Skip to main content
Erschienen in: Environmental Earth Sciences 2/2017

01.01.2017 | Thematic Issue

Basic parameterization of Schleswig–Holstein’s shallow geological formations for numerical reactive transport simulations: representative groundwater compositions

verfasst von: Frank Dethlefsen, Michael Nolde, Dirk Schäfer, Andreas Dahmke

Erschienen in: Environmental Earth Sciences | Ausgabe 2/2017

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Groundwater protection has to remain ensured in spite of the ambition to apply more and various types of subsurface usages in future. In this context, numerical simulations using “Virtual Aquifers” can be suitable for evaluating the general effects of complex induced process interactions, while meaningful simulation results require the appropriate parameterization of scenario analyses, such as regarding representative groundwater compositions. Therefore, this study reviewed the hydrochemical groundwater compositions of the different aquifers in the German state Schleswig–Holstein. To evaluate what aquifers exhibit statistically different compositions, the nonparametric Kruskal–Wallis test, the analysis of variance, the discriminant analysis, and the hierarchical cluster analysis were applied. These showed that between the free aquifers at pH < 6, the free aquifers at pH > 6, and the group of confined aquifers, significant differences in the dissolved constituents exist, but also that among the confined aquifers these differences are not significant, except for saline groundwaters that can be present near underground salt structures and the North Sea. Furthermore, the two methods applied for deducting representative compositions were the nearest neighbor method, where the monitoring wells accessing the groundwater most similar to the median compositions in the respective aquifers were identified, and the cluster center analysis. The calculated representative groundwater compositions for four aquifer groups (“Acidic” shallow aquifers, “Neutral” shallow aquifers, confined freshwater aquifers, saline aquifers) using both methods were very similar. Thus, this study provides a methodology and a basis for parameterizing Virtual Aquifer studies and discusses the limits of representativeness based on the regional data set.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
Zurück zum Zitat Ashley RP, Lloyd JW (1978) Example of the use of factor-analysis and cluster-analysis in groundwater chemistry interpretation. J Hydrol 39:355–364CrossRef Ashley RP, Lloyd JW (1978) Example of the use of factor-analysis and cluster-analysis in groundwater chemistry interpretation. J Hydrol 39:355–364CrossRef
Zurück zum Zitat Bauer S, Beyer C, Kolditz O (2006) Assessing measurement uncertainty of first-order degradation rates in heterogeneous aquifers. Water Resour Res 42:W01420CrossRef Bauer S, Beyer C, Kolditz O (2006) Assessing measurement uncertainty of first-order degradation rates in heterogeneous aquifers. Water Resour Res 42:W01420CrossRef
Zurück zum Zitat Cloutier V, Lefebvre R, Therrien R, Savard MM (2008) Multivariate statistical analysis of geochemical data as indicative of the hydrogeochemical evolution of groundwater in a sedimentary rock aquifer system. J Hydrol 353:294–313CrossRef Cloutier V, Lefebvre R, Therrien R, Savard MM (2008) Multivariate statistical analysis of geochemical data as indicative of the hydrogeochemical evolution of groundwater in a sedimentary rock aquifer system. J Hydrol 353:294–313CrossRef
Zurück zum Zitat Cruz JV, Franca Z (2006) Hydrogeochemistry of thermal and mineral water springs of the Azores archipelago (Portugal). J Volcanol Geotherm Res 151:382–398CrossRef Cruz JV, Franca Z (2006) Hydrogeochemistry of thermal and mineral water springs of the Azores archipelago (Portugal). J Volcanol Geotherm Res 151:382–398CrossRef
