Zusammenfassung
Wird der geologische Untergrund anthropogen genutzt, z. B. zur Speicherung von Gasen oder zum Fracking zur Gewinnung fossiler Brennstoffe, so besteht das Risiko, dass salinares Formationswasser in geschützte Grundwasserleiter gelangt. An entsprechenden Standorten muss daher der Einfluss einer potenziellen Leckage bewertet werden, um ein Monitoringkonzept erarbeiten zu können. Mit einfachen dreidimensionalen numerischen Simulationen wird quantifiziert, welchen Einfluss Aquiferparameter, Grundwasserströmung, Aquifermorphologie sowie Leckagerate und NaCl-Konzentration des intrudierenden Wassers auf das Ausbreitungsverhalten haben. Für die Aquiferparameter wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um den Einfluss auf die Ausbreitung des salinen Wassers zu quantifizieren. Mit einem an die Realität angelehnten Standortmodell werden exemplarisch zwei Szenarien mit einem Wasser aus den unteren Braunkohlesanden (NaCl = 7,61 g/l) und einem salinaren Wasser der Buntsandsteinformation (NaCl = 280,3 g/l) simuliert. Die Ausbreitung des Salzwassers findet an der Aquiferbasis statt. Ist eine Grundwasserströmung vorhanden, dominiert sie den Transport. Die Ausbreitung des dichteren Wassers wird dann nicht durch die Morphologie der Aquiferbasis beeinflusst.
Abstract
In areas where the geological subsurface is used for storage of gases or fracking, there is a risk of saline formation water entering protected aquifers. The impact of such potential leakage therefore needs to be evaluated at relevant sites to develop practical monitoring concepts. Three-dimensional numerical simulations and a sensitivity analysis are performed to determine the influence of aquifer parameters, ground water flow, aquifer morphology, leakage rate and NaCl-concentration of the intruding water on the propagation behaviour of saline water. Two example scenarios were simulated based on a realistic site-scale conceptual model, one with water from the lower Braunkohlensande, (NaCl = 7.61 g/l) the other with saline water from the Bunter sandstone formation (NaCl = 280.3 g/l). The simulations show that saltwater migrates along the bottom of the aquifer, and that groundwater flow can dominate the transport of chloride. In this case the spreading of denser water is not influenced by the aquifer’s morphology.
This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.
Literatur
Andersen, M.S., Nyvang, V., Jakobsen, R., Postma, D.: Geochemical processes and solute transport at the seawater/freshwater interface of a sandy aquifer. Geochim. Cosmochimica Acta 16, 3979–3994 (2005)
Appelo, C.A.J., Postma, D.: Geochemistry, groundwater and pollution. 649 S. CRC press, The Netherlands (2007)
Bear, J., Bachmat, Y.: Introduction to Modeling of Transport Phenomena in Porous Media. 553 S. Springer Science & Business Media, Dordrecht (1990)
Benisch, K., Bauer, S.: Short- and long-term regional pressure build-up during CO2 injection and its applicability for site monitoring. Int. J. Greenhouse Gas Control 19, 220–233 (2013)
Borchardt, D., Eswen, C., Richter, S., Hammerbacher, R.: Informations- und Dialogprozess zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der Fracking-Technologie. Wasser Abfall 6, 10–14 (2012)
Burschil, T., Ketelsen, H., Kirsch, R., König, B., Lilienfein, M., Nommensen, B., Roeloffs, E.R., Scheer, W., Steinmann, F., Thomsen, C., Wiederhold, H., Wolf, A.: Der Untergrund von Föhr: Geologie, Grundwasser und Erdwärme. 102 S. LLUR SH – Geologie und Boden 18 (2012)
