INTRODUCTION

Le fjord du Saguenay est situé à environ 200 km au nord-est de la ville de Québec, entre Saint Fulgence et Tadoussac. Il s’étend sur une longueur de 90 km et sa largeur varie entre 1 et 6 km. La partie en amont du fjord se divise en deux secteurs : la Baie des Ha! Ha! et le Bras Nord, dans lequel se déverse la rivière Saguenay, qui contribue à 90% de l’apport d’eau douce dans le fjord. La profondeur dans ces deux secteurs varie entre 100 et 200 m. Le maximum est atteint dans le bassin central avec une profondeur de 275 m. La confluence du fjord et de l'estuaire du Saint Laurent, située à Tadoussac, est caractérisée par un seuil d’environ 20 m de profondeur. La colonne d’eau du fjord est stratifiée en deux couches: une mince couche d’eau plutôt douce en surface, suivi d’une couche plus épaisse d’eau salée en provenance de l’estuaire du Saint Laurent. Dans les eaux plus profondes la salinité peut atteindre 31‰ (g/kg) et la température est d’environ 1 °C. Grâce à la bonne circulation des eaux profondes, celles-ci sont toujours bien oxygénées (Syvitski 1987, Schafer et al. 1990). Le taux de sédimentation dans le Bras Nord varie en moyenne entre 0.35 cm an-1 et 0.7 cm an-1, avec un pic de plus que 1 cm an-1 à l’embouchure de la rivière Saguenay, tandis que dans la Baie des Ha! Ha! le taux de sédimentation est plus faible et varie autour de 0.1 cm an-1 (Barbeau et al. 1981a).

En juillet 1996, la région du Saguenay a été marquée par un déluge avec des conséquences graves. Des pluies extrêmes se sont déversées durant une période de 48 heures sur la partie en amont du fjord. La crue des rivières a entraîné une érosion massive et l’apport de plusieurs millions de mètres cubes de nouveaux sédiments dans la Baie des Ha! Ha! et le Bras Nord (Lapointe et al. 1998). Cette couche d'origine terrestre et non-contaminée est composée principalement d’argile et de silt et a une épaisseur moyenne de 0.2 m. Elle recouvre des sédiments contaminés par des métaux lourds et des HAP et constitue une barrière naturelle pour la migration des contaminants (Figure I.1).

Le Projet Saguenay Post-Déluge est un projet de recherche multidisciplinaire, qui regroupe des chercheurs de plusieurs domaines et différentes universités, afin d'étudier les caractéristiques physiques, chimiques et biologiques de la nouvelle couche de sédiments. Le projet vise à mieux comprendre le fonctionnement et l’évolution dans le temps d'une couche de recouvrement, afin d’évaluer l’efficacité de cette couche comme barrière pour isoler les contaminants dans les sédiments sous-jacents. Un des objectifs principaux du Projet Saguenay Post-Déluge est le développement technologique, qui pourra ensuite être appliqué à la planification ainsi qu’à la réalisation des couches de recouvrement.

Figure I.1: Schéma général du système à l'étude

Face aux problèmes de pollution des fonds marins, le recouvrement des sites contaminés avec des sédiments propres est une option intéressante, parce qu’elle représente une façon efficace et potentiellement économique d’isoler les contaminants de l’environnement externe (USEPA 1994, Palermo et al. 1999). Une couche de recouvrement a pour objectif d’isoler physiquement les contaminants de la faune benthique, de stabiliser les sédiments et de réduire le flux des contaminants vers la colonne d’eau. Le design d’une telle couche doit considérer tous les facteurs qui peuvent affecter l’efficacité, la stabilité et la pérennité du recouvrement, tels que la consolidation, la migration de contaminant par advection ou diffusion, la bioturbation et l’érosion.

La migration de contaminants dissous à travers une couche de recouvrement composée principalement de matériaux fins est déterminée par la diffusion, l’advection associée à la consolidation, les réactions géochimiques des contaminants avec les sédiments et la bio-irrigation qui a lieu dans les tubes de vers. À l’intérieur du recouvrement, les contaminants peuvent être retenus par adsorption, ce qui cause un retard dans la migration du front de contaminant et une atténuation la concentration maximale. La capacité d’atténuation dépend surtout de la composition de la couche de recouvrement, plus particulièrement de son pourcentage de particules fines et de matière organique. Il faut aussi considérer les changements de Eh et pH à proximité des tubes de vers qui peuvent être causés par la bio-irrigation et qui peuvent remobiliser certains métaux (Figure I.1).

Les objectifs particuliers de cette étude se situent dans le cadre global du Projet Saguenay Post-Déluge et visent à approfondir la compréhension du fonctionnement d'une couche de recouvrement et à fournir un outil pour le design d'une couche de recouvrement. Plus spécifiquement l'étude est subdivisée en trois volets:

  1. Le développement et le calage d'un modèle numérique capable de décrire la migration verticale de contaminants dissous à travers une couche de recouvrement.

  2. L'identification des paramètres avec un impact important sur le transport à l'intérieur de la couche.

  3. L'évaluation de l'efficacité à long terme de la barrière vis à vis du transport de contaminants et l'utilisation du modèle pour le design d'un recouvrement.

Ces trois parties correspondent à trois articles qui constituent les chapitres 2, 3 et 4 de la thèse.

L'approche numérique est choisie parce que, pour les conditions à l'étude, il n'y a pas de solution analytique pour résoudre le système d'équations différentielles partielles qui représentent le transport. En outre, malgré les simplifications nécessaires pour représenter un système complexe comme les sédiments bio-irrigués, l'approche nous permet de calculer les flux de masse à l'intérieur d'une couche de recouvrement et d'identifier les paramètres qui ont une influence significative sur l'efficacité de la barrière.

Les données recueillies sur les sédiments du fjord du Saguenay suite au déluge de 1996 et à la déposition de la nouvelle couche, constituent une opportunité unique pour étudier le fonctionnement d'une couche de recouvrement. Une très grande quantité d'analyses chimiques, physiques et biologiques a été réalisée par plusieurs équipes de chercheurs et les données ont été utilisées pour vérifier et caler le modèle. Le premier article, qui correspond au chapitre 2 de la thèse, présente en détail le développement et le calage du modèle avec les données de terrain. Ensuite, l'influence de différents paramètres du modèle a été testée à l'aide de l’analyse de sensibilité. Cela a permis de déterminer les facteurs qui doivent être caractérisés avec précision pour que la réponse du modèle corresponde à la réalité. Les résultats de l'analyse de sensibilité sont présentés dans le deuxième article, correspondant au chapitre 3. Par la suite, le modèle a été utilisé pour le dimensionnement une couche de recouvrement en utilisant la méthode de l'analyse de décision. L'exemple présenté dans le troisième article (chapitre 4) illustre les avantages et les limites de l'analyse de décision. La méthode permet d’intégrer les coûts et les risques associés au projet de réhabilitation dans le but de trouver la solution plus rentable économiquement et la plus efficace d’un point de vue environnemental. Une explication plus détaillée des objectifs de chaque volet ainsi qu'une revue de littérature seront présentées dans l'introduction des articles qui constituent les chapitres 2, 3 et 4.