Conclusion

Cette étude a été réalisée dans le cadre global du Projet Saguenay Post-Déluge, dont le but était de déterminer l'efficacité à long terme de la couche de recouvrement naturelle, déposée dans le fjord du Saguenay suite à un événement de crue extrême, et de développer des outils pour la conception d'une telle couche. L'objectif spécifique de la présente étude était de développer un modèle numérique pour simuler le transport de contaminants dans une colonne de sédiments. Le modèle a ensuite été utilisé pour la conception d'une couche de recouvrement dans un cas hypothétique. L’étude a été subdivisée en trois volets:

  1. Le développement d’un modèle numérique et calage avec des données de terrain.

  2. L'analyse de sensibilité du modèle pour évaluer l’influence de certains paramètres sur la réponse.

  3. L'application de la méthode d’analyse de décision pour la conception d’une couche de recouvrement hypothétique.

Le premier objectif était donc de développer un modèle numérique qui simule la migration verticale d’une composante dissoute à travers une couche de recouvrement. Dans le modèle le transport de masse est représenté d'une façon générale pour une composante dissoute, mais en raison de la disponibilité des données les simulations ont été adaptées au transport de l'arsenic et les résultats comparés avec des profils d’arsenic dissous mesurées à deux stations, deux ans après la déposition d’une couche de recouvrement naturelle dans le fjord du Saguenay. La bonne superposition des profils de concentrations simulées et mesurées a montré que le modèle est capable de représenter l’évolution d’un contaminant dissous à travers une couche de sédiments. L'arsenic n'est pas un contaminant dans le fjord du Saguenay, son origine étant naturelle. En outre, il réagit rapidement suite au passage d'un milieu réducteur à un milieu oxydant et il est plus facilement remobilisable que les métaux traces qui contaminent les sédiments du fjord du Saguenay. On peut donc considérer que la simulation du transport de l'arsenic représente un cas particulièrement défavorable, comparativement aux autres métaux traces.

Idéalement, le modèle aurait dû être calé avec une séquence de profils de concentration de plusieurs contaminants dissous, mesurés pendant plusieurs années aux même stations et représentant donc l'évolution de la contamination dans les sédiments. Malheureusement la variabilité spatiale du milieu et les techniques d’échantillonnage n’ont pas permis d'obtenir une telle séquence de profils. Étant donnée la profondeur moyenne du fjord d'environ 150 m, les échantillons peuvent difficilement être pris à un endroit précis, mais sont plutôt prélevés à l’intérieur d'un périmètre de quelques mètres, tout dépendant de l'intensité des courants qui déplacent le carottier dans sa descente vers le fond. Ainsi les profils qui ont été mesurés à la même station pendant plusieurs années montrent des épaisseurs de turbidite variables et la distribution de contaminants est difficile à corréler d'un profil à l'autre. Il n'est donc pas possible d’utiliser une séquence de profils pour valider l’évolution de la contamination représentée par le modèle.

Dans le cadre du Projet Saguenay Post-Déluge un grand nombre d’échantillons de sédiments a été prélevé et analysé. L’ensemble des données montre que certaines propriétés des sédiments sont très variables d’une station à l’autre et même à l’intérieur d’une même station d’échantillonnage. En particulier, on a constaté une variabilité qui concerne surtout la quantité et profondeur des tubes de vers, ainsi que l’épaisseur de la couche de turbidite. Afin d'évaluer l’effet de la variabilité des paramètres sur la réponse du modèle, nous avons réalisé une première série de simulations pour des profondeurs de bio-irrigation et des épaisseurs de la couche variables. Ces simulations considèrent deux types de contaminants: les contaminants réactifs, qui peuvent être remobilisés et pour lesquels il peut y avoir ajout de masse en solution, et les contaminants non-réactifs. Les contaminants réactifs sont des composantes qui, comme l’As, sont associées au FeS et piégées dans les sédiments sous forme solide. Ces composantes (e.g. Ni, Cu, Co, Hg, Pb) peuvent être remobilisées suite à l’oxydation du FeS causé par l’apport d’eau riche en oxygène dans les trous de vers (bio-irrigation). Le modèle a été utilisé pour calculer la variation des profils de contaminants dans le temps ainsi que la masse totale de contaminant relarguée par la limite supérieure des sédiments à la fin de la simulation. Le résultat des simulations montre que pour un contaminant réactif, la profondeur de bio-irrigation a une influence plus importante que l’épaisseur de la couche sur le relargage de contaminant. La dissolution qui a lieu à l'intérieur des tubes de vers est donc le processus qui régit le relargage d'une composante réactive. Par contre, pour un contaminant non réactif, le relargage dépend du rapport entre la profondeur de bio-irrigation et l’épaisseur de la couche. Le contaminant non-réactif sera relargué seulement si les tubes de vers atteignent les sédiments contaminés. Dans les deux cas, réactif et non-réactif, les simulations ont montré l'importance de la profondeur de bio-irrigation.

