Soutenance mémoire
Plantation d’espèces à croissance rapide pour le contrôle de l’érosion
Enjeux environnementaux de l’activité minière
Cadre légal pour la gestion des résidus miniers
Au cours des dernières années, la revégétalisation, la décontamination ou la réhabilitation des sites perturbés par les activités minières ont été progressivement soumises à une législation environnementale de plus en plus stricte. Conformément à la réglementation minière en vigueur au Québec, les végétaux installés devront être auto-suffisants, sans besoin d’entretien ni d’ajout d’engrais ou d’amendements et, après quelques années, similaires à la végétation indigène environnante (Ministère des ressources Naturelles 1997).La gestion des résidus miniers peut être considérée comme le principal engagement environnemental pour les compagnies minières. Celle-ci inclut essentiellement les résidus issus du processus de production – cad. le minerai sans valeur commerciale, résultant des opérations de broyage, et transporté sous forme de suspension – et les roches stériles – cad. les matériaux rocheux extraits de la mine en excluant les couches de sol et le minerai (Spitz and Trudinger 2008). La gestion des haldes à stériles est particulièrement importante et représente l’empreinte environnementale et paysagère la plus critique du projet minier. Le risque de génération de drainage rocheux acide c’est à dire l’écoulement d’une solution minérale acide depuis les sites de stockage miner, la faible stabilité des pentes en raison du manque de structure du sol et de la haute érodabilité des matériaux, sont responsables d’un processus de sédimentation et de ruissellement qui pourrait affecter la qualité de l’eau et des rivières (Spitz and Trudinger 2008). La présente étude traitera spécifiquement de la revégétalisation de pentes de roches stériles de faible teneur en soufre, donc pour lesquelles 1 ‘occurrence de drainage rocheux acide est limitée.
Processus, impacts et facteurs d’érosion
Le terme « érosion » se rapporte au processus de détachement et de mouvement des particules de sol et des roches. L’érosion peut être causée par l’eau, le vent, les vagues, l’écoulement de glace, et les mouvements de masse (Gray and Sotir 1996). Le transport des sédiments et la perte de la stabilité du sol sont les deux impacts critiques de l’érosion sur la qualité de l’eau. Plus généralement, l’érosion peut être responsable de la perturbation de l’équilibre écologique en générant des impacts négatifs sur l’eau, le sol et la végétation (Gray and Sotir 1996). Ainsi, le processus d’érosion cause un appauvrissement des sols, à travers la perte de matière organique et de la couche de sol arable créant des conditions défavorables pour l’établissement des plantes. Les
processus d’érosion sont différenciés en deux classes :l’érosion en nappe produisant la perte d’une couche de sol relativement uniforme et peu profonde ou l’érosion linéaire et par ravinement causant la formation de canaux et de chemins d’érosion concentrés (Beek et al. 2008).
Les précipitations peuvent engendrer des problèmes de stabilité de pentes en raison des processus de ruissellement et d’infiltration des eaux, des effets de contraction-dilation ou de gel-dégel, de la fonte des neiges et de multiples causes qui affectent la cohésion et la structure du sol (Beek et al. 2008). Par conséquent, les sols seront plus sensibles à l’érosion dans des conditions de précipitations intenses et d’humidité initiale du sol élevée (Beek et al. 2008). La zone d’étude est caractérisée par un climat microthermal humide (Classification Kôppen), où les principaux impacts de l’érosion se produiront au printemps, au moment de la fonte des neiges. Les particules de sol sont détachées de la surface du sol par l’action du gel, puis concentrées dans la neige et transportées lors de la fonte (Jansson 1982). Les taux de perte des particules de sols dus à la fonte
des neiges seront plus élevés si la couche supérieure du sol n’est pas gelée et seront particulièrement importants à la fin de la période de dégel (Jansson 1982). Les précipitations estivales sont une autre cause importante de l’érosion dans cette zone climatique. La température influencera également le processus d’érosion; les hautes températures favorisant l’évapotranspiration et une plus grande consommation d’eau par les plantes, et par conséquent une atténuation des impacts du ruissellement (Kirkby and Morgan 1980). Cependant, ces effets pourraient être aussi dépendants de la structure du sol puisque par exemple, dans le cas des sols argileux, la formation des croutes de surface pendant les périodes de sécheresse produira une réduction de la perméabilité du sol, une augmentation de la quantité et du flux des eaux de ruissellement, et par conséquent un renforcement des processus d’érosion.
