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SOLS ANTHROPIQUES URBAINS
PROBLEMATIQUE DE SOLS ANTHROPIQUES URBAINS
Comme il a été mentionné en introduction, la mesure des concentrations de contaminants dans les sols et surtout l’échantillonnage sur lequel elle repose sont peu encadrés dans les guides de pratique et les normes disponibles au Québec, mais également ailleurs dans le monde (ex. : MDDEP, 2003). Il y est couramment mentionné que pour assurer une mesure adéquate des concentrations, les échantillons de sol prélevés doivent être représentatifs. Cette notion de représentativité est systématiquement laissée qualitative. Aucune ligne directrice claire n’est fournie quant à la manière de prélever des échantillons représentatifs et quant aux relations pouvant exister entre les méthodes d’échantillonnage et la représentativité des mesures de concentration. Par ailleurs, aucune ligne directrice n’est fournie quant à la manière de réduire d’une façon représentative la masse d’un échantillon de terrain à des fins d’analyse chimique. Pourtant, ce processus de réduction de masse est d’une importance cruciale puisqu’il doit produire un échantillon analytique d’au plus quelques grammes et qui devra représenter la concentration d’une unité de terrain comprenant plusieurs milliers de kilogrammes.
Cette absence de lignes directrices sur l’échantillonnage des sols contaminés à des fins analytiques a conduit à l’utilisation généralisée du grappillage comme mode de prélèvement des échantillons, que ce soit sur le terrain ou au laboratoire. Il s’agit d’un prélèvement au hasard en ce qu’il consiste à prendre les échantillons de sol aux endroits aisément accessibles (ex. dessus d’une pile de sol, surface d’une paroi, dessus d’un pot d’échantillonnage). Le grappillage est donc nonprobabiliste, en ce sens qu’il ne permet pas à que chaque élément constitutif du sol contaminé d’avoir une probabilité identique d’être prélevé et donc, d’être présent dans l’échantillon en une proportion identique à celle sur le terrain. Par ailleurs, le nombre d’incréments prélevés pour constituer un échantillon est souvent insuffisant et varie d’un préleveur à un autre. Également, les outils utilisés pour le prélèvement sont généralement inadéquats et tout aussi variables. Ainsi, le grappillage du sol a de fortes chances de produire des échantillons qui génèreront des mesures de
concentrations susceptibles d’être biaisées et très variables (Myers, 1997).
Caractéristiques générales des sols naturels et anthropiques
Le sol agit comme lien entre l’atmosphère, l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère (Harrison, 1999). Ce système central très complexe, et en même temps très sensible à la pollution, a une importance majeure dans l’équilibre des écosystèmes.
Les propriétés physico-chimiques et biologiques du sol jouent un rôle majeur dans le transport et le devenir des polluants dans l’environnement en agissant comme système transformateur, système source et système de transfert des ÉTM (Harrison, 1999; Berthelin et Leyval, 2000).
Le sol est le résultat de l’altération physique et chimique du substrat rocheux. Les variations de température, l’érosion, les activités humaines sont responsables de son altération mécanique tandis que l’oxydation, la réduction, la carbonatation et autres réactions chimiques contribuent à son altération chimique (Holtz et Kovacs, 2008). Cette altération ainsi que la superposition des couches homogènes de différentes épaisseurs, appelées aussi des horizons, constituent la base de la classification des sols (Harrison, 1999) . Une stratification de ces dépôts est évidente sur les images de la figure A-I-3, ainsi qu’une certaine homogénéité au sein de chacune des couches.
Cependant, les sols d’origine anthropique possèdent des caractéristiques différents de celles des sols naturels concernant leur formation et leur comportement. Bockheim (1974) définit le sol urbain comme étant une couche synthétique non agricole, ayant une épaisseur supérieure à 50 cm qui a été produit par le mélange, le remplissage ou par la contamination de la surface de la terre dans les secteurs urbains et suburbains. En effet, il résulte d’une dégradation du sol naturel par l’activité humaine, principalement industrielle, et liée au développement urbain, au point de le rendre inutilisable ou de mettre à risque les utilisateurs du site. Cette dégradation peut être due à une pollution du sol naturel en place (ex. : fuite de réservoirs enfouis) ou au remblaiement de matières résiduelles.
Les ÉTM dans sols naturels et anthropiques
Les ÉTM, souvent identifiés dans la documentation scientifique sous les appellations métaux lourds, éléments traces, métaux toxiques ou micronutriments (Galvez-Cloutier, 2005), peuvent avoir des impacts délétères (dépendamment de leurs concentrations) sur les écosystèmes et les humains. Leur particularité est liée à leur configuration électronique puisqu’ils ont tendance à perdre des électrons, ce qui leur confère un potentiel de réaction considérable (Kabata-Pendias et Mukherjee, 2007; Galvez-Cloutier et Lefrançois, 2005).
