Effet de la concentration en polyacrylamide sur la redistribution du ruissellement et le contrôle du rendement en sédiments des terrils karstiques sous pluie simulée

Pourquoi la pluie sur les terrils importe

Dans de nombreuses régions minières de charbon, d’énormes tas de roche et de terre meuble sont laissés après l’extraction — appelés terrils. Lorsque des pluies intenses frappent ces pentes nues et friables, de l’eau boueuse peut ruisseler à la surface tandis qu’une eau chargée s’infiltre dans les fissures du substrat rocheux en dessous. Dans les régions karstiques, où le socle est criblé de cavernes et de conduits, cette eau d’infiltration peut rapidement transporter des polluants vers des rivières souterraines et des ressources en eau potable. Cette étude examine si l’ajout d’un polymère couramment utilisé pour améliorer les sols, le polyacrylamide (PAM), à la surface de ces terrils peut à la fois ralentir l’érosion et réduire le risque de contamination souterraine.

Un paysage minier rempli de trous cachés

La recherche s’est concentrée sur une mine à ciel ouvert dans la province du Guizhou, au sud‑ouest de la Chine, un paysage karstique typique composé de roches carbonatées solubles. Ici, l’exploitation a créé de grands terrils constitués de déblais et de gangue de charbon. Comme ces matériaux sont meubles, pauvres en éléments nutritifs et majoritairement dépourvus de végétation, ils s’érodent facilement pendant les fortes pluies estivales de la région. En terrain karstique, les précipitations ne se contentent pas de ruisseler en pente ; elles s’engouffrent aussi dans les fissures et les conduits du substrat, rejoignant rapidement les cours d’eau souterrains. Il est donc particulièrement important de limiter à la fois l’érosion de surface et les fuites descendantes d’eau polluée depuis ces collines artificielles.

Tester un aide‑sol pour terres fatiguées

Pour enquêter, les scientifiques ont recréé une coupe de terril dans une halle de simulation de pluie en laboratoire. Ils ont rempli un bac en acier d’un mélange de 30 centimètres d’épaisseur représentatif des déchets miniers et du sol jaune du site, puis l’ont incliné à une pente raide de 30 degrés. La base du bac a été percée de fentes pour imiter des fissures rocheuses naturelles, et trois collecteurs distincts ont capté l’eau et les sédiments ruisselant à la surface, circulant dans le sous‑sol peu profond et s’écoulant sous la base. Au‑dessus de cette pente modèle, un simulateur de pluie a produit des orages contrôlés correspondant aux fortes averses locales. L’équipe a pulvérisé la surface du sol avec des solutions de PAM à trois concentrations différentes — faible (1‰), moyenne (3‰) et élevée (5‰) — et les a comparées à un témoin non traité lors des mêmes pluies de 90 minutes.

Comment le polymère redessine le chemin de l’eau

Le PAM est une longue molécule qui gonfle dans l’eau et agglomère les particules du sol, formant une fine pellicule collante à la surface. Dans les expériences, tous les traitements au PAM ont modifié la façon dont l’eau de pluie circulait dans la pente. Sans PAM, une grande part de l’eau s’infiltrait rapidement puis réapparaissait sous forme d’écoulements sous‑surface et souterrains, entraînant des particules fines vers le bas. Une fois le PAM appliqué, davantage d’eau est restée en surface et a ruisselé superficiellement, tandis que les écoulements provenant des couches profondes ont fortement diminué, surtout à la concentration la plus élevée. En moyenne, les volumes de ruissellement de surface ont augmenté de plus de 17 %, et l’écoulement souterrain est passé, dans le cas non traité, de près de la moitié du total à moins d’un dixième sous un fort traitement au PAM. Les mesures de débit ont montré que le polymère augmentait la résistance interne de l’eau et réduisait son pouvoir érosif, même si l’eau de surface s’écoulait de façon plus turbulente.

Moins de boue en mouvement, mais un compromis

Parallèlement à ces changements de trajectoires de l’eau, le PAM a fortement réduit la quantité de sédiments quittant la pente. Par rapport au sol non traité, le polymère a réduit d’environ un tiers les sédiments transportés par l’eau de surface et a presque divisé par deux les pertes sédimentaires souterraines. Des concentrations plus élevées entraînaient généralement moins d’érosion. Cependant, il y a un bémol : le traitement au PAM le plus fort, bien que le plus efficace pour empêcher les fuites souterraines, empêchait aussi davantage d’eau de s’infiltrer dans le sol. Cela pourrait laisser les terrils trop secs pour que les jeunes plantes s’établissent, ralentissant la couverture végétale qui assurerait une protection durable. La concentration moyenne de PAM offrait un meilleur compromis : elle réduisait sensiblement l’érosion et les fuites profondes, tout en permettant encore suffisamment d’infiltration pour soutenir les racines.

Trouver le bon dosage pour une remise en état plus sûre

Pour les gestionnaires de mines opérant en zones karstiques fragiles, le message de l’étude est pratique. Pulvériser une dose modérée de PAM sur des terrils nouvellement aménagés peut rapidement freiner l’érosion, réduire la quantité d’eau polluée dirigée vers les conduits souterrains et stabiliser les pentes — sans priver la végétation future de l’humidité dont elle a besoin. Les auteurs suggèrent qu’une application de niveau moyen, autour de 3‰ pour le matériau testé, constitue un point de départ efficace. Ils insistent également sur la nécessité d’un suivi de terrain à long terme pour vérifier que le PAM et ses produits de dégradation restent sûrs pour l’environnement. Utilisé avec précaution et en combinaison avec des efforts de replantation, ce polymère simple pourrait devenir un outil utile pour transformer des tas de déchets instables en collines plus sûres et plus végétalisées.

Citation: Zhu, X., Yang, H. & Yan, Y. Effect of polyacrylamide concentration on runoff redistribution and sediment yield control from karst spoil heaps under simulated rainfall. Sci Rep 16, 14441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44802-z

Mots-clés: érosion des sols karstiques, polyacrylamide, terrils de mines de charbon, ruissellement et sédiments, protection des eaux souterraines