interdisciplinary approach to reduce vulnerability and risks …€¦ · institut mines-télécom...
TRANSCRIPT
Institut Mines-Télécom
Interdisciplinary Approach to
Reduce Vulnerability and
Risks related to Polluted
Sites
Case of a metallurgical dump site at
Châteauneuf (Loire, France)
Olivier Faure, Didier Graillot,
Jacques Moutte, Frédéric Paran,
Fernando Pereira, Jordan Ré-BahuaudPhotos O. Faure & J.L. Bouchardon
Institut Mines-Télécom
Context - Issues
How to reduce the risks related to
Polluted Sites ?
Pollutant Transfer
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS2
Institut Mines-Télécom
How to reduce the risks associated with polluted
soils ?
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS3
Vulnerability = f (S, T, C)
Remove the pollution source
Risque = f (Source, Transfer, Cible/Target)
Degradation and removal of
pollutants decrease the risks
Degradation : many techniques exist, but only for degradable or volatile
pollutants (organics)
alternative technique: dump in waste disposal site
Institut Mines-Télécom
How to reduce the risks associated with
polluted soils ?
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS4
Risque = f (S, T, C)
Risque = f (Source, Transfert, Cible/Target)
By preventing targets from accessing
the site, the risks decrease
Restrict the access to the site
Possible only if the target to protect is a human population, very difficult
(or impossible) in other cases
Institut Mines-Télécom
How to reduce the risks associated with
polluted soils ?
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS5
Risque = f (S, T, C)
Decrease the transfers
Risque = f (Source, Transfer, Cible/Target)
By preventing targets from
accessing the site,
the risks decrease
Setup geomembranes
Build parking lots
Use the waste in road construction
Or …. Phytostabilisation
Institut Mines-Télécom
Phytostabilisation : toward a new technique
of remediation
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS6
A « simple » technique: Implanting a homogeneous and perennial vegetation
cover in order to limit the transfer of contaminants
Phytostabilisation is not a
decontamination technique(the source remains on site)
rather a technique of in situ
confinement, which
fixes the TME’s in the soil
Institut Mines-Télécom
Transfer Routes
potentially affected by PHYTOstabilization
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS7
Transfers « downwards » (lixiviation)
« lateral » Transfers(run-off and aerial / wind erosion)
Transfers « upwards »(bioaccumulation via plants and trophic web)
Institut Mines-Télécom
Aquifers : vulnerability and risks
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS8
Vadose Zone
SW level
(Z river)
Topography (Z soil)
Piézométric level
l
Impermeable substratum
Saturated zoneBottom of the river bed
Puits Well
GW level (Z)GW level (Z)
Vulnerability : vertical
No natural protection
Risk : horizontal
Propagation Velocity
Hydraulic gradient Adapted from
Margat (1988)
and Roux
(2006)
Precipitations
Polluted soil
Institut Mines-Télécom
A Case Study : phystostabilisation
at the Industeel-Loire steel plant
(Arcelor-Mittal)
Site Presentation
Phytostabilisation
Transfer assessment
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS9
Institut Mines-Télécom
Metallurgical dump site, Industeel-Loire
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS10
Is it possible to revegetate quickly and "at lesser expense" a metallurgical
slag dump such as that of Industeel-Loire? Improve the landscape
A double questioning
What is the effect of plants on reducing transfers of contaminants to
receiving media and organisms (groundwater, atmosphere, plants,
animals)? Risk mitigation
Institut Mines-Télécom
Transfers upwards:
toward the vegetation
« accumulator » behaviour
vs
« excluder » behaviour
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS11
Institut Mines-Télécom
Transfers of Metals to Vegetation
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS12
"Global" approach: measurements taken on 5 completely mowed quadrats (50
cm x 50 cm),
Results shown for P5 : optimal conditions of amendment (MIATE) and seeding
(M2)
MIATE : Matières d’Intérêt Agronomique, issues du Traitement des Eaux
mg/kg Al Cr Cu Fe Mn Mo Ni Pb Zn
Measured 145 10.5 4.7 215 45 123 4.5 1 46
Reference
Value *80 0.6 9.1 150 200 0.35 1.7 1 50
* D’après Markert (1992) ou données personnelles
High anomalies for Cr (env. X 20) and Mo (env. X 350)
Slight anomalies for Al (env. X 2), Fe (env. X 1.5), Ni (env. X 2.5)
No anomalies for Cu, Mn, Pb et Zn
Institut Mines-Télécom
Transfers of metals to vegetation
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS13
"Species-wise" approach: measurements on aerial and root parts of dominant
species developing on MIATE
Objective: to identify "biological types" with respect to accumulation
(accumulators vs excluders)
MIATE : composted sewage sludge
