Impact de la hausse d'intensité des précipitations extrêmes causée par les changements climatiques dans la gestion de l'eau de surface des aires d'entreposage des rejets miniers

Les opérations minières génèrent une grande quantité de rejets qui sont généralement entreposés en surface dans des parcs à résidus ceinturés de digues ou dans des haldes à stériles. Les instabilités géotechniques des aires d'entreposage sont fréquentes et couramment causées par des épisodes de pluie extrêmes. Or, les changements climatiques entraîneront une augmentation importante de l'intensité et de la fréquence des précipitations extrêmes au Québec d'ici la fin du siècle, notamment en Abitibi. Les projections climatiques dans cette région prévoient une augmentation moyenne de l'intensité des précipitations maximales probables (PMP) entre 15 et 30% d'ici 2100. Une hausse des précipitations extrêmes pourrait affecter la performance et l'intégrité des infrastructures de gestion de l'eau de surface et augmenter le risque de rupture par débordement en crête et/ou de déversement d'eaux minières dans l'environnement. Les changements climatiques doivent donc être intégrés à la planification de la gestion des eaux minières. L'objectif principal de ce projet de maîtrise était donc de développer une approche méthodologique permettant d'intégrer les projections climatiques de modèles climatiques régionaux (MRC), dans la conception des infrastructures de gestion des eaux de surface. Cette méthodologie a été appliquée au site de la Mine Canadian Malartic en Abitibi. Les précipitations et le ruissellement ont tout d'abord été mesurés à la mine Canadian Malartic au cours de l'été et de l'automne 2018, de manière à déterminer les caractéristiques hydrologiques du parc à résidus et de la halde à stériles. Ces mesures de terrain ont été utilisées pour calibrer un modèle numérique de ruissellement et d'écoulement au moyen du code Mike Hydro River. Les valeurs de PMP sur 24h de printemps et d'été/automne ont été évaluées à l'aide de données climatiques provenant de 11 simulations de MCR couvrant les périodes de 2041-2070 et 2071-2100 pour les scénarios d'émission RCP4.5 et RCP8.5. Ces valeurs ont été calculées en utilisant une approche statistique et une approche météorologique. Les hausses de débits de pointe moyennes pour les deux méthodes étaient de 17% pour 2041-2070, et 22% pour 2071-2100 pour le RCP4.5. Elles étaient de 32% pour 2041-2070, et de 44% pour 2071-2100 avec le RCP8.5. Les débits de pointe attendus avec les PMP de printemps étaient plus faibles que pour l'été/automne, mais une PMP de printemps pourrait entraîner un volume total de ruissellement plus important qu'une PMP d'été en raison de la fonte des neiges. La méthodologie développée dans cette étude peut être résumée selon les étapes suivantes : 1. calcul des données climatiques projetées à partir d'un MCR propre au site d'intérêt. 2. caractérisation des bassins versants constitués par les parcs à résidus et les haldes à stériles à partir de mesures d'écoulement dans les fossés collecteurs. 3. calibration et validation d'un modèle numérique d'écoulement reproduisant le ruissellement lors des événements extrêmes. 4. extrapolation de ce modèle pour les différentes crues de projet selon le niveau de risque des infrastructures. 5. dimensionnement des infrastructures de gestion des eaux de surface en fonction des débits de pointe et des volumes de ruissellement totaux calculés. La méthodologie développée dans cette étude pourrait permettre, à partir de projections climatiques propres au site étudié, de données de terrain et de simulations numériques, de dimensionner de manière résiliente face aux événements extrêmes les infrastructures de gestion de l'eau de surface des aires d'entreposage des rejets miniers.

Abstract

Mine operations generate large quantities of solid waste, which are generally stored on surface in tailings ponds surrounded by dikes or in waste rock piles. Geotechnical instabilities of storage facilities are frequent and commonly caused by extreme rainfall events. Climate change is expected to significantly increase the intensity and frequency of extreme precipitation in Quebec by the end of the century, including in Abitibi. Climate projections in this region predict an average increase of the intensity of maximum probable precipitation (PMP) between 15 and 30% by 2100. An increase in PMP could affect the performance and integrity of the surface water management infrastructure and increase the risk for overtopping and dam failure as well as the discharge of mine water to the environment. Climate change must therefore be integrated in the design of surface water infrastructure at an early stage. The main objective of this master's project was therefore to develop a methodological approach to integrate climate projections from regional climate models (RCM), into the design of surface water management infrastructure. This methodology was applied to the Canadian Malartic Mine site located in Abitibi. Precipitation and runoff were first measured at the Canadian Malartic mine during the summer and fall of 2018, to determine the hydrological characteristics of the tailings storage facility and the waste rock pile. These field measurements were then used to calibrate a rainfall-runoff model using Mike Hydro River software. Spring and summer/fall 24-h PMP values were calculated using climate data from 19 RCM simulations covering 2041-2070 and 2071-2100 periods, both for RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios. PMP were calculated using a statistical approach and a meteorological approach. The average peak discharge in ditches increased with both methods by 17% for 2041-2070, and by 22% for 2071-2100 for RCP4.5. The increase was 32% for 2041-2070, and 44% for 2071-2100 with the RCP8.5 scenario. The expected peak discharge associated with the spring PMP was lower than for the summer/fall, but a spring PMP could cause a greater total runoff volume than a summer PMP because of snowmelt. The methodology developed in this project can be summarized according to the following steps: 1. calculation of climate data projected from a regional climate model and adapted to the site of interest. 2. characterization of the hydrological properties of the watersheds on site (including the tailings ponds and the waste rock piles) using discharge measurements in collector ditches. 3. calibration and validation of a numerical model to simulate runoff during rainfall events. 4. extrapolation of this model for the different project floods depending on the risk associated with each infrastructure. 5. design of surface water management infrastructure according to peak flows and calculated total runoff volumes. The methodology developed in this study could help design surface water management infrastructure for the mine waste storage facilities that are resilient to extreme precipitation events, based on climate projections specific to the studied site studied, field data and numerical simulations.