Évaluation du comportement hydrogéologique d'un recouvrement alternatif constitué de rejets calcaires phosphatés en climat semi-aride à aride

Lors de la phase d’exploitation d’un site minier, ou plus particulièrement durant les opérations de fragmentation-classification et de séparation d’un minerai, deux types de rejets solides anthropiques (rejets de concentrateur et stériles) peuvent être générés et entreposés en surface. Les lieux d’entreposage de ces rejets (haldes à stériles et parcs à rejets de concentrateur) peuvent être à l’origine de la production d’un drainage minier contaminé avec des conséquences potentiellement néfastes sur l’environnement. Afin de proposer aux opérateurs miniers des solutions concrètes et efficaces à long terme, plusieurs technologies de prévention sont présentement investiguées; les systèmes de recouvrement hydrogéologiques permettant la réduction des infiltrations d’eau sont considérés comme une des technologies les plus prometteuses. En climat semi-aride à aride, des systèmes alternatifs SR, aussi connus sous l’appellation anglaise « store-and-release covers », sont constitués de matériaux ayant des propriétés hydrogéologiques spécifiques (i.e., courbe de rétention d’eau, fonction de perméabilité) dans le but de favoriser le stockage des eaux météoriques durant les périodes humides ainsi que leur libération par le processus physique d’évaporation (ou biophysique d’évapotranspiration) durant les périodes sèches. 
\nAu Maroc, des mines de phosphates sédimentaires sont situées à proximité de sites miniers générateurs de drainages contaminés. En vue de la restauration de ces sites, une étude récente a suggéré l’utilisation de rejets calcaires phosphatés, inertes et peu valorisés, comme composante d’un système de recouvrement hydrogéologique de type SR. Par conséquent, l’objectif principal du présent projet de recherche vise à évaluer le comportement hydrogéologique d’un tel recouvrement en climat semi-aride à aride. Pour répondre à cette problématique assez générale, trois études distinctes complémentaires sont proposées. La première (chapitre 2) tente de valider l’utilisation de rejets calcaires phosphatés comme composante principale d’un recouvrement SR à partir d’essais de terrain en colonnes instrumentées. La performance d’un tel système est alors appréciée sous des conditions naturelles et extrêmes représentatives d’un climat semi-aride à aride. La seconde étude (chapitre 3) propose d’évaluer l’influence des effets d’hystérésis (observés au chapitre 2) sur le comportement hydrogéologique d’un recouvrement SR. Pour ce faire, le comportement hystérétique des rejets calcaires phosphatés est préalablement investigué à partir d’essais en laboratoire (e.g., essais en colonne, en cellule pressurisée, solutions salines saturées). Ensuite, un travail de modélisation numérique (HYDRUS -1D) est proposé à partir des résultats issus des essais de terrain en colonnes instrumentées. La dernière étude (chapitre 4) évalue le comportement hydrogéologique de systèmes alternatifs constitués de rejets miniers phosphatés à textures distinctes, à une échelle plus réaliste (pilote). Ces cellules expérimentales (100 m²) ont été construites directement sur le parc à rejets miniers d’un site générateur d’un important drainage rocheux acide (DRA), le site Kettara localisé près de Marrakech (Maroc). Les résultats des différentes études sont résumés dans les paragraphes suivants. 
\nLes essais en colonnes instrumentées du chapitre 2 montrent qu’une couche SR, constituée de 50 à 100 cm de rejets calcaires phosphatés (< 1 mm), permet de contrôler efficacement la génération d’un drainage minier contaminé en climat semi-aride à aride. Sous des conditions climatiques naturelles, plus de 94% des infiltrations nettes annuelles (i.e., précipitations) sont libérées dans l’atmosphère par évaporation. Ces essais préliminaires montrent également que les rejets calcaires phosphatés peuvent limiter les infiltrations profondes après application de la précipitation maximale probable (PMP = 155 mm/j), calculée à partir des données météorologiques de Marrakech. Toutefois, les résultats présentent un matériau SR avec un comportement hydrogéologique où les effets d’hystérésis sont présents durant les différents cycles mouillage-séchage. 
\nLe chapitre 3 valide le fort comportement hystérétique des rejets calcaires phosphatés observé précédemment. Le code numérique HYDRUS-1D, intégrant les interactions sol–atmosphère ainsi que les effets d’hystérésis (courbe de rétention d’eau et fonction de perméabilité), a été utilisé pour prédire l’écoulement non saturé dans les différents recouvrements à partir de deux scénarios : hystérétique et non-hystérétique. Le scénario non-hystérétique, simulé à partir de la courbe principale en mouillage du matériau SR, ainsi que le scenario hystérétique sont respectivement validés à partir des données de terrain. Les résultats montrent une meilleure corrélation, entre les valeurs mesurées et prédites, pour le scénario non-hystérétique durant les périodes humides. Le scénario hystérétique prédit plus précisément le comportement hydrogéologique du matériau durant les périodes sèches. Sous des conditions extrêmes, le scénario hystérétique présente une surestimation du taux d’évaporation ainsi qu’une sous-estimation du taux de percolation. Cette étude montre que, bien que le comportement hystérétique des rejets calcaires phosphatés soit important, l’influence des effets d’hystérésis sur le comportement hydrogéologique du recouvrement SR reste faible. 
\nLe chapitre 4 confirme le potentiel de différents rejets miniers phosphatés (rejets calcaires phosphatés < 1 mm, non criblés et rejets de concentrateur calcaires phosphatés) en tant que composante principale d’un recouvrement SR pour les conditions du site Kettara. Sous des conditions climatiques naturelles, la totalité des infiltrations nettes annuelles est libérée dans l’atmosphère. Tel que mentionné dans le chapitre 2, les essais de terrain ont montré que les recouvrements de 1 m permettent de limiter les infiltrations profondes même lors d’événements de précipitation extrêmes (PMP). Toutefois, la capacité de libération de la couche SR, constituée des rejets miniers phosphatés les plus fins, est inférieure en raison de ses propriétés hydrogéologiques. Ce type de matériaux est également plus susceptible au phénomène de dessiccation. 
\nUn dernier chapitre discute les approches utilisées (e.g., méthode du bilan hydrique, code numérique HYDRUS-1D) ainsi que certains résultats obtenus dans les chapitres précédents. L’influence de l’épaisseur et de la texture des couches SR est notamment abordée. Plus précisément, ce chapitre montre que plus l’épaisseur de la couche SR est importante plus les risques de percolation sont diminués. Toutefois, de tels recouvrements disposent d’une capacité de libération plus faible, favorisant l’accumulation des eaux en profondeur durant des événements de précipitation extrêmes (PMP). Une texture appropriée du matériau SR peut améliorer la cinétique de libération des eaux accumulées en profondeur et ainsi diminuer les risques de percolation suite à des événements de précipitation extrêmes rapprochés. 
\nFinalement, au-delà de leur utilisation traditionnelle au sein de systèmes de traitement du DRA, la présente thèse confirme le potentiel de valorisation des rejets miniers phosphatés en tant que composante principale d’un système de recouvrement hydrogéologique. De plus, à partir d’une approche multi-échelle développée sous des conditions naturelles et extrêmes, ce travail permet d’approfondir les connaissances sur le comportement hydrogéologique des systèmes alternatifs SR et d’établir des propositions préliminaires de restauration de sites miniers générateurs d’un drainage contaminé situés en climat semi-aride à aride, tel que le site minier abandonné de Kettara.
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