Nyt værktøj forudsiger geologisk bevægelse og strømning af grundvand i gamle kulmarker

Et fjernovervågningsværktøj til at hjælpe myndighederne med at håndtere offentlige sikkerheds- og miljøspørgsmål i nyligt forladte kulminer er blevet udviklet af University of Nottingham.

Værktøjet bruger satellitradarbilleder til at fange millimeterskala målinger af ændringer i terrænhøjde. Sådanne målinger kan bruges til at overvåge og forudsige grundvandsniveauer og ændringer i geologiske forhold dybt under jordoverfladen i tidligere minearealer.

Med en lang historie med kulminedrift, projektet blev testet i Storbritannien i regional skala, men har globale konsekvenser i betragtning af det globale fald i efterspørgslen efter kul til fordel for mere bæredygtige energikilder.

Metoden blev implementeret over Nottinghamshire kulfelter, som blev opgivet så sent som i 2015, da den sidste dybe mine, Thoresby Colliery, luk dørene for godt.

Når dybe miner lukkes, grundvandet, der tidligere blev pumpet til overfladen for at gøre minedrift sikkert, får lov til at stige igen, indtil det er genoprettet til sit naturlige niveau i en proces kaldet rebound.

Genopbygningen af ​​grundvand gennem tidligere minearbejde kræver omhyggelig overvågning; ofte indeholdende forurenende stoffer kan det forurene vandveje og drikkevandsforsyninger; føre til lokal oversvømmelse forny minedykning, landhøjning og genaktiver geologiske fejl, hvis den stiger for hurtigt. Sådanne spørgsmål kan forårsage dyre og farlige problemer, der skal løses, før jorden genanvendes.

Kulmyndigheden har derfor brug for detaljerede oplysninger om reboundhastigheden på tværs af de store minesystemer, den administrerer, så den ved præcis, hvor den skal slappe af eller øge pumpningen for at kontrollere grundvandsniveauer.

Måling af hastigheden og placeringen af ​​mine -vand -rebound er derfor afgørende for effektivt at styre miljø- og sikkerhedsrisici i tidligere kulfelter, men svært at opnå. Grundvand kan strømme i uventede retninger via hulrum inden for og mellem tilstødende collierier og udledning på overfladen i områder, der ikke menes at være i fare.

I fortiden, forudsigelse af, hvor minevand vil strømme, var stærkt afhængig af mine planer; unøjagtige eller ufuldstændige dokumenter, der nogle gange er mere end et århundrede gamle og borehullsdata. Koster cirka £ 20, 000 til £ 350K hver, boringer er dyre at bore og ligger ofte tyndt på tværs af store kulmarker, efterlader målehuller.

For nylig hævning, nedsynkning og anden geologisk bevægelse er blevet overvåget ved at anvende Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) på billeder hentet fra radarsatellitter. Imidlertid, denne interferometri -teknik har historisk set kun fungeret i byområder (i modsætning til landdistrikter), hvor radaren kan opfange stabile objekter, såsom bygninger eller jernbanespor, på jorden for regelmæssigt at reflektere tilbage til satellitten.

Denne undersøgelse anvender en avanceret InSAR -teknik, kaldet intermitterende lille baseline delmængde (ISBAS), udviklet af University of Nottingham og dets spin-out selskab Terra Motion Ltd. Unikt, ISBAS InSAR kan beregne jorddeformationsmålinger over både bymæssigt og landligt terræn. Dette er fordelagtigt ved kortlægning af tidligere minearealer, som ofte er placeret i landdistrikter. Over kulfelterne i Nottinghamshire, for eksempel, landdækket er overvejende landligt, med næsten 80 procent omfattende landbrugsjord, græsgange og semi-naturlige områder.

En sådan målingstæthed betød studieledning, University of Nottingham Ph.D. studerende David Gee kunne udvikle en omkostningseffektiv og enkel metode til at modellere grundvands rebound fra overfladebevægelsens ændringer. Undersøgelsen fandt en endelig forbindelse mellem målinger af jordbevægelser og stigende minevandstand. Ofte sker landforsynning eller -opløftning som følge af ændringer i grundvand, hvor lagene virker lidt som en svamp, ekspanderer ved påfyldning med væske og sammentrækning ved dræning.

Med næsten fuldstændig rumlig dækning af InSAR-data, han kunne udfylde målehullerne mellem boringer for at kortlægge ændringen i minens vandstand på tværs af hele kulmarken. Modellen tager både geologi og grundvandsdybde i betragtning for at bestemme den sande reboundhastighed og hjælpe med at identificere, hvor problemer forbundet med rebound kan forekomme.

