. This technique allows the water level to be maintained at an optimal level allowing the tailings to remain saturated or close to saturation, thus limiting the oxidation of sulphides and the generation of DMA. This technique is inherently dependent of precipitations, which will largely be responsible for water level variations within the tailings facility. The expected climate change by 2100 will result in a change in precipitation patterns. In Quebec, significant changes in annual average temperatures and precipitation and an increase in the frequency and intensity of extreme events are expected. Increased precipitations would have a positive impact on the reclamation scenario, while periods of drought could make it ineffective in stopping the generation of AMD. The objective of this study is to investigate the long-term performance of the elevated water table method combined with a monolayer cover in the context of climate change. This reclamation method is to be implemented at the tailings facility of the Doyon-Westwood mine site (Cadillac, Québec). In order to test this method, field cells were constructed on the site. Hydrological and geochemical monitoring was conducted from 2015 to 2018. The materials used for cell construction were characterized in the laboratory in 2015 during cell construction to determine saturated hydraulic conductivity and the water retention curve of the materials. New tests were conducted as part of this study to confirm the results obtained in 2015. A 1D numerical model was built using the SEEP/W software to represent the cells. The model was calibrated using meteorological data from the Rouyn-Noranda station and modifying the hydrological properties of the materials to reproduce the data of volumetric water content obtained during cell monitoring in the field. The Doyon tailings ponds #2 was then numerically simulated using the average Doyon tailings thickness and a monolayer cover of one-metre thickness made with desulfurized Westwood tailings. In order to integrate climate change, several climate models according to two radiative scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) were used. A total of 18 climate simulations were obtained. As part of this study, three climate scenarios from these simulations were used, including one representing the worst-case scenario for the reclamation method with a small increase in precipitation combined with a significant increase in temperatures. Climate parameters from the three selected climate scenarios were integrated into the numerical models (field cells and ponds #2) to simulate the behaviour evolution of the reclamation method from 2020 to 2100. The various numerical simulations carried out demonstrated the main impact of parameters such as water table level and material properties. The thickness of the monolayer cover can also be optimised to improve the behaviour of the reclamation method. When the design parameters of the reclamation method mentioned above are optimized, saturation of the Doyon tailing which reflects the good performance of the method is ensured even in the case of the worst case scenario used. This observation was also made for the other two climate scenarios whose results did not show significant differences.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département des génies civil, géologique et des mines
Academic/Research Directors: Isabelle Demers and Thomas Pabst
Date Deposited: 05 Feb 2020 10:32
Last Modified: 05 Feb 2020 10:32
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3977/

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