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The transport and fate of detonation residues originating from cracked unexploded ordnance in the vadose zone.

Lewis, Jeffrey (2007). The transport and fate of detonation residues originating from cracked unexploded ordnance in the vadose zone. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 413 p.

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Résumé

Ce travail porte sur le transport des matériaux énergétiques (ME) dissous en transit dans la zone vadose. Contrairement à la plupart des études publiées dans ce champ d’expertise, notre travail présente une approche d’ingénierie. Pour cette recherche, les conditions climatiques et les sources d’explosifs ont été reproduites en laboratoire dans l’objectif de produire de l’information applicable aux champs de tirs des secteurs d’entraînement. De grandes colonnes de sol non saturé ont été construites et placées dans un laboratoire à conditions climatiques contrôlées. Les précipitations et la température ont été ajustées pour reproduire les conditions réelles observées au champ de tir Arnhem, sur la base des forces Canadiennes (BFC) de Valcartier. La BFC de Valcartier est localisée à 25 km au nord de la ville de Québec. Le champ de tir repose sur un dépôt de sable moyen d’origine glaciaire et deltaïque. Le sable d’origine glaciaire d’Arnhem a été mis dans les colonnes. Les sources d’explosifs ont été générées avec des mortiers de 81 mm à l’explosif brisant remplis avec de la composition B. La composition B est une combinaison de 60% de 1,3,5- trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX), de 39% de trinitrotoluène (TNT) et de 1% de cire. La composition B et ses composantes explosives RDX et TNT sont souvent utilisées dans les munitions militaires. Il était donc nécessaire de produire artificiellement des sources de contaminants à partir de ces munitions, dans des conditions contrôlées. Il est extrêmement difficile et dangereux de trouver et de récupérer des munitions non explosées (UXO – de l’expression anglaise unexploded ordnance) sur les champs de tirs. Il y a plusieurs façons de créer des UXO’s. Cela peut être fait par des détonateurs défectifs, par l’impact de la munition sur les sols mous, par déflection, par des vides créés lors du remplissage en explosif de la munition, ou encore par les détonateurs qui sont mal ajustés ou mal installés. Toutes les différentes sortes de munitions explosives peuvent générer des UXO. Le taux de production de UXO se chiffre entre 3-5%, selon le type de munition. La façon aléatoire dont les UXO’s sont produits, l’accès difficile au terrain et le fait que la plupart des UXO’s sont enterrés rend la tâche de trouver deux UXO identiques impossible. La similarité entre les sources d’explosifs disposées sur les colonnes expérimentales est très importante pour comparer les résultats. Pour ces raisons, il était nécessaire de produire des UXO’s de façon contrôlée. La génération expérimentale des sources d’explosifs a permis de démontrer expérimentalement pour la première fois le phénomène des munitions fendues. Les munitions fendent quand un UXO qui est déjà en place sur le terrain est frappé par un fragment d’une autre munition qui explose à proximité. Les fragments pénètrent l’extérieur de l’UXO et projettent les particules du remplissage d’explosif aux alentours du UXO. De plus, l’extérieur fendu de l’UXO laisse l’explosif qui reste à l’intérieur disponible pour la dissolution par l’eau qui entre en contact par les fissures. L’UXO qui est frappé par le fragment ne détonne pas. Il a été démontré que les munitions fendues produisent de grandes quantités d’explosifs qui sont disponibles pour être transportées dans la zone vadose. Jusqu’à 165.9 grammes de particules de composition B ont été mesurés autour d’une munition fendue, suite à l’impact de fragments. Puisque ces quantités d’explosifs peuvent être projetées dans l’environnement, les munitions fendues pourraient être des sources importantes de matériaux énergétiques sur les champs de tir, même si elles ne sont pas produites souvent. Il a été démontré que la distance idéale entre les deux munitions pour produire des munitions fendues varie entre 15 et 200 cm. Si les munitions sont plus près de 15 cm l’une de l’autre, l’UXO détonne au lieu de se fendre. Si elles sont plus éloignées que 200 cm l’une de l’autre, très peu de fragments pénètrent l’acier du UXO. Ces sources d’explosifs ont été mises à la surface des colonnes de sols de 60 cm de diamètre et qui contiennent une épaisseur de sable de 60 cm. Ces colonnes ont été exposées à une année d’infiltration qui reproduisait