Seepage from steelmaking coal mine waste rock dumps in the Elk Valley, British Columbia, Canada can contain selenium (Se), cadmium (Cd), and sulfate (SO42-) from the oxidation of sulfide minerals, and nitrate (NO3-) from blasting. The impact of these constituents of interest (CIs) on receiving groundwater systems and the potential for their natural attenuation is investigated. A 10.7 km2 mine-impacted research catchment (West Line Creek) was instrumented with 13 monitoring wells and 8 drivepoint wells to characterize the hydraulics and geochemistry of the aquifer system downgradient of the waste rock dump. These data were augmented with geophysical surveys and by characterizing the lithology, geotechnical properties, and geochemistry of core samples obtained during drilling. Furthermore, the groundwater monitoring program also facilitated the development of a conceptual model of hydrogeology in a small montane valley. An unconfined aquifer at the overburden/fractured bedrock interface, i.e. the basal alluvial aquifer was identified as the primary groundwater conduit for the migration of water and solutes from the waste rock dump toward Line Creek. Vertical and horizontal dispersion of CIs was confirmed with porewater analysis of core samples, with Se concentrations exceeding the BC water quality guideline (2.0 µg/L) in 98% of samples (n = 223). Residence time for groundwater in the overburden aquifers was determined using 3H/3He age dating (n = 3) and estimates of groundwater velocity to be less than three years across the 650 m study site. The chemistry of groundwater was compared with rock drain water samples to evaluate CIs from their source through to identified discharge locations. Linear correlation of CI concentrations with SO42- concentrations in water samples showed that Se and NO3- were conservative solutes, whereas Cd was non-conservative and may be undergoing mineral precipitation or adsorption reactions in the groundwater system. The distribution of CIs in the overburden aquifers was seasonally variable and dilution was determined to be the dominant mechanism controlling the concentrations of conservative CIs (Se, SO42- and NO3-) away from the toe of the waste rock dump and during the spring freshet. The basal alluvial aquifer downgradient of the waste rock dump was estimated to annually discharge 16% of the water and 7% of the SO42- load from the catchment.

>Magister Scientiae - MSc / Crystalline basement aquifers are an important source of water supply in sub-Saharan Africa for various purposes. These aquifers are characterized by fractured rock networks which form pathways for groundwater recharge, flow, and discharge in subterranean groundwater areas. The fractured rock networks in these areas form fractured rock aquifers which in some cases are protected or reserved. In South Africa, various aquifers with these characteristics have been declared as subterranean groundwater control areas. The physical characteristics of these hydrogeological settings remains crucial in sustaining ecosystems and supporting socio-economic practices such as irrigation, among others. However, the role of fracture connectivity in crystalline basement aquifers remains poorly understood despite the well-established knowledge about the hydrogeological characteristics of such areas. / 2022

Recent models of groundwater flow in the Blue Ridge Province suggest multiple aquifers and flow paths may be responsible for springs and seeps appearing throughout the region. Deep confined aquifers and shallow variably confined aquifers may contribute water to spring outlets, resulting in vastly different water quality and suitability for potable water supplies and stock watering. A new Low Flow Recording System (LoFRS) was developed to measure the discharge of these springs that are so ubiquitous throughout the Blue Ridge Province. Analysis of spring discharge, combined with electrical resistivity surveying, aquifer tests, and water chemistry data reveal mixed shallow and deep aquifer sources for some springs, while other springs and artesian wells are sourced only in the deep aquifer. The technique is suitable for rapid characterization of flow paths leading to spring outlets. Rapid characterization is important for evaluation of potential water quality problems arising from contamination of shallow and deep aquifers, and for evaluation of water resource susceptibility to drought. The spring discharge technique is also suitable for use in other locations where fractured rock and crystalline rock aquifers are common. / Master of Science

