The impact of irrigation with coal mine water on groundwater resources
Loading...
Date
2006-11
Authors
Vermeulen, P. D.
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Huge volumes of mine water, impacted on by acid mine drainage, are presently produced as a result of mining activities. These waters are mostly neutralised either as a result of seepage through neutralising geological strata, or artificially by the addition of lime. Mine drainage is, therefore, often saturated with gypsum. Gypsiferous mine water can thus be regarded either as one of the greatest problems associated with mining, or as a potential asset. Large amounts of waste water could be made available to the farming community, and utilised for the irrigation of highly productive soils in the coalfields. Concentrating the gypsiferous soil solution through evapotranspiration, thereby precipitating gypsum in the soil profile, will reduce environmental pollution, as these salts are removed from the water system. However, the regulatory authorities have raised some concerns regarding the possible impact of largerscale irrigation on water resources. This research attempts to provide meaningful answers. Five different irrigation sites were selected for research. Monitoring indicates that very little salinity applied on surface during irrigation reaches the water table. Soil analysis indicates that most of the salts are captured in the upper one or two meters of the soil profile. The data indicate that the clay layers, which playa major role in the vertical flux of the water, also have an influence on the salt distribution through the soil profiles. The porous cups data suggest that the majority of the salts is currently contained within the uppermost portions of the soil profile, showing a steady decrease in sulphate concentrations with depth. Geochemical modelling indicates that soil water in the uppermost meter is saturated with gypsum, and precipitation occurs. Virgin solts: The chloride values at all the different irrigation sites showed a decrease value with depth, indicating bimodal flow. The saline water moving through the soil profile contributes approximately 15% or less to the mixing process of the water. Lateral flow in the highly conductive F zones on the contact of the weathered zone with the solid rock, results in salinity dilution. Twenty-five percent of the total irrigation water volume reaches the water level. There is a direct correlation between the clay content of the soil and the diffusive component of the bimodal flow. Due to the moist conditions at irrigation sites, swelling of the clay results in the very low vertical conductivity value of 10-4 mid. The average estimated moisture content with depth is available on the full text document.
The salt balance revealed that 80% of the sulphate applied during irrigation is retained in the soil profile, most of which occurs in the upper two meters. 80% of this retained sulphate occurs in the soil water. After irrigation ceases, it can take more than 100 years to leach the sulphate from the soil profile, due to bimodal flow and low recharge. Conclusion: In the short to medium term, irrigation is feasible on virgin soils, as most of the salinity is captured, and little is released in the groundwater. Spoils: The tests and models indicate the great importance of the reactive nature of the spoils on which irrigation will occur. Where mine water of relatively consistent quality is used, the changes in longer-term quality will be far less dramatic. Based on the slow salinity build-up at the different sites, it is recommended that irrigation be alternated (i.e. between two pivots over time) if site criteria selection has been adhered to, and that mine-water irrigation should not be done for periods exceeding 10 years in any particular area. A non-negotiable prerequisite is that appropriate monitoring must be in place.
Afrikaans: Groot volumes water, geimpakteer deur suurvorming, word huidiglik geproduseer as gevolg van mynbou aktiwiteite. Hierdie water word meestal geneutraliseer as gevolg van vloei deur geologiese strata wat neutralisering aanhelp, of deur die toevoeging van kalk. Water afkomstig van mynbou is dus dikwels versadig met gips. Hierdie gipsryke water kan beskou word as een van mynbou se grootste probleme, of as 'n potensiële bate. Groot hoeveelhede afval water kan tot die beskikking van die landbou gemeenskap gestel word vir gebruik in besproeiing op die hoë-potensiaal gronde van die steenkoolveld. Deur die gipsryke water te konsentreer deur evapotranspirasie, kan gips in die grond gepresipiteer word. Dit sal die omgewingsbesoedeling verminder deurdat saute verwyder word uit die waterstelsel. Die betrokke owerheid is egter besorg oor die impak wat grootskaalse besproeiing kan hê op die grondwater reserves. Hiedie navorsingsprojek poog om sulke vrae te beantwoord. Vyf verskillende besproeiings persele is geselekteer vir die projek. Monitering van die persele oor tyd toon dat baie min van die saute wat deur die water op die grond toegedien word, die water tafel bereik. Grond analises toon dat meeste van die saute in die boonste twee meter van die grond profiel vasgevang is. Die klei lae speel 'n groot rol in die vertikale beweging van die water. Analises toon ook dat dit 'n invloed het op die sout verspreiding deur die grond profiel. Poreuse koppie data het hierdie bevinding bevestig, en aangetoon dat daar 'n afname van sulfaat konsentrasie met diepte is. Geochemiese modelering toon dat die grondvog in die boonste meter van die profiel versadig is met gips, en dat presipitasie plaasvind. Onversteurde grond: Die chloried konsentrasie by al die verskillende persele wys 'n afname in konsentrasie met diepte. Dit dui op voorkeur vloei. Die soutryke water wat afbeweeg in die profiel dra ongeveer 15% of minder by tot die vermenging van die water om die laer chloriedwaardes te verkry. Die hoë geleidingsones op die kontak tussen die verweerde sane en die soliede rots veroorsaak die laterale vloei van water wat bydra tot die verdunning van die soutkonsentrasie. Vyf-en-twintig persent van die toegediende besproeiingswater bereik die water tafel. Daar is 'n direkte verband tussen die klei inhoud van die grond en die diffusie komponent van die bimodale vloei. As gevolg van die natter toestande op ,besproeiingsperseie, veroorsaak die swelling van die klei dat die vertikale konduktiwiteitswaarde baie laag is, nl. 10-4 mld. Die gemiddelde vog inhoud met diepte is beskikbaar op die volledige teks document. Die soutbalans wys dat 80% van die sulfaat wat op die perseel toegedien is, in die grond vasgevang is. Die meeste hiervan is in die eerste twee meter van die profiel. Nadat besproeiing gestaak is, sal dit meer as 100 jaar neem om die sulfaat uit die grondprofiel te loog, omdat bimodale vloei en lae reën aanvulling loging sal vertraag. Gevolgtrekking: In die kort tot medium termyn, is besproeiing met die gipsryke water haalbaar. Die meeste van die sout is vasgevang, en baie min loog deur na die water tafel. Versteurde grond: Die proewe en modelle wys dat die reaktiewe aard van die versteurde grond waarop besproeiing plaasvind, baie belangrik is. Die verandering in langtermyn water kwaliteit sal baie minder wees as water van redelik konstante kwaliteit gebruik word vir besproeiing. , Gebasser op die stadige opbou van soute in die grondprofiel, word wisseling van besproeiing tussen twee persele voorgestel as alle reëls vir die kies van geskikte persele nagekom is. Besproeiing moet nie langer as tien jaar per perseel geskied nie. 'n Ononderhandelbare voorwaarde vir besproeiing is dat geskikte monitering in plek moet wees.
