Statistical Evaluation of Dependence Between pH, Metal Contaminants, and Flow Rate in the AMD-Affected Smolnik Creek

Abstract

Acid mine drainage (AMD) with a pH of 3.7–4.1 seeps from an abandoned sulphide mine in Smolnik, Slovakia at a flow rate of 5–10 L/s. Metals precipitate as the AMD mixes with the higher pH Smolnik Creek, adversely affecting the stream’s water quality and ecology. Multivariate statistics were used to interpret surface water and sediment quality effects. Factor analysis generated three significant factors that explained 79.9 % of the variance in the data: the pH is indirectly proportional to the concentration of dissolved metals; Fe precipitation is associated with a decrease in Al in the sediment; and increased Cu concentrations are associated with more Zn in the sediment. High rainfall events increase the flow of Smolnik Creek, which ranges from 0.3 to 2.0 m³/s (monitored 2000–2012). Increased flow is associated with a pH increase and precipitation of metals (Fe, Al, Cu, and Zn). The dependence of pH on flow in Smolnik Creek was evaluated using regression analysis, which confirmed the significance of the exponential relationship between pH and flow rate.

Zusammenfassung

Saure Grubenwässer (AMD) mit einem pH-Wert von 3,7-4,1 sickern aus einem stillgelegten Sulfidberwerk in Smolnik, Slowakei, mit einer Rate von 5-10 L/s. Wenn sich die Grubenwässer mit dem Bachwasser, das einen höheren pH-Wert hat, mischen, fallen Metalle aus. Das beeinträchtigt die Wasserqualität und die Ökologie des Baches. Die Effekte in der Wasser- und Sedimentbeschaffenheit wurden mit Hilfe multivariater Statistik interpretiert. Aus der Faktoranalyse ergaben sich 3 signifikante Faktoren, die 79,9 % der Varianz der Daten erklären: (i) Der pH-Wert ist indirekt proportional zur Konzentration der gelösten Metalle, (ii) Eisenausfällung ist mit einer Abnahme von Aluminium im Sediment verbunden und (iii) erhöhte Kupferkonzentrationen sind mit mehr Zink im Sediment verknüpft. Starkregenereignisse erhöhen den Durchfluss im Smolnik-Bach, der zwischen 0,3 und 2,0 m³/s variiert (Beobachtungsreihe 2000-2012). Erhöhter Durchfluss führt zu einem Anstieg des pH-Wertes und der Ausfällung von Metallen (Fe, Al, Cu und Zn). Der Zusammenhang zwischen Durchfluss und pH-Wert im Smulnik-Bach wurde mit einer Regressionsanalyse bewertet, die den exponentiellen Zusammenhang zwischen pH-Wert und Durchflussrate bestätigte.

Resumen

Drenajes ácidos de minas (AMD) con un pH de 3,7-4,1 se filtran desde una mina de sulfuros abandonada en Smolnik, Eslovaquia a un flujo de 5-10 L/s. Los metales precipitan como mezclas a los pHs más altos de Smolnik Creek afectando la calidad del agua de los canales y a la ecología. Estadísticas multivariantes fueron usadas para interpretar los efectos sobre la calidad del agua superficial y de los sedimentos. El análisis de factores generó tres factores significantes que explicaron 79,9 % de la varianza en los datos: el pH es indirectamente proporcional a la concentración de los metales disueltos; la precipitación de Fe está asociada con un descenso en Al en el sedimento y los incrementos de las concentraciones de Cu están asociados con más Zn en el sedimento. Abundantes precipitaciones incrementaron el flujo de Smolnik Creek, con rangos desde 0,3 a 2,0 m³/s (medida entre 2000 y 2012). El incremento de flujo está asociado con el incremento de pH y la precipitación de metales (Fe, Al, Cu y Zn). La dependencia del pH con el flujo en Smolnik Creek fue evaluada usando análisis de regresión lo que confirmó la significancia de la relación exponencial entre pH y flujo.

摘要

pH值为3.7~4.1的酸性矿井水(AMD)以5~10 升/秒的流量从斯洛伐克Smolnik 一个废弃的硫化物采坑中排泄出来。酸性矿井水与pH较高的Smolnik河水混合后产生的金属沉淀影响着河水水质和生态系统。本文利用多元分析法评价了AMD对河水及河底沉积的影响。由因子分析法得到的三个重要因子解释了79.9%的数据变化:河水pH值与溶解金属浓度间接成比例、Fe 沉淀物与河底沉积Al的减少相关、河水Cu浓度增加与河底沉积富Zn程度相关。强降水使Smolnik河流量增加,2000年-2012年监测河流量变化范围为0.3-2.0 m³/s。河流量增加使河水pH值提高、金属离子(Fe、Al、Cu和 Zn)沉淀增加。利用回归分析法评价了Smolnik河水pH值对河流量变化的依赖性,证实河水pH值与河流量指数相关的显著性。