Estimating groundwater recharge rates in the southeastern Holstein region, northern Germany

Abstract.

In the southeastern Holstein region, located to the east of the metropolitan zone of Hamburg, northern Germany, a groundwater investigation program was conducted from 1984 to 2000 by the State Agency for Nature and Environment (Landesamt für Natur und Umwelt, LANU) of Schleswig-Holstein, Germany, with the aim of providing long-term, ecologically acceptable groundwater management plans for the region. The focal point of the investigation comprised the determination of groundwater recharge rates. The investigation method was based on the transfer of available lysimeter results from other regions to comparable regions within the area studied. With the help of lysimeter equations, potential amounts of percolation water were calculated. The groundwater recharge rate was then determined after subtraction of the surface runoff which was calculated for the entire area. All computations were performed with a spreadsheet program. Groundwater recharge rates were calculated for two areas. One consisted of roughly determining groundwater recharge rates for the total region (1,392 km²) of southeastern Holstein. The overall goal of these investigations was to identify potential areas of water exploitation. Areas in which groundwater recharge rates are high and groundwater outflow is low are particularly suited to water exploitation, since inflow rates into deeper aquifers are high. These areas are located on the flanks of the Elbe and Stecknitz River valleys. Subsurface groundwater runoff to these lowlands would be reduced through groundwater withdrawal. However, the resulting decline in shallow groundwater tables would be so small that it would have no detrimental ecological effects. Groundwater recharge rates were also calculated for a 110-km² area in the outskirts of Hamburg (Grosshansdorf model area) which is intensively developed for water supply. These investigations showed that the amount of groundwater recharge is already being withdrawn to a large extent. Approximately 65% of the recharge rate is currently withdrawn by the waterworks in this area, thus making further increases in exploitation rates unjustifiable from an ecological point of view.

Résumé.

Dans le sud-est de la région d'Holstein, à l'est de l'agglomération de Hambourg (Allemagne du nord), un programme de recherches sur les eaux souterraines a été réalisé entre 1984 et 2000 par l'Agence Nationale pour la Nature et l'Environnement (Landesamt für Natur und Umwelt, LANU) du Schleswig-Holstein (Allemagne), dans le but de proposer pour la région des plans de gestion des eaux souterraines acceptables écologiquement et à long terme. Le point essentiel de ces recherches était la détermination des taux de recharge des nappes. La méthodologie mise en œuvre était basée sur le transfert des données disponibles de lysimètres obtenues dans d'autres régions à des régions comparables dans la zone d'étude. Au moyen d'équations de lysimètres, les taux potentiels de percolation ont été calculés. Le taux de recharge de la nappe a ainsi été déterminé après soustraction du ruissellement de surface qui a été calculé pour la zone d'étude dans son ensemble. Tous les calculs ont été réalisés avec un programme de feuille de calcul. Les taux de recharge des nappes ont été calculés pour deux zones. L'une constitue une détermination grossière des taux de recharge des nappes pour toute la région (1,392 km²) du sud-est de l'Holstein. Le but final de ces travaux était l'identification des zones potentielles d'exploitation des eaux souterraines. Les secteurs où les taux de recharge sont élevés et l'écoulement de sortie de la nappe est lent sont particulièrement intéressants pour l'exploitation, puisque les taux de drainage vers les aquifères plus profonds sont élevés. Ces secteurs sont localisés sur les flancs des vallées de l'Elbe et de la Stecknitz. Le ruissellement souterrain de ces basses terres pourrait être réduit par des prélèvements d'eau souterraine. Toutefois, la baisse résultante des nappes phréatiques serait si faible qu'il n'aurait aucun effet écologique préjudiciable. Les taux de recharge des nappes ont également été calculés pour une zone de 110 km² des faubourgs de Hambourg (le secteur modèle de Grosshansdorf) qui est fortement exploitée pour l'alimentation en potable (AEP). Ces travaux ont montré que le total de la recharge des nappes est déjà actuellement prélevé, ou presque. Environ 65% du taux de recharge est généralement prélevé par les captages de cette région, rendant ainsi des accroissements ultérieurs des taux d'exploitation injustifiables d'un point de vue écologique.

Resumen.

En el sudeste de la región de Holstein, que está situada al este de la zona metropolitana de Hamburgo (Alemania septentrional), se llevó a cabo un programa de investigación de las aguas subterráneas entre 1984 y el 2000, a cargo de la Agencia Estatal de Naturaleza y Medio Ambiente de Schleswig (Landesamt für Natur und Umwelt, LANU). El objetivo consistía en elaborar planes de gestión de las aguas subterráneas que fuesen ecológicamente aceptables a largo plazo. El aspecto primordial de la investigación era la determinación de las tasas de recarga a los acuíferos. El método utilizado estaba basado en la transferencia de los resultados disponibles de lisímetros en otras regiones a zonas similares en el área de estudio. Con la ayuda de las ecuaciones de los lisímetros, se calculó las tasas de precolación potencial. La tasa de recarga a las aguas subterráneas se obtenía después de restar la parte de escorrentía superficial, calculada para toda la región. Las operaciones se hicieron mediante un programa basado en hojas de cálculo. Se calculó las tasas de recarga en dos áreas distintas. La primera abarcaba el sudeste de Holstein (1,392 km²), y pretendía obtener una aproximación. La intención global era identificar áreas sensibles a la sobreexplotación, como aquellas en las que las tasas de recarga son elevadas y la descarga de las aguas subterráneas son bajas, ya que las entradas a los acuíferos más profundos son altas. Estas zonas están situadas en las dos márgenes de los ríos Elbe y Stecknitz. La descarga subterránea a dichos valles se vería reducida a causa de la extracción de aguas subterráneas, pero el descenso producido en los acuíferos freáticos someros sería tan pequeño que no tendría consecuencias ecológicas negativas. La segunda zona, de 110 km², estaba localizada en las afueras de Hamburgo (área de Grosshansdorf). Se trata de una zona intensamente explotada para abastecimiento urbano. Las investigaciones mostraron que la tasa de recarga está siendo aprovechada para dicho fin; aproximadamente, un 65% de la recarga se extrae por las compañías de suministro en la zona. Desde la perspectiva ecológica, no se podría justificar un aumento del ritmo de explotación actual.