Geomorphic processes associated with Small-Scale Opencast Mining and mitigation measures: case study of the Gatumba Mining District in the Western Highlands of Rwanda

Geomorphologische Prozesse in Zusammenhang mit kleinskaligem Tagebau und Mitigationsmaßnahmen: Fallstudie des Gatumba- Bergbaugebiets im westlichen Hochland von Ruanda

  • This thesis deals with geomorphic processes associated with Small-Scale Opencast Mining (SSOM) in the Gatumba sector of the Western Highlands of Rwanda. In this area tin and tantalum mining was carried out for decades, and it has brought about increase in the wealth and standard of living of the people. Though a lot has been done and achieved in soil erosion research, and despite the enormous wealth coming from mining in Rwanda and Gatumba sector in particular, the negative environmental impacts resulting from mining activities were overlooked by miners and stakeholders and are scarcely addressed in the research yet. This trend was bound to last since there were no valid guidelines for assessing impacts and reclamation of mine sites for the operators in the sector. It was recently, in 2007, that restoration of mining areas has received great attention from the Rwanda Geology and Mine Authority. The objective of the research was to assess and to increase the understanding of geomorphic impact produced by SSOM. In this regards, theThis thesis deals with geomorphic processes associated with Small-Scale Opencast Mining (SSOM) in the Gatumba sector of the Western Highlands of Rwanda. In this area tin and tantalum mining was carried out for decades, and it has brought about increase in the wealth and standard of living of the people. Though a lot has been done and achieved in soil erosion research, and despite the enormous wealth coming from mining in Rwanda and Gatumba sector in particular, the negative environmental impacts resulting from mining activities were overlooked by miners and stakeholders and are scarcely addressed in the research yet. This trend was bound to last since there were no valid guidelines for assessing impacts and reclamation of mine sites for the operators in the sector. It was recently, in 2007, that restoration of mining areas has received great attention from the Rwanda Geology and Mine Authority. The objective of the research was to assess and to increase the understanding of geomorphic impact produced by SSOM. In this regards, the following aspects which indicate the types and spatial distribution of geomorphic processes were measured: (i) investigate the landforms typical of SSOM, (ii) map the watershed morphometry of the study area, (iii) analyse the most relevant properties of soils in term of geomorphology, and (iv) to assess the soil loss potential in the study area. Primary and secondary data were collected from Government agencies and personal observations. Desk study to review papers and relevant literatures, field observation and experiments, laboratory analyses, mapping and modelling using RUSLE were combined together to develop a practical and integrated methodological approach to effect and realize the objectives. The argument guiding this analytical approach is that physical processes produced by mining cannot be assessed through a single method. The first step mainly concentrated on defining mining sites suitable for assessing geomorphic processes. Within the two studied mines, namely Ruhanga and Gatare, different plots were identified based on the post-mining land uses, to investigate the level of soil and landscape degradation by comparing them with that of control sites located outside of mining influence. Modelling using RUSLE in GIS interface enabled to quantify soil loss potential within the mines and the watershed. Results indicate that the direct processes associated with opencast mining commonly involve pitting and trenching. Indirect and less conspicuous processes emerge as a long-term consequence of mining. They include depletion of organic matter, compaction or loosening of soil particles in mine sites mostly reflected by low content in organic matter, low rating in soil stable aggregates, and often high soil bulk densities which are variably distributed within the mine sites. This could explain the restriction or lowering, or the rapid infiltration of water into the soil during field experiments, as a consequence probably of the sealing of soil pores or the formation of fissures around mine shafts, from which slides or slumps occur. In average, soil organic matter comprises between 1 and 2.5 % on control sites and ex-mine cultivated sites. organic matter content of soils on reclamation sites was in the same ranges with that of control and ex-mine cultivated sites, but could reach 4,8 % in topsoil of some sample locations. The ex-mine self-recovering sites present much lower organic matter content which doesn’t exceed 2 % in general. The soil aggregation rating of the area is from very low (8%) to low (≤13.5 %). In general, the bulk density ranges between 1.29 to 1.56 g cm-3, and locally can attain 1.76 g cm-3. As a consequence, the total porosity changes locally. Application of correlation