Chapitre 1 : Présentation du site d'étude : crassier industriel
1.5 Apport des programmes Physafimm et Nagis sur la connaissance du site d’étude
Pour une meilleure compréhension du comportement du crassier face aux évènements pluvieux, deux programmes pilotes Physafimm et Nagis ont été mis en place sur une période de trois ans sur le site d’étude. PHYSAFIMM (PHYtoStabilisation : méthodologie Applicable aux FrIches Métallurgiques et Minières), cofinancé par l’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME), a pour but de limiter les flux et les transferts d’éléments traces métalliques vers la nappe en utilisant la technique de phytostabilisation. NAGIS (caractérisation de la Nappe Alluviale du Gier à partir des Isotopes Stables de l'eau et du soufre), financé par Saint Étienne Métropole et les établissements impliqués, permet d’évaluer l’impact des eaux de percolation du crassier sur sa nappe alluviale.
1.5.1 Programme Physafimm
Le programme Physafimm, lancé en 2010 et achevé en 2013, a pour but d'évaluer l’effet d’ensemencements de végétaux sur la mobilité des éléments traces métalliques du sol vers les plantes et l’impact du crassier sur la nappe phréatique du site d'étude. Ses objectifs sont :
- définir une méthodologie de mise en œuvre et de suivi du procédé de phytostabilisation extrapolable à un ensemble de friches industrielles, métallurgiques ou minières,
- limiter les flux issus d’un réservoir contaminé (crassier métallurgique ou minier) vers les milieux avoisinants et les récepteurs biologiques qui en dépendent.
Physafimm utilise la technique de phytostabilisation pour réduire l’impact environnemental du crassier. Le développement du couvert végétal permet de diminuer l’envol des poussières et l’infiltration des eaux de pluie en provenance du crassier. Cette infiltration est certes atténuée mais elle n’est pas totalement supprimée car, même avec un couvert végétal, les eaux de pluie continuent de lessiver les métaux du crassier et de les transporter vers la nappe. Ce travail, comme énoncé dans l’introduction, ne s'aligne pas dans la même thématique de recherche que celle du programme Physafimm et a été mené indépendamment de celui-ci. Cependant, le dispositif de suivi hydrologique utilisé (lysimètres, piézomètres, station météorologique) est le même. Les prélèvements effectués en vue d'analyses et expérimentations au laboratoire ont été faits en dehors des parcelles expérimentales de phytostabilisation mais sur des matériaux analogues (Figure 1.8).
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Figure 1.8 : Vue aérienne du site d'étude montrant les parcelles expérimentales de
phytostabilisation et les lysimètres (d’après rapport Programme Physafimmm, 2014).
Les résultats d’études réalisées dans le cadre de ce programme ont cependant montré que les "sols" en place sur le site sont majoritairement constitués :
de 60 à 70 % de laitiers de fusion et d’affinage,
d’environ 10 % de scories (oxydes métalliques),
de 6 à 13 % de calamine (résidus sidérurgiques ferreux),
de 3 à 7 % de résidus de battitures (mélange de calamines et fibres de toiles de jute),
d’environ 2 % de réfractaires,
de 0,1 à 1 % de fraisils usés (résidus de roche volcanique).
Le pilote expérimental du programme Physafimm a été installé sur une partie du crassier ayant été longtemps utilisée pour le stockage de plusieurs sous-produits tels que : laitiers, scraps, ferrailles, refus de criblage des déchets sidérurgiques, etc. Il est constitué de neuf parcelles P1 à P9 et neuf lysimètres L1 à L9 séparés par des allées de 1 m de largeur (Figure 1.8). Les parcelles correspondent à des planches de sol non remaniées de longueur 10 m et de largeur 5 m sur lesquelles sont menés des essais de phytostabilisation. Les lysimètres sont de même dimension que les parcelles et ont une profondeur de 1,5 m. Chaque lysimètre permet de collecter dans des conditions réelles de drainage l'eau ayant traversé le sol sus-jacent en vue d'analyses géochimiques. Celles-ci révèlent que les laitiers comportent des phases réactives d’où les teneurs anormalement élevées de certains lixivitats en Cr, Mo et Al. Le calcaire total et actif a été mesuré sur leur fraction solide afin de connaître respectivement la quantité totale de calcaire et celle capable de se retrouver plus facilement dans l'eau du sol. Les résultats montrent qu'ils sont abondants dans la fraction en dessous de 2 µm et contrôlent la basicité du milieu d’où les pH basiques observés dans les parcelles et les lysimètres (Figure 1.8). Ils sont aussi responsables de la saturation calcique relevée dans les échantillons solides des laitiers.
