Calibration et optimisation automatisées des propriétés hydrogéologiques d'une halde à stériles avec couche de contrôle des écoulements

Les opérations minières produisent des volumes importants de roches stériles pour accéder aux zones minéralisées à valeur économique. Les roches stériles sont caractérisées par une granulométrie grossière et étalée possédant une composition minéralogique variable. Les stériles sont généralement entreposés dans des haldes en surface, dont la construction et la restauration représentent un défi pour l'industrie. Une couche de contrôle des écoulements (CCE), constituée d'un matériau granulaire fin, installé au sommet de chaque banc, pourrait contribuer à contrôler l'infiltration d'eau et améliorer la stabilité géotechnique et géochimique des haldes de stériles. Une halde à stériles expérimentale a été construite sur le site de la mine du Lac Tio (Rio Tinto Fer et Titane, Québec, Canada) afin d'évaluer la performance d'une CCE en conditions de terrain (Bussière 1999; Aubertin et al. 2002a; Fala et al. 2005; Broda et al. 2014; Bréard Lanoix 2017; Martin et al. 2017; Dubuc 2018). Des essais d'infiltration à grande échelle et un suivi des précipitations pendant 17 mois ont été réalisés afin d'évaluer le comportement hydrogéologique de la halde expérimentale et de la CCE. Les résultats ont ensuite été utilisés afin de calibrer des simulations numériques dans le but d'optimiser et d'extrapoler la méthode pour d'autres sites et d'autres conditions climatiques. Cependant, les données mesurées étaient bruitées et parfois incomplètes, ce qui rendait les simulations numériques difficiles à calibrer. L'objectif principal de ce projet était donc de développer une nouvelle méthode de calibration des propriétés hydrogéologiques d'un système de restauration en conditions non saturées et de l'appliquer au cas de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. Les propriétés hydrogéologiques utilisées pour ce processus étaient la conductivité hydraulique et les paramètres de l'équation de van Genuchten (2018). La calibration était basée sur deux essais d'infiltration à grande échelle qui ont permis d'isoler des variations de teneurs en eau volumique marquées dans les différents matériaux de la halde expérimentale et d'observer des tendances représentatives du comportement hydrogéologique du système permettant de simplifier et d'automatiser le processus de calibration. L'approche a ensuite consisté à définir pour chaque essai d'infiltration trois points caractéristiques qui représentaient les variations de teneurs en eau volumique induites par le passage du front de mouillage. Ces paramètres ont servi de comparaison entre les simulations numériques et les mesures de terrain. La méthode de calibration est basée sur les optimisations de boîte noire, elles-mêmes basées sur les algorithmes de type « mesh adaptative direct search » (Mads) permettant une résolution mathématique itérative d'équations non linéaires et non dérivables. Dans ce mémoire, les variables d'entrées étaient définies par les propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale. L'objectif de la calibration correspondait à un ensemble d'algorithmes visant à minimiser l'erreur entre les points spécifiques mesurés et simulés. Ce processus a permis d'itérer un nombre conséquent de propriétés hydrogéologiques jusqu'à l'obtention d'un optimum. Les paramètres calibrés ont ensuite été validés au moyen d'une simulation numérique de 523 jours représentant la durée totale de suivi sur la halde à stériles expérimentale. Le comportement hydrogéologique simulé de la halde était généralement proche des valeurs mesurées et l'écart entre les teneurs en eau volumique mesurées et simulées restait globalement inférieur à l'erreur de mesure des sondes de teneur en eau volumique. L'approche de calibration automatique a également pu être modifiée afin d'optimiser les propriétés de la CCE pour maximiser la déviation latérale de l'eau d'infiltration. La valeur « objectif » à minimiser correspondait dans ce cas aux volumes cumulés dans les lysimètres situés sous les stériles réactifs. L'optimum simulé représentait une efficacité de 100% pour une CCE de 0.77 m d'épaisseur et dont le matériau était sensiblement plus fin que le sable installé sur la halde expérimentale. La méthode de calibration proposée a donc permis d'obtenir une bonne calibration des propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. L'approche développée a aussi permis l'optimisation d'une CCE adapté aux propriétés hydrogéologiques calibrées des roches stériles de la halde expérimentale.