Matières d’Intérêt Agronomique, issues du Traitement des Eaux
Institut Mines-Télécom25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS14
For all elements but Molybdenum
most species exhibit "excluder" behavior
For Molybdenum, 6 species out of 10 exhibit an accumulator behavior
The phenotypic "accumulator" trait is more frequent in spontaneous
species than in seeded species
Institut Mines-Télécom
Lateral Transfers:
Estimating the Dust Take Off
Decrease the wind speed at ground
level
Reduce the aerial spread of
contaminated dust
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS15
Institut Mines-Télécom
Effect of vegetation cover on "lateral" transfers:
reduction of wind erosion and dust spreading
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS16
Air entrance
Air exit
(6 fans)
measurement
« Wind Tunnel »
Pitot Probes
(wind speed measurement)
Dust collecting plates
Institut Mines-Télécom
Effect of vegetation cover
on ground wind speed
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS17
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 20 40 60 80 100
Vit
ess
e d
u v
en
t (m
/s)
Distance au sol (cm)
Sol nu
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 20 40 60 80 100
Vit
ess
e d
u v
en
t (m
/s)
Distance au sol (cm)
Sol nu
50% de recouvrement
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 20 40 60 80 100
Vit
ess
e d
u v
en
t (m
/s)
Distance au sol (cm)
Sol nu
50% de recouvrement
95% de recouvrement
Recouvrement : 0% Recouvrement : 50% Recouvrement : 95%
Under the experimental conditions
the presence of a vegetation
cover reduces by 6 the wind
speed at 20 cm above ground
Institut Mines-Télécom
Effect of vegetation cover
on dust spreading
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS18
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 20 40 60 80 100
Mas
se d
e p
ou
ssiè
re (
mg)
Distance au sol (cm)
Sol nu
95% de recouvrement
at 10 cm above ground,
the mass of dust torn from the
substrate is approx. 4.5 times
lower in the presence of plants
at 30 cm above ground,
the mass of dust torn from the
substrate is approx. 3 times lower
in the presence of plants
The presence of plants significantly decreases the mass of dust in the air
between 0 and 50 cm above ground
Institut Mines-Télécom
Effect of vegetation cover
on aerial transfers of trace elements
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS19
%
Recouv.
Distance au sol (cm)
10 27 44 61
0% 12 4.8 2.3 1.1
95% 0.4 0.7 0.3 1.2
Réduction
transferts30X 7X 7X =
Mass of Cr (in µg) transported during 20 min by wind at 6 m/s
Recouvrement : 0%
Recouvrement : 95%
Institut Mines-Télécom
Transfer downwards:
estimation of effective infiltration
on plots
Dynamic water balance
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS20
Institut Mines-Télécom
Issues and objectives
Issue: Water is a vector of soil pollution to aquifers (and rivers)
Objective: to estimate the temporal variability and intensity of the effective infiltration flux
• Identify the various components of the water balance affecting infiltration (role of soil reservoir, influence of vegetation cover)
• Model construction (climatic, soil and floristic data)
• Development of simulation scenarii (intensity and temporal distribution of effective infiltration)
• Analysis of simulation results (minimize the amount of effective infiltration)
• Recommendations for better management (risk of pollution)
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS21
Institut Mines-Télécom
Model Description
Conceptual layout and data
Climatic data on site : Daily Rainfall at Châteauneuf (mm)in 2010, 2011, 2012 et 2013
Daily ETP (Potential Evapotranspiration, Penman-Monteith) at Saint-Chamond (mm) computed by Météo France
Pedologic Data for the Plots :Soil thickness(cm)
Grain size : >2mm (%), clay (%), fine silt (%), organic matter (%)
Floristic Data :Vegetation cover (%)
Vegetation type
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS22
Institut Mines-Télécom
Scenarii, Simulation, Results
Current status, forecasts, reference
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS23
Entrées modèle Sorties modèle
Scénarios
Plantes Sol réservoir Sorties
% Ksol
nu Kc
cm % % % % (Terre
fine)
% (Terre
fine) mm %
Recouv. Prof. sol MO Refus (2mm) Terre fine Argile Limons fins Infiltration efficace RU Ieff
0 0,3 0,8 / 0,95 10 3 70 30 3 4 500 1,9 76% Nulbase
Etats actuels
100 0,3 0,8 / 0,95 10 7 70 30 5 5 353 3,2 54% Mbase
100 0,3 0,8 / 0,95 10 11 70 30 5 5 340 4,0 52% M2mo
Prévisions :
amélioration
par
amendement
des parcelles
MIATE
100 0,3 0,8 / 0,95 20 7 70 30 5 5 305 6,5 46% M2s
100 0,3 0,8 / 0,95 20 11 70 30 5 5 287 7,9 44% M2mo2s
100 0,3 0,8 / 0,95 15 7 65 35 4 15 311 6,0 47% M3lim
100 0,3 0,8 / 0,95 15 11 65 35 4 15 295 7,3 45% M2mo3lim
100 0,3 0,8 / 0,95 30 11 65 35 4 15 229 14,5 35% M2mo3lim3s
100 0,3 0,8 / 0,95 50 15 55 45 5 25 139 39,5 21% Sol "naturel" Etats de