Zurück zum Zitat Dethlefsen F, Peter A, Hornbruch G, Lamert H, Garbe-Schönberg D, Beyer M, Dietrich P, Dahmke A (2014) Hydrogeochemical alteration of groundwater due to a CO2 injection test into a shallow aquifer in Northeast Germany. European Geosciences Union General Assembly, Vienna Dethlefsen F, Peter A, Hornbruch G, Lamert H, Garbe-Schönberg D, Beyer M, Dietrich P, Dahmke A (2014) Hydrogeochemical alteration of groundwater due to a CO2 injection test into a shallow aquifer in Northeast Germany. European Geosciences Union General Assembly, Vienna
Zurück zum Zitat Evans DJ (2008) An appraisal of underground gas storage technologies and incidents for the development of risk assessment methodology. British Geological Survey, Nottingham Evans DJ (2008) An appraisal of underground gas storage technologies and incidents for the development of risk assessment methodology. British Geological Survey, Nottingham
Zurück zum Zitat Fahrner S, Schäfer D, Dethlefsen F, Dahmke A (2012) Reactive modelling of CO2 intrusion into freshwater aquifers: current requirements, approaches and limitations to account for temperature and pressure effects. Environ Earth Sci 67:2269–2283CrossRef Fahrner S, Schäfer D, Dethlefsen F, Dahmke A (2012) Reactive modelling of CO2 intrusion into freshwater aquifers: current requirements, approaches and limitations to account for temperature and pressure effects. Environ Earth Sci 67:2269–2283CrossRef
Zurück zum Zitat Haase C, Dahmke A, Ebert M, Schäfer D, Dethlefsen F (2014) Suitability of existing numerical model codes and thermodynamic databases for the prognosis of calcite dissolution processes in near-surface sediments due to a CO2 leakage investigated by column experiments. Aquat Geochem 20:639–661CrossRef Haase C, Dahmke A, Ebert M, Schäfer D, Dethlefsen F (2014) Suitability of existing numerical model codes and thermodynamic databases for the prognosis of calcite dissolution processes in near-surface sediments due to a CO2 leakage investigated by column experiments. Aquat Geochem 20:639–661CrossRef
Zurück zum Zitat Haase C, Ebert M, Dethlefsen F (2016) Uncertainties of geochemical codes and thermodynamic databases for predicting the impact of carbon dioxide on geologic formations. Appl Geochem 67:81–92CrossRef Haase C, Ebert M, Dethlefsen F (2016) Uncertainties of geochemical codes and thermodynamic databases for predicting the impact of carbon dioxide on geologic formations. Appl Geochem 67:81–92CrossRef
Zurück zum Zitat Hähnlein S, Bayer P, Ferguson G, Blum P (2013) Sustainability and policy for the thermal use of shallow geothermal energy. Energy Policy 59:914–925CrossRef Hähnlein S, Bayer P, Ferguson G, Blum P (2013) Sustainability and policy for the thermal use of shallow geothermal energy. Energy Policy 59:914–925CrossRef
Zurück zum Zitat Hekmat MA (1982) Sedimentologie, Petrographie und Geochenie des Miozäns aus den Bohrungen Osdorf - westlich von Hamburg, Neu-Börnsen und Kassenburg im süd-östlichen Schleswig–Holstein. Dissertation, Universität Hamburg Hekmat MA (1982) Sedimentologie, Petrographie und Geochenie des Miozäns aus den Bohrungen Osdorf - westlich von Hamburg, Neu-Börnsen und Kassenburg im süd-östlichen Schleswig–Holstein. Dissertation, Universität Hamburg
Zurück zum Zitat IBM (2014) IBM SPSS Statistics Base 22, Version 22 IBM (2014) IBM SPSS Statistics Base 22, Version 22
Zurück zum Zitat Kruskal WH, Wallis WA (1952) Use of ranks in one-criterion variance analysis. J Am Stat Assoc 47:583–621CrossRef Kruskal WH, Wallis WA (1952) Use of ranks in one-criterion variance analysis. J Am Stat Assoc 47:583–621CrossRef