Les résultats issus de ces analyses ne permettent pas de connaître explicitement l'empreinte du crassier sur ses eaux souterraines d'où la mise en place du projet Nagis pour compléter les données existantes sur l'impact du crassier sur la chimie des eaux de la nappe phréatique
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1.5.2 Programme Nagis
Le programme Nagis lancé en 2011 pour une durée de trois ans dans la continuité de Physafimm, vise à évaluer l'impact des flux d'eau issus du crassier sur sa nappe alluviale. Il a pris fin en 2014 et comporte trois axes principaux :
- identifier les différentes contributions hydrologiques à la nappe phréatique via des campagnes de prélèvements suivies d'analyses physico-chimiques et isotopiques, - déterminer d'éventuels transferts d'éléments traces métalliques vers la nappe,
- compléter les études et modélisations hydrogéologiques existantes sur la nappe phréatique du Gier.
Dans le cadre de Nagis des analyses géochimiques ont été effectuées dans le Gier en amont et en aval du site d’étude grâce à onze piézomètres implantés sur le site (par l’usine et dans le cadre du programme), et sur deux autres affluents respectivement situés en amont et en aval du Gier. Il s'agit du Bozançon prenant sa source dans les monts du Lyonnais et un autre cours d'eau temporaire en provenance du massif du Pilat nommé "cours d'eau Pilat" (Lavastre, et al., 2014). Ces analyses réalisées selon la fréquence des évènements pluvieux ont permis d’identifier que la nappe du site est alimentée par quatre masses d’eau :
les eaux de pluies ayant percolé le crassier (lixiviats),
les eaux souterraines profondes,
le cours d’eau du Gier,
une masse d'eau en provenance du Pilat.
Le Tableau 1.1 renseigne sur les teneurs en ETM analysées sur trois de ces masses d'eau ; les eaux profondes du site n'ayant pu être prélevées pour des raisons pratiques. Les eaux du Bozançon ont également été prélevées et leurs teneurs en ETM ont été analysées puis comparées avec celles de ces masses d’eau. Les valeurs indiquées dans ce tableau ont été moyennées sur l'ensemble de la période d'échantillonnage soit de 2011 à 2013. Elles montrent que les ETM majoritairement rencontrés sont le chrome, le cuivre, le fer, le zinc, l'aluminium et le strontium. La présence du chrome, du cuivre et de l'aluminium s’accorde avec les analyses géochimiques effectuées dans les lysimètres dans le cadre du programme Physafimm.
Tableau 1.1 : Teneurs moyennes en ppm de quelques éléments traces analysés dans
quatre masses d'eau de la nappe alluviale du site d'étude (d’après rapport Programme
15 Les concentrations mesurées en fer sont en dessous de celles des trois autres eaux analysées. Cependant, les valeurs du zinc dans les eaux de lixiviats dépassent nettement celles observées dans le Gier et le Bozançon mais restent néanmoins inférieures à celles du cours d'eau Pilat. Les eaux du Gier sont de type bicarbonaté calcique à chloruré calcique tandis que celles des trois masses d'eau restant sont uniquement de type bicarbonaté calcique. Il a aussi été montré dans Nagis que les eaux du Gier présentent des teneurs en sodium élevées en proportion relative par rapport aux autres masses d’eau. Celles du Bozançon et du cours d'eau Pilat sont plutôt très concentrées en magnésium alors que les eaux de pluie qui traversent le crassier sont marquées par de faibles teneurs en magnésium, sulfate et chlorure.
En complément de ces données, les résultats de la modélisation de la nappe alluviale du Gier, effectués dans le cadre de Nagis, mettent en exergue la présence de quatre zones source/puits contribuant aux échanges nappes-rivières dans le sous-sol. Ces échanges, abondants en régime permanent, sont alimentés par des apports importants en provenance des versants amont et des écoulements latéraux vers l’aval. En période d'étiage, les eaux souterraines du site sont marquées par des échanges nappes-rivières avec de faibles apports venant de l'amont. Pour les écoulements en régime transitoire, sur des données de 2010 à 2012, seule la recharge hivernale de 2010 est la plus importante avec une amplitude de variation pouvant atteindre jusqu'à 1 m.