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Grundwasser
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ISSN (Print) 1432-1165 - ISSN (Online) 1430-483X
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  • Es ist Zeit für eine Erdwärmewende

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      PubDate: 2022-09-28
       
  • Herausforderungen und Chancen für die Lithiumgewinnung aus geothermalen
           Systemen in Deutschland – Teil 1: Literaturvergleich bestehender
           Extraktionstechnologien

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      Abstract: Zusammenfassung Die hier vorgestellte Arbeit schätzt den Stand der Extraktionstechnologien zur Lithiumgewinnung aus geothermalen Wässern basierend auf aktuellen wissenschaftlichen Studien ab und identifiziert mögliche technische Herausforderungen. Bewertet werden häufig diskutierte Technologien wie Flüssig-Flüssig-Extraktion, selektive Extraktion durch anorganische Sorptionsmittel, elektrochemische Methoden und Membrantechnologien hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Integrierbarkeit in die geothermische Energieproduktion. Aktuelle Forschungsprojekte haben verschiedene Extraktionsmethoden im Labor- und teilweise Prototypenmaßstab validiert. Eine Skalierung zu einem industriellen Prozess existiert bisher nicht. Dementsprechend fehlen Informationen bezüglich Dauerbetriebs sowie Einfluss standortspezifischer Hürden (Wasserchemie, Volumenstrom, Fließraten etc.) und zur tatsächlichen Wirtschaftlichkeit. Die Menge des rückgewinnbaren Lithiums ergibt sich in erster Linie aus der Konzentration des im Wasser gelösten Lithiums, der Extraktionseffizienz und -geschwindigkeit, sowie der Menge des verwendeten Extraktionsmittels. Das Zusammenspiel dieser Faktoren bestimmt die Verfahrenstechnik und die Größe der Extraktionsinfrastruktur. Je nach Verfahren werden die physikochemischen Eigenschaften des Wassers (pH, Eh, T, p etc.) während der Extraktion verändert, wodurch das Scaling- und Korrosionspotenzial gesteigert werden kann. Der aktuelle Stand der Technik zeigt ein frühes bis mittleres Technologiereifestadium bei Lithium-Extraktionseffizienzen in Laborexperimenten von 50–90 %. Unter den ungleich höheren Herausforderungen im laufenden Betrieb eines Geothermiekraftwerks, werden Extraktionseffizienzen im unteren Bereich dieser Bandbreite als realistisch angesehen.
      PubDate: 2022-09-23
       
  • Herausforderungen und Chancen für die Lithiumgewinnung aus geothermalen
           Systemen in Deutschland – Teil 2: Potenziale und Produktionsszenarien
           in Deutschland

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      Abstract: Zusammenfassung Die hier vorgestellte Arbeit liefert Hintergrundinformationen, um das Potenzial einer künftigen Lithiumproduktion aus geothermalen Fluiden in Deutschland abzuschätzen. Aus der wachsenden Nachfrage und der bisherigen Abhängigkeit von schlecht diversifizierten Überseequellen lässt sich eine hohe strategische Bedeutung einer möglichen Binnenquelle ableiten. Hinzu kommen ökologische Aspekte, wie CO2-ärmere und flächenschonendere Lithiumgewinnungsmethoden. Basierend auf dem Technologievergleich zur direkten Lithiumextraktion aus geothermalen Fluiden und dem heutigen Ausbauzustand der Geothermie in Deutschland und dem französischen Teil des Oberrheingrabens wurden unterschiedliche Szenarien für die extrahierbare Menge an Lithiumkarbonat berechnet. So lässt sich im optimistischsten Szenario unter Berücksichtigung aller zurzeit aktiven Bohrungen eine maximale Produktion von 7200 t/a Lithiumkarbonat-Äquivalent prognostizieren. Damit könnten 5–19 % des jährlichen Bedarfs der geplanten deutschen Batteriezellenproduktion gedeckt werden. Schlüsselparameter für das Prozessdesign sind der nutzbare Volumenanteil des geothermalen Fluids und die Extraktionseffizienz. Die Unsicherheiten in der Ressourcenbewertung bezüglich Größe und Nachhaltigkeit ihrer Bewirtschaftung sind bislang noch beachtlich. Um die großen Potenziale dieser Technologie nutzen zu können, müssen diese zentralen Fragen geklärt werden.
      PubDate: 2022-09-23
       
