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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This study investigates the hydrological functioning of a riparian zone in central Indiana in a glaciated valley with concave topography (16% slope gradient) and ground water seeps on the valley walls. Unlike sites found in most riparian zone studies with lateral ground water inputs (Clement et al., 2003; Jordan et al., 1993; Blicher-Mathiesen and Hoffman, 1999; Hoffman et al., 2000), the site in this study is connected to thin, permeable upland sediments (≈2 m). The objectives of this research include: 1) understanding the influence of the hydrogeomorphic (HGM) setting on riparian hydrology (including determining the sources of water to the site), 2) determining how the HGM setting influences riparian zone water quality functioning, and 3) comparing the results from this site with conceptual models of riparian zone hydrologic functioning. Water chemistry and hydrometric data were collected over a 16-month period. Three factors influence riparian zone hydrological functioning at the site: 1) the nature of water contributions from upland sources, 2) riparian zone soil texture, and 3) the location of a preWisconsinan till unit. When the uplands are contributing water to the riparian zone a shallow water table is found near the hillslope and ground water flows from the hillslope to the stream. Conversely, when upland contributions cease a large water table drop occurs and ground water flows in a downvalley direction. Fine textured soils near the hillslope result in shallow water tables and small ground water fluxes. Hydrometric data, water chemistry, and statistical analyses suggest water from an intertill layer adjacent to the site is the primary source of water to the site. NO3- concentrations decreased in ground water flow in the riparian zone suggesting the site is removing nutrients. A preWisconsinan glacial till deposit at shallow depths in the riparian zone limits ground water flow to horizontal flow paths. Overall, the hydrologic functioning of the site agrees well with riparian zone conceptual models (Vidon and Hill, 2004a; Vidon and Hill, 2004b; Devito et al., 1996; Hill, 2000; Baker et al., 2001; Burt et al., 2002). The results of this study are important additions towards conceptualizing riparian zone hydrologic functioning.

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Abandoned mines present considerable environmental risks through the release of toxic metals, particularly into adjacent water bodies. The implementation of reliable geotechnical cut-off walls containing bentonite stands as a crucial strategy in mitigating environmental groundwater contamination. This study evaluates the viability of employing the methylene blue titration method to quantify bentonite content in till samples, with the objective of verifying the assumed bentonite content (3.5%) and exploring the impact of sample preparation on bentonite content determined through titrations. Bentonite, known for its swelling properties and high cation exchange capacity, was introduced into till samples both in laboratory settings and on-site. The methylene blue titration method was utilized to measure bentonite content in these samples. Laboratory results indicated significant variations in bentonite content depending on the sample preparation method, with methods employing soil homogenization proving more effective in quantifying bentonite accurately. The study's findings support the hypothesis that the methylene blue method can reliably quantify bentonite in till soil samples with the correct preparation in a laboratory environment. On-site analysis exhibited larger variations and deviations in bentonite content quantifications compared to laboratory-based incorporations. Additionally, on-site incorporated samples demonstrated a statistically significant difference in bentonite content compared to laboratory-incorporated samples, highlighting the method's sensitivity and need for future research. This research contributes valuable insights into leveraging methylene blue titration for quantifying bentonite in till soils, crucial for establishing geotechnical barriers to control toxic metal output from mines.

Mit dem Grundwasserwiederanstieg in Braunkohleabraumkippen werden die aus der Pyritverwitterung resultierenden Stoffausträge an Sulfat-, Eisen-, Schwermetall- und H+-Ionen gelöst. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe Problembereiche ausgehalten und somit Maßnahmen im aktiven mitteldeutschen Tagebaubetrieb ergriffen werden können, um die zukünftige Beeinflussung der umgebenden Grund- und Oberflächenwasserkörper zu minimieren. An Vorfeldsedimenten konnten in Feld-eluaten, Stoßbeprobungen und Verwitterungsversuchen geochemische Eigenschaften ermittelt werden. In resultierenden Pufferungsversuchen aus karbonathaltigen Geschiebe-mergeln und Hauptaciditätsträgern konnte eine langfristige Minderung der Aciditätswirkung nachgewiesen werden und ein adaptierter Regelkippenaufbau mit laminaren, alterierenden Sichtaufbau begründet werden. In umliegenden Altkippengrundwässern sind Pufferung und Sulfatreduktion als Wiederfestlegungsprozesse der AMD-Problemstoffe belegt worden. / For lignite mining extensive overburden masses have to be moved. Due to the ventilation of the overburden by atmospheric oxygen, there is a weathering of mostly tertiary sulfides. The rebound of groundwater in future tippings dissolves sulfate, iron, heavy metal and H+ ions, resulting from the pyrite weathering. The partial mobilization of overburden sulfides are opposed to hydrogeochemical buffer reactions e.g. the buffering by carbonates as the first step of buffering. Therefore, there are the questions to the mining operators of the measures that can be taken to minimize the geochemical influence of the surrounding ground and surface water bodies. Object of this PhD-thesis is to lead a methodology that helps to characterize the future tilting substrates to find technological and strategic measures for minimizing the acid water formation in the active open pit operation. In Field eluates and weathering tests in the laboratory and in the field, sediments from dry drill holes in the forefront of open pits “Schleenhain” and “Peres” it could be shown that the geological facies formation of sediments has a decisive influence on geochemical characteristics. As the main acidifying sediment the tertiary aquifer number 2 (lying part) and number 3 can be identified with their high sulfur contents. With increasing time of oxygen exposure sulfate, iron, heavy metal and H + ions released massively. Furthermore, it appears that carbonate buffer essentially are available as glacial till only in cohesive Quaternary. With the resulting buffering experiments from glacial till and the most acidic aquifer sediments a long-term retention of iron, heavy metal and H + - ion and a reduction of sulfate release can be shown, if there is a share of at least 40% glacial till to the lying aquifer number 2 sediments or 20% glacial till to the aquifer number 3. The groundwater quality monitoring of unstructured resaturated old dumps near to the active open pits is comparable to a field test. In addition to weathering zones with high levels of pollutants in the presence of carbonates, buffering processes and sulfate reduction with precipitation of problematic substances in secondary mineral phases can be detected. Blending the research results of geological and geochemical data, an important, in principle selectively recoverable, buffer potential already exists. The determined mixing ratio from 80-60 mass-% acidic sediments to 20-40 mass-% buffering sediment from the buffering experiments can be realized in tilting. In the open pit “Schleenhain” the missing buffering material can be compensated by mass offset from the open pit “Peres”. With the use of the already existing equipment, it is possible to establish a laminar, alternately tipping body with good geochemical and geotechnical conditions.