and multiple regression models showed a strong influence of soil organic matter on the bulk density. Infiltration tests performed on different experimental sites showed differences of rates in water intake rates as in infiltration curves as well. Infiltration rates are variably distributed over the mines. They range from very slow (3.8 mmhr-1) to rapid (111.18 mm hr-1). Atterberg Limits analyses showed that soils of Gatumba Mining District do not possess extreme properties and they are suitable for engineering purposes. The liquid limit ranges between 51 % and 26 %, whereas the plastic limit is comprised between 22 % and 18 %. The highest plastic index (PI) determined was 29 % and the later soil had a plastic index of 6 %. The average soil loss in the Gatumba watershed is 27.45 t ha-1 yr-1 with a standard deviation of 0.891. More than 65% of land are prone to high rates of soil loss (exceeding 10 t ha-1 yr-1), and an increasing soil erosion follows increasing slope and land use patterns. The maxima of soil erosion rates are found in Upper Kibilira, Kirombozi and Gisuma catchments respectively. Based on different scenarios applied to quantify soil erosion rates, we found that more the organic matter content from 0. 5%, 2% and >2%) is increased with better support practice (from contour, strip and terrace), more the soil erosion potentials are decreased linearly, in the order of 18.8 to 17.8 t ha-1 yr-1 from 2% to >2 % of organic matter content respectively. To make SSOM more environmentally sustainable, there is a need of developing integrated practices and cross-cutting approaches that reduce the environmental impact of mining operations, and leave mine sites in an acceptable state for reuse by people or systems. Practices such as isolation of soil and earth material, stabilization of slopes and amendments of sites to be restored should be highly considered in the process of rehabilitation of affected sites.show moreshow less
  • Diese Arbeit behandelt geomorphologische Prozesse, die im Zusammenhang mit kleinräumigen Tagebauen (Small-Scale Opencast Mining) in der Gatumba-Region des westlichen Hochlands von Ruanda auftreten. In diesem Gebiet fand jahrzehntelanger Zinn- und Tantalabbau statt, der das Einkommen und den Lebensstandard der Bevölkerung erhöht hat. Obwohl im Bereich der Bodenerosionsforschung viel unternommen und erreicht wurde, und trotz des aus dem Bergbau in Ruanda und Gatumba kommenden enormen Reichtums, wurden dessen negative Auswirkungen auf die Umwelt sowohl von Bergbautreibenden als auch anderen Interessengruppen ignoriert und von der Forschung weitgehend vernachlässigt. Dieser Zustand hat sich verfestigt, da es für die Akteure in der Region keine verbindlichen Regelungen hinsichtlich Erfassung von Auswirkungen des Bergbaus und Wiederherstellungsmaßnahmen gibt. Erst kürzlich, im Jahr 2007, hat die Wiederherstellung der Bergbaugebiete größere Aufmerksamkeit seitens der Ruandischen Geologie- und Bergbaubehörde erhalten. Das Ziel derDiese Arbeit behandelt geomorphologische Prozesse, die im Zusammenhang mit kleinräumigen Tagebauen (Small-Scale Opencast Mining) in der Gatumba-Region des westlichen Hochlands von Ruanda auftreten. In diesem Gebiet fand jahrzehntelanger Zinn- und Tantalabbau statt, der das Einkommen und den Lebensstandard der Bevölkerung erhöht hat. Obwohl im Bereich der Bodenerosionsforschung viel unternommen und erreicht wurde, und trotz des aus dem Bergbau in Ruanda und Gatumba kommenden enormen Reichtums, wurden dessen negative Auswirkungen auf die Umwelt sowohl von Bergbautreibenden als auch anderen Interessengruppen ignoriert und von der Forschung weitgehend vernachlässigt. Dieser Zustand hat sich verfestigt, da es für die Akteure in der Region keine verbindlichen Regelungen hinsichtlich Erfassung von Auswirkungen des Bergbaus und Wiederherstellungsmaßnahmen gibt. Erst kürzlich, im Jahr 2007, hat die Wiederherstellung der Bergbaugebiete größere Aufmerksamkeit seitens der Ruandischen Geologie- und Bergbaubehörde erhalten. Das Ziel der Forschungsarbeiten war es, die geomorphologischen Auswirkungen von kleinräumigen Tagebauen abzuschätzen und besser zu verstehen. In diesem Zusammenhang wurden die folgenden Aspekte, die die Art und räumliche Verteilung von geomorphologischen Prozessen charakterisieren, erfasst: (i) Untersuchung der Landschaftsformen, die für SSOM kennzeichnend sind, (ii) Kartierung der Einzugsgebiets-Morphometrie im Untersuchungsgebiet, (iii) Analyse der relevantesten Bodeneigenschaften hinsichtlich der Geomorphologie, und (iv) Abschätzung der potentiellen Bodendegradation im Untersuchungsgebiet. Primäre und sekundäre Daten wurden bei Regierungsbehörden und durch eigene Beobachtungen zusammengestellt. Literaturrecherche, Feldbeobachtungen und-experimente, Laboranalysen, Kartierung und Modellierung mittels RUSLE wurden kombiniert um einen praktischen und integrativen methodischen Ansatz für das Erreichen der Zielstellungen zu entwickeln. Die Grundidee bei diesem analytischen Ansatz ist, dass die mit dem Bergbau assoziierten physikalischen Prozesse nicht durch nur eine einzige Methode erfasst werden können. In einem ersten