Contrôle de l'incertitude par une approche multidisciplinaire lors de la caractérisation environnementale des sites urbains contaminés

Boudreault, Jean-Philippe (2016). Contrôle de l'incertitude par une approche multidisciplinaire lors de la caractérisation environnementale des sites urbains contaminés. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La réhabilitation des sites urbains contaminés est l’un des défis stratégiques en vue d’une urbanisation durable et ce, à l’échelle planétaire. Toutefois, plusieurs obstacles affectent le réaménagement de ces sites urbains contaminés. Ces obstacles découlent d’une même source : l’incertitude. Le contrôle de l’incertitude lors de la caractérisation environnementale est donc un facteur clé permettant de surmonter les obstacles rencontrés. Bien qu’il représente un défi important, le contrôle de cette incertitude est pourtant peu étudié et maîtrisé, voire inexistant dans la pratique. La présente recherche doctorale porte ainsi sur le sujet du contrôle de cette incertitude, c’est-à-dire sa quantification dans un premier temps puis sa réduction.

L’objectif premier de recherche a été de développer et de formuler une approche permettant de contrôler l’incertitude globale associée aux études de caractérisation des sites urbains contaminés. La stratégie de recherche a reposé sur la caractérisation de l’hétérogénéité à travers trois concepts interreliés : 1) la géométrie physique interne, 2) la représentativité des échantillons et 3) la distribution spatiale de la contamination.

Un réel site urbain contaminé, lequel est caractérisé par la présence d’un remblai hétérogène lui conférant une très forte hétérogénéité, a été utilisé pour réaliser les travaux de recherche et pour valider l’approche globale élaborée. La géométrie physique interne a été caractérisée de manière pratiquement continue selon une approche d’auscultation géophysique multi-méthodes (induction électromagnétique, magnétométrie, tomographie de résistivité électrique et radar géologique). La représentativité des échantillons a été étudiée en comparant l’échantillonnage conventionnel par grappillage à une procédure alternative d’échantillonnage fondée sur les principes de la théorie de l’échantillonnage des matières morcelées. La distribution spatiale de la contamination a été caractérisée selon une procédure géostatistique par simulations conditionnelles permettant une optimisation de l’emplacement de stations d’échantillonnage supplémentaires.

L’approche d’auscultation géophysique multi-méthodes a permis d’améliorer la schématisation de la structure, tant verticale qu’horizontale, de l’hétérogénéité physique du remblai urbain tout en permettant une sectorisation du site en zones d’hétérogénéités distinctes. Cette schématisation améliorée de l’hétérogénéité à l’échelle du site permet notamment la mise en place d’une stratégie d’échantillonnage optimisée qui tient compte de chacune des zones d’hétérogénéités distinctes identifiées.

La procédure alternative d’échantillonnage développée a permis de quantifier la reproductibilité d’un échantillonnage et ce, pour chacune de ses sous-étapes (c.-à-d. du terrain jusqu’à l’analyse en laboratoire). La quantification de cette reproductibilité à chacune des sous-étapes d’échantillonnage permet d’assurer non seulement une meilleure compréhension de l’hétérogénéité à l’échelle de l’échantillon mais également l’optimisation de toute procédure d’échantillonnage en vue de permettre l’atteinte d’une représentativité désirée. Il a d’ailleurs été démontré que la méthode d’échantillonnage développée a permis une amélioration de la reproductibilité (et par conséquent de la représentativité) de l’échantillonnage par un facteur moyen de 10 comparativement à un échantillonnage conventionnel par grappillage.

La procédure géostatistique par simulations conditionnelles a permis en premier lieu de déterminer la structure spatiale d’une contamination dans un remblai urbain, puis de quantifier à la fois l’incertitude locale et l’incertitude globale spécifique à un plan d’échantillonnage donné. La procédure développée a permis non seulement d’optimiser l’emplacement et le nombre de stations d’échantillonnage durant des phases complémentaires de caractérisation suivant un algorithme rationnel mais également de catégoriser le site en zones distinctes (volume à traiter, volume incertain et volume à faible risque) selon les probabilités de dépassement d’une valeur-seuil légale. Cette catégorisation du site est basée sur deux bornes décisionnelles dont les valeurs s’ajustent selon l’hétérogénéité du site.