Zurück zum Zitat Kunkel R, Hannappel S, Voigt H-J, Wendland F (2002) Die natürliche Grundwasserbeschaffenheit ausgewählter hydrostratigraphischer Einheiten in Deutschland. Forschungszentrum Jülich GmbH Kunkel R, Hannappel S, Voigt H-J, Wendland F (2002) Die natürliche Grundwasserbeschaffenheit ausgewählter hydrostratigraphischer Einheiten in Deutschland. Forschungszentrum Jülich GmbH
Zurück zum Zitat Kunkel R, Voigt H-J, Wendland F, Hannappel S (2004) Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland. Forschungszentrum Jülich, HYDOR Consult GmbH Berlin, Brandenburgisch-Technische Universität Cottbus, Cottbus Kunkel R, Voigt H-J, Wendland F, Hannappel S (2004) Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland. Forschungszentrum Jülich, HYDOR Consult GmbH Berlin, Brandenburgisch-Technische Universität Cottbus, Cottbus
Zurück zum Zitat Lei XY, Peng YB, Wright FT (1995) Testing homogeneity of normal means with a simply ordered alternative and dependent observations. Comput Stat Data Anal 20:173–183CrossRef Lei XY, Peng YB, Wright FT (1995) Testing homogeneity of normal means with a simply ordered alternative and dependent observations. Comput Stat Data Anal 20:173–183CrossRef
Zurück zum Zitat Levene H (1960) Robust tests for equality of variances. In: Olkon I (ed) Contributions to probability and statistics. Stanford University Press, Palo Alto, pp 278–292 Levene H (1960) Robust tests for equality of variances. In: Olkon I (ed) Contributions to probability and statistics. Stanford University Press, Palo Alto, pp 278–292
Zurück zum Zitat Lilliefors HW (1967) On Kolmogorov–Smirnov test for normality with mean and variance unknown. J Am Stat Assoc 62:399–402CrossRef Lilliefors HW (1967) On Kolmogorov–Smirnov test for normality with mean and variance unknown. J Am Stat Assoc 62:399–402CrossRef
Zurück zum Zitat Magri F, Bayer U, Pekdeger A, Otto R, Thomsen C, Maiwald U (2009) Salty groundwater flow in the shallow and deep aquifer systems of the Schleswig–Holstein area (North German Basin). Tectonophysics 470:183–194CrossRef Magri F, Bayer U, Pekdeger A, Otto R, Thomsen C, Maiwald U (2009) Salty groundwater flow in the shallow and deep aquifer systems of the Schleswig–Holstein area (North German Basin). Tectonophysics 470:183–194CrossRef
Zurück zum Zitat Manhenke V, Reutter E, Hübschmann M, Limberg A, Lückstädt M, Nommensen B, Peters A, Schlimm W, Taugs R, Voigt H-J (2001) Hydrostratigraphische Gliederung des nord- und mitteldeutschen känozoischen Lochergesteinsgebietes. Z Angew Geol 47:146–152 Manhenke V, Reutter E, Hübschmann M, Limberg A, Lückstädt M, Nommensen B, Peters A, Schlimm W, Taugs R, Voigt H-J (2001) Hydrostratigraphische Gliederung des nord- und mitteldeutschen känozoischen Lochergesteinsgebietes. Z Angew Geol 47:146–152
Zurück zum Zitat McIntosh JC, Grasby SE, Hamilton SM, Osborn SG (2014) Origin, distribution and hydrogeochemical controls on methane occurrences in shallow aquifers, southwestern Ontario, Canada. Appl Geochem 50:37–50CrossRef McIntosh JC, Grasby SE, Hamilton SM, Osborn SG (2014) Origin, distribution and hydrogeochemical controls on methane occurrences in shallow aquifers, southwestern Ontario, Canada. Appl Geochem 50:37–50CrossRef
Zurück zum Zitat Nguyen TT, Kawamura A, Tong TN, Amaguchi H, Nakagawa N, Gilbuena R, Bui DD (2015) Identification of spatio-seasonal hydrogeochemical characteristics of the unconfined groundwater in the Red River Delta, Vietnam. Appl Geochem 63:10–21CrossRef Nguyen TT, Kawamura A, Tong TN, Amaguchi H, Nakagawa N, Gilbuena R, Bui DD (2015) Identification of spatio-seasonal hydrogeochemical characteristics of the unconfined groundwater in the Red River Delta, Vietnam. Appl Geochem 63:10–21CrossRef