les cycles de précipitation, d’évaporation et de transpiration pour la région de la BFC de Valcartier. Le cycle annuel de précipitation dans cette région est caractérisé par deux événements majeurs, soit la fonte de la neige au printemps et les fortes pluies en automne. Il n’y a presque aucune infiltration pendant l’hiver et l’été. L’eau qui s’écoulait à travers les colonnes était recueillie et analysée pour son contenu en explosifs par chromatographie liquide de haute performance (HPLC), selon la méthode EPA 8330. Les concentrations en matériaux énergétiques dans l’eau sortant des colonnes étaient près des valeurs de saturation, après deux semaines d’infiltration. La première période d’infiltration a reproduit la fonte de la neige. L’hypothèse qui explique pourquoi ces valeurs sont aussi élevées est que les particules très fines du résidu de détonation provenant des munitions fendues sont dissoutes très rapidement. Les particules fines ont un ratio surface spécifique élevé, ce qui accélère les cinétiques de dissolution, malgré les valeurs de solubilité qui sont très faibles pour les explosifs. Vers la fin de la première période d’infiltration, les concentrations d’explosifs dans l’eau ont commencé à diminuer. Ceci est une indication que les fractions très fines des résidus de détonation ont été complètement dissoutes. Une des colonnes de sol était utilisée pour une expérience avec un traceur inerte et ne contenait aucun explosif. Dix grammes de KBr ont été mis sur la surface au début de l’expérience et les concentrations en bromure étaient mesurées dans l’effluent de la colonne. Le bromure est un traceur inerte et sa concentration dans l’effluent était utilisée pour la caractérisation de l’écoulement non saturé dans les colonnes. La courbe des concentrations « bromure vs. temps » était aussi utilisée pour la calibration du modèle numérique d’écoulement dans les colonnes. Le facteur de retard pour les trois explosifs TNT, RDX et HMX a été de 1.56 ± 0.5, ce qui indique que le temps nécessaire pour que ces trois composés sortent de la colonne est de 1.56 fois plus long que pour le bromure. Ceci est une indication d’adsorption minimale des matériaux énergétiques sur le sol sableux dans les colonnes. Les coefficients d’adsorption mesurés étaient de 0.123 L/kg pour le TNT, de 0.091 L/kg pour le RDX et de 0.18 L/kg pour le HMX. Ces valeurs sont en accord avec les valeurs de la littérature. Ces faibles valeurs sont une autre indication qu’il y a très peu d’adsorption de ces trois composés sur le sol, dans les colonnes provenant de la zone vadose du champ de tir Arnhem. La période d’infiltration du printemps était suivie par quatre mois de sécheresse. Pendant les mois d’été au Québec, les pertes d’humidité par évaporation et transpiration sont équivalentes aux précipitations. Il n’y a donc pas d’écoulement vers la zone vadose. Pendant le période d’infiltration d’automne qui a suivi les quatre mois de sécheresse, les concentrations initiales en composantes explosives dans l’effluent des colonnes ont augmenté très brièvement jusqu’aux valeurs de saturation. Ceci s’explique par une dissolution des résidus de détonation dans les eaux interstitielles qui étaient immobiles pendant la période de sécheresse. Cette masse dissoute très mobile a été immédiatement transportée dans la zone vadose lorsque l’infiltration d’automne a débuté. Pendant les infiltrations du printemps et de l’automne, les concentrations en produits de dégradation du TNT dans l’eau de l’effluent étaient en général de plus d’un ordre de grandeurs plus faibles que les concentrations en TNT. Ceci est une indication de la vitesse à laquelle ces composantes sont transportées dans la zone vadose : il n’y a pas eu assez de temps pour que la transformation du TNT commence. Les expériences de dissolution ont démontré que la fraction la plus fine des résidus de détonation a produit les concentrations les plus fortes dans l’eau, par rapport à la masse initiale. Les cinétiques de dissolution sont quant à elles linéaires et proportionnelles à la dimension des grains de résidus de détonation. De plus, les résultats préliminaires de dissolution supportent l’hypothèse que la fraction la plus fine des résidus de détonation est dissoute rapidement. Par contre, une fois que ces grains fins sont complètement dissous, les concentrations en matériaux énergétiques dans l’eau commencent à diminuer. Les tests de dissolution ont aussi fourni la fonction d’entrée pour les concentrations en matériaux énergétiques au sommet des colonnes qui ont servi au modèle numérique. Le sol a été caractérisé afin que les résultats de ce travail puissent être