Original paper

Modellierung von Wasserfluß und Stofftransport in der ungesättigten Zone heterogener Abraumkippen des Braunkohletagebaus im Lausitzer Revier

[Modelling of water flow and solute transport in the unsaturated zone of heterogeneous lignite spoils in the Lusatian Mining District.]

Buczko, Uwe; Gerke, Horst Herbert; Hüttl, Reinhard Franz

Kurzfassung

Durch oxidative Verwitterung von Sulfidmineralen in Abraumkippen des Braunkohletagebaus im Lausitzer Revier entstehen saure Sickerwässer, die aufgrund der Heterogenität des Substrates auf präferentiellen Fließpfaden in das Grundwasser gelangen können. Für eine Prognose der Stoffverlagerung mit numerischen Transportmodellen werden Kenntnisse über die räumliche Verteilung der hydraulischen Parameter benötigt. Hier werden die Ergebnisse von Simulationen verglichen, die mit zwei unterschiedlichen Ansätzen für die Generierung der Parameterverteilungen in den Kippen gewonnen wurden: 1. Ein halb-deterministischer "Pedotransfer"-Ansatz, bei dem die Wirkung der abraumtechnologischen Prozesse berücksichtigt wird, und 2. Eine direkte geostatistische Simulation der hydraulischen Leitfähigkeit. Bei Infiltrationsraten, die für das Lausitzer Revier typisch sind (~ 1 mm/Tag), ergibt sich, daß die durch die Abraumtechnologie bedingten verdichteten Aufschlagbereiche des verkippten Abraums als bevorzugte Fließpfade fungieren und eine zweigipflige Stoffverlagerung bewirken. Die räumliche Heterogenität erzeugt bei beiden Ansätzen eine Spreizung der Konzentrationsfront, die mit abnehmender Wassersättigung größer wird.

Abstract

Oxidative weathering of primary sulphide minerals within the spoils of opencast lignite mines in the Lusatian Mining District leads to acid mine drainage. Owing to the heterogeneity of hydraulic parameters within the spoils, the solute load may reach the groundwater flowing through preferential pathways. Prediction of solute movement with numerical transport models requires knowledge about the spatial distribution of hydraulic parameters. Here. the simulation results obtained with two different approaches for generating the spatial distributions are compared: 1. A semi-deterministic "pedotransfer"-approach, which takes into account the physical processes induced by the mining and dumping technology, and 2. A direct geostatistical simulation of hydraulic conductivity. Applying infiltration rates which may be typical for the Lusatian District (~1 mm/day), the compacted zones resulting from the impacting mass flow act as preferential flowpaths and induce a double-peaked concentration profile. For both approaches, spatial heterogeneity leads to a spreading of the concentration profile. The macrodispersion is inversely proportional to the water saturation.

Keywords

ligniteoverburdentailingssulphide mineralsoxidative weatheringacid mine drainage. unsaturated zonenumerical modellingwater flowsolute transport Lusatian Mining DistrictBrandenburg