Zurück zum Zitat Ohse W (1983) Lösungs- und Fällungserscheinungen im System oberflächennahes unterirdisches Wasser/gesteinsbildende Minerale. Eine Untersuchung auf der Grundlage der chemischen Gleichgewichtsthermodynamik. Dissertation, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Ohse W (1983) Lösungs- und Fällungserscheinungen im System oberflächennahes unterirdisches Wasser/gesteinsbildende Minerale. Eine Untersuchung auf der Grundlage der chemischen Gleichgewichtsthermodynamik. Dissertation, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Zurück zum Zitat Peter A, Lamert H, Beyer M, Hornbruch G, Heinrich B, Schulz A, Geistlinger H, Schreiber B, Dietrich P, Werban U, Vogt C, Richnow H-H, Großmann J, Dahmke A (2012) Investigation of the geochemical impact of CO2 on shallow groundwater: design and implementation of a CO2 injection test in Northeast Germany. Environ Earth Sci 67:335–349CrossRef Peter A, Lamert H, Beyer M, Hornbruch G, Heinrich B, Schulz A, Geistlinger H, Schreiber B, Dietrich P, Werban U, Vogt C, Richnow H-H, Großmann J, Dahmke A (2012) Investigation of the geochemical impact of CO2 on shallow groundwater: design and implementation of a CO2 injection test in Northeast Germany. Environ Earth Sci 67:335–349CrossRef
Zurück zum Zitat Poncet A, Courvoisier DS, Combescure C, Perneger TV (2016) Normality and sample size do not matter for the selection of an appropriate statistical test for two-group comparisons. Methodol Eur J Res Methods Behav Soc Sci 12:61–71 Poncet A, Courvoisier DS, Combescure C, Perneger TV (2016) Normality and sample size do not matter for the selection of an appropriate statistical test for two-group comparisons. Methodol Eur J Res Methods Behav Soc Sci 12:61–71
Zurück zum Zitat Popp S, Beyer C, Koproch N, Köber R, Dahmke A, Bauer S (2015) Untersuchung der Auswirkung unterirdischer Wärmespeicherung auf eine TCE-Grundwasserkontamination durch numerische Szenariensimulationen. bbr 03/2015:54–61 Popp S, Beyer C, Koproch N, Köber R, Dahmke A, Bauer S (2015) Untersuchung der Auswirkung unterirdischer Wärmespeicherung auf eine TCE-Grundwasserkontamination durch numerische Szenariensimulationen. bbr 03/2015:54–61
Zurück zum Zitat Reghunath R, Murthy TRS, Raghavan BR (2002) The utility of multivariate statistical techniques in hydrogeochemical studies: an example from Karnataka, India. Water Res 36:2437–2442CrossRef Reghunath R, Murthy TRS, Raghavan BR (2002) The utility of multivariate statistical techniques in hydrogeochemical studies: an example from Karnataka, India. Water Res 36:2437–2442CrossRef
Zurück zum Zitat Schäfer D, Schlenz B, Dahmke A (2004) Evaluation of exploration and monitoring methods for verification of natural attenuation using the virtual aquifer approach. Biodegradation 15:453–465CrossRef Schäfer D, Schlenz B, Dahmke A (2004) Evaluation of exploration and monitoring methods for verification of natural attenuation using the virtual aquifer approach. Biodegradation 15:453–465CrossRef
Zurück zum Zitat Schlömer S, Elbracht J, Blumenberg M, Illing CJ (2016) Distribution and origin of dissolved methane, ethane and propane in shallow groundwater of Lower Saxony, Germany. Appl Geochem 67:118–132CrossRef Schlömer S, Elbracht J, Blumenberg M, Illing CJ (2016) Distribution and origin of dissolved methane, ethane and propane in shallow groundwater of Lower Saxony, Germany. Appl Geochem 67:118–132CrossRef
Zurück zum Zitat Schulz H-D (1977) Über den Grundwasserhaushalt im norddeutschen Flachland. Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten Schleswig–Holsteins Kiel Schulz H-D (1977) Über den Grundwasserhaushalt im norddeutschen Flachland. Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten Schleswig–Holsteins Kiel