comparés avec les autres données de la littérature concernant l’adsorption des matériaux énergétiques. Les caractéristiques physiques et chimiques des sols ont un impact important sur l’adsorption et le transport des matériaux énergétiques dans la zone vadose. La densité, la granulométrie, la courbe caractéristique sol-eau, le carbone organique total, la capacité d’échange cationique, la porosité et la fonction de conductivité hydraulique non saturée ont tous été définis par différents tests. Le sol était un sable moyen, relativement uniforme. Il y avait très peu de matière organique et presque aucune fraction argileuse. Tous les autres paramètres étaient en accord avec les valeurs de la littérature basée sur ces données. Un modèle d’écoulement et de transport dans la zone vadose a été conçu avec le logiciel de modélisation numérique FEFLOW. Un modèle d’écoulement reproduisant chaque orifice au fond de la colonne était impossible à réaliser à cause des variations de tension produites par les mèches en fibre de verre qui étaient mises dans chacun des orifices. De plus, il a été démontré que les chemins d’écoulement non saturés étaient trop courts pour appliquer la loi de Fick, ce qui indique que l’équation de convection-dispersion n’était pas valide. Ce fait a limité la capacité du modèle numérique à reproduire parfaitement l’écoulement observé. Le travail de cette thèse a démontré que les munitions fendues sont faciles à produire si les conditions sont favorables. Il est raisonnable d’assumer que ces conditions s’observent dans les champs de tir. Il a été démontré que les munitions fendues produisent de grandes quantités de matériaux énergétiques si une comparaison est faite avec les UXO’s qui ne sont pas endommagés. Les contaminants libérés sont également très mobiles dans la zone vadose composée de sable moyen. Il a aussi été démontré qu’il y a une augmentation temporaire de la concentration en matériaux énergétiques dissous dans l’eau d’écoulement, suite à une période de sécheresse. Jusqu’à 4.9 g de matériaux énergétiques provenant d’une munition fendue sont dissous et transportés dans la zone vadose pendant la première année où la munition est ouverte à l’environnement. De plus, il a été démontré que le volume d’infiltration est la variable la plus importante permettant de prévoir la masse nette de matériaux énergétiques qui est transportée dans la zone vadose. Par contre, il y a aussi des corrélations positives entre la masse nette en matériaux énergétiques transportée et la source de ces matériaux. Les matériaux énergétiques provenant de munitions fendues sont plus disponibles au transport que les matériaux provenant d’explosifs purs. Ceci est probablement un effet dû aux différences physiques entre les grains des deux sources. En parallèle avec les travaux complétés dans cette thèse, il y a eu beaucoup d’échantillonnage et de forage de puits d’observation faits sur différentes bases des forces Canadiennes. Ce travail avait pour but de caractériser l’eau souterraine des champs de tirs pour les traces en matériaux énergétiques. L’auteur a participé ou supervisé plusieurs de ces campagnes entre 2001 et 2004. Ces programmes d’observation d’eau souterraine avaient fourni des résultats avec lesquels l’effluent des colonnes expérimentales pouvait être comparé. Pendant les campagnes d’échantillonnage entre 1995 et 2004, seulement 1.4% des puits avaient des traces détectables de matériaux énergétiques. En raison des grandes quantités des matériaux énergétiques dissous observées dans l’effluent des colonnes expérimentales, il faut que l’effet de dilution créé par les aquifères sous plusieurs des bases des forces canadiennes ait un rôle clé pour atténuer les concentrations en matériaux énergétiques. Donc, le volume d’eau dans l’aquifère est une condition primordiale dans l’évaluation des risques réliés aux activités militaires sur l’environnement. Les grandes quantités d’eau diluent les matériaux énergétiques rapidement et il a été calculé que 14 800 munitions fendues par kilomètre carré seraient nécessaires pour produire des concentrations en RDX dissous dans l’eau souterraine qui soient supérieures aux limites mandatées par le US EPA de 2 ppb

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Thiboutot, Sonia; Ampleman, Guy
Mots-clés libres: transport; matériaux énergétiques dissous; zone vadose; ingénierie; climat; explosif; champs de tirs; Valcartier
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 20 févr. 2014 14:33
Dernière modification: 24 nov. 2015 16:14
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1750

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