Évaluation en laboratoire de la réactivité biologique associée à la respiration racinaire d'une végétation arborée colonisant une couverture à effets de barrière capillaire

« RÉSUMÉ: Des progrès importants ont été réalisés dans le domaine de la restauration minière dans les 30 dernières années. Les acteurs du secteur minier continuent à développer des solutions visant à protéger l’environnement et réduire les impacts des projets miniers sur les écosystèmes sur le long terme. Ces solutions consistent notamment à contrôler le drainage minier contaminé associé à l’entreposage des rejets miniers. L’utilisation de la couverture à effets de barrière capillaire (CEBC) pour confiner les rejets miniers composés des matériaux sulfureux est une méthode jugée efficace pour le contrôle du drainage miner acide et du drainage minier neutre contaminé à moyen terme. La CEBC est une barrière à l’oxygène formée de 3 couches de matériaux qui est composée du haut vers le bas de la couche de protection, la couche de rétention d’humidité, et la couche bris capillaire inférieure. Sa fonction de barrière à l’oxygène est assurée par la couche de rétention d’humidité qui doit être maintenue à un degré de saturation supérieur à 85% pour limiter la diffusion et le flux d’oxygène atteignant les résidus sous-jacents. À terme, l’installation progressive de la végétation sur une CEBC peut affecter sa performance sur le long terme. La végétation peut nuire à la performance d’une CEBC en pompant de l’eau et en créant des biopores, ce qui désature la couche de rétention d’humidité (CRH). Mais la végétation peut aussi aider la performance en consommant de l’oxygène par la respiration cellulaire au niveau des racines qui colonisent les matériaux de la CEBC. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer au laboratoire l’influence de la respiration racinaire d’une espèce arborée sur la consommation biologique d’oxygène et la performance d’une CEBC en considérant des variations du degré de saturation dans la couche de rétention d’humidité. Le cas d’étude de la CEBC du site Lorraine, constituée de sols naturels, a été utilisé comme point de départ pour les investigations en reproduisant la configuration de cette CEBC dans des modèles physiques au laboratoire (colonnes instrumentées). Les mêmes critères de performance que ceux de la CEBC Lorraine ont été utilisés au laboratoire, soit maintenir un degré de saturation supérieur à 85% dans la couche de rétention d’humidité pour réduire le flux d’oxygène la traversant à moins de 20-40 g d’O2/m2/an. Une colonne témoin sans végétation a été comparée à des colonnes végétalisées avec du saule indigène. Les objectifs spécifiques (OS) suivants ont été identifiés : • OS1 : Déterminer les effets du degré de saturation (Sr) de la CRH sur la colonisation racinaire de la CEBC. Trois niveaux de degrés de saturation initiaux ont été ciblés dans les colonnes végétalisées soit 50%, 85% et 100%. • OS2 : Quantifier les taux de réaction associés à différentes combinaisons de colonisations racinaires et degrés de saturation. Pour cela, une approche numérique a été couplée à des essais de diffusion d’oxygène réalisés pour toutes les colonnes. • OS3 : Analyser l’influence relative de la réactivité biologique associée à la respiration des racines et du degré de saturation sur les flux d’oxygène traversant la CEBC. Des solutions analytiques ont été utilisées pour comparer les flux calculés au critère de performance de la CEBC.»

Abstract

«ABSTRACT:Significant progress has been made in the field of mine reclamation in the last 30 years. Mining stakeholders continue to develop solutions to protect the environment and reduce the impacts of mining projects on ecosystems in the long term. These solutions include controlling acid mine drainage and contaminated neutral drainage associated with mine waste disposal. The use of covers with capillary barrier effects (CCBE) to contain mine waste composed of sulphur materials is a method considered effective for the control of contaminated acid mine drainage in the mid-term. The CEBC is an oxygen barrier formed by 3 layers of materials that is composed from the top to the bottom by the protective layer, the moisture retention layer, and the bottom capillary break layer. Its function as an oxygen barrier is provided by the moisture retention layer which must be maintained at a degree of saturation greater than 85% to limit the diffusion and flow of oxygen reaching the underlying residues. In the long term, the gradual establishment of vegetation on a CCBE can affect its performance in the long term. Vegetation can impair the performance of a CCBE by pumping water and creating biopores, which decongestion the moisture retention layer (MRL). But vegetation can also help performance by consuming oxygen through cellular respiration at the roots that colonize the CCBE materials. The main objective of this project was to determine in the laboratory the influence of root respiration of a tree species on the biological oxygen consumption and performance of a CCBE by considering variations in the degrees of saturation in the moisture retention layer. The case study of the CCBE of the Lorraine site, composed of natural soils, was used as a starting point for the investigations, by reproducing the configuration of this CCBE in physical models in the laboratory (instrumented columns). The same performance criteria as those of the CCBE Lorraine were used in the laboratory, i.e. maintaining a degree of saturation greater than 85% in the moisture retention layer to reduce the flow of oxygen through it to less than 20-40 g of O2/m2/year. A control column without vegetation was compared to columns vegetated with native willow. The following specific objectives (SO) have been identified : • SO1: Determine the effects of the degree of saturation (Sr) of MRL on the root colonization of CCBE. Three levels of initial saturation degrees were targeted in the vegetated columns, i.e. 50%, 85% and 100%. • SO2: Quantify the reaction rate associated with different combinations of root colonization’s and degrees of saturation. To do this, a numerical approach was coupled with oxygen diffusion tests carried out for all columns. • OS3: To analyze the relative influence of the biological reactivity associated with root respiration and the degree of saturation on the oxygen fluxes through the CCBE. Analytical solutions were used and allowed to compare the calculated fluxes to the CCBE performance criterion.»