Schritt wurden geeignete Tagebaue für die Erfassung geomorphologischer Prozesse bestimmt. Innerhalb der zwei untersuchten Tagebaue (Ruhanga und Gatare) wurden anhand der nachbergbaulichen Landnutzung verschiedene Untersuchungsflächen identifiziert, um den Grad der Boden- und Landschaftsdegradierung anhand des Vergleichs mit Kontrollstandorten außerhalb des bergbaulichen Einflusses zu untersuchen. Modellierung mit RUSLE über ein ArcGIS-Interface ermöglichte die Quantifizierung des Bodenabtragspotentials innerhalb der Tagebaue und des Einzugsgebiets Die Ergebnisse zeigen, dass die direkten Prozesse, die mit tagebaulichem Bergbau verbunden sind, üblicherweise die Anlage von Gruben und Gräben umfassen. Indirekte und weniger augenfällige Prozesse treten als langfristige Konsequenz des Bergbaus auf. Sie umfassen die Verringerung der organischen Substanz, Verdichtung oder Auflockerung von Bodenpartikeln an Bergbaustandorten, die meist mit einem niedrigen Gehalt an OS einhergeht, niedrige Gehalte an stabilen Bodenaggregaten, und oftmals hohen Lagerungsdichten, die variabel innerhalb der Bergbaustandorte verteilt sind. Dies könnte die Beschränkung oder Absenkung, oder die schnelle Infiltration von Wasser in den Boden während der Feldexperimente erklären, möglicherweise als Konsequenz der Porenversiegelung oder der Rissbildung um Minenschächte, von denen aus Rutschungen oder Grundbrüche entstehen. Die organischen Substanz-Gehalte reichen von 1 bis 2,5% an den Kontrollstandorten und landwirtschaftlich genutzten ehemaligen Bergbaustandorten. OS-Gehalte an wiederhergestellten Standorten waren in derselben Größenordnung wie die Kontrollstandorte und die landwirtschaftlich genutzten ehemaligen Bergbaustandorte. Die sich selbst erholenden Standorte im ehemaligen Tagebau weisen weit niedrigere organischen Substanz-Gehalte auf, die generell 2 % nicht überschreiten. Die Rate der Bodenaggregatbildung reicht von sehr gering (8 %) bis gering (≤13,5 %). Die Lagerungsdichten reichen von 1,29 bis 1,59 g cm-3, und können lokal bis 1,76 g cm-3 erreichen. Als Konsequenz ändert sich auch die Gesamtporosität lokal. Die Anwendung von Korrelations- und multiplen Regressionsmodellen ergab einen starken Einfluss der organischen Substanz auf die Lagerungsdichten. Infiltrationsexperimente, die an Proben der verschiedenen Versuchsstandorte durchgeführt wurden, zeigten Unterschiede sowohl bei der Wasseraufnahmerate als auch bei den Infiltrationskurven. Infiltrationskurven sind variabel über die Untersuchungsstandorte verteilt. Sie reichen von sehr langsam (3,8 mm h-1) bis schnell (111,2 mm h-1). Die Versuche zu den Atterberg’schen Grenzen zeigen, dass die Böden des Gatumba-Bergbaudistrikts keine extremen Eigenschaften aufweisen und für technische Maßnahmen geeignet sind. Die Fließgrenze liegt zwischen 26 % und 51 %, wohingegen die Ausrollgrenze Werte zwischen 18 % und 22 % umfasst. Die höchste gemessene Ausrollgrenze war 29 %, und dieser Boden wies eine Plastizitätszahl von 6 % auf. Der durchschnittliche Bodenabtrag im Gatumba Einzugsgebiet beträgt 27,45 t ha-1 a-1 mit einer Standardabweichung von 0,891. Mehr als 65 % des Landes sind anfällig für hohe Bodenabtragsraten (mehr als 10 t ha-1 a-1), und eine steigende Bodenerosion folgt steigenden Hangneigungen und Landnutzungsmustern. Die Höchstwerte der Bodenabtragungsraten finden sich jeweils im Oberen Kibilira, Kirombozi und Gisuma-Einzugsgebiet. Auf Grundlage verschiedener Szenarien, die zur Quantifizierung der Bodenerosionsraten angewendet wurden, zeigte sich, dass mit höheren organischen Substanz-Gehalten (2 % bis >2 %) und mit verbesserten Anbaupraktiken (Kontur-, Streifen-, Terrassenanbau) die Bodenerosionsraten linear in der Größenordnung von 17,8 bis 18,8 t ha-1 a-1 verringern. Um kleinräumigen Tagebauen umweltverträglicher zu gestalten bedarf es der Entwicklung integrierter Methoden und interdisziplinärer Ansätze die die Umweltfolgen von Bergbauoperationen reduzieren und Bergbaustandorte in einem nutzungsfähigen Zustand hinterlassen. Praktiken wie die Trennung von Boden und Gesteinsaushub, die Stabilisierung von Hängen und die Verbesserung von Wiederherstellungsstandorten sollten größte Berücksichtigung beim Rehabilitationsprozess betroffener Standorte finden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rutazuyaza Vaillant Byizigiro
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36772
Publisher:BTU Cottbus-Senftenberg
Place of publication:Cottbus
Referee / Advisor:Prof. Dr. Thomas Raab
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/02/10
Release Date:2016/03/22
Tag:Geomorphologie; Kleinräumige Tagebaue; Landformen; Prozesse; Schadensminderungsmaßnahmen
Geomorphology; Landforms; Mitigation strategies; Processes; Small-scale opencast mining
GND Keyword:Geomorphologie; Landschaftsentwicklung; Ruanda; Schadensmindernde Maßnahme; Tagebau; Tantal; Zinn
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Geopedologie und Landschaftsentwicklung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Geopedologie und Landschaftsentwicklung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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