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Étude hydrogéologique de la base aérienne de Cold Lake, Alberta, et détermination de l'origine du nitrate dans l'eau souterraine.

Bordeleau, Geneviève (2007). Étude hydrogéologique de la base aérienne de Cold Lake, Alberta, et détermination de l'origine du nitrate dans l'eau souterraine. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 117 p.

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Résumé

Une étude hydrogéologique a été réalisée à la Base Aérienne de Cold Lake (CLA WR), afin d'évaluer les impacts des activités militaires sur l'eau souterraine et de surface. Les bombes larguées à CLAWR peuvent pénétrer jusqu'à plus de 10 mètres dans le sol, et celles qui n'ont pas explosé ou qui ont partiellement explosé peuvent, lorsque corrodées ou fissurées par l'impact, être sujettes au lessivage par l'infiltration d'eau de précipitation. Elles peuvent éventuellement relarguer leur contenu ainsi solubilisé dans l'eau souterraine. Les obus contiennent un mélange de différents matériaux énergétiques, principalement du TNT, du RDX et du HMX. Ces composés sont donc susceptibles de contaminer l'environnement, avec certains métaux et autres composés chimiques utilisés notamment comme propulseurs. Di verses mesures ont été prises afin de caractériser le patron d'écoulement souterrain, dont l'installation de puits d'observation, la prise de niveaux d'eau, des mesures du débit des cours d'eau, et des essais à choc hydraulique. Trois unités hydrostratigraphiques principales ont été identifiées, soit deux aquifères sableux séparés par une couche de till argileux. L'eau souterraine s'écoule principalement en direction est vers le Lac Primrose, qui est la plus grande étendue d'eau de la région. Environ 170 échantillons d'eau ont été prélevés et analysés pour les métaux, anions, perchlorate d'ammonium et matériaux énergétiques, et 25 pour les isotopes d'oxygène et d'azote du nitrate. L'eau de surface est généralement non contaminée par rapport aux normes de qualité pour la vie aquatique du CCME. Une contamination par le perchlorate d'ammonium et certains métaux a été détectée dans l'eau de l'aquifère non confiné à divers endroits. Du nitrate a également été détecté dans cet aquifère à des concentrations dépassant la limite maximale des concentrations naturelles sur le site, évaluée à 1.75 mg/L de N-N0³⁻. Comme aucune autre source majeure de nitrate n'est présente aux environs du site, il est postulé que celui-ci provient de la dégradation des explosifs, particulièrement du RDX. Il a été démontré dans diverses études en laboratoire que le nitrite est un produit commun de plusieurs processus de dégradation du RDX. En présence d'oxygène, le nitrite peut ensuite être oxidé en nitrate. Dans l'eau souterraine de l'aquifère de surface sur un des quatres champs de pratique, du RDX, du TNT et des sous-produits du TNT ont été détectés. Une modélisation numérique a été réalisée avec le logiciel FEFLOW, dans le but de représenter le patron d'écoulement, d'évaluer l'étendue du panache de RDX dissous, de vérifier si le RDX et le nitrate pourraient provenir des mêmes zones sources, et finalement de déterminer si la contamination risque d'atteindre le Lac Primrose et la Rivière Shaver situés à proximité. Le modèle a adéquatement reproduit le patron d'écoulement et le panache de RDX, malgré le peu d'information disponible concernant les zones sources de contaminants. La distribution hétérogène du nitrate a été plus difficile à représenter. Malgré cela, il semble que les deux contaminants proviennent des mêmes zones sources, soit l'ancienne cible et la cible actuelle sur le champ de pratique Shaver. Le site de destruction de munitions agit également comme zone source de nitrate, mais pas de RDX, puisque celui-ci est adéquatement détonné lors des opérations de destruction. Le temps de migration des contaminants de leur zone source vers les milieux aquatiques récepteurs a été estimé à partir des résultats des simulations de transport. Le temps de migration est de 55-60 ans à partir de l'ancienne cible jusqu'à la Rivière Shaver, et de 45-50 ans à partir de la cible actuelle. Cependant, les concentrations en RDX et nitrate dans la rivière devraient demeurer sous la limite de détection des méthodes analytiques actuelles. Néanmoins, les modèles d'écoulement et de transport ont permis de recommander un nouvel emplacement de la cible principale dans le champ de pratique Shaver, permettant aux contaminants de migrer en direction du Lac Primrose plutôt que de la Rivière Shaver, et ainsi d'être dégradés dans les terres humides avant d'atteindre le lac. Pour déterminer si effectivement le nitrate provient de la dégradation du RDX, des analyses isotopiques ont été réalisées. L'analyse isotopique de l'azote et de l'oxygène suggère que les faibles concentrations de nitrate dans l'aquifère confiné sont d'origine naturelle (nitrification par les bactéries et dégradation des végétaux), avec une importante contribution de NOx atmosphériques. Par ailleurs, les plus hautes concentrations présentes dans l'aquifère de surface ne sont pas d'origine naturelle. Leurs rapports isotopiques ne correspondent à aucune source documentée dans la littérature. En laboratoire, des échantillons de RDX ont été dissous, photodégradés et biodégradés en conditions aérobie, de manière à caractériser les rapports isotopiques du nitrate provenant de la dégradation du RDX. Les résultats obtenus démontrent que les processus de dégradation produisent un important fractionnement, et que le nitrate résultant de la dégradation du RDX a un signal isotopique caractéristique ne correspondant à aucune autre source documentée. Il semble que les valeurs isotopiques des échantillons d'eau souterraine de l'aquifère libre à CLAWR représentent un mélange de nitrate provenant des divers processus de dégradation des matériaux énergétiques.