Zurück zum Zitat Selim SZ, Ismail MA (1984) K-Means-type algorithms: a generalized convergence theorem and characterization of local optimality. IEEE Trans Pattern Anal 6:81–87CrossRef Selim SZ, Ismail MA (1984) K-Means-type algorithms: a generalized convergence theorem and characterization of local optimality. IEEE Trans Pattern Anal 6:81–87CrossRef
Zurück zum Zitat Steefel CI, Appelo CAJ, Arora B, Jacques D, Kalbacher T, Kolditz O, Lagneau V, Lichtner PC, Mayer KU, Meeussen JCL, Molins S, Moulton D, Shao H, Simunek J, Spycher N, Yabusaki SB, Yeh GT (2015) Reactive transport codes for subsurface environmental simulation. Comput Geosci 19:445–478CrossRef Steefel CI, Appelo CAJ, Arora B, Jacques D, Kalbacher T, Kolditz O, Lagneau V, Lichtner PC, Mayer KU, Meeussen JCL, Molins S, Moulton D, Shao H, Simunek J, Spycher N, Yabusaki SB, Yeh GT (2015) Reactive transport codes for subsurface environmental simulation. Comput Geosci 19:445–478CrossRef
Zurück zum Zitat Sterner M, Stadler I (2014) Energiespeicher: Bedarf, Technologien, Integration. Springer, New York Sterner M, Stadler I (2014) Energiespeicher: Bedarf, Technologien, Integration. Springer, New York
Zurück zum Zitat Wachter T, Dethlefsen F, Gödeke S, Dahmke A (2004) Räumlich-statistische Charakterisierung der Hydrogeochemie einer BTEX-Grundwasserkontamination am Standort RETZINA/Zeitz. Grundwasser 9:21–32CrossRef Wachter T, Dethlefsen F, Gödeke S, Dahmke A (2004) Räumlich-statistische Charakterisierung der Hydrogeochemie einer BTEX-Grundwasserkontamination am Standort RETZINA/Zeitz. Grundwasser 9:21–32CrossRef
Zurück zum Zitat Ward JH (1963) Hierarchical grouping to optimize an objective function. J Am Stat Assoc 58:236–244CrossRef Ward JH (1963) Hierarchical grouping to optimize an objective function. J Am Stat Assoc 58:236–244CrossRef
Zurück zum Zitat Wendland F, Blum A, Coetsiers M, Gorova R, Griffioen J, Grima J, Hinsby K, Kunkel R, Marandi A, Melo T, Panagopoulos A, Pauwels H, Ruisi M, Traversa P, Vermooten JSA, Walraevens K (2008) European aquifer typology: a practical framework for an overview of major groundwater composition at European scale. Environ Geol 55:77–85CrossRef Wendland F, Blum A, Coetsiers M, Gorova R, Griffioen J, Grima J, Hinsby K, Kunkel R, Marandi A, Melo T, Panagopoulos A, Pauwels H, Ruisi M, Traversa P, Vermooten JSA, Walraevens K (2008) European aquifer typology: a practical framework for an overview of major groundwater composition at European scale. Environ Geol 55:77–85CrossRef
Zurück zum Zitat Wüstenhagen K, Baermann A, Bruns J, Busse R, Geyh M, Schneider W, Wienberg R (1990) Glazial geprägter Glimmerton als Schadstoffbarriere im Elbtal des Hamburger Raumes. Geologisches Jahrbuch C 55. E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Hannover Wüstenhagen K, Baermann A, Bruns J, Busse R, Geyh M, Schneider W, Wienberg R (1990) Glazial geprägter Glimmerton als Schadstoffbarriere im Elbtal des Hamburger Raumes. Geologisches Jahrbuch C 55. E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Hannover
Metadaten
Titel
Basic parameterization of Schleswig–Holstein’s shallow geological formations for numerical reactive transport simulations: representative groundwater compositions
verfasst von
Frank Dethlefsen
Michael Nolde
Dirk Schäfer
Andreas Dahmke
Publikationsdatum
01.01.2017
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Environmental Earth Sciences / Ausgabe 2/2017
Print ISSN: 1866-6280
Elektronische ISSN: 1866-6299
DOI
https://doi.org/10.1007/s12665-016-6343-5

Weitere Artikel der Ausgabe 2/2017

Environmental Earth Sciences 2/2017 Zur Ausgabe