D'un point de vue environnemental les concentrations d’As dissous calculées par le modèle pour la couche de surface des sédiments du Saguenay ne dépassent pas le Critère de Concentration Continue pour l’eau salée recommandé par l’USEPA (USEPA 1999). Ce critère représente la concentration maximale à laquelle une communauté aquatique peut être soumise à temps indéterminé sans avoir des conséquences inacceptables. D'ailleurs le modèle ne tient pas compte du fait qu’une fraction significative de l’As remobilisée par l’oxydation du FeS sera adsorbée par des oxydes de fer ou de manganèse dans sa migration vers la surface des sédiments et donc que la concentration sera ultérieurement réduite. Par conséquent, seulement une très petite partie sera effectivement relarguée par la limite supérieure et lorsque la composante atteindra la colonne d’eau au-dessus des sédiments, elle sera mélangée et diluée dans l’eau par effet des courants de fond. Les sédiments du site à l'étude ne présentent donc pas de danger pour l'écosystème en ce qui concerne la présence d’As dissous. Néanmoins, la modélisation du transport de contaminants dissous dans les sédiments du fjord du Saguenay s’est avéré un exercice intéressant et instructif, puisqu'il a permis d'utiliser le modèle avec des données réelles et d'évaluer l'importance de la bio-irrigation et de l'épaisseur de la couche pour l'efficacité de la couche de recouvrement dans un cas concret. Même si le nombre de données pouvant être utilisé pour le calage du modèle était limité par la variabilité du milieu et les problèmes de corrélation des profils, le site représente une bonne occasion pour utiliser un tel modèle et évaluer l’importance des différents paramètres d'entrée pour le transport de contaminant.

Afin de mieux comprendre le système et ses interactions ainsi que l’effet de la variabilité et de l’incertitude qui caractérisent certains paramètres d’entrée nous avons réalisé une analyse de sensibilité détaillée, basée sur la méthode du design factoriel. La méthode permet de déterminer de façon systématique les facteurs ayant un effet significatif sur la réponse du modèle. Deux types de réponses ont été considérés pour l'analyse de sensibilité: la masse cumulative de contaminant qui sort du système par la limite supérieure (interface sédiments/eau) dans les 10 ans suivant la mise en place du recouvrement et la concentration finale du contaminant à la surface de la couche de recouvrement 10 ans après le recouvrement. Les deux réponses ont été choisies parce qu'elles représentent deux voies à travers lesquelles les contaminants peuvent atteindre la faune aquatique et avoir des effets néfastes sur l'environnement. Les résultats de l'analyse de sensibilité ont montré que pour les conditions retrouvées dans le fjord du Saguenay, les facteurs ayant un effet significatif varient en fonction de la réponse étudiée, le type de contaminant (réactif ou non) et dans certains cas l'épaisseur de la couche. En général les paramètres de bio-irrigation sont important dans presque tous les cas. Le coefficient de dissolution est cependant critique uniquement pour la concentration de contaminant à la surface du sédiment.

Les résultats obtenus nous indiquent que les paramètres liés à la bio-irrigation doivent être caractérisés avec soin pour obtenir des résultats de modélisation valables. Il faut cependant reconnaître que même une caractérisation très détaillée des sédiments ne pourra jamais déterminer la globalité des variations spatiales des paramètres d'entrée et les représenter dans un modèle. Par conséquent il y aura toujours une marge d'imprécision dans la réponse du modèle et de l'incertitude vis à vis de la fiabilité de la réponse.

