Data mining for at beskytte vandkvaliteten i det sydøstlige Ohio

Udnyttelse af sin vandkvalitetsekspertise, Ohio Universitys Appalachian Watershed Research Group (AWRG) vurderer data indsamlet fra regionale minedrift i en første af sin slags undersøgelse, for bedre at forudsige, hvordan grundvandsniveauet vil reagere på minedrift.

Forskergruppen, et tværfagligt team af bachelor- og kandidatstuderende, personale, og fakulteter fra hele campus i Athen, har trukket et team sammen fra geologiske videnskaber og Voinovich School of Leadership and Public Affairs 'miljøstudieprogram til afslutningen af ​​dette projekt. Målet er at skabe et geospatialt værktøj til at modellere potentielle negative miljøpåvirkninger fra minedrift i fremtiden.

Med finansiering fra det føderale kontor for overflademinedrift, Ohio University -teamet graver gennem omfattende datasæt, kompilering, analysere og modellere både geologiske og hydrogeologiske oplysninger indsamlet af mineselskaber i Ohio og regulerende agenturer gennem de sidste 40 år.

Hvad er der på overfladen:En historie om miner

Staten Ohio har en lang arv fra ressourceudvinding - og jorden viser det.

Geographic Information Systems (GIS) kort oprettet fra statslige agenturs databaser, herunder Ohio Department of Natural Resources (ODNR) afdelinger for mineralressourceforvaltning og vandressourcer, samt Ohio Geological Survey, afsløre den del af staten længst til højre, der er fyldt med brønde og boringer foruden en række overflademiner og anden olie- og gasindustriaktivitet.

Ohio's rige minearbejde har haft mangeårige virkninger på det omgivende miljø, mest synligt som orangerøde floder via en kemisk reaktion kaldet sur minedræning. Det er et problem, der har plaget det sydøstlige Ohio i mere end 100 år.

Findes i hele Appalachia, sur minedrænage opstår, når pyrit, et mineral i kul, er udsat for både vand og ilt. Reaktionen opstår ofte i underjordiske bassiner, der dannes i kulminer, som så kan oversvømme og udledes i det ydre miljø. Denne udledning kan negativt påvirke biologien eller kemien – eller begge dele – af omgivende vandveje, dermed påvirker regionens overfladevand.

Tilsynsmyndigheder og mineselskaber har i øjeblikket ikke en nøjagtig, teknologibaseret mekanisme til vurdering af sandsynligheden for dannelsen af ​​disse minepuljer. Genindvinding og afhjælpning af sur minedræning kan koste føderale og statslige regeringer millioner af dollars hvert år.

"Vi sigter mod at forbedre forudsigelser af vandstande efter minedrift for at forhindre forurenende udledninger i første omgang, " Voinovich School lektor Dr. Natalie Kruse, en af ​​projektteamets ledere, sagde.

Multidisciplinær kohorte udforsker sur minedrænering i regionen

Rebecca Steinberg, en studerende GIS-tekniker på minepuljeprojektet, afsluttede sin første uddannelsesrunde ved Ohio University med en bachelor i geologi og et GIS -certifikat.

"Jeg var barnet med den tilfældige samling af sten, " sagde Steinberg. En indfødt Athen, hun besluttede at forfølge geologi i bachelor på grund af dets grundlag som strukturen i resten af ​​miljøet.

Nu en førsteårs kandidat i miljøstudier (MSES) ved Ohio Universitys Voinovich School, Steinbergs tværfaglige uddannelse er eksemplarisk for minepuljeteamets forskelligartede erfaringer med syreminedræning.

"Jeg er på GIS-siden af ​​projektet, men jeg kender geologien, " sagde Steinberg.

Hun og hendes MSES-kollega Zachary Matthews arbejder specifikt med at administrere de store mængder data, der indsamles til teamets eventuelle kortbaserede værktøj. Matthews studerede arkæologi i bacheloruddannelsen, også på Ohio University, hvor han udforskede den omkringliggende region i OHIOs arkæologiske feltskole.

"Jeg kunne bare rigtig godt lide at være udenfor – hver dag var ret spændende, uden at vide hvad du ville finde, Matthews sagde om sin passion for udendørs feltarbejde.

Efter halvandet års rejse rundt i landet for kontraktarbejde, Matthews besluttede at vende tilbage til sit alma mater og forfølge et GIS-certifikat. Han meldte sig ind som MSES-kandidat og sluttede sig til minepuljeprojektet i efteråret 2017.

På analysesiden af ​​mineværktøjsskabelsen er Lindsey Shafer og Frederick Twumasi, to kandidatstuderende i Geologiske videnskaber under ledelse af Dr. Dina Lopez.

Schafers forståelse af dræning af syreminer begyndte under hendes bachelorkurser som hovedfag i kemi ved Ohio University. Hun begyndte at arbejde med Dr. Lopez, et fakultetsmedlem i Appalachian Watershed Research Group, under hendes færdiggørelse af et geologifag. Efter eksamen med sin bachelor i foråret 2016, Schafer tilmeldte sig programmet Geological Sciences i efteråret.