  • Beurteilung des Bodenverflüssigungspotenzials bei Erdbeben mithilfe von
           SPT-Schlagzahlen und zweidimensionalen Finite-Element-Analysen

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      Abstract: Zusammenfassung Für die Planung und Auslegung von Bauwerken in Erdbebengebieten mit hohen Grundwasserständen ist das Verflüssigungspotenzial des Baugrunds zu untersuchen und zu bewerten. In DIN EN 1998-5:2010-12 (2010) sind die auf SPT-Schlagzahlen basierenden Diagramme für die Beurteilung der Verflüssigungsgefährdung angegeben. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst das auf SPT-Schlagzahlen basierende Verfahren gemäß dem aktuellen Wissensstand aufgeführt. Anschließend wird das Verflüssigungspotenzial eines sandigen Baugrundmodells anhand von SPT-Schlagzahlen und zweidimensionalen Finite-Element-Analysen (2D-FEA) mit dem Sand-Plasitizitätsmodell PM4Sand untersucht. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Beurteilung der Verflüssigungsgefährdung eine gute Übereinstimmung zwischen den aus den beiden Verfahren erhaltenen Ergebnissen besteht. Weiterhin ermöglicht die Verwendung der 2D-FEA mit dem PM4Sand-Modell die Einschätzung von erdbebenbedingten Deformationen an der Geländeoberfläche.
      PubDate: 2022-09-13
       
  • Nachrichtenteil für Grundwasser-Heft 3/2022

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      PubDate: 2022-08-01
       
  • Tiefenorientierte Pumpversuche zur Bestimmung der hydraulischen
           Anisotropie in einem geschichteten Grundwasserleiter

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      Abstract: Zusammenfassung Die horizontale Schichtung von Sedimentkörpern bewirkt, dass die effektive hydraulische Durchlässigkeit eines sedimentären Grundwasserleiters in horizontaler Richtung größer ist als in der vertikalen, was sich unter anderem auf die Ausbreitung des Absenktrichters bei Grundwasserentnahmen auswirkt. Um die großräumige hydraulische Anisotropie zu bestimmen, führten Maier et al. (2022a) an einem Testfeld am Oberrhein tiefenorientierte Pumpversuche mit einem Förderbrunnen mit drei Filterstrecken durch. Die Grundwasserentnahmen erfolgten nacheinander jeweils aus einer Tiefe. Die Absenkungen aller Versuche wurden in verschiedenen Abständen zum Förderbrunnen und verschiedenen Tiefen gemessen und gemeinsam mit einem Computermodell ausgewertet. In der vorliegenden Arbeit zeigen wir, dass die Interpretation von Absenkkurven bei Entnahme aus nur einer Tiefe zu Durchlässigkeitsbeiwerten führt, die vornehmlich die Bedingungen in der Entnahmetiefe widerspiegeln. Für die Bestimmung vertikaler Unterschiede der hydraulischen Durchlässigkeit und der hydraulischen Anisotropie ist es notwendig, Versuche mit mehreren Entnahmetiefen zu kombinieren. Der Arbeitsaufwand im Feld kann jedoch durch eine optimierte Beobachtungsstrategie reduziert werden.
      PubDate: 2022-07-18
      DOI: 10.1007/s00767-022-00519-0
       
  • Die Anpassung an den Klimawandel erfordert neue strategische Allianzen
           zwischen Hydrogeologie, Bodenkunde und Meteorologie

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      PubDate: 2022-07-05
      DOI: 10.1007/s00767-022-00518-1
       
  • Bildung von Senkungsmulden in Lösslehm durch subterrane Erosion

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      Abstract: Zusammenfassung Eine temporär aktive Bachschwinde nahe der Stadt Koblenz ermöglicht einen Einblick in den lokalen Grundwasserfluss im Rheinischen Schiefergebirge. Ein im Lösslehm ausgespülter Erosionstunnel leitet Oberflächenwasser ab, dessen unterirdischer Verlauf anhand vierer Senkungsmulden und durch einen Quellaustritt oberflächlich angezeigt wird. Die Entstehung der Senkungsmulden wird mit subterraner Erosion erklärt.
      PubDate: 2022-06-07
      DOI: 10.1007/s00767-022-00515-4
       