Chadwick, R.A., Arts, R., Bentham, M., Eiken, O., Holloway, S., Kirby, G.A., Pearce, J.M., Williamson, J.P., Zweigel, P.: Review of monitoring issues and technologies associated with the long-term underground storage of carbon dioxide. In: Evans, D.J., Chadwick, R.A. (Hrsg.) Underground Gas Storage: Worldwide Experiences and Future Development in the Uk and Europe, Bd 313, S. 257–275. Geological Society of London, London (2009)
EU: Directive 2009/31/EC of the European Parliament and of the Council. http://eur-lex.europa.eu (2009). Zugegriffen: 22. Juli 2014
Hese, F.: 3D-Modellierungen und Visualisierung von Untergrundstrukturen für die Nutzung des unterirdischen Raumes in Schleswig-Holstein. Dissertation, Kiel, Christian-Albrechts-Universität (2012)
Hölting, B., Coldewey, W.G.: Hydrogeologie. 438 S. Springer-Verlag, Berlin (2013)
KSpG: Gesetz zur Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid. http://www.gesetze-iminternet.de/kspg/BJNR172610012.html (2012). Zugegriffen: 22. Juli 2014
Melloul, A., Collin, M.: Hydrogeological changes in coastal aquifers due to sea level rise. Ocean Coast. Manage. 49(5), 281–297 (2006)
Nordbotten, J.M., Kavetski, D., Celia, M.A., Bachu, S.: Model for CO2 leakage including multiple geological layers and multiple leaky wells. Environ. Sci. Technol. 43(3), 743–749 (2009)
Oldenburg, C., Rinaldi, A.: Buoyancy effects on upward brine displacement caused by CO2 injection. Trans. Poro. Med. 87(2), 525–540 (2011)
Pruess, K.: ECO2N: a TOUGH2 Fluid Proberty Module for Mixtures of Water, NaCl, and CO2. Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory. University of California, Berkeley (2005)
Sauter, M., Helmig, R., Klünker, J.: Risiken im Geologischen System bei der Fracking-Technologie. Wasser Abfall 6, 16–20 (2012)
Sauter, M., Schafmeister, M.-T., Pfeiffer, S., Kuntz, D., Schiedek, T., Himmelsbach, T.: Fracking – Die Rolle der Hydrogeologie. Grundwasser 18(3), 157–158 (2013)
Schäfer, F., Walter, L., Class, H., Müller, C.: Projekt CO2-Drucksimulation. Regionale Druckentwicklung bei der Injektion von CO2 in salinare Aquifere, 59 S. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover (2010)
Schäfer, D., Hagrey, S., Auken, E., Bahr, A., Beyer, M., Dahmke, A., Dumke, I., Foged, N., Furche, M., Gräber, M., Großmann, J., Helkjaer, M., Köber, R., Poggenburg, J., Naue, G., Schlömer, S., Seeger, C., Tischer, L., Vidal, A., Wiegers, C., Wöhrl, C.: Environmental and Process Monitoring. In: Kühn, M., Münch, U. (Hrsg.) CLEAN, S. 131–167. Springer, Berlin (2013)
Siebertz, K., Bebber, D., Hochkirchen, T.: Sensitivitätsanalyse, Statistische Versuchsplanung 247–260. Springer-Verlag, Berlin (2010)
Wang, Y., Jiao, J.J.: Origin of groundwater salinity and hydrogeochemical process in the confined Quaternary aquifer of the Pearl River DeltaChina. J. Hydrol. 438, 112–124 (2012)
Wunsch, A., Navarre-Sitchler, A.K., McCray, J.E.: Geochemical implications of brine leakage into freshwater aquifers. Ground Water 51(6), 855–865 (2013)
Zhou, Q., Bear, J., Bensabat, J.: Saltwater upconing and decay beneath a well pumping above an interface zone. Trans. Porous Media 61(3), 337–363 (2005)
Zhou, Q., Birkholzer, J., Tsang, C.-F., Rutqvist, J.: A methode for quick assessment of CO2 storage capacity in closed and semi-closed saline formations. Int. J. Greenhous Gas Control 2, 629–639 (2008)
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Wiegers, C., Schäfer, D. Numerische Szenariosimulationen zur Ausbreitung von hochmineralisiertem Wasser in oberflächennahen Süßwasseraquiferen. Grundwasser 20, 85–95 (2015). https://doi.org/10.1007/s00767-015-0282-z
Received:
Revised:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-015-0282-z