"Med min kemibaggrund, Jeg blev begejstret, fordi jeg forstod de kemiske reaktioner, der foregår i sur minedrænage, " sagde Schafer. "Da jeg begyndte at arbejde med Dina som kandidatstuderende, Jeg fortalte hende, at jeg ville arbejde på et AMD-projekt."

Schafers geologiske videnskabskollega på overflademinepuljeprojektet, Frederick Twumasi, kom til Ohio University efter at have opnået to grader ved University of Ghana:en bachelor i geologi og en master i mineraludforskning. Twumasis forskningsarbejde i guldminer fik ham til at udforske andre miljøspørgsmål, herunder syreadminedrænering, i ekstraktionsbaserede aktiviteter mere bredt.

"Jeg elsker kemi, Jeg elsker geologi – kombinationen af ​​de to gør mig til den jeg er, ”Sagde Twumasi.” Så jeg spurgte mig selv, 'Hvordan kan jeg relatere det til miljøet?' jeg virkelig, ønskede virkelig at lave miljøgeokemi, fordi jeg føler, at miljøet er alt, hvad vi har, og dets beskyttelse og forvaltning burde være alles mål."

Sammen organiserer Steinberg og Matthews en enorm mængde data - kæmmer gennem hundredtusinder af sider med minetilladelser og rapporter indsamlet af ODNR - og indtaster dem i en online database. Her, MSES-duoen leder efter 'brugelige' datapunkter - brønd og borehulskoordinater, statiske vandstande, og total dybde af brønde - til de senere analyse- og modelleringsaspekter ved projektets oprettelse af overvågningsværktøj.

Ud over dataindtastning og behandling, Steinberg har også været den primære person til at projicere data ind i filer til GIS ArcMap – i sidste ende måden, hvorpå det GIS-baserede minepuljeovervågningsværktøj vil blive konstrueret som holdets endelige produkt.

Kvalitetssikring er også en vigtig opgave for projektets gennemførelse. Datastyringsteamet sammenligner flittigt de indtastede data med de originale ODNR -tilladelser, kontrollere for fejlmønstre og korrigere deres regneark i overensstemmelse hermed.

"Denne proces er beregnet til at sikre konsistens og korrekthed af alle vores indtastede data, " sagde Matthews.

Geologiske videnskabsteamet er næste i kommandokæden, med Schafer, der udfører multivariabel statistisk analyse af de morfologiske og geologiske data, der udvindes fra disse ekstremt lange datasæt.

En af udfordringerne ved at udpakke disse data, Schafer sagde, bestemmer den nøjagtige højde og akviferens klippelag identificeret i den omkringliggende region, med minimal geografisk information om brøndene baseret på år gamle tilladelser.

"I Ohio, nogle gange er de meget svære at identificere, fordi lagene er meget tynde, så det er svært at afgøre, hvor de differentierende lag er, " sagde Schafer.

At forstå, hvor vandbrøndene krydser forskellige stenlag blandt forskellige vandførere, kan hjælpe med at forhindre forurening af drikkevand fra f.eks. Syredræn.

Potentiale for påvirkning:Et gammelt problem, en ny løsning

Det endelige mål med projektet, med vejledning fra Appalachian Watershed Research Groups senior teknologiske ekspertise, er at skabe et GIS-baseret forudsigelsesværktøj til at forhindre fremtidige miljøforstyrrelser – og økonomiske omkostninger – fra sur minedræning.

"Acid minedræning er et meget dyrt genvindingsproblem i Ohio. I stedet for at bruge alle disse penge på at reparere det, efter at minen allerede er blevet udnyttet, det ville være mere fordelagtigt at forsøge at reducere minernes miljøpåvirkning, inden de går ind og starter minedrift, " sagde Schafer.

I begyndelsen af ​​december 2017 Forskningsgruppens team viste deres foreløbige forskningsresultater for repræsentanter fra Ohio-agenturer og mineindustrier, hvis data projektgruppen har brugt i de sidste 6 måneder.

"Det var mere interaktivt, " sagde Twumasi, reflekterer over mødet. "Vi fortalte dem, hvad vi fandt, de fortalte os også, hvad de virkelig forventer af os, og i slutningen af ​​dagen var de så glade for de fremskridt, vi har gjort. "

Mens teamet forbereder sig på at gå videre til værktøjsskabelsessiden af ​​projektet, de fire elever motiveres af muligheden for at få indflydelse på et miljøspørgsmål af regional betydning.

"Jeg kæmpede altid med tanken om 'Hvorfor betyder forskningen noget?'" Sagde Steinberg. "Når du kommer ind på miljøstudier, der er så mange andre aspekter ved det; der er en egentlig grund til, at vi studerer de ting, vi gør."