  • Eine Echtzeit-Online-Methode zur Beurteilung der künstlichen
           Grundwasseranreicherung und Grundwasserentnahme

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      Abstract: Zusammenfassung Eine nachhaltige Wasserversorgung in urbanen Gebieten stellt aufgrund des Nutzungsdrucks sowie vielfältiger anthropogener Einträge eine große Herausforderung dar. Künstliche Grundwasseranreicherung hat das Potenzial, den Wasserbedarf zu decken und ggf. vorhandene Schadstoffkonzentrationen zu verdünnen. Durch hohe Infiltrationsraten kann zudem eine hydraulische Barriere gegenüber Schadstoffen aus anliegenden Nutzungsflächen entstehen. Grundvoraussetzung, um diese Barriere so effektiv wie möglich nutzen zu können, ist die genaue Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Schutzfunktion. Im geschilderten Fallbeispiel für ein Trinkwassergewinnungsgebiet in der Nordschweiz präsentieren wir ein einfaches Online-Werkzeug. Es wird genutzt, um die große Menge der erhobenen Daten zu digitalisieren sowie um die Interpretation von Konturenkarten zu ergänzen, indem es die Auswertung erhobener Daten vereinfacht und Grundwasserfließrichtungen und -magnituden visualisiert. Die Ergebnisse können zur Beschreibung komplexerer Fließsysteme genutzt werden, was zu einer effizienteren Grundwasserbeobachtung führt.
      PubDate: 2022-06-02
      DOI: 10.1007/s00767-022-00517-2
       
  • Grundwasser- und Oberflächenwasserumsatz in Trinkwasservorkommen der
           Östlichen Bodenwöhrer Senke, Oberpfalz

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      Abstract: Zusammenfassung Die Östliche Bodenwöhrer Senke in der Oberpfalz, Bayern, bietet aufgrund ihrer besonderen geologischen Situation ergiebige Grundwasservorkommen in Keuper- und Oberkreidesandsteinen, die durch mehrere Wasserversorgungsunternehmen genutzt werden. Es wurde das verfügbare Grundwasserdargebot bestimmt sowie eine Bilanz des regionalen Grund- und Oberflächenwasserumsatzes erstellt. Zur Differenzierung von drei Hauptgrundwasserstockwerken wurde das Wasserbilanz-Modul eines Grundwasserströmungsmodells verwendet. Die isolierte Lage der Grundwasservorkommen innerhalb des umrahmenden kristallinen Grundgebirges bedingt einen weitgehend vollständigen Übertritt des Grundwassers in Flüsse und Bäche an den Randbereichen der Bodenwöhrer Senke. Anhand des Oberflächenwasserumsatzes, welcher durch Abflussmessungen während des Projektzeitraumes ermittelt wurde, konnte die modellgestützte Bilanz überprüft werden. Über die Messung von Grundwasserständen konnte die Veränderung des Grundwasserspeichers erfasst werden. Die Einzeljahre 2011 bis 2014 wichen aufgrund stark wechselnder klimatischer Bedingungen in beide Richtungen sehr deutlich vom Mittelwert ab. Ihr Mittel ergab dennoch ein nachhaltiges Grundwasserdargebot in der Bodenwöhrer Senke. Die Jahre 2015 bis 2020 dagegen führten aufgrund der Abfolge mehrerer trockener Jahre zu sinkenden Grundwasserständen und reduzierten Abflüssen.
      PubDate: 2022-05-31
      DOI: 10.1007/s00767-022-00516-3
       
  • Nachrichtenteil für Grundwasser-Heft 2/2022

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      PubDate: 2022-05-11
      DOI: 10.1007/s00767-022-00514-5
       
  • Identifikation von Stoffeinträgen aus dem Alterzbergbau in die
           Freiberger Mulde

