Model calculations of water dynamics in lysimeters filled with granular industrial wastes

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A three-year long lysimeter experiment with a fine-grained aluminum (Al) recycling by-product and a mixture of this by-product and a coal combustion waste was conducted. The wastes were proposed as possible soil substitutes in an engineered surface barrier covering a potash mining residue mount. To evaluate the suitability of the wastes as surface barrier material, their hydrological behavior under field conditions must be known. Lysimeter experiments provide one means to study the hydrological behavior of soils or soil-like materials. However, it is difficult to estimate the long-term hydrological behavior from short-term lysimeter studies. The present study was conducted therefore to derive from short-term lysimeter observations the long-term hydrological behavior of the two waste materials. The lysimeter data were used to calibrate the one-dimensional soil water flow model HYDRUS-1D. With the calibrated model, hydrological simulations for the site of the residue mount were carried out for a period of 31 yr. Calculated long-term annual seepage from the lysimeters was 237 mm for the pure Al waste and 186 mm for the mixture, or 39% and 24% of the average annual precipitation (764 mm). The average discharge of the bare mount is 482 mm or 63%. We conclude that a soil cover could considerably reduce the discharge and that the mixture is better suited as surface barrier than the pure Al waste. Modellrechnungen zur Wasserdynamik in mit feinkornigen industriellen Abfallprodukten gefullten Lysimetern In einer dreijahrigen Lysimeterstudie wurde die Eignung eines feinkornigen Abfallprodukts der Wiederaufarbeitung von Aluminiumschrott und einer Mischung aus diesem Abfall und einem Ruckstand der Kohleverbrennung als Bodenersatzmaterialien in einer Deckschicht uber einer Ruckstandshalde des Kalibergbaus getestet. Zur Bewertung der Eignung als Deckschichtmaterialien mussen die hydrologischen Eigenschaften der Materialien unter Feldbedingungen bekannt sein. Allerdings ist es schwierig, das langfristige Sickerverhalten allein aus den Ergebnissen kurzfristiger Lysimeterstudien abzuschatzen. Die vorliegende Studie hatte zum Ziel, das langfristige hydrologische Verhalten der untersuchten Abfallstoffe mithilfe von Modellrechnungen aus kurzfristigen Lysimeterbeobachtungen zu schatzen. Die (kurzfristigen) Lysimeterdaten wurden zur Kalibrierung des eindimensionalen Bodenwassertransportmodells HYDRUS-1D verwendet. Mithilfe des kalibrierten Modells wurden Simulationsrechnungen des Wasserhaushalts uber eine Periode von 31 Jahren ausgefuhrt. Die berechnete mittlere jahrliche Sickerung aus den mit reinem Al-Ruckstand gefullten Lysimetern betrug 237 mm, die aus den mit der Mischung gefullten Lysimetern 186 mm. Die Werte entsprechen 39% bzw. 24% des mittleren langjahrigen Niederschlags (764 mm). Der Abfluss von der nicht abgedeckten Halde betragt 482 mm oder 63%. Hieraus schliesen wir, dass eine Abdeckung den Abfluss erheblich reduzieren wurde und dass die Mischung aus Al-Ruckstand und dem Ruckstand aus der Kohleverstromung besser als Deckschichtmaterial geeignet ist als unvermischter Al-Ruckstand.