Caractérisation et Modélisation Numérique du Comportement des Matériaux Énergétiques dans les Sols et L'eau Souterraine D'un Site D'entraînement Anti-Char

Abstract

La base militaire de Val cartier opère le champ de tir antichar Arnhem depuis les années 1970. Le type de munitions utilisé pour l'entraînement est la roquette M72 dont la charge explosive est constituée de 300 g d'Octol, un mélange de 60% HMX (Octahydro-1,3,5,7- Tetranitro-1,3,5,7-Tetrazocine), 30% TNT (2,4,6-Trinitrotoluene) et 10% RDX (Hexahydro-1,3,5-Trinitro-1,3,5-Triazine). Une problématique environnementale a été soulevée puisqu'une proportion non-négligeable des munitions n'explose pas à l'impact. Le contenu en matériaux énergétiques (ME) des roquettes non explosées se disperse à la surface du sol pour ensuite être dissous par l'eau de pluie et migrer vers la nappe phréatique.

Le Centre de recherche pour la défense Valcartier (CRDV) et l'INRS-Géoressources mènent une étude hydrogéologique depuis 1998 dont le but est la compréhension du comportement des matériaux énergétiques dans les sols et l'eau souterraine. La méthodologie utilisée pour ce projet de recherche comporte trois grands volets, soit les travaux de terrain, les essais en laboratoire et la modélisation.

Une des étapes principales de ce projet était d'instrumenter le champ de tir anti-char Arnhem de façon exhaustive afin d'avoir une quantité suffisante de données hydrogéologiques et physico-chimiques nécessaires pour comprendre le comportement des matériaux énergétiques. Les travaux de terrain ont montré que le contexte hydrogéologique est très complexe dans le secteur du champ de tir Arnhem. Ces complexités sont la présence d'une nappe perchée, un changement brusque de direction et de vitesse d'écoulement, une stratigraphie discontinue, une géométrie complexe de l'aquifère et un régime d'écoulement caractérisé par des effets transitoires majeurs. Les travaux de caractérisation ont également montré que le HMX est le principal ME observé dans les sols de surface près des cibles d'entraînement et dans l'eau souterraine alors que le RDX et le TNT y sont quasi-absent.

À partir des résultats des travaux de caractérisation, un modèle conceptuel expliquant le comportement des matériaux énergétiques a été développé. Le HMX est dissous très lentement, est faiblement adsorbé et pourrait se biodégrader sous les conditions aérobies de l'aquifère. En mettant en relation la fluctuation du niveau de la nappe avec la concentration en HMX dans l'eau souterraine, il est possible d'observer qu'une impulsion de HMX est produite à chaque épisode de recharge de l'aquifère. Cette suite d'impulsions de HMX dissous génère un panache de contamination dans l'eau souterraine. En comparaison avec le HMX, le TNT est dissous plus rapidement, est plus adsorbé et se biodégrade en condition aérobie.

Parce qu'il est essentiel d'avoir une solide connaissance du régime d'écoulement de l'eau souterraine avant d'entreprendre une étude détaillée sur le transport des contaminants, des travaux de modélisation hydrogéologique 3-D en condition non-saturée/saturée ont été entrepris avec le programme FRAC3DVS. Les résultats montrent que les vitesses d'écoulement dans la partie supérieure de l'aquifère changent de façon significative selon les saisons sur le flanc de la montagne car cette zone devient saturée pendant la recharge printanière et se désature en période d'étiage. Les effets qu'ont ces phénomènes transitoires sur l'évolution du panache de HMX dissous dans l'eau souterraine ont été évalués avec une simulation du transport de masse en condition advective/dispersive. Les résultats montrent que le panache s'écoule rapidement à partir de la source pendant la recharge printanière mais ne se rend pas complètement au centre de la vallée avant que le flanc de la montagne ne s'assèche en période d'étiage.

Alternate abstract:

The Arnhem anti-tank range has been in operation since the 70's at BFC-Va1cartier. The ammunition used for training at the range is the M72 rocket with an explosive charge made of 300 g of Octol (60% HMX, Octahydro-l,3,5,7-Tetranitro-l,3,5,7-Tetrazocine, 30% TNT, 2,4,6-Trinitrotoluene and 10% RDX, Hexahydro-l,3,5-Trinitro-l,3,5- Triazine). An environmental issue is related to the misfire of M72: the unexploded ammunitions at the soil surface (DUD) or into the ground (UXO) provoke the spreading of energetic materials (EM) in the sandy soil of the range, the infiltration of rain and water from snow melt dissolves EM and transports them to the water table.

In 1998, the Defence Research Establishment Va1cartier (DREV) and the Institut national de la recherche scientifique (INRS) initiated a hydrogeological study to understand the behaviour of EM in the vadose zone and the water table aquifer underlying the range. The methodology used for this project consists of field characterization, laboratory tests and numerical modeling.

One of the main steps of this project was to characterize the site thoroughly in order to gather the information needed to understand the behavior of EM. Characterization work has shown that the hydrogeological setting is complex in the vicinity of the Arnhem range: presence of a perched aquifer, a sharp shift in the direction of groundwater flow, steep bedrock slope, discontinuous stratigraphy and transient effects on the groundwater flow regime. The characterization has also shown that HMX is the main EM observed in soil close to the training target and in groundwater, whereas RDX and TNT are present only in traces.

A conceptual model of EM behavior was defined based on the characterization. HMX is weakly adsorbed, could be biodegraded under aerobic condition and is slowly dissolved. The very low dissolution of HMX explains why the major mass of this EM is located in the soil surface, limiting its impact on groundwater. In comparison with HMX, TNT is more quickly dissolved and more strongly adsorbed.

Since it is essential to have an excellent knowledge of groundwater flow pnor to performing a detailed contaminant transport study, such as what is required for natural attenuation assessment, a 3-D unsaturated/saturated groundwater flow modeling study was initiated using FRAC3DVS. Sharp seasonal groundwater flow velocity changes were predicted close to the source because this area becomes unsaturated during low-water periods but is saturated during spring recharge. The effects of such variations in the seasonal groundwater flow regime on dissolved HMX migration was clearly assessed with a simple advective/dispersive mass transport simulation. The results show that the dissolved EM quickly migrates away from the source during recharge events but does not entirely reach the center of the valley before the aquifer on the mountain side goes dry.