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      Abstract: Zusammenfassung Die Freiberger Mulde, die einen Teil des Freiberger Reviers entwässert, weist hohe Schwermetall‑, Arsen- und Sulfatbelastungen auf. Besonders der Abschnitt zwischen Berthelsdorf und Siebenlehn ist stark durch den Alterzbergbau sowie die Bunt- und Edelmetallurgie geprägt. Das Ziel von zwei Messkampagnen war die Identifikation aller punktueller Einleiter in diesem Abschnitt, um mittels einer Frachtbilanzierung die wesentlichen punktuellen Einleiter sowie mögliche diffuse Zutritte von Arsen, Blei, Cadmium, Kupfer, Eisen, Nickel, Nitrat, Sulfat und Zink zu identifizieren. Hierbei wurden acht punktuelle Einleiter identifiziert, die maßgeblich für eine entsprechende Frachtzunahme im Untersuchungsgebiet verantwortlich sind. Die Aufstellung der Frachtbilanzen erfolgte nach einem vereinfachten Ansatz, der Rückschlüsse auf mögliche diffuse Zutritte oder Verluste durch z. B. Rückhalt, Abbau und Versickerung erlaubt. Dabei zeigte eine Bilanzierung über das gesamte Untersuchungsgebiet nur eine geringe Aussagekraft. Erst durch eine abschnittsweise Bilanzierung entlang des Untersuchungsgebietes wird ersichtlich, dass sich Eintrags- und Rückhalteprozesse abwechseln und möglicherweise innerhalb der Abschnitte überlagern. Dies liefert nützliche Erkenntnisse für weitere Betrachtungen der Belastungsursachen und die Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie im Einzugsgebiet der Freiberger Mulde.
      PubDate: 2022-04-29
      DOI: 10.1007/s00767-022-00512-7
       
  • Berechnung der kf-Werte geschichteter Aquifere aus geologischem Profil und
           Transmissivität

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      Abstract: Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird ein einfaches Verfahren zur Abschätzung der kf-Werte (Durchlässigkeitsbeiwerte) geschichteter Grundwasserleiter aus geologischem Profil und Transmissivität von Grundwassermessstellen vorgestellt. Vorausgesetzt ist dabei, dass die Mächtigkeiten der einzelnen Schichten sowie die Transmissivitäten, bestimmt aus Pumpversuchen, bekannt sind und die Anzahl der Pumpversuche größer oder gleich der Anzahl der Schichten ist. Die Berechnung der kf-Werte erfolgt durch die numerische Lösung eines überbestimmten Gleichungssystems, das mit Excel berechnet werden kann.
      PubDate: 2022-04-12
      DOI: 10.1007/s00767-022-00510-9
       
  • Erratum zu: Berechnung von Temperaturfahnen im Grundwasser mit
           analytischen und numerischen Modellen

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      PubDate: 2022-04-11
      DOI: 10.1007/s00767-022-00513-6
       
  • Amphibien in der Grundwasserforschung und was wir daraus folgern

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      PubDate: 2022-04-01
      DOI: 10.1007/s00767-022-00511-8
       
  • Berechnung von Temperaturfahnen im Grundwasser mit analytischen und
           numerischen Modellen

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      Abstract: Zusammenfassung Mit zunehmender Anzahl an Grundwasserwärmepumpenanlagen steigt auch das Potenzial an Nutzungsüberlagerungen. Im Rahmen des wasserrechtlichen Genehmigungsverfahrens ist es daher erforderlich, u. a. die von einer Anlage ausgehenden Temperaturfahnen im Grundwasser zu berechnen. In Baden-Württemberg wurde als Erweiterung des für Anlagen ≤ 45.000 gültigen Leitfadens des Umweltministeriums Baden-Württemberg kWh/a das Thermische Online-Modell (TOM) entwickelt. Hierbei handelt es sich um ein vereinfachtes, browserbasiertes, numerisches Grundwassermodell. Ziel dieser Studie ist, die mit TOM berechneten Ausdehnungen von Temperaturfahnen durch mit analytisch und einem kalibrierten numerischen Modell berechnete Temperaturfahnen zu evaluieren. Der Vergleich mit den analytischen Berechnungsmethoden zeigt, dass diese die Ausbreitung der Temperaturfahnen in Relation zu den numerischen Modellen grundsätzlich überschätzen. Für kleine und mittlere Anlagen (< 10 l/s) wurden mit TOM vergleichbare Ergebnisse wie mit einem kalibrierten numerischen Modell berechnet. Für größere Anlagen (Energieentzug > 45.000 kWh/, > 10 l/s) ist aufgrund der weiträumigeren Ausbreitung der Temperaturfelder, die Simulation mit einem kalibrierten numerischen Planungsmodell zu empfehlen.
      PubDate: 2022-03-07
      DOI: 10.1007/s00767-022-00509-2
       
