Sensitivity of Percolation Estimates to Modeling Methodology: A Case Study at an Unlined Tailings Facility with Limited Monitoring Data

被引:1
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作者
Whitman, Spencer K. [1 ]
Breitmeyer, Ronald J. [1 ]
机构
[1] Univ Nevada Reno, Dept Geol Sci & Engn, Reno, NV 89557 USA
关键词
Vadose; Unsaturated; Water balance; Drainage; Closure; Reclamation; Hydrus; Modeling; Simulation; Mine waste; WATER-BALANCE; HYDRAULIC CONDUCTIVITY; SEMIARID REGIONS; SOIL; CONTAMINATION; MINE;
D O I
10.1007/s10230-019-00591-8
中图分类号
TV21 [水资源调查与水利规划];
学科分类号
081501 ;
摘要
Calculation of water budgets is critical to developing long-term management and remediation plans for legacy mine waste facilities. The effects of several modeling decisions commonly made by practitioners constructing numerical hydrologic models can significantly alter estimates of percolation and resultant management strategies. We investigated the effects of variations in several common modeling decisions for an unlined legacy tailings emplacement in Lincoln County, Nevada using predictions from HYDRUS 1D and 2D simulations. Modeling decisions investigated include choice of hydraulic property model, hydraulic properties, numerical mesh discretization, boundary condition representation, dimensionality, and geometry. Hydrologic parameterization was informed by measurement of field-saturated hydraulic conductivity, in-situ density, field moisture content, bulk (dry) density, and water retention curve by hanging column, pressure plate, and chilled mirror hygrometer. Numerical hydrologic models resulted in percolation estimates from 0 to 24mm/year through the tailings. Choice of hydraulic properties and temporal resolution of boundary condition data contributed the most to variations in percolation estimates. For comparison, percolation was predicted with a simple water balance model (HELP), resulting in a percolation rate of 51mm/year. Such a wide range of percolation rate predictions demonstrates the potential for significant variability in model output within a range of defensible modeling decisions, assumptions, and parameterization methods. To appropriately bound this uncertainty, several model assumptions and iterations should be considered. ZusammenfassungDie Berechnung der Wasserbilanzen ist essenziell fur die Entwicklung der Plane fur das Langzeitmanagement und die Sanierung von Bergbauhinterlassenschaften. Die Effekte von Entscheidungen bei der Modellierung, die in der Regel durch die Entwickler numerischer, hydrologischer Modelle getroffen werden, konnen signifikant die Abschatzung der Versickerung und die entsprechende Managementstrategie beeinflussen. Wir untersuchten die Effekte einiger ublicher Modellierungsentscheidungen fur ein ungedichtetes Tailingsbecken in Lincoln County, Nevada unter Benutzung von Simulationen mit HYDRUS 1D und HYDROS 2D. Die untersuchten Modellierungsentscheidungen betrafen: hydrologisches Parametermodell, hydrologische Parameter, numerische Netzdiskretisierung, Reprasentation der Randbedingungen, Dimensionalitat und Geometrie. Die hydrologische Parametrisierung beruhte auf Feldmessungen der gesattigten hydraulischen Leitfahigkeit, der in-situ-Dichte, des Wassergehaltes, der Bulk-(Trocken-)Dichte und der Wasserruckhaltungskurve, bestimmt mittels hangender Wassersaule, Druckplatte und gekuhltem Spiegelhygrometer. Die numerischen hydrologischen Modelle lieferten Versickerungsraten von 0-24mm/a durch die Tailings. Die Wahl der hydrologischen Parameter und die zeitliche Auflosung der Randbedingungsdaten trugen den gro ss ten Teil zur Variabilitat der Versickerungsabschatzungen bei. Zum Vergleich wurde die Versickerung mit einem einfachen Wasserbilanzmodell (HELP) mit 51mm/a abgeschatzt. Ein so weiter Bereich ermittelter Versickerungsraten verdeutlicht das Potenzial fur die Variabilitat von Modellergebnissen im Rahmen vertretbarer und begrundeter Modellierungsentscheidungen, Annahmen und Parametrisierungsmethoden. Um diese Unsicherheit angemessen zu handhaben, sollten unterschiedliche Modellannahmen und Iterationen berucksichtigt werden. ResumenEl calculo de los presupuestos de agua es critico para el desarrollo de planes de gestion y remediacion a largo plazo para instalaciones de residuos de minas heredadas. Los efectos de varias decisiones de modelado hechas comunmente por los profesionales que construyen modelos hidrologicos numericos pueden alterar significativamente las estimaciones de percolacion y las estrategias de manejo resultantes. Investigamos los efectos de las variaciones en varias decisiones de modelado comunes para un emplazamiento de colas sin alineacion en el condado de Lincoln, Nevada, utilizando predicciones de HYDRUS 1D y simulaciones 2D. Las decisiones incluyen la eleccion del modelo de propiedad hidraulica, las propiedades hidraulicas, la discretizacion numerica de la malla, la representacion de condiciones de contorno, la dimensionalidad y la geometria. La parametrizacion hidrologica se informo mediante la medicion de la conductividad hidraulica saturada en el campo, la densidad in situ, el contenido de humedad del campo, la densidad (seca) y la curva de retencion de agua mediante la columna colgante, la placa de presion y el higrometro de espejo frio. Los modelos hidrologicos numericos dieron como resultado estimaciones de percolacion de 0-24mm/ano a traves de los relaves. La eleccion de las propiedades hidraulicas y la resolucion temporal de los datos de condicion de contorno contribuyeron mas a las variaciones en las estimaciones de percolacion. Para comparacion, la percolacion se predijo con un modelo simple de balance de agua (HELP), lo que dio como resultado una tasa de percolacion de 51mm/ano. Este amplio rango de predicciones de tasa de percolacion demuestra el potencial de una variabilidad significativa en el rendimiento del modelo dentro de un rango defendible de decisiones de modelado, supuestos y metodos de parametrizacion. Para limitar adecuadamente esta incertidumbre, se deben considerar varios supuestos e iteraciones del modelo.
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