Le degré et la longueur de pente sont également des facteurs aggravant du phénomène d’érosion. En effet, le taux d’infiltration des eaux dans le sol est négativement corrélé au degré de pente ; une augmentation du volume et de la vitesse de ruissellement impliquant un accroissement du potentiel d’érosion (Jansson 1982). La longueur de la pente influencera également la vulnérabilité du sol à l’érosion, en raison des accumulations du ruissellement de surface depuis le haut de la pente jusqu’en bas de pente, augmentant ainsi la vitesse et profondeur de l’écoulement de l’eau le long de la pente (Jansson 1982).
Approche écologique d’atténuation des impacts d’érosion
Gray et Sotir (1996) présentent les différents objectifs et techniques de prévention des risques d’érosion. Tout d’abord, 1 ‘auteur explique l’importance d’améliorer la résistance au cisaillement du sol en augmentant l’imbrication et la liaison entre les particules de sol à travers, par exemple, le développement de systèmes racinaires ou l’apport d’amendements organiques. Les techniques de prévention devraient se concentrer sur les objectifs de protection du sol en stimulant l’établissement de la végétation et l’augmentation du pourcentage de couverture grâce à l’utilisation de paillis, d’espèces à croissance rapide et/ou d’engrais. Enfin, les activités de contrôle des eaux de ruissellement par un système de dérivation et de stockage des eaux de pluie, ainsi que l’entretien et le maintien de la couverture végétale existante devraient également être inclus dans un plan de gestion de l’érosion.
Dans le cas des pentes de roches stériles, les techniques d’éco-ingénierie c’est à dire les stratégies écologiques à déployer pour gérer un site en intégrant les risques naturels et anthropiques (Stokes et al. 2008b) – sont particulièrement bien adaptées pour résoudre les problèmes complexes et graves sur le long terme. La bio-ingénierie c’est à dire l’utilisation de matériel végétal vivant pour remplir une fonction d’amélioration des sols, depuis un simple contrôle d’érosion avec ensemencement de graminées et légumineuses jusqu’à la stabilisation de talus plus complexes avec la plantation de saules (Salix sp.) ou d’autres plantes (Schiechtl 2009) – peut aider à résoudre des problèmes plus spécifiques. Par conséquent, les solutions éco-technologiques doivent être adaptées aux conditions du site et à l’ampleur du problème (Andreu et al. 2008).
Enfin, la combinaison d’une variété de solutions devrait permettre d’optimiser les coûts des projets, la gestion des risques et le niveau de contrôle de l’érosion des pentes.
La morphologie des systèmes racinaires est propre à chaque espèce et les techniques de bio-ingénierie devront s’appuyer sur un matériel végétal reconnu pour la vigueur de développement de ses racines. Les systèmes racinaires des arbres seront caractérisés par des racines de plus fort diamètre moyen et de pénétration plus profonde et seront ainsi adaptés pour stabiliser les pentes avec des risques de glissement superficiel (Norris et al. 2008a), tandis que les systèmes racinaires des herbacées seront composés par davantage de racines fines lesquelles seront plus efficaces pour assurer la cohésion de l’ensemble de lamasse du terrain (Norris et al. 2008a). En effet, les racines de faible diamètre (1-20mm) contribuent efficacement à la lutte contre l’érosion des sols
(Styczen and Morgan 1995) par leurs effets sur le régime hydrologique (contrôle du ruissellement) ainsi que sur l’amélioration de la cohésion et de l’adhérence entre elles des particules.
