Development of a Management Tool to Support the Beneficial Use of Treated Coal Seam Gas Water for Irrigation in Eastern Australia

Abstract

An infiltration and salinity transport model (ISTM) based on the HYDRUS modeling platform was developed to support the beneficial use of treated coal seam gas (CSG) water to irrigate perennial forage plots in eastern Australia. The ISTM was used to support the expansion of irrigated areas under the CSG industry’s first specific irrigation beneficial use approval issued by the Queensland environmental regulatory administering authorities in March 2009. To support meeting regulatory requirements for expansion beyond the original irrigation area, forward modelling within the vadose zone was used to evaluate the fate and transport of the irrigation water as it migrates through the shallow soils and unsaturated bedrock toward the saturated zone; simulations beneath three agricultural systems with contrasting infiltration capacities were assessed. The model simulation results were used to guide irrigation activities to maximize water use in the readily available soil water capacity range for these agroecosystems, without detrimental impacts to plant growth or surface water/groundwater and soil resources. In this paper, a practical irrigation and rainfall systems-driven hydrogeochemical conceptual model is presented to identify processes that are likely to govern infiltration from the land surface, root water uptake, and solute transport into, and potentially through, the unsaturated zone. A numerical model is then parameterized to represent the primary processes hypothesized to affect water and salinity movement in the vadose zone. Finally, a series of simulations, conducted to identify the key parameters and processes governing the potential movement of water and salt through the root zone and into the bedrock vadose zone, are discussed. The simulations are used to support continuous improvement in modeling approaches for sustainably managing treated CSG extraction water allocated to irrigation.

Zusammenfassung

Um die Nutzung von Grundwasser, welches bei der Kohlenflözgas - (coal-seam gas, CSG) Förderung anfällt, beurteilen zu können, wurde ein Infiltrations- und Salinitäts-Transport-Modell (ISTM) auf der Basis der HYDRUS-Modellplattform entwickelt. Das geförderte Grundwasser soll zu Bewässerungszwecken beim Futtermittelanbau in Ost Australien genutzt werden. Das ISTM wurde zur Beurteilung und Einschätzung von Auswirkungen bei der Ausweitung von Bewässerungsflächen im Rahmen der ersten Zulassungen zur Kohleflözgasgewinnung an die CSG Industrie durch die Umweltregulierungsbehörden in Queensland (März 2009) entwickelt. Zur regulatorischen Umsetzung von Zulassungsbestimmungen bei der Ausweitung von Beregnungsflächen wurden Vorwärts-Modellierungen im Bereich der ungesättigten Zone durchgeführt. Hierbei werden der Transport und die Bodenwasserbewegung unter Bewässerungsbedingungen von der geringmächtige Bodenbedeckung über die ungesättigte Zone bis in den gesättigten Bereich nachgebildet. Hierzu sind drei landwirtschaftlich genutzte Gebiete mit unterschiedlichen Infiltrationsbedingungen einbezogen worden. Die Modellergebnisse werden verwendet, um die Bewässerungsaktivitäten zu überprüfen, den Bodenwasserbedarf und –kapazität während der Bewässerung zu optimieren, an vorhandene Spannbreiten in landwirtschaftlich genutzten Gebieten anzupassen und um keine negativen Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum, auf den Oberflächen- und Grundwasserhaushalt sowie auf die vorhandenen Bodenressourcen zuzulassen. In dieser Arbeit wird ein anwendungsorientiertes Beregnungs- und Niederschlagsabhängiges konzeptionelles Transportmodell präsentiert, mit dem Infiltrationsprozesse, der Wasserentzug durch die Pflanzen über die Wurzeln und der gelöste Stofftransport und -umsatz in der ungesättigte Zone nachgebildet bzw. identifiziert wird. Das numerische Modell wird so parametrisiert, dass sowohl der Wasser- als auch der Salzhaushalt in der ungesättigten Zone nachgebildet werden kann. Eine Reihe von Modellsimulationen wurde durchgeführt, um die Schlüsselparameter und –prozesse zu identifizieren, welche für den Wasser- und Salztransport zwischen der Wurzelzone und der ungesättigten Zone verantwortlich sind. Die Modellergebnisse werden zusätzlich verwendet, um den Modellansatz sowie die Nutzungsbedingungen beim Einsatz von Grundwasser aus der CSG-Förderung zu Beregnungszwecken weiter zu verbessern bzw. anzupassen. Das ISTM bildet, unter Einbeziehung von Aspekten wie der Optimierung von landwirtschaftlichen Produktionsbedingungen, den geringstmöglichen Umweltauswirkungen und dem größtmöglichen ökonomischen Nutzen, ein interaktives Managementtool, welches Anwendern und lokalen Behörden Hilfestellungen bei der Entscheidungsfindung bieten kann.