Bref, l’approche développée dans la présente recherche doctorale permet de fournir un processus formel et rationnel de la caractérisation de l’hétérogénéité d’un site urbain contaminé, autant à l’échelle de l’échantillon que du terrain. Cette caractérisation de l’hétérogénéité mène ainsi au contrôle de l’incertitude globale d’une étude de caractérisation, à la fois sa quantification et sa réduction et à l’obtention d’un plan d’échantillonnage optimisé.

Titre traduit

Uncertainty control by a multidisciplinary approach during the environmental characterization of contaminated sites

Résumé traduit

The remediation of brownfields is a strategic challenge for sustainable urbanization at the global scale. However, several obstacles affect brownfield remediation. These barriers stem from the same source: uncertainty. Control of uncertainty in environmental characterization is a key factor to overcome these obstacles. Nevertheless, uncertainty control has been insufficiently studied and is rarely mastered or even nonexistent in practice. This doctoral research focuses on uncertainty control, through its quantification and minimization.

Thus, the primary research goal was to develop and formulate an approach that could provide control on the overall uncertainty associated with brownfield characterization studies. Theresearch strategy was based on improving the characterization of site heterogeneity across three interrelated concepts: 1) the internal geometry of the site, 2) the representativeness of sampling and 3) the spatial distribution of the contamination.

A real brownfield site, having a very large physical and chemical heterogeneity due to the presence of a heterogeneous backfill (urban fill), was used to carry out the research and to validate the developed approach. Internal site geometry was characterized using a multimethod geophysical survey, including magnetometry, electromagnetic induction, electricalresistivity imaging, and ground-penetrating radar. Sampling representativeness was studied by comparing grab sampling to an alternative sampling procedure developed herein based on the principles from Gy’s Sampling Theory. The distribution of contaminants was characterized according to a geostatistical procedure based on conditional simulations that optimizes the location of additional sampling stations.

The multi-method geophysical survey has improved the mapping of the internal physical structure of the fill, both vertically and horizontally, while allowing a delineation of zones of distinctive heterogeneity. This improved mapping of heterogeneity across the site allowed an optimized sampling strategy that took into account each of the distinctive heterogeneity zones.

The developed alternative sampling procedure has quantified the reproducibility of sampling at each of its sub-steps (from field to chemical analysis in laboratory). The quantification of this reproducibility at each sampling sub-steps ensured not only a clearer understanding of the heterogeneity at the sample scale but also the optimization of any sampling procedures to achieve a desired representativeness. Moreover, it was shown that the alternative sampling procedure was more reproducible by a mean factor of 10 compared to conventional grab sampling.

The geostatistical procedure determined the spatial structure of contamination in the urban fill and quantified both the local uncertainty and the overall uncertainty specific to a given sampling plan. Moreover, the developed procedure was used to optimize the location and number of sampling stations during additional stages of characterization following a rational algorithm. It was also used to categorize the site into separate soil volumes (volume to be treated, uncertain volume and low risk volume) according to the probability of exceeding a regulatory threshold. This categorization of the site is based on two decision-making bounds which are adjusted according to the heterogeneity of the site.

In short, the developed approach in this doctoral research provides a formal and rational framework for characterizing the heterogeneity of a brownfield, both at sample scale and field scale. This characterization of heterogeneity leads to the control of the overall uncertainty during environmental assessment, namely by its quantification and its reduction, and the achievement of an optimized sampling plan.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 169-183.
Mots-clés libres:	Sites contaminés Évaluation. Sols Échantillonnage. Prospection géophysique. Sols Décontamination. Géologie Méthodes statistiques. échantillon, hétérogénéité, incertitude, multi-méthode, représentativité, site, urbain, représentativité, géostatistique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Jean-Sébastien
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 sept. 2016 14:37
Dernière modification:	12 sept. 2016 14:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1721

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