Original paper
Geostatistische Reliefmodellierung der quartären Grundwasserleiterbasis in der Münchener Schotterebene unter Verwendung von Massendaten
[Geostatistical relief modelling of the Quaternary aquifer basis in the Munich Gravel Plain with the use of big datasets.]
Albarrán-Ordás, Alberto; Zosseder, Kai
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 171 Heft 1 (2020), p. 1 - 19
31 references
published: Apr 17, 2020
published online: Feb 10, 2020
manuscript accepted: Nov 16, 2019
manuscript revision received: Oct 31, 2019
manuscript revision requested: Aug 30, 2019
manuscript received: Jul 24, 2019
ArtNo. ESP171017101000, Price: 29.00 €
Kurzfassung
Die Münchener Schotterebene (MSE) ist aus glaziofluviatilen Schottern aufgebaut und beherbergt auf einer Fläche von 2 250 km2 eines der ergiebigsten Grundwasservorkommen Europas. Für die Nutzung dieses Reservoirs ist eine detaillierte Beschreibung der Mächtigkeit dieses Grundwasserleiters von großer praktischer Bedeutung. Sie wird generell bestimmt durch die stratigrafische Grenze zwischen dem quartären Schotter und den limnisch-fluviatilen Sedimenten der Oberen Süßwassermolasse, welche die Grundwassersohle des quartären Aquifers bildet. Grundlegend für die Ausprägung dieser Grenzschicht ist das im Tertiär und Quartär angelegte Entwässerungssystem. Um dieses System genau zu beschreiben, wurde die stratigrafische Ansprache von ca. 30 000 Bohrungen ausgewertet. Diese dienten als Basis, um die räumliche Abhängigkeit der Lage der Quartär/Tertiär-Grenze in den Bohrungen über Variogramm-Analysen zu untersuchen. Hieraus ergibt sich eine maximale räumliche Korrelation der Reliefstrukturen in NO-Richtung (70°), speziell im Münchner Stadtgebiet. Anhand dieser räumlichen Abhängigkeiten wurde eine detaillierte Universal-Kriging-Schätzung der Relieffläche in der Stadt mit einem Meter Höhenauflösung durchgeführt. Bedingt durch die großen Unterschiede in der Bohrungsdichte im Umland ist ein differenziertes „Cell-Declustering“ von 100 m im Münchner Stadtgebiet und 200 m im Großraum angewendet worden, um eine repräsentative Schätzung der quartären Grundwasserleiterbasis auf der gesamten Fläche der Schotterebene zu erhalten. Durch die detaillierte geostatistische Modellierung der Relieffläche ergibt sich ein sehr heterogenes Bild der Quartär-Tertiär-Grenzfläche in der Münchener Schotterebene mit vielen mäanderartigen Rinnen und Hochflächen. Auf Basis dieser modellierten Grundwassersohle konnte die grundwassererfüllte Mächtigkeit in der Münchener Schotterebene detailliert dargestellt werden. Dies stellt einen großen Mehrwert für die Planung von Grundwasserentnahmen dar. Darüber hinaus wurde zur weiteren Unterstützung der Planungssicherheit für Grundwassernutzungen eine räumliche Unsicherheitsanalyse in Abhängigkeit der Bohrdichte und der räumlichen Varianz der Grenzschicht für die Schätzung der Grundwassersohle durchgeführt. Durch die hohe Bohrungsdichte im Stadtgebiet München ergibt sich dort eine mittlere Standardabweichung von nur 1,25 m für die modellierte Höhe der Grundwassersohle. Die weitaus geringere Bohrungsdichte im Umland erhöht die Aussageunsicherheit auf eine mittlere Standardabweichung von 4,34 m.
Abstract
The Munich Gravel Plain (MGP) is formed by glacio-fluvial coarse-grained gravels and hosts, with an overall area of 2,250 km2, one of the most productive groundwater occurrences of Europe. Thus, a detailed description of the aquifer thickness is of great practical importance with regard to its reservoir exploitation. Aquifer thickness is generally determined by the stratigraphic boundary between the Quaternary gravels and the underlying fluvio-lacustrine successions of the Upper Freshwater Molasse. This boundary represents the basis of the upper Quaternary aquifer. It was shaped by the drainage system established in Tertiary and Quaternary time. In order to analyse this system, the stratigraