SOLS ANTHROPIQUES URBAINS
PROBLEMATIQUE DE SOLS ANTHROPIQUES URBAINS
Comme il a รฉtรฉ mentionnรฉ en introduction, la mesure des concentrations de contaminants dans les sols et surtout lโรฉchantillonnage sur lequel elle repose sont peu encadrรฉs dans les guides de pratique et les normes disponibles au Quรฉbec, mais รฉgalement ailleurs dans le monde (ex. : MDDEP, 2003). Il y est couramment mentionnรฉ que pour assurer une mesure adรฉquate des concentrations, les รฉchantillons de sol prรฉlevรฉs doivent รชtre reprรฉsentatifs. Cette notion de reprรฉsentativitรฉ est systรฉmatiquement laissรฉe qualitative. Aucune ligne directrice claire nโest fournie quant ร la maniรจre de prรฉlever des รฉchantillons reprรฉsentatifs et quant aux relations pouvant exister entre les mรฉthodes dโรฉchantillonnage et la reprรฉsentativitรฉ des mesures de concentration. Par ailleurs, aucune ligne directrice nโest fournie quant ร la maniรจre de rรฉduire dโune faรงon reprรฉsentative la masse dโun รฉchantillon de terrain ร des fins dโanalyse chimique. Pourtant, ce processus de rรฉduction de masse est dโune importance cruciale puisquโil doit produire un รฉchantillon analytique dโau plus quelques grammes et qui devra reprรฉsenter la concentration dโune unitรฉ de terrain comprenant plusieurs milliers de kilogrammes.
Cette absence de lignes directrices sur lโรฉchantillonnage des sols contaminรฉs ร des fins analytiques a conduit ร lโutilisation gรฉnรฉralisรฉe du grappillage comme mode de prรฉlรจvement des รฉchantillons, que ce soit sur le terrain ou au laboratoire. Il sโagit dโun prรฉlรจvement au hasard en ce quโil consiste ร prendre les รฉchantillons de sol aux endroits aisรฉment accessibles (ex. dessus dโune pile de sol, surface dโune paroi, dessus dโun pot dโรฉchantillonnage). Le grappillage est donc nonprobabiliste, en ce sens quโil ne permet pas ร que chaque รฉlรฉment constitutif du sol contaminรฉ dโavoir une probabilitรฉ identique dโรชtre prรฉlevรฉ et donc, dโรชtre prรฉsent dans lโรฉchantillon en une proportion identique ร celle sur le terrain. Par ailleurs, le nombre dโincrรฉments prรฉlevรฉs pour constituer un รฉchantillon est souvent insuffisant et varie dโun prรฉleveur ร un autre. รgalement, les outils utilisรฉs pour le prรฉlรจvement sont gรฉnรฉralement inadรฉquats et tout aussi variables. Ainsi, le grappillage du sol a de fortes chances de produire des รฉchantillons qui gรฉnรจreront des mesures de
concentrations susceptibles dโรชtre biaisรฉes et trรจs variables (Myers, 1997).
Caractรฉristiques gรฉnรฉrales des sols naturels et anthropiques
Le sol agit comme lien entre lโatmosphรจre, lโhydrosphรจre, la lithosphรจre et la biosphรจre (Harrison, 1999). Ce systรจme central trรจs complexe, et en mรชme temps trรจs sensible ร la pollution, a une importance majeure dans lโรฉquilibre des รฉcosystรจmes.
Les propriรฉtรฉs physico-chimiques et biologiques du sol jouent un rรดle majeur dans leย transport et le devenir des polluants dans lโenvironnement en agissant comme systรจme transformateur, systรจme source et systรจme de transfert des รTM (Harrison, 1999; Berthelin et Leyval, 2000).
Le sol est le rรฉsultat de lโaltรฉration physique et chimique du substrat rocheux. Les variations de tempรฉrature, lโรฉrosion, les activitรฉs humaines sont responsables de son altรฉration mรฉcanique tandis que lโoxydation, la rรฉduction, la carbonatation et autres rรฉactions chimiques contribuent ร son altรฉration chimique (Holtz et Kovacs, 2008). Cette altรฉration ainsi que la superposition des couches homogรจnes de diffรฉrentes รฉpaisseurs, appelรฉes aussi des horizons, constituent la base de la classification des sols (Harrison, 1999) . Une stratification de ces dรฉpรดts est รฉvidente sur les images de la figure A-I-3, ainsi quโune certaine homogรฉnรฉitรฉ au sein de chacune des couches.
Cependant, les sols dโorigine anthropique possรจdent des caractรฉristiques diffรฉrents de celles des sols naturels concernant leur formation et leur comportement. Bockheim (1974) dรฉfinit le sol urbain comme รฉtant une couche synthรฉtique non agricole, ayant une รฉpaisseur supรฉrieure ร 50 cm qui a รฉtรฉ produit par le mรฉlange, le remplissage ou par la contamination de la surface de la terre dans les secteurs urbains et suburbains. En effet, il rรฉsulte dโune dรฉgradation du sol naturel par lโactivitรฉ humaine, principalement industrielle, et liรฉe au dรฉveloppement urbain, au point de le rendre inutilisable ou de mettre ร risque les utilisateurs du site. Cette dรฉgradation peut รชtre due ร une pollution du sol naturel en place (ex. : fuite de rรฉservoirs enfouis) ou au remblaiement de matiรจres rรฉsiduelles.
Les รTM dans sols naturels et anthropiques
Les รTM, souvent identifiรฉs dans la documentation scientifique sous les appellations mรฉtaux lourds, รฉlรฉments traces, mรฉtaux toxiques ou micronutriments (Galvez-Cloutier, 2005), peuvent avoir des impacts dรฉlรฉtรจres (dรฉpendamment de leurs concentrations) sur les รฉcosystรจmes et les humains. Leur particularitรฉ est liรฉe ร leur configuration รฉlectroniqueย puisquโils ont tendance ร perdre des รฉlectrons, ce qui leur confรจre un potentiel de rรฉaction considรฉrable (Kabata-Pendias et Mukherjee, 2007; Galvez-Cloutier et Lefranรงois, 2005).
Le tableau pรฉriodique regroupe 59 รฉlรฉments appartenant aux groupes de transition, divisรฉs en: mรฉtaux (Ni, Cu, Pb, Zn, etc.), mรฉtalloรฏdes (As, B, Se) et non mรฉtaux (Br, Cl, F, N) (Baize, 2004). Les รฉlรฉments ayant une masse volumique supรฉrieure ร 5-6 g/cm3 , sont considรฉrรฉs comme รฉtant des mรฉtaux lourds et ils sont associรฉs ร la toxicitรฉ en fonction de leurs doses. En faibles quantitรฉs, certains de ces mรฉtaux constituent des nutriments indispensables pour les รชtres vivants.
Pour cette รฉtude, lโappellation รฉlรฉments traces mรฉtalliques (รTM) sera utilisรฉe afin de dรฉsigner les รฉlรฉments tels que le cadmium (Cd), le cobalt (Co), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le manganรจse (Mn), le nickel (Ni) et le zinc (Zn).
Mesure de la CTE en รTM
Aux fins de caractรฉrisation des sites contaminรฉs, la CTE est obtenue suite ร la minรฉralisation ร chaud dโun รฉchantillon de sol dโenviron 1 g avec les acides nitrique et chlorhydrique, mais sans dรฉtruire le rรฉseau silicatรฉ, puis ร lโanalyse des mรฉtaux extraits en solution, typiquement par spectromรฉtrie ร source ionisante au plasma dโargon (CEAEQ, 2009). Lโhypothรจse posรฉe est que la CTE reprรฉsente la concentration en รTM du sol, excluant celle pouvant exister au sein des minรฉraux silicatรฉs constitutifs de la matrice solide. Cette derniรจre est gรฉnรฉralement beaucoup plus petite dans des cas dโapports anthropiques.La mesure de la CTE est ร la base de tout le systรจme de gestion des sites et sols contaminรฉs au Quรฉbec. Les principaux problรจmes associรฉs ร la mesure de la CTE sont liรฉs au processus dโรฉchantillonnage des sols en prรฉvision de lโanalyse. Ces problรจmes ont commencรฉ ร รชtre soulevรฉs depuis les quinze derniรจres annรฉes par quelques auteurs (Myers, 1997; Gerlach et Nocerino, 2003; Gustavsson et al. 2006; Boudreault et al. 2009).
certains aspects du processus dโรฉchantillonnage des sols ne sont pas correctement encadrรฉs afin de pouvoir dรฉterminer et contrรดler la reprรฉsentativitรฉ de la mesure de la CTE. Ces aspects comprennent la dรฉfinition mรชme de la reprรฉsentativitรฉ, le prรฉlรจvement correct des รฉchantillons et la prรฉparation de ces derniers aux fins dโanalyse.Dans la pratique, les deux premiers aspects ne sont, ร toutes fins pratiques, pas considรฉrรฉs. Le troisiรจme aspect reรงoit plus dโattention, notamment en ce qui concerne lโhomogรฉnรฉisation et lโรฉcrรชtage des รฉchantillons. Par contre, lโinfluence de ces modes de prรฉparation sur la mesure de la CTE dans les SAU est inconnue.
รchantillonnage conventionnel des SAU
De maniรจre gรฉnรฉrale, les guides disponibles rรฉfรจrent vaguement au type dโรฉchantillon ร obtenir et ร son prรฉlรจvement. Au Quรฉbec, le Guide de caractรฉrisation des terrains (MDDEP, 2003) et le Cahier 5 du Guide dโรฉchantillonnage ร des fins dโanalyses environnementales (MMDEP, 2009) mentionnent que, selon lโhรฉtรฉrogรฉnรฉitรฉ du sol, un รฉchantillon ponctuel ou composรฉ doit รชtre prรฉlevรฉ et que ces รฉchantillons doivent รชtre composรฉs des particules fines du sol (c.-ร -d. < 2 mm), car ces derniรจres prรฉsentent un potentiel dโinteraction plus grand avec les contaminants et elles sont un vecteur de contact plus direct avec les rรฉcepteurs sensibles via lโingestion ou lโinhalation. Par ailleurs, dans les cas oรน les particules plus grandes que 5 mm reprรฉsentent une fraction massique plus grande que 80 %, ces guides suggรจrent dโanalyser les fractions fines et grossiรจres combinรฉes et dโadapter les protocoles dโanalyse des รTM en consรฉquence, car ceux-ci recommandent que les รฉchantillons soient tamisรฉs ร 2 mm (CEAEQ, 2008).
Toutefois, les guides actuels ne fournissent aucune indication sur les mรฉthodes ร utiliser afin de prรฉlever des รฉchantillons reprรฉsentatifs. Dans ce contexte, le prรฉlรจvement par grappillage sโest imposรฉ, principalement ร cause de sa facilitรฉ dโimplantation. Cette technique repose sur une sรฉlection au hasard du matรฉriel ร prรฉlever. Il consiste ร prendre (ยซ grappiller ยป) le matรฉriel accessible, gรฉnรฉralement ร la surface dโune paroi de tranchรฉe, dโune pile ou dโun bocal. La quantitรฉ de matรฉriel prรฉlevรฉ varie dโun prรฉleveur ร un autre, ainsi que le nombre dโincrรฉments pour constituer lโรฉchantillon et le matรฉriel utilisรฉ. Cependant, dans la grande majoritรฉ des cas, la quantitรฉ de matรฉriel, le nombre dโincrรฉments et le matรฉriel de prรฉlรจvement ne permettent pas dโobtenir des รฉchantillons reprรฉsentatifs . De maniรจre courante sur le terrain, 1 ร 6 incrรฉments sont prรฉlevรฉs ร la surface du matรฉriel afin de remplir un pot entre 300 et 500 mL. Le pot lui-mรชme est souvent utilisรฉ pour prรฉlever le matรฉriel. La sรฉlection du matรฉriel se fera de maniรจre ร retirer manuellement et arbitrairement les plus grosses particules. Au laboratoire, la procรฉdure de sous-รฉchantillonnage typiquementย employรฉe est de tamiser le matรฉriel dans les pots ร lโaide dโun tamis de 2 mm dโouverture, puis de grappiller, en quelques incrรฉments, environ 1 g de matรฉriel pour lโanalyse chimique.
Thรฉorie dโรฉchantillonnage des matรฉriaux morcelรฉs
La TEMM a รฉtรฉ dรฉveloppรฉ par lโingรฉnieur franรงais Pierre Gy et publiรฉe pour la premiรจre fois en 1979. Elle a รฉtรฉ publiรฉe ร nouveau dans divers ouvrages et articles par Gy (1988, 1992, 1997, 2004 a-c) et par dโautres auteurs (Pitard, 1993). Il sโagit dโune thรฉorie mathรฉmatique dรฉfinissant un ensemble dโerreurs dโรฉchantillonnage et quantifiant leur impact sur les rรฉsultats analytiques. Elle dรฉfinit รฉgalement un ensemble de mรฉthodes et pratiques permettant de minimiser les erreurs dโรฉchantillonnage et tendre vers un รฉchantillonnage probabiliste correct. La TEMM a รฉtรฉ historiquement appliquรฉe dans le domaine minier afin de corriger les pratiques dโรฉchantillonnage en vue de la dรฉtermination des teneurs en minerai.
La TEMM nโa pas รฉtรฉ diffusรฉe dans le domaine de lโรฉchantillonnage environnemental avant le milieu des annรฉes 1990 avec les travaux de Francis Pitard (Pitard, 1993). Par la suite, elle a รฉtรฉ appliquรฉe ร lโรฉchantillonnage des sols contaminรฉs dans un nombre restreint dโรฉtudes et de Ces observations sur lโรฉchantillonnage de laboratoire ont รฉtรฉ faites suite ร plusieurs communications personnelles avec des firmes dโingรฉnierie-conseil et des laboratoires dโanalyses accrรฉditรฉs.
monographies thรฉoriques (Myers, 1997; Gerlach et Nocerino, 2003; Gustavsson et al. 2006; Dubรฉ et al. 2008; Boudreault et al. 2009). Il a fallu attendre la seconde moitiรฉ des annรฉes 2000, avant de voir des applications concrรจtes des principes de la TEMM ร lโanalyse de la reprรฉsentativitรฉ de lโรฉchantillonnage de rรฉels sols contaminรฉs avec les รฉtudes de Gustavsson et al. (2006) et de Boudreault et al. (2009).
Selon Gy (1996, p. 3), lโรฉchantillonnage dโun matรฉriau morcelรฉ ร des fins dโanalyse ยซ couvre lโensemble des opรฉrations qui, partant de lโobjet ร รฉvaluer, le ยซ lot ยป, aboutissent ร la prise dโessai qui sera soumise ร lโanalyse dans son intรฉgritรฉ ยป. Le terme clรฉ dans cette citation est ยซ intรฉgritรฉ ยป. En effet, toute manipulation du matรฉriau qui diminuera son intรฉgritรฉ, comme par exemple, le prรฉlรจvement prรฉfรฉrentiel des particules fines, diminuera รฉgalement la reprรฉsentativitรฉ de la mesure analytique ร la fin du processus.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLEMATIQUE DE SOLS ANTHROPIQUES URBAINSย
CHAPITRE 2 NOTIONS SUR LโรCHANTILLONNAGE REPRรSENTATIF DES SOLS ANTHROPIQUES CONTAMINรS ร DES FINS DโANALYSE DES รLรMENTS TRACES MรTALLIQUES
2.1 Caractรฉristiques gรฉnรฉrales des sols naturels et anthropiques
2.2 Les รTM dans sols naturels et anthropiques
2.3 Mesure de la CTE en รTM
2.4 รchantillonnage conventionnel des SAU
2.5 Thรฉorie dโรฉchantillonnage des matรฉriaux morcelรฉs
2.5.1 Dรฉfinition de la reprรฉsentativitรฉ
2.5.2 Erreurs dโรฉchantillonnage
2.5.2.1 Lโerreur fondamentale (EF)
2.5.2.2 Lโerreur de sรฉgrรฉgation et groupement (ESG)
2.5.2.3 Les erreurs de dรฉlimitation et dโextraction dโincrรฉment (ED et EE)
2.5.2.4 Lโerreur de prรฉparation (EP)
2.5.3 Pratique de lโรฉchantillonnage des matรฉriaux morcelรฉs
2.5.3.1 รchantillonnage de terrain
2.5.3.2 รchantillonnage de laboratoire
2.5.3.3 Mรฉthode dโรฉchantillonnage des sols contaminรฉs de Boudreault et al. (2009)
2.6 Synthรจse des problรจmes de lโรฉchantillonnage conventionnel par grappillage et hypothรจses de travail
CHAPITRE 3 MATรRIEL ET MรTHODE
Structure mรฉthodologique de lโรฉtude
3.1 Gรฉnรฉralitรฉs sur les รฉchantillons de SAU et la mรฉthode analytique pour la mesure des concentrations en รTM
3.2 Granulochimie des รTM et analyse statistique-fractions granulomรฉtriques
3.3 Comparaison entre les mรฉthodes dโรฉchantillonnage
3.4 Distribution des รTM dans les constituants anthropiques de SAU
3.5 Mรฉthode quantitative โ Test de Kruskal-Wallis
CHAPITRE 4 RรSULTATS ET INTERPRรTATIONSย
4.1 Distribution granulomรฉtrique et degrรฉ dโรฉtalement
4.2 Granulochimie des รTM dans les รฉchantillons de SAU
4.2.1 Rรฉpartition des รTM parmi les fractions granulomรฉtriques tamisรฉes
4.2.2 Influence du broyage sur la CTE en รTM mesurรฉe dans les fractions granulomรฉtriques de sol
4.3 Distribution des รTM dans des matรฉriaux de remblai (briques, mรขchefer, bรฉton, pierre concassรฉe)
4.4 Comparaison entre les mรฉthodes dโรฉchantillonnage alternative et conventionnelle
4.4.1 Analyse des CTE obtenues par lโapplication des deux mรฉthodes dโรฉchantillonnage
4.4.2 Analyse des CTE pondรฉrรฉes obtenues par lโapplication des deux mรฉthodes dโรฉchantillonnage
CONCLUSION
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