Resúmen

Un modelo para transporte de salinidad e infiltración (ISTM) basado en la plataforma HYDRUS fue desarrollado para respaldar el uso benéfico de una corriente de vapor de agua usada en el tratamiento de carbón (CSG) para irrigar parcelas de forrajes perennes en el este de Australia. El modelo fue usado para respaldar la expansión de áreas irrigadas bajo las primeras normas aprobadas por las autoridades de la administración de regulación del medio ambiente de Queensland en Marzo de 2009. Para cumplir con los requerimientos regulatorios para la expansión de la irrigación más allá del área original, se aplicó el modelo a la zona vadosa para evaluar el destino y el transporte de agua de irrigación que migra a través de los suelos poco profundos y de la roca no saturada hacia la zona saturada; las simulaciones se aplicaron a 3 sistemas agrícolas con diferente capacidad de infiltración. Los resultados de la simulación realizada con el modelo fueron usadas en las actividades de irrigación para maximizar el uso del agua dentro del rango de capacidad de adsorción de agua por el suelo para estos agrosistemas, sin impacto negativo sobre el crecimiento de la planta o sobre el suelo, el agua de superficie y el agua subterránea. En este trabajo, se presentan sistemas de irrigación y de caída de lluvia manejados a través de un modelo conceptual hidrogeoquímico para identificar los procesos que se supone gobiernan la infiltración desde la superficie, la succión de agua por raíces y el transporte de soluto dentro y potencialmente dentro de la zona no saturada. Un modelo numérico se parametrizó posteriormente para representar los procesos primarios que se supone afectan el movimiento de agua y salinidad en la zona vadosa. Finalmente, se discuten los resultados de una serie de simulaciones realizadas para identificar los parámetros claves y los procesos que gobiernan el potencial movimiento de agua y sal a través de la zona de raíces y dentro de la zona de rocas vadosas. Las simulaciones son usadas para respaldar la mejora continua en las aproximaciones por modelado del uso del agua extraída del proceso de tratamiento de carbón para irrigación. El modelo ISTM es una herramienta interactiva para mejorar la toma de decisiones lo que optimiza la producción agrícola, evitando impactos ambientales y dando un beneficio económico neto a las comunidades locales.

抽象

基于HYDRUS模拟平台,建立水分入渗和盐分运移模型(ISTM),用于决策支持处理后煤层气水的澳大利亚东部多年生草场灌溉。在2009年3月昆士兰环境管理部门批准的CSG工业(处理水)首次有限区域灌溉许可证(BUA)的基础上,利用 ISTM系统扩大该类灌溉区面积。为了满足扩大灌溉区面积的目的,依据规范要求,利用包气带正演模型模拟了灌溉水穿过浅层土壤、非饱和基岩向饱和带运移的过程,对比了三类农业系统包气带的入渗能力。该模拟结果能够用以指导农业灌溉,最大化利用三种农业生态系统现有土壤持水能力,避免灌溉水对植物生长、地表水和地下水资源、土壤资源带来负面影响。本研究首先提出了一种实际灌溉和降水驱动水文地球化学概念模型,用以识别可能由地表特征、根系水吸收、溶质运移控制的非饱和带水分入渗过程。然后,假设入渗过程影响包气带水分和盐分运移,建立该入渗过程数学模型及其参数系统。最后,识别了模型的关键参数及水、盐通过根系进入基岩包气带的过程。该研究能够不断提高煤层气处理水在灌区的可持续利用。ISTM为决策者提供了交互式管理工具,达到优化农业生产、避免环境负面影响、提高当地社区净收益的目的