Impacts of Large-Scale Rare Earth Mining on Surface Runoff, Groundwater, and Evapotranspiration: A Case Study Using SWAT for theTaojiang River Basin in Southern China

摘要

The extensive rare earth open-pit mining in the Taojiang River basin in southern China have produced a large area of bare land during the last several decades. We assessed the effects of the bare land on surface runoff, groundwater, and evapotranspiration (ET) using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). A total of nine parameters were calibrated using data from 2001 to 2005 and were validated using data from 2006 to 2009, with the observed daily streamflow data as the baseline scenario. The R-2 and the Nash-Sutcliffe efficiency index ranged between 0.75 and 0.85 through the simulation periods. Moreover, two historic and four hypothetical land-use scenarios were investigated. Based on the capacity to affect surface runoff, groundwater, and ET, the ranking of land-use types was, from highest to lowest: rare earth bare land, urban land, pasture land, and forest land. Still, due to the relatively small area involved, the rare earth mining did not significantly deteriorate the local hydrological cycle from 2005 to 2015. Protecting the forest, paying attention to urban development, and enhancing infiltration in urban areas should be the top priorities in achieving sustainable development. The presented methodology provided a reliable impact assessment of the water balance components of large-scale open-pit mining activities. ZusammenfassungAusgedehnte Tagebaue Seltener Erden (SE) im Taojiang Flu ss gebiet in Sudchina haben in den letzten Jahrzehnten gro ss e Flachen kahlen Landes erzeugt. Unter Benutzung eines Werkzeugs zur Einschatzung von Boden und Wasser (SWAT) untersuchten wir die Effekte des kahlen Landes auf Oberflachenabfluss, Grundwasser und Evapotranspiration (ET). Auf der Basis von Daten aus den Jahren 2001-2005 kalibrierten wir neun Parameter und validierten Daten aus 2006-2009, basierend auf dem Szenario taglich gemessener Abflu ss daten. R-2 und der Nash-Sutcliffe Effizienzindex (NSE) wahrend der Simulation lag bei 0.75-0.85. Weiters wurde ein fruheres und vier hypothetische Landnutzungsszenarien untersucht. Der Einflu ss auf Oberflachenabfluss, Grundwasser und ET verschiedener Landnutzungen ergab folgende Reihenfolge, von hochsten zu niedrigsten Werten: Kahles Land der Minen Seltener Erden, stadtisches Land, Weideland und Walder. Wegen der relativ kleinen SE-Bergbauflache ergab sich von 2005 bis 2015 keine Veranderung des lokalen hydrologischen Zyklus. Eine nachhaltige Entwicklung sollte primar den Schutz der Walder, die Einschrankung der Urbanisierung und die Forderung der Infiltration in den stadtischen Gebieten anstreben. Die vorgestellte Methode ermoglicht eine verla ss liche Einschatzung der Wasserbilanzkomponenten in gro ss en Tagebaugebieten. ResumenLa extensa explotacion minera a cielo abierto de tierras raras en la cuenca del rio Taojiang en el sur de China ha producido una gran superficie de suelo desnudo durante las ultimas decadas. Evaluamos los efectos de la tierra desnuda sobre la escorrentia superficial, el agua subterranea y la evapotranspiracion (ET) utilizando la herramienta de evaluacion de suelo y agua (SWAT). Se calibraron un total de nueve parametros utilizando datos de 2001 a 2005 y se validaron utilizando datos de 2006 a 2009, con los datos de flujo diario observados como escenario de referencia. El R-2 y el indice de eficiencia Nash-Sutcliffe (NSE) oscilaron entre 0.75-0.85 a traves de los periodos de simulacion. Ademas, se investigaron dos escenarios historicos y cuatro hipoteticos de uso de la tierra.Basandose en la capacidad de afectar la escorrentia superficial, las aguas subterraneas y ET, la clasificacion de los tipos de uso de la tierra fue, de mayor a menor: tierras desnudas, tierras urbanas, tierras de pastoreo y tierras forestales. Sin embargo, debido a la relativamente pequena area involucrada, la mineria de tierras raras no deterioro significativamente el ciclo hidrologico local de 2005 a 2015. Proteger el bosque, prestar atencion al desarrollo urbano y mejorar la infiltracion en las areas urbanas deberian ser las principales prioridades para lograr desarrollo sostenible. La metodologia presentada proporciono una evaluacion de impacto confiable de los componentes de balance de agua de las actividades de mineria a cielo abierto a gran escala.