Table des matières

Suite au déluge qui a marqué la région du Saguenay en 1996, une couche de nouveaux sédiments a recouvert les sédiments du secteur amont du fjord du Saguenay. Avant le déluge cette zone était caractérisée par la présence de sédiments contaminés, associés au déversement incontrôlé d’effluents liquides, pratiqué dans le passé par les industries de la région. La couche de sédiments déposés en 1996 a enfoui les sédiments contaminés et constitue donc une barrière isolante composée de matériaux plus propres.

Afin d'estimer l'efficacité à long terme de la couche, un nouveau modèle numérique (TRANSCAP-1D) a été développé. Ce modèle simule la migration de composantes dissoutes dans une colonne de sédiments et considère l'advection, la diffusion/dispersion, et l'effet de la bio-irrigation. La formulation mathématique représente un milieu à double porosité, composé de pores et de trous ou tubes de vers.

Le modèle a été calé avec les profils de concentration de l'arsenic dissous qui ont été mesurés à deux stations du fjord du Saguenay, après la déposition de la couche de recouvrement naturelle. Par la suite, une analyse de sensibilité a été réalisée afin d'évaluer l'impact de certains paramètres caractérisés par une variabilité ou incertitude importante aux sites à l'étude. Les résultats montrent que les paramètres associés à la bio-irrigation ont un impact significatif sur la migration des contaminants dissous vers la colonne d'eau.

Par la suite, nous avons réalisé une analyse d'incertitude en utilisant la méthode Monte Carlo et les résultats ont été intégrés dans une analyse de décision pour le design d'une couche de recouvrement potentielle. Le cas présenté est hypothétique et concerne la réhabilitation d'un site contaminé qui est fréquenté régulièrement par la population de bélugas du Saint Laurent. L'exemple illustre les avantages de l'application de l'analyse de décision pour trouver l'alternative correspondante au coût total plus bas, en considérant les coûts et les risques d'échec associés au projet de réhabilitation.

In 1996 two days of intense rainfalls caused severe flooding in the Saguenay region and a new sediment layer was deposited on the upstream area of the Saguenay fjord. In the past, this area was exposed to the uncontrolled discharge of industrial effluents and the sediments were contaminated. The new sediment layer buried the contaminated sediments and constitutes a natural barrier of cleaner material, which isolates the contaminants from the water column.

A new numerical model (TRANSCAP-1D) was developed in order to estimate the effectiveness of the natural barrier in isolating the contaminated sediments from the overlying water column. The model simulates the migration of dissolved compounds in a sediment column and includes advection, diffusion/dispersion and the effect of bio-irrigation. The mathematical formulation represents a double porosity medium, composed of sediment pores and tubes or burrows dug by worms.

The model was calibrated using the concentration profiles of dissolved arsenic measured at two stations of the Saguenay fjord, after the capping event. Thereafter, a sensitivity analysis was performed in order to evaluate the impact of certain parameters showing a great variability and uncertainty at the studied sites. The results indicate that the parameters associated to bio-irrigation have a significant impact on the migration of dissolved contaminants towards the water column.

Thereafter, we performed an uncertainty analysis, using the Monte Carlo method. The results were integrated in a decision analysis for the design of a capping layer in a hypothetical case of sediment remediation. The presented case considers a contaminated site regularly frequented by the beluga population of the St. Lawrence Estuary. The example illustrates the advantages of the application of the decision analysis method, which is used to find the least cost option, considering the costs and failure risks associated to the remediation project.

Trois des quatre chapitres de cette thèse ont été ou seront soumis prochainement pour publication dans des revues scientifiques. Les articles vont paraître sous le titre:

Chapitre 2 :

Dueri, S. , Therrien, R. et Locat, J. Numerical modeling of the migration of dissolved contaminants through a subaqueous capping layer.

Chapitre 3 :

Dueri, S. et Therrien, R. Factors controlling contaminant transport through the flood sediments of the Saguenay Fjord: numerical sensitivity analysis.

Chapitre 4 :

Dueri, S. , Therrien, R. et Locat, J. Decision analysis: Application to the design of a subaqueous capping layer.

Le premier article a été accepté pour publication dans la Revue du Génie et de la Science de l'Environnement. L’article présente un nouveau modèle numérique (TRANSCAP-1D) et son calage. Les travaux de modélisation et de rédaction ont été réalisés par S. Dueri sous la supervision de R. Therrien et les corrections de J. Locat. Les données utilisées pour le calage ont été acquises lors des nombreuses missions en mer du Projet Saguenay Post Déluge par différents groupes de recherches de l'université Laval, de l'université McGill et de l'université du Québec à Rimouski. Les travaux de terrain et de laboratoire ont été accomplis par les étudiants, les stagiaires et les techniciens des trois universités, sous la supervision de J. Locat, professeur au département de géologie et génie géologique de l’université Laval, R. Galvez-Cloutier, professeure au département de génie civil de l'université Laval, S. Leroueil, professeur au département de génie civil de l'université Laval, A. Mucci, professeur au département des Sciences de la Terre et des planètes de l'université McGill et G. Desrosiers, professeur à l'institut des sciences de la mer de l'université du Québec à Rimouski. Lors des missions en mer les sédiments ont été échantillonnés avec l'aide très précieuse de l’équipage de l’Alcide C. Horth.