Undersøgelsen har titlen "Modellering af grundvands rebound i nyligt forladte kulfelter ved hjælp af DInSAR, "offentliggjort i tidsskriftet Fjernfølelse af miljø .

David Gee, der er baseret på Nottingham Geospatial Institute ved universitetet, sagde, "Der er flere kulfelter, der i øjeblikket er under genvinding af minevand i Storbritannien, hvor overfladehøjning er blevet målt ved hjælp af InSAR. I kulfelterne i Nottinghamshire, den kvantitative sammenligning mellem deformationen målt af modellen og InSAR bekræfter, at stødet skyldes genvinding af minevand. "

Først blev der genereret en fremadgående model til estimering af overfladehøjning som reaktion på målte ændringer i grundvandsniveauer fra overvågning af boringer. David kalibrerede og validerede modellen ved hjælp af ISBAS InSAR på ENVISAT og Sentinel-1 radardata. Derefter vendte han InSAR -målingerne for at give et skøn over ændringen i grundvandsniveauer. Efterfølgende, de omvendte satser blev brugt til at estimere den tid, det vil tage for grundvand at genoprette og identificere områder på kulfeltet, der har størst risiko for overfladeudledninger.

"InSAR -målinger, kombineret med modellering, kan hjælpe med karakteriseringen af ​​de hydrogeologiske processer, der finder sted på tidligere minesteder. Teknikken har potentiale til at yde et væsentligt bidrag til den progressive opgivelsesstrategi for nyligt lukkede kulfelter, "Sagde David.

InSAR -resultaterne giver en supplerende kilde til data om grundvandsændringer, der øger målingerne af borehuller. Det betyder, at overvågning kan foretages eksternt, så det er mindre arbejdskrævende for nationale organer som f.eks. Miljøagenturet (som håndterer farer som oversvømmelser, forurening og forurenet jord) og kulmyndigheden (som har mandat til at forvalte arven fra underjordisk kulminedrift med hensyn til offentlig sikkerhed og nedsynkning).

Modellen har allerede markeret, at nogle dele af kulfelterne, der ikke opfører sig som tidligere forudsagt, som kunne påvirke eksisterende saneringsplaner.

David forklarer, "Den dybeste del af North Nottinghamshire -kulfeltet, for eksempel, rebounder ikke som forventet, hvilket tyder på, at mineplanerne her måske ikke er helt nøjagtige. Stabiliteten bekræftes af InSAR og modellen - fremtidig overvågning af dette område vil hjælpe med at identificere, om eller hvornår rebound i sidste ende opstår.

"Næste trin for projektet er at integrere vores resultater i et eksisterende screeningsværktøj udviklet af Miljøagenturet og Kulmyndigheden for at hjælpe lokale planmyndigheder, udviklere og konsulenter designer bæredygtige dræningssystemer i kulmarkområder. De første resultater, genereret i regional skala, har potentiale til at blive skaleret til alle kulfelter i Storbritannien, ved hjælp af nationale InSAR -kort, "tilføjer David.

Luke Bateson, Senior Remote Sensing Geologist fra British Geological Survey, sagde, "InSAR -data giver en fantastisk mulighed for at afsløre, hvordan jorden bevæger sig, men vi har brug for undersøgelser som Davids for at forstå, hvad disse grundbevægelser vedrører, og hvad de betyder. Davids studie, giver ikke kun denne forståelse, men også et værktøj, der kan konvertere InSAR -jordbevægelser til oplysninger om minevandniveauer, der kan bruges til at træffe velinformerede beslutninger. "

Dr. Andrew Sowter, Chief Technical Officer hos Terra Motion Ltd, forklarer, "Undersøgelser som denne viser værdien for os, som et lille kommercielt selskab, i at investere i samarbejdsarbejde med universitetet. Vi har nu en bemærkelsesværdig, valideret, resultat, der er baseret på vores ISBAS InSAR -metode og beviseligt understøttes af en række vigtige interessenter, hvilket gør det muligt for os yderligere at trænge ind på markedet i et stort udvalg af kritiske applikationer, der hidtil har været mærket som vanskelige for mere konventionelle InSAR -teknikker, især de markeder, der vedrører ekstraktion og injektion af underjordisk væske i mere tempererede, bevoksede zoner. "