Abstract

A hydrogeological study was conducted at the Cold Lake Air Weapon Range (CLAWR), the large st Air Force Base in Canada, in order to evaluate the impact of military training activities on groundwater and surface water. The bombs dropped at CLAWR may penetrate the ground to a depth of more than 10 meters. When they do not explode or go under low order detonation, they may be cracked or become corroded. Precipitation water may infiltrate and their solubilized content may then be leached to the groundwater. Bombs contain a mixture of various energetic materials, mainly TNT, RDX and HMX. These compounds as weIl as metals and other chemicals used as propellants may therefore end up in the environment. Various activities have been carried out in order to characterize the groundwater flow pattern, including installation of observation wells, water level and stream flow measurements, and slug tests. Three major hydrostratigraphic units have been identified at CLA WR: an unconfined and a confined sandy aquifer, separated by a clay till layer. Groundwater flows mainly eastward towards Prim rose Lake, which is the largest water body of the region. Around 170 water samples have been collected and analyzed for metals, anions, ammonium perchlorate and energetic materials, and 25 for the isotopes of oxygen and nitrogen in nitrate. Surface water is generally uncontaminated with respect to freshwater criteria for aquatic life from CCME (2003). In groundwater, contamination from ammonium perchlorate and certain metals was detected in the surface aquifer at various locations. Nitrate has also been detected in this aquifer at levels exceeding the expected natural background levels on the site, which should not exceed l.75 mg/L N- N-N0³⁻. Knowing that no other major nitrate source is present in this area, it is thought that nitrate may come from the degradation of explosives, mainly RDX. It has been shown in several laboratory experiments that nitrite is a common product of several RDX degradation processes. When oxygen is available, nitrite may then be oxydized to nitrate. RDX, TNT and TNT by-products were detected in groundwater from the surficial aquifer on one of the four training ranges, and corresponding to the location of the current and former targets. A numerical modeling was developed using FEFLOW, with the objective to represent the groundwater flow pattern, evaluate the extent ofRDX contamination, verity whether the RDX and nitrate might have come from the same source zones, and finally to determine whether the contamination might reach the nearby Primrose Lake and Shaver River. The model adequately reproduced the flow pattern and dissolved RDX plume, despite the lack of information concerning the contaminant source zones. The heterogeneous distribution of nitrate was more difficult to reproduce. However, it seemsthat both contaminants come from the same source zones. These source zones correspond to the old target and the current target on Shaver Range. The open burning/ open detonation (OB/OD) site also acts as a source zone for nitrate, but not for RDX, whieh is adequately detonated during destruction operations. The contaminant migration time from their source to the surface water receptors was estimated from the transport simulation results. Transport time from the old target to the river is 55-60 years, and from the current target, 45-50 years. However, both RDX and nitrate concentrations in the river should remain below the detection limit of current analytieal methods. Nonetheless, the flow and transport models have led to recommending a new location for the main target on Shaver Range, which allows the contaminants to flow towards Primrose Lake rather than Shaver River, and thus can be degraded in the wetlands before reaching the lake. To determine whether nitrate indeed cornes from the degradation of RDX, isotopie analyses have been performed. The isotopie results for nitrogen and oxygen suggest that the low nitrate concentrations in groundwater from the confined aquifer are of natural origin, with an important contribution of atmospheric NOx. However, the higher concentrations found in the shallow aquifer are not of natural origin. Their isotopie ratios do not correspond to any source documented in the literature. In the laboratory, RDX samples have been dissolved, photodegraded and aerobically biodegraded to characterize the isotopic ratios of nitrate coming from the degradation of RDX. The results show that aIl degradation processes cause a strong isotopic fractionation, and that nitrate coming from RDX degradation forms a characteristie isotopic field, whieh does not correspond to other documented sources. It seems that the isotopic values from field groundwater samples from the shallow aquifer at CLA WR represent a mixture of nitrate from the various degradation processes of energetie materials.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Savard, Martine M.
Mots-clés libres: hydrogéologie; base aérienne; eau souterraine; eau de surface; explosif; perchlorate ; ammonium; métaux; nitrate; anions; environnement; écoulement; qualité; modèle numérique; contamination; hydrogéochimique; analyse isotopique; recommandation; gestion; Cold lake; CLAWR
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 18 juin 2013 18:05
Dernière modification: 11 nov. 2015 18:36
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1401

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