Le deuxième article présente une analyse de sensibilité réalisée avec le modèle numérique TRANSCAP-1D. Cet article a été accepté pour publication dans " Contaminated Sediments: Characterization, Evaluation, Mitigation/Restoration, and Management Strategy Performance, ASTM STP 1442, J. Locat, R. Galvez-Cloutier, R.C. Chaney, and K. Demars, Eds., ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003 ", un recueil d'articles, publié par l'ASTM suite au deuxième symposium international sur les sédiments contaminés. L'analyse de sensibilité ainsi que la rédaction ont été réalisés par S. Dueri sous la supervision de R. Therrien.

Le troisième article présente les résultats d'une analyse d'incertitude et l'application de l'analyse de décision pour le design d'une couche de recouvrement. Cet article n'a pas encore été soumis. L'analyse d'incertitude, l'analyse de décision et la rédaction ont été réalisés par S. Dueri sous la supervision de R. Therrien et avec les corrections de J. Locat.

Je tiens à remercier particulièrement mon directeur de thèse René Therrien pour ses précieux conseils, sa disponibilité et pour m'avoir toujours encouragé et aidé dans mes recherches. Je voudrais remercier également mon codirecteur Jacques Locat, pour son soutien et pour m'avoir donné l'opportunité de travailler dans un projet d'une grande envergure, tel le Projet Saguenay Post-Déluge. Un gros merci aussi à Rosa Galvez-Cloutier, René Lefebve et Pierre Gelinas pour leurs commentaires qui ont considérablement amélioré la qualité de la thèse.

Je voudrais aussi remercier mes collègues et amis à l’Université Laval. J’ai vraiment apprécié le travail à l’intérieur d’une équipe aussi dynamique que celle du Projet Saguenay Post-Déluge, ainsi que les échanges avec des personnes externes au projet, qui m'ont apporté des nouvelles idées et perspectives. Grâce à vous les années passées à l'Université Laval ont été très riches, autant d'un côté scientifique que d'un côté humain.

Un gros merci à mes parents pour leur soutien et pour m’avoir transmis la confiance dans mes moyens et dans la vie qui est fort utile pour aboutir un projet à long terme tel un doctorat. Je remercie également mes amis à l'extérieur de l'Université Laval ainsi que ma famille, pour leur support dans les périodes difficiles et pour avoir partagé avec moi les beaux moments de mes années au Québec.

Enfin je voudrais remercier sincèrement le Conseil Canadien de Recherche en Science Naturelle et en Génie (CRSNG), le Fonds pour la Formation de Chercheurs et l'Aide à la Recherche (FCAR) et Alcan (Canada Ltd) pour leur support financier, sans lequel le projet n'aurait pas vu le jour.

αL : Dispersivité des sédiments [L]

β : Coefficient de transfert de masse du soluté (premier ordre) [T-1]

β1 [T-1] et β2 [L-1] : Coefficients empiriques pour la variation spatiale des tubes

γ : Facteur cinétique

γw : Poids spécifique de l'eau [kN L-3]

δ : Distance entre l’axe du tube et le point où la concentration est égale à la valeur de l’intégral horizontal [L]

σ’p : Contrainte de préconsolidation [kPa]

σ'v : poids des terres [kPa]

Φ : Fonction objectif [$]

B : Bénéfice [$]

Biox : Profondeur de bio-irrigation [L]

C : Coût [$]

Cc : Indice de compression [-]

CDTD : Coût de dragage, transport et recouvrement [$]

CE : Coût technique [$]

Cf : Coût d'échec [$]

CFeS : Concentration de FeS solide dans les sédiments [M/L3]

CM : Coût de mobilisation du matériel [$]

CS : Concentration du soluté dans l'eau des pores des sédiments [ML-3]

CT : Concentration du soluté dans les tubes de vers [ML-3]

Cu : Résistance au cisaillement [kPa]

cv : Coefficient de consolidation [L2 T-1]

Dd : Coefficient de diffusion effectif [L2T-1]

Dm : Coefficient de diffusion/dispersion dans les tubes [L2T-1]

Ds : Coefficient de diffusion/dispersion du soluté dans les sédiments [L2T-1]

e0 : Indice des vides initial [-]

K : Conductivité hydraulique [L T-1]

k1 [g2 mol-1 l-1] et k2 [μg l-1] : Coefficients de dissolution

m : Nombre de tubes par aire unitaire [L-2]

MO : Pourcentage de matière organique [%]

nS : Porosité des sédiments [-]

nT : Porosité des tubes [-]

nT° : Porosité des tubes à la surface de la colonne de sédiments [-]

Pf : Probabilité d'échec [-]

R : Risque [$]

Rt : Facteur de retard [-]

r1 : Rayon interne des tubes [L]

r2 : Demi-distance entre deux tubes [L]

vs : Vitesse du fluide dans les sédiments [LT-1]

vT : Vitesse de bio-irrigation [LT-1]