Mit dem Grundwasserwiederanstieg in Braunkohleabraumkippen werden die aus der Pyritverwitterung resultierenden Stoffausträge an Sulfat-, Eisen-, Schwermetall- und H+-Ionen gelöst. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe Problembereiche ausgehalten und somit Maßnahmen im aktiven mitteldeutschen Tagebaubetrieb ergriffen werden können, um die zukünftige Beeinflussung der umgebenden Grund- und Oberflächenwasserkörper zu minimieren. An Vorfeldsedimenten konnten in Feld-eluaten, Stoßbeprobungen und Verwitterungsversuchen geochemische Eigenschaften ermittelt werden. In resultierenden Pufferungsversuchen aus karbonathaltigen Geschiebe-mergeln und Hauptaciditätsträgern konnte eine langfristige Minderung der Aciditätswirkung nachgewiesen werden und ein adaptierter Regelkippenaufbau mit laminaren, alterierenden Sichtaufbau begründet werden. In umliegenden Altkippengrundwässern sind Pufferung und Sulfatreduktion als Wiederfestlegungsprozesse der AMD-Problemstoffe belegt worden.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159 / For lignite mining extensive overburden masses have to be moved. Due to the ventilation of the overburden by atmospheric oxygen, there is a weathering of mostly tertiary sulfides. The rebound of groundwater in future tippings dissolves sulfate, iron, heavy metal and H+ ions, resulting from the pyrite weathering. The partial mobilization of overburden sulfides are opposed to hydrogeochemical buffer reactions e.g. the buffering by carbonates as the first step of buffering. Therefore, there are the questions to the mining operators of the measures that can be taken to minimize the geochemical influence of the surrounding ground and surface water bodies. Object of this PhD-thesis is to lead a methodology that helps to characterize the future tilting substrates to find technological and strategic measures for minimizing the acid water formation in the active open pit operation. In Field eluates and weathering tests in the laboratory and in the field, sediments from dry drill holes in the forefront of open pits “Schleenhain” and “Peres” it could be shown that the geological facies formation of sediments has a decisive influence on geochemical characteristics. As the main acidifying sediment the tertiary aquifer number 2 (lying part) and number 3 can be identified with their high sulfur contents. With increasing time of oxygen exposure sulfate, iron, heavy metal and H + ions released massively. Furthermore, it appears that carbonate buffer essentially are available as glacial till only in cohesive Quaternary. With the resulting buffering experiments from glacial till and the most acidic aquifer sediments a long-term retention of iron, heavy metal and H + - ion and a reduction of sulfate release can be shown, if there is a share of at least 40% glacial till to the lying aquifer number 2 sediments or 20% glacial till to the aquifer number 3. The groundwater quality monitoring of unstructured resaturated old dumps near to the active open pits is comparable to a field test. In addition to weathering zones with high levels of pollutants in the presence of carbonates, buffering processes and sulfate reduction with precipitation of problematic substances in secondary mineral phases can be detected. Blending the research results of geological and geochemical data, an important, in principle selectively recoverable, buffer potential already exists. The determined mixing ratio from 80-60 mass-% acidic sediments to 20-40 mass-% buffering sediment from the buffering experiments can be realized in tilting. In the open pit “Schleenhain” the missing buffering material can be compensated by mass offset from the open pit “Peres”. With the use of the already existing equipment, it is possible to establish a laminar, alternately tipping body with good geochemical and geotechnical conditions.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Underground septic systems thrive or fail based on the relationship with their local environment. This paper explores ways environmental variables such as soil type, tree roots, degree of slope, and impervious surfaces affect on-site wastewater treatment systems. It also discusses the effects each of these variables may have on a septic system, and the resulting impact a compromised system may have on the surrounding environment. This research focuses on an approximately 20 square mile area of central Washington Township in Marion County, Indiana. This area of central Indiana contains a large septic system owning population in a sampling of different environments such as wooded areas, hilly areas, and a variety of different soil types.