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18937号 / 工博第3979号 / 新制||工||1613(附属図書館) / 31888 / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 松岡 俊文, 教授 田村 正行, 教授 小池 克明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Die künstliche Grundwasserabsenkung stellt eine wichtige Maßnahme für die Entwässerung von Baugruben und bergbaulich genutzten Flächen dar. Eine erfolgreiche und zielgerichtete Absenkung des Grundwasserspiegels setzt ein zweckmäßiges Design und die richtige Auswahl der genutzten Absenkungstechniken voraus. Dabei sind insbesondere die Dimension des abzusenkenden Bereichs, die Untergrundbeschaffenheit sowie zu erfüllende umweltschutzrechtliche Regelungen zu berücksichtigen. Zur Grundwasserabsenkung kommen üblicherweise verschiedene Ausführungen und Anordnungen von Pumpbrunnen zum Einsatz. Konventionelle Pumpbrunnen, welche für Absenkungsmaßnahmen eingesetzt werden, entnehmen Grundwasser aus dem Aquifer. Durch das fortwährende Abpumpen von in der Regel erheblichen Wassermengen können jedoch Umweltprobleme entstehen, und es ist mit zusätzlichen Entsorgungskosten für die Ableitung des geförderten Wassers zu rechnen. Im Gegensatz hierzu stellen vertikale Zirkulationsbrunnen (VCW) einen innovativen Ansatz dar, der eine lokale Grundwasserabsenkung ohne Nettowasserentnahme aus dem Aquifer erlaubt. Ein VCW kann als ein Einbohrlochsystem aufgefasst werden, bei dem im oberen Bereich eines Brunnens Wasser entnommen und dieses in einem separaten, weiter unten installierten Brunnenbereich wieder injiziert wird. Die erfolgreiche Anwendung dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik erfordert die genaue Kenntnis der Faktoren, welche für die Grundwasserströmungsverhältnisse relevant sind und somit die Absenkung bestimmen. Traditionelle Berechnungsansätze vernachlässigen oft vertikale Grundwasserbewegungen und sind deshalb für die Beschreibung der komplexen Strömungsverhältnisse in unmittelbarer Nähe eines VCW nicht geeignet. Aus diesem Grund steht die systematische Untersuchung der Grundwasserströmung unter Berücksichtigung vertikaler Strömungskomponenten im Hauptfokus dieser Arbeit. Die Untersuchungen beschäftigen sich in erster Linie mit der Entwicklung einer geeigneten Simulationsmethode, mit der Evaluierung des Einflusses relevanter hydrogeologischer Parameter sowie mit der Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen an einem Feldstandort. Die hier vorgestellte neue Simulationsmethode koppelt den sogenannten Arbitrary‐Lagrangian‐Eulerian‐(ALE)‐Algorithmus mit der Grundwasserströmungsgleichung. Die Simulationsergebnisse werden mit mehreren analytischen Lösungen verglichen und verifiziert. Das entwickelte numerische Modell berücksichtigt auch Vertikalströmungen und eignet sich somit zur Simulation der Grundwasserströmung in der Nähe von VCW. Folglich kann nun die Lage des Grundwasserspiegels, vor allem für ungespannte Grundwasserleiter, präzise berechnet werden. Nach erfolgter Kalibrierung des numerischen Modells anhand von Felddaten wurde eine Sensitivitätsanalyse relevanter Parameter im Hinblick auf die erzielte Absenkung und deren Auswirkungen auf die Grundwasserströmungssituation durchgeführt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Grundwasserabsenkung proportional zur Pumprate, indirekt proportional zur hydraulischen Leitfähigkeit und fast unabhängig von der Anisotropie des Grundwasserleiters um den VCW ist. Des Weiteren zeigte sich, dass die Lage des oberen Entnahmepunktes einen größeren Einfluss auf die Absenkung als die Lage des darunter liegenden Injektionspunktes hat. Die Größe des von der Grundwasserzirkulation beeinflussten Bereiches hängt dagegen neben dem Abstand dieser beiden Punkte hauptsächlich auch von der Anisotropie des Aquifermaterials ab. Um den Einfluss der Hydrostratigraphie auf die Grundwasserströmung zu untersuchen, wurden die Eigenschaften der einzelnen Schichten genau charakterisiert. Hierfür wurden Direct‐Push‐, Pump‐, Injektions‐ sowie Zirkulationsversuche an einem Feldstandort durchgeführt. Zudem wurden Bohrkerne entnommen und mithilfe von Siebanalysen vertikale Korngrößenverteilungsprofile im Labor bestimmt. Die eingesetzten experimentellen Methoden stellen in Kombination mit numerischen Simulationsrechnungen eine gute Basis dar, um die Rolle der Schichtstruktur im Aquifer besser beurteilen zu können. Die Untersuchungen leisten somit einen wichtigen Beitrag für das zukünftige Design und den Betrieb von VCW für Grundwasserabsenkungszwecke in ungespannten Grundwasserleitern. Zudem zeigt die hier vorliegende Arbeit das große Potential dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik als vielversprechende Alternative zu konventionellen Absenkungsverfahren auf.

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