Afrikaans: Groot volumes water, geimpakteer deur suurvorming, word huidiglik geproduseer as gevolg van mynbou aktiwiteite. Hierdie water word meestal geneutraliseer as gevolg van vloei deur geologiese strata wat neutralisering aanhelp, of deur die toevoeging van kalk. Water afkomstig van mynbou is dus dikwels versadig met gips. Hierdie gipsryke water kan beskou word as een van mynbou se grootste probleme, of as 'n potensiële bate. Groot hoeveelhede afval water kan tot die beskikking van die landbou gemeenskap gestel word vir gebruik in besproeiing op die hoë-potensiaal gronde van die steenkoolveld. Deur die gipsryke water te konsentreer deur evapotranspirasie, kan gips in die grond gepresipiteer word. Dit sal die omgewingsbesoedeling verminder deurdat saute verwyder word uit die waterstelsel. Die betrokke owerheid is egter besorg oor die impak wat grootskaalse besproeiing kan hê op die grondwater reserves. Hiedie navorsingsprojek poog om sulke vrae te beantwoord. Vyf verskillende besproeiings persele is geselekteer vir die projek. Monitering van die persele oor tyd toon dat baie min van die saute wat deur die water op die grond toegedien word, die water tafel bereik. Grond analises toon dat meeste van die saute in die boonste twee meter van die grond profiel vasgevang is. Die klei lae speel 'n groot rol in die vertikale beweging van die water. Analises toon ook dat dit 'n invloed het op die sout verspreiding deur die grond profiel. Poreuse koppie data het hierdie bevinding bevestig, en aangetoon dat daar 'n afname van sulfaat konsentrasie met diepte is. Geochemiese modelering toon dat die grondvog in die boonste meter van die profiel versadig is met gips, en dat presipitasie plaasvind. Onversteurde grond: Die chloried konsentrasie by al die verskillende persele wys 'n afname in konsentrasie met diepte. Dit dui op voorkeur vloei. Die soutryke water wat afbeweeg in die profiel dra ongeveer 15% of minder by tot die vermenging van die water om die laer chloriedwaardes te verkry. Die hoë geleidingsones op die kontak tussen die verweerde sane en die soliede rots veroorsaak die laterale vloei van water wat bydra tot die verdunning van die soutkonsentrasie. Vyf-en-twintig persent van die toegediende besproeiingswater bereik die water tafel. Daar is 'n direkte verband tussen die klei inhoud van die grond en die diffusie komponent van die bimodale vloei. As gevolg van die natter toestande op ,besproeiingsperseie, veroorsaak die swelling van die klei dat die vertikale konduktiwiteitswaarde baie laag is, nl. 10-4 mld. Die gemiddelde vog inhoud met diepte is beskikbaar op die volledige teks document. Die soutbalans wys dat 80% van die sulfaat wat op die perseel toegedien is, in die grond vasgevang is. Die meeste hiervan is in die eerste twee meter van die profiel. Nadat besproeiing gestaak is, sal dit meer as 100 jaar neem om die sulfaat uit die grondprofiel te loog, omdat bimodale vloei en lae reën aanvulling loging sal vertraag. Gevolgtrekking: In die kort tot medium termyn, is besproeiing met die gipsryke water haalbaar. Die meeste van die sout is vasgevang, en baie min loog deur na die water tafel. Versteurde grond: Die proewe en modelle wys dat die reaktiewe aard van die versteurde grond waarop besproeiing plaasvind, baie belangrik is. Die verandering in langtermyn water kwaliteit sal baie minder wees as water van redelik konstante kwaliteit gebruik word vir besproeiing. , Gebasser op die stadige opbou van soute in die grondprofiel, word wisseling van besproeiing tussen twee persele voorgestel as alle reëls vir die kies van geskikte persele nagekom is. Besproeiing moet nie langer as tien jaar per perseel geskied nie. 'n Ononderhandelbare voorwaarde vir besproeiing is dat geskikte monitering in plek moet wees.
Description
Keywords
Virgin soils, Spoils, Gypsiferous water, Irrigation, Precipitation, Leaching, Monitoring, Diffusive and bimodal flow, Water -- Compounds -- South Africa, Groundwater management -- South Africa, Water reuse -- South Africa, Mine drainage -- South Africa, Soils -- Gypsum content, Thesis (Ph.D. (Geohydrology))--University of the Free State, 2006