Le tableau périodique regroupe 59 éléments appartenant aux groupes de transition, divisés en: métaux (Ni, Cu, Pb, Zn, etc.), métalloïdes (As, B, Se) et non métaux (Br, Cl, F, N) (Baize, 2004). Les éléments ayant une masse volumique supérieure à 5-6 g/cm3 , sont considérés comme étant des métaux lourds et ils sont associés à la toxicité en fonction de leurs doses. En faibles quantités, certains de ces métaux constituent des nutriments indispensables pour les êtres vivants.
Pour cette étude, l’appellation éléments traces métalliques (ÉTM) sera utilisée afin de désigner les éléments tels que le cadmium (Cd), le cobalt (Co), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le manganèse (Mn), le nickel (Ni) et le zinc (Zn).
Mesure de la CTE en ÉTM
Aux fins de caractérisation des sites contaminés, la CTE est obtenue suite à la minéralisation à chaud d’un échantillon de sol d’environ 1 g avec les acides nitrique et chlorhydrique, mais sans détruire le réseau silicaté, puis à l’analyse des métaux extraits en solution, typiquement par spectrométrie à source ionisante au plasma d’argon (CEAEQ, 2009). L’hypothèse posée est que la CTE représente la concentration en ÉTM du sol, excluant celle pouvant exister au sein des minéraux silicatés constitutifs de la matrice solide. Cette dernière est généralement beaucoup plus petite dans des cas d’apports anthropiques.La mesure de la CTE est à la base de tout le système de gestion des sites et sols contaminés au Québec. Les principaux problèmes associés à la mesure de la CTE sont liés au processus d’échantillonnage des sols en prévision de l’analyse. Ces problèmes ont commencé à être soulevés depuis les quinze dernières années par quelques auteurs (Myers, 1997; Gerlach et Nocerino, 2003; Gustavsson et al. 2006; Boudreault et al. 2009).
certains aspects du processus d’échantillonnage des sols ne sont pas correctement encadrés afin de pouvoir déterminer et contrôler la représentativité de la mesure de la CTE. Ces aspects comprennent la définition même de la représentativité, le prélèvement correct des échantillons et la préparation de ces derniers aux fins d’analyse.Dans la pratique, les deux premiers aspects ne sont, à toutes fins pratiques, pas considérés. Le troisième aspect reçoit plus d’attention, notamment en ce qui concerne l’homogénéisation et l’écrêtage des échantillons. Par contre, l’influence de ces modes de préparation sur la mesure de la CTE dans les SAU est inconnue.
Échantillonnage conventionnel des SAU
De manière générale, les guides disponibles réfèrent vaguement au type d’échantillon à obtenir et à son prélèvement. Au Québec, le Guide de caractérisation des terrains (MDDEP, 2003) et le Cahier 5 du Guide d’échantillonnage à des fins d’analyses environnementales (MMDEP, 2009) mentionnent que, selon l’hétérogénéité du sol, un échantillon ponctuel ou composé doit être prélevé et que ces échantillons doivent être composés des particules fines du sol (c.-à-d. < 2 mm), car ces dernières présentent un potentiel d’interaction plus grand avec les contaminants et elles sont un vecteur de contact plus direct avec les récepteurs sensibles via l’ingestion ou l’inhalation. Par ailleurs, dans les cas où les particules plus grandes que 5 mm représentent une fraction massique plus grande que 80 %, ces guides suggèrent d’analyser les fractions fines et grossières combinées et d’adapter les protocoles d’analyse des ÉTM en conséquence, car ceux-ci recommandent que les échantillons soient tamisés à 2 mm (CEAEQ, 2008).
Toutefois, les guides actuels ne fournissent aucune indication sur les méthodes à utiliser afin de prélever des échantillons représentatifs. Dans ce contexte, le prélèvement par grappillage s’est imposé, principalement à cause de sa facilité d’implantation. Cette technique repose sur une sélection au hasard du matériel à prélever. Il consiste à prendre (« grappiller ») le matériel accessible, généralement à la surface d’une paroi de tranchée, d’une pile ou d’un bocal. La quantité de matériel prélevé varie d’un préleveur à un autre, ainsi que le nombre d’incréments pour constituer l’échantillon et le matériel utilisé. Cependant, dans la grande majorité des cas, la quantité de matériel, le nombre d’incréments et le matériel de prélèvement ne permettent pas d’obtenir des échantillons représentatifs . De manière courante sur le terrain, 1 à 6 incréments sont prélevés à la surface du matériel afin de remplir un pot entre 300 et 500 mL. Le pot lui-même est souvent utilisé pour prélever le matériel. La sélection du matériel se fera de manière à retirer manuellement et arbitrairement les plus grosses particules. Au laboratoire, la procédure de sous-échantillonnage typiquement employée est de tamiser le matériel dans les pots à l’aide d’un tamis de 2 mm d’ouverture, puis de grappiller, en quelques incréments, environ 1 g de matériel pour l’analyse chimique.