  • Nachrichtenteil für Grundwasser-Heft 1/2022

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      PubDate: 2022-02-10
      DOI: 10.1007/s00767-022-00508-3
       
  • Am Limit' – Einschätzungen zur Grundwasserbewirtschaftung im
           Großraum Grünstadt (Rheinland-Pfalz)

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      Abstract: Zusammenfassung Im Großraum Grünstadt erfolgt die Wasserversorgung weitgehend dezentral aus Grundwasserleitern des Buntsandsteins. Dieser ist aufgrund der geologisch-tektonischen Verhältnisse räumlich komplex gegliedert. In Verbindung mit Abschätzungen zu Grundwasserfließrichtungen und Altersdatierungen ist eine Gliederung in bilanzierbare Teilräume möglich. Daten zu Grundwasserständen und zur Grundwasserbeschaffenheit weisen auf mitunter erhebliche Veränderungen seit etwa 1960 hin. Daten zu den Grundwasserentnahmen liegen erst ab 2013 vor. Die annähernd konstanten Absenkungsraten können als Entwicklung in der späten instationären Phase langfristiger, gering schwankender Grundwasserentnahmen interpretiert werden. Auf Basis der Wasserbilanz für den zentralen Bilanzraum wurde die dort zur Bilanzdeckung notwendige Grundwasserneubildung abgeschätzt. Sie wurde den Ergebnissen zweier methodisch unterschiedlicher Grundwasserneubildungsmodelle gegenübergestellt. Die dokumentierten Absenkungen lassen sich mit dem Neubildungsmodell auf Basis des flächendifferenzierten Bodenwasserhaushaltsmodells GWN-BW in Einklang bringen. Für den zentralen bilanzierten Teilraum ist von einer langfristig über der Grundwasserneubildung liegenden Grundwasserentnahme auszugehen.
      PubDate: 2022-01-21
      DOI: 10.1007/s00767-021-00505-y
       
  • Themenheft „Hydrogeologie der Festgesteine“

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      PubDate: 2022-01-20
      DOI: 10.1007/s00767-022-00507-4
       
  • Jenseits von Sichardt – empirische Formeln zur Bestimmung der
           Absenkreichweite eines Brunnens und ein Verbesserungsvorschlag

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      Abstract: Zusammenfassung Die Kenntnis der Absenkreichweite eines Brunnens ist eine für viele Anwendungen in der Hydrogeologie wichtige, aber nicht immer einfach zu bestimmende Größe. Häufig werden daher empirische Formeln zur Berechnung genutzt, im deutschen Sprachraum besonders die Formel von Sichardt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch einen Vergleich mit einem analytischen Modell der Brunnenzuströmung zunächst festgestellt werden, in welchem Bereich die Sichardt-Formel am besten funktioniert, nämlich bei sandig-kiesigen Grundwasserleitern mit einer Porosität um 30 % und einer Mächtigkeit von ca. 15 m. Um die Anwendbarkeit der Gleichung über diesen Bereich hinaus zu erweitern, d. h. für abweichende Porositäten und Mächtigkeiten, wurde ein Korrekturfaktor entwickelt, der einfach berechnet oder aus einem Nomogramm abgelesen werden kann. Da empirische Verfahren naturgemäß limitiert sind, kann für komplexere Aufgaben die Anwendung mathematisch anspruchsvollerer Modelle erforderlich werden.
      PubDate: 2021-12-09
      DOI: 10.1007/s00767-021-00500-3
       
 
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