Afin de pouvoir évaluer l’impact de l'incertitude des paramètres d’entrée sur la réponse, nous avons réalisé une analyse d'incertitude avec la méthode Monte Carlo. Cette analyse fournit la distribution de la réponse du modèle en fonction de la variation des paramètres d'entrée. Les résultats de l'analyse d'incertitude ont été ensuite intégrés dans une approche d'analyse de décision qui a été appliquée au dimensionnement d’une couche de recouvrement dans un cas hypothétique de réhabilitation de sédiments contaminés. Le cas qui a été choisi pour illustrer la méthode s'inspire de la réalité et concerne la réhabilitation d’un site contaminé qui est fréquenté régulièrement par les bélugas et qui est soupçonné d'avoir un effet nocif sur la santé de ces mammifères marins. Le site se trouve à l’embouchure du fjord du Saguenay, à Baie-Ste-Catherine et n'a pas subi les conséquences de la crue de 1996.

L'épaisseur optimale de la couche a été calculée avec la méthode de l'analyse de décision qui unit la probabilité que la structure mise en place puisse satisfaire les critères de réussite du projet avec l'aspect économique. L’avantage de la méthode est dans la comparaison systématique des différentes alternatives sur la base du coût et des risques associés au projet et dans la représentation simple et efficace des résultats. Afin de considérer également les contaminants peu solubles, comme certain contaminants organiques présents dans les sédiments du site à l'étude, la probabilité que ces derniers traversent la couche a été évaluée en utilisant la distribution de la profondeur de bioturbation.

Dans le développement du modèle nous avons simplifié la représentation du système à l'étude et des processus, dans le but d'avoir un code simple nécessitant un nombre minimal de paramètres d'entrée. Nous avons essayé de faire la distinction entre les processus fondamentaux, comme l'advection, la diffusion, la bio-irrigation, qui sont essentiels à la description de la migration des composantes dissoutes et les processus secondaires, comme les réactions, différents et typiques pour chaque composante. Un des objectifs de l'étude était de mieux comprendre le fonctionnement d'une couche de recouvrement et d’identifier les facteurs importants qui définissent son efficacité en utilisant les données recueillies dans le cadre du Projet Saguenay Post-Déluge. Dans un système complexe, influencé par un très grand nombre de paramètres, ayant une incertitude assez élevée, il est plus difficile de saisir les paramètres qui ont une influence majeure sur le résultat du système. De plus, l'avantage principal d'avoir un code simple est que le temps de simulation est court ce qui permet de l'utiliser pour réaliser des séries de simulations Monte Carlo en un laps de temps raisonnable.

L'application du modèle se limite aux contaminants qui sont dissous ou qui peuvent être remobilisés suite à l'oxydation des sulfures. Il n'est par contre pas adapté à la simulation de la migration de contaminants très peu solubles et liés aux particules, tels les HAP et d'autres organiques. Ces contaminants peuvent éventuellement "migrer" vers la surface par effet du remaniement des sédiments causé par la bioturbation, un processus qui n'est pas représenté dans le modèle. Il faut aussi noter que les mécanismes de remobilisation considérés présentement dans le modèle ne sont pas représentatifs d'un milieu lacustre, dans lequel les sulfures sont beaucoup moins abondants.

Le modèle pourrait être amélioré, en intégrant d'une façon plus détaillée les réactions chimiques. Cela n'a pas été fait dans le cadre de la thèse pour éviter d'introduire également une très grande incertitude concernant la cinétique des réactions, les concentrations initiales des différentes composantes, etc. qui aurait pu masquer l'importance d'autres processus, avec une incertitude mineure. Une autre raison est le manque de données adéquates pour caler un tel modèle.

Afin de considérer les variations spatiales des sédiments le modèle pourrait être modifié pour représenter le cas 3D. En outre, il pourrait éventuellement intégrer les phénomènes de sédimentation et d'érosion à la surface de la couche de recouvrement. Dans l'étude ce dernier aspect n'a pas été considéré car dans le fjord du Saguenay le taux de sédimentation est assez limité, sauf dans zones proches de l'embouchure des rivières.

Enfin, l'analyse de sensibilité pourrait être réalisée dans un contexte plus général, afin de considérer d'autres conditions que celles observées dans les sédiments du fjord du Saguenay. Le modèle pourrait donc être utilisé pour évaluer l'effet de paramètres qui n'ont pas été considérés jusqu'ici, comme le taux d'accumulation ou la vitesse d'écoulement.