Théorie d’échantillonnage des matériaux morcelés
La TEMM a été développé par l’ingénieur français Pierre Gy et publiée pour la première fois en 1979. Elle a été publiée à nouveau dans divers ouvrages et articles par Gy (1988, 1992, 1997, 2004 a-c) et par d’autres auteurs (Pitard, 1993). Il s’agit d’une théorie mathématique définissant un ensemble d’erreurs d’échantillonnage et quantifiant leur impact sur les résultats analytiques. Elle définit également un ensemble de méthodes et pratiques permettant de minimiser les erreurs d’échantillonnage et tendre vers un échantillonnage probabiliste correct. La TEMM a été historiquement appliquée dans le domaine minier afin de corriger les pratiques d’échantillonnage en vue de la détermination des teneurs en minerai.
La TEMM n’a pas été diffusée dans le domaine de l’échantillonnage environnemental avant le milieu des années 1990 avec les travaux de Francis Pitard (Pitard, 1993). Par la suite, elle a été appliquée à l’échantillonnage des sols contaminés dans un nombre restreint d’études et de Ces observations sur l’échantillonnage de laboratoire ont été faites suite à plusieurs communications personnelles avec des firmes d’ingénierie-conseil et des laboratoires d’analyses accrédités.
monographies théoriques (Myers, 1997; Gerlach et Nocerino, 2003; Gustavsson et al. 2006; Dubé et al. 2008; Boudreault et al. 2009). Il a fallu attendre la seconde moitié des années 2000, avant de voir des applications concrètes des principes de la TEMM à l’analyse de la représentativité de l’échantillonnage de réels sols contaminés avec les études de Gustavsson et al. (2006) et de Boudreault et al. (2009).
Selon Gy (1996, p. 3), l’échantillonnage d’un matériau morcelé à des fins d’analyse « couvre l’ensemble des opérations qui, partant de l’objet à évaluer, le « lot », aboutissent à la prise d’essai qui sera soumise à l’analyse dans son intégrité ». Le terme clé dans cette citation est « intégrité ». En effet, toute manipulation du matériau qui diminuera son intégrité, comme par exemple, le prélèvement préférentiel des particules fines, diminuera également la représentativité de la mesure analytique à la fin du processus.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLEMATIQUE DE SOLS ANTHROPIQUES URBAINS
CHAPITRE 2 NOTIONS SUR L’ÉCHANTILLONNAGE REPRÉSENTATIF DES SOLS ANTHROPIQUES CONTAMINÉS À DES FINS D’ANALYSE DES ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES
2.1 Caractéristiques générales des sols naturels et anthropiques
2.2 Les ÉTM dans sols naturels et anthropiques
2.3 Mesure de la CTE en ÉTM
2.4 Échantillonnage conventionnel des SAU
2.5 Théorie d’échantillonnage des matériaux morcelés
2.5.1 Définition de la représentativité
2.5.2 Erreurs d’échantillonnage
2.5.2.1 L’erreur fondamentale (EF)
2.5.2.2 L’erreur de ségrégation et groupement (ESG)
2.5.2.3 Les erreurs de délimitation et d’extraction d’incrément (ED et EE)
2.5.2.4 L’erreur de préparation (EP)
2.5.3 Pratique de l’échantillonnage des matériaux morcelés
2.5.3.1 Échantillonnage de terrain
2.5.3.2 Échantillonnage de laboratoire
2.5.3.3 Méthode d’échantillonnage des sols contaminés de Boudreault et al. (2009)
2.6 Synthèse des problèmes de l’échantillonnage conventionnel par grappillage et hypothèses de travail
CHAPITRE 3 MATÉRIEL ET MÉTHODE
Structure méthodologique de l’étude
3.1 Généralités sur les échantillons de SAU et la méthode analytique pour la mesure des concentrations en ÉTM
3.2 Granulochimie des ÉTM et analyse statistique-fractions granulométriques
3.3 Comparaison entre les méthodes d’échantillonnage
3.4 Distribution des ÉTM dans les constituants anthropiques de SAU
3.5 Méthode quantitative – Test de Kruskal-Wallis
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS
4.1 Distribution granulométrique et degré d’étalement
4.2 Granulochimie des ÉTM dans les échantillons de SAU
4.2.1 Répartition des ÉTM parmi les fractions granulométriques tamisées
4.2.2 Influence du broyage sur la CTE en ÉTM mesurée dans les fractions granulométriques de sol
4.3 Distribution des ÉTM dans des matériaux de remblai (briques, mâchefer, béton, pierre concassée)
4.4 Comparaison entre les méthodes d’échantillonnage alternative et conventionnelle
4.4.1 Analyse des CTE obtenues par l’application des deux méthodes d’échantillonnage
4.4.2 Analyse des CTE pondérées obtenues par l’application des deux méthodes d’échantillonnage
CONCLUSION
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