Référence 100 0,3 0,8 / 0,95 100 15 30 70 10 25 49 134,9 7% Sol agricole
Institut Mines-Télécom
Conclusions on effective infiltration
Summary and management recommendations• Bare soil : strong infiltration
• Vegetalised amended soil (MIATE) : infiltration decreased30%
• Improved soils : not much different from vegetalised amended soil
• Vegetalised soil of agricultural quality : 70 to 90% reduction in infiltration
Possible Improvements
• Better account of Uncertainties (Zsol, Zracine, Ksol nu, ETP…)
• Refined time analysis (daily time step)
• Taking account of runoff (function of rain intensity)
• Test other pedotransfer functions for scaling the water reserve
• Test several climatic conditions (mediterranean, oceanic, mountain and continental)
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS24
Institut Mines-Télécom
Transfer of metals downwards:
components of the dump site
Various waste: slags, refractories, sandstones, …
Main contaminant :
fusion slags from electric furnaces
Mineralogy:
• Larnite C2S, Wustite (Fe,Mg)O, C4AF, Cr-spinelle
Chemistry:
• 40-50% FeO, 30% CaO
• Chromium 25000 ppm
• Molybdenum 400-800 ppm
• Vanadium 400-800 ppm
• Very low Pb, As, etc
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne25
Institut Mines-Télécom
mineralogy of fusion slag:
Cr-hosting species / mobility
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne26
Chromium is abundant, but largely sequestered in spinel
some Chromium is in Ca2(Fe,Al,Cr)O5
-> potentially leached
may become mobile if oxydized to CrO4-2
Institut Mines-Télécom
Lysimeters:
for sampling water leached at 1.5 m depth
3 seed types, 3 amendements :
9 lysimètres 5x10x1.5
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne27
Institut Mines-Télécom
Composition of water from lysimeters
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne28
4 lysimeters,
1 rain event
Moly
Al
Si
mg/litre
mg/litre
Institut Mines-Télécom
lysimeter output, 2011-2013
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne29
Institut Mines-Télécom
Impact of slag dump on the alluvial aquifer
Water from piezometers (2011-2016 on each piezo)
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne30
Molybdène
Chromium
underneath
steel plant
underneath
slag dump
pH 6.8 – 7.5 on all piezos
All piezometric levels remain within the alluvial formations
beneath the base of the slag dump
Institut Mines-Télécom
Conclusions
an efficient phytostabilisation (continuous
vegetalized cover) is possible with addition of
composted sludge and metallicolous plant seeds
Aerial tranfer is significantly reduced
Infiltration transfer is limited by enhancing ETR
The slag dump is hyperbasic -> release only
oxyanion-forming metals (Cr, Mo, Al)
25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne31
Institut Mines-Télécom25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne32
Institut Mines-Télécom25/11/2016 Modèle de présentation MINES Saint-Étienne33
Institut Mines-Télécom
Analyse comparative des scénarios
Bilan annuel moyenné
Bilan annuel moyenné de l’infiltration efficace et proportion d’infiltration vis-à-vis des précipitations sur la période 2010-2013 pour tous les scénarios
• Fort abattement de l’Ieff lié à la présence de végétation
• Fort abattement de l’Ieff lié à la présence de sols de « qualité agricole »
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS34
Etats actuels Prévisions Références
Institut Mines-Télécom
Analyse comparative des scénarios
Variabilité temporelle interannuelle
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS35
Bilan par années (2010, 2011, 2012 et 2013) de l’infiltration efficacepour les scénarios les plus représentatifs
• Forte variabilité interannuelle
• Fort effet tampon des sols de « qualité agricole »
Institut Mines-Télécom
Analyse comparative des scénarios
Corrélation pluie-infiltration
Corrélation entre intensité de la pluie et intensité
de l'infiltration efficace
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS36
Sol + Végétation
Rôle de tampon
et
d’écrêtement de la pluie
Institut Mines-Télécom
Analyse comparative des scénarios
Variabilité temporelle mensuelle
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS37
Bilan mensuel moyenné de l’infiltration efficace sur la période 2010-2013
pour les scénarios les plus représentatifs
• Forte variabilité mensuelle
• Fort effet tampon des sols de « qualité agricole »
Institut Mines-Télécom
Description du modèle
Bilan type réservoir
Dimensionnement RU :
Fonction de pédotransfert :
f°(texture, Zsol, Zracines)[Chiaverini et Gras, 1977]
Pondération ETP
f°(Kc, Ksol nu)- Végétation prairiale (0,8 à 0,95)
- Sol nu (0,3)
- Taux de recouvrement (0 à 100%)
[Allen et al., 1998]
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS38
Institut Mines-Télécom
Outil de modélisation
Vensim, approche systémique
25/11/2016 GSE – UMR 5600 EVS39