Effekten av polyakrylamidkoncentration på omfördelning av avrinning och kontroll av sedimentavfall från karstiska gruvhögar under simulerat regn

Varför regn på gruvhögar spelar roll

I många kolbrytningområden lämnas stora högar av lös sten och jord kvar efter schaktning — så kallade avfallshögar. När kraftigt regn träffar dessa nakna, smuliga sluttningar kan grumligt ytvatten snabbt rinna av ytan samtidigt som förorenat vatten sipprar ner i dolda sprickor i berget under. I karstområden, där berggrunden är genomkorsad av grottor och kanaler, kan detta infiltrerande vatten snabbt föra föroreningar till underjordiska flöden och dricksvattentäkter. Denna studie undersöker om tillsats av en vanlig jordförbättrande polymer, polyakrylamid (PAM), på ytan av dessa högar kan både minska erosion och sänka risken för underjordisk kontaminering.

Ett gruvlandskap fyllt av dolda håligheter

Forskningen koncentrerades på ett dagbrott för kol i Guizhou-provinsen i sydvästra Kina, ett klassiskt karstlandskap uppbyggt av lösliga karbonatbergarter. Här har gruvdriften skapat stora avfallshögar bestående av spillberg och kolslig. Eftersom detta material är löst, näringsfattigt och till största delen naket av vegetation, eroderar det lätt under regionens intensiva sommarregn. I karstterräng rinner regn inte bara nedför sluttningen; det sjunker också ner i sprickor och ledningar i berggrunden och ansluter snabbt till underjordiska strömmar. Det gör det särskilt viktigt att begränsa både ytavrinning och nedåtriktat läckage av förorenat vatten från dessa konstgjorda kullar.

Test av en hjälpare för utarmade jordar

För att undersöka detta återskapade forskarna en tvärsnitt av en avfallshög i en laboratoriehall för regnexperiment. De fyllde en stålskena med ett 30 centimeter tjockt lager representativt för gruvaspet och den gula jorden från platsen, och lutade det till en brant 30-graders sluttning. Skenans botten borrades med springor för att efterlikna naturliga bergsprickor, och tre separata uppsamlare fångade vatten och sediment som rann av ytan, rörde sig genom det grunda markskiktet och läckte ut nedifrån. Ovanför den modellsluttningen producerade en regnsimulator kontrollerade skyfall som motsvarade kraftiga lokala regn. Teamet sprutade jordytan med PAM-lösningar i tre olika styrkor — låg (1‰), medel (3‰) och hög (5‰) — och jämförde dessa med en obehandlad kontroll under samma 90-minuters regnskurar.

Hur polymeren omformar vattnets väg

PAM är en långkedjemolekyl som sväller i vatten och binder jordpartiklar till klumpar, vilket bildar en tunn, limliknande hinna vid ytan. I experimenten förändrade alla PAM-behandlingar hur regnvatten rörde sig genom sluttningen. Utan PAM infiltrerade en stor andel av vattnet snabbt och framträdde som grundvatten- och underjordiskt flöde, vilket förde med sig fina partiklar nedåt. När PAM tillsattes stannade mer vatten vid ytan och rann av som grunda ytflöden, medan flöden från djupare lager minskade kraftigt, särskilt vid den högsta koncentrationen. I genomsnitt ökade volymerna av ytavrinning med mer än 17 %, och underjordisk avrinning kunde sjunka från nästan hälften av totalen i den obehandlade försöksuppställningen till mindre än en tiondel vid kraftig PAM-behandling. Flödesmätningar visade att polymeren ökade vattnets interna motstånd och reducerade dess erosiva kraft, även om ytvatten rörde sig mer turbulent.

Mindre slam i rörelse, men en kompromiss

Samtidigt som dessa förändringar i vattenvägar skedde minskade PAM avsevärt mängden sediment som lämnade sluttningen. Jämfört med den obehandlade jorden reducerade polymeren sediment transporterat av ytvatten med ungefär en tredjedel och halverade i stort sett den underjordiska sedimentförlusten. Högre koncentrationer gav generellt sett mindre erosion. Det fanns dock en hake: den starkaste PAM-behandlingen, som var bäst på att förhindra underjordiskt läckage, hindrade också mer vatten från att tränga ner i jorden. Det kan lämna avfallshögarna för torra för att unga växter ska kunna etablera sig, vilket fördröjer den vegetationstäckning som skulle ge långsiktigt skydd. Medelkraftig PAM-koncentration erbjöd en bättre balans: den minskade erosion och djupläckage avsevärt samtidigt som den fortfarande tillät tillräcklig infiltration för att stödja rötter.

Hitta en balans för säkrare gruvsanering

För gruvförvaltare som arbetar i känsliga karstområden är studiens budskap praktiskt. Att spraya en måttlig dos PAM på nybyggda avfallshögar kan snabbt hejda erosion, leda mindre förorenat vatten bort från underjorden och göra sluttningarna mer stabila — utan att beröva framtida vegetation den fukt den behöver. Författarna föreslår att en medel-range applicering, omkring 3‰ för det material de testade, är en effektiv utgångspunkt. De betonar också behovet av långsiktig fältövervakning för att bekräfta att PAM och dess nedbrytningsprodukter förblir miljömässigt säkra. Använd med omsorg och i kombination med planteringsinsatser kan denna enkla polymer bli ett nyttigt verktyg för att omvandla instabila avfallshögar till säkrare, grönare kullar.

Citering: Zhu, X., Yang, H. & Yan, Y. Effect of polyacrylamide concentration on runoff redistribution and sediment yield control from karst spoil heaps under simulated rainfall. Sci Rep 16, 14441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44802-z

Nyckelord: karstmarkserosion, polyakrylamid, kolgruvors avfallshögar, avrinning och sediment, grundvattenskydd