Les techniques de bio-ingénierie doivent également intégrer des facteurs tels que la densité de la couverture végétale, l’architecture de la canopée ou la morphologie des feuilles lesquels dépendent de l’espacement des arbres, de la structure du sous-étage et de la composition en espèces (Norris et al. 2008b). Ces facteurs ont une influence sur l’interception des précipitations en atténuant l’impact des gouttes d’eau sur le sol. La canopée transforme la taille des gouttes de pluie selon des processus de stockage, de combinaison et d’écoulement. Elle influence de plus la vitesse de chute en fonction de la taille des gouttes et de la hauteur des branches (Armstrong et Mitchell 1987).
Kittredge (1948) explique que l’interception des précipitations dans une forêt de feuillus était proportionnelle à la densité de la canopée. Kelliher et al. (1993) ont démontré que la canopée de Pinus radiata pouvait intercepter 12-49% des précipitations annuelles contre 14-21% pour les prairies. En plus de réduire l’impact des gouttes de pluie sur le sol, 1 ‘interception par le couvert végétal permet de réduire les situations de saturation du sol en eau par les processus d’ évapotranspiration.
La technique d’hydroensemencement est actuellement considérée par de nombreuses sociétés minières comme une méthode efficace de revégétalisation et de protection des sols pour les pentes de stériles. L’« hydroseeder » est un équipement qui permet de mélanger et d’appliquer sur le sol une suspension épaisse composée d’eau, de paillis, de semences, d’engrais et/ou d’autres amendements du sol. Cette méthode permet ainsi de stimuler les premières étapes de croissance en créant une couverture du sol rapide et complète de graminées et légumineuses très compétitives. En outre, une grande superficie peut être potentiellement ensemencée par jour (0,5 à 10 hectares par jour) en fonction du modèle d’hydroseeder utilisé. Selon la quantité de paillis et le type de produit appliqué, 1 ‘hydroensemencement pourrait contribuer à la protection du sol et
au contrôle de l’érosion. Cette méthode est également intéressante pour la possibilité d’ajouter une grande diversité de substances susceptibles d’améliorer la fertilité et la structure du sol comme, par exemple, une addition de boues d’épuration (Ferrer et al. 2011).
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Table des matières
AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLE AUX
RÉSUMÉ
CHAPITRE I INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Problématique
1.2 État des connaissances
1.2.1 Enjeux environnementaux de 1 ‘activité minière
1.2.1.1 Cadre légal pour la gestion des résidus miniers
1.2.1.2 Processus, impacts et facteurs d’érosion
1.2.1.3 Approche écologique d’atténuation des impacts d’érosion
1.2.2 Interaction végétation-érosion
1.2.2.1 Développement du système racinaire
1.2.2.2 Couvert forestier et développement du sous-étage
1.2.2.3 Plantation d’espèces à croissance rapide pour le contrôle de l’érosion
1.3 Objectifs de 1’ étude et hypothèses de travail
CHAPITRE II TREE SPACING EFFECTS ON EROSION OF SOIL COVERED WASTE ROCK SLOPES PLANTED WITH HYBRID POPLAR
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Methods and materials
2.4.1 Site description
2.4.2 Experimental design
2.4.3 Substrates
2.4.4 Tree planting
2.4.5 Erosion measurement
2.4.6 Root sampling
2.4.7 Aboveground plant development
2.4.7.1 Understory vegetation cover
2.4.7.2 Tree canopy development
2.4.8 Statistical analysis
2.5 Results
2.5.1 Soil erosion
2.5.2 Vegetation cover and tree growth
2.5.2.1 Tree survival and growth
2.5.2.2 Poplar canopy cover
2.5.2.3 Understory canopy cover
2.5.3 Poplar and herbaceous root morphology
2.6 Discussion
2.6.1 Tree aboveground growth, understory cover and aboveground competition
2.6.2 Tree and understory root development and belowground competition
2.6.3 Influence of the planting design on erosion control in hybrid poplar plantations
2.6.4 Tree-compatible herbaceous species for erosion control
2.6.5 Erosion measurement considerations
2.7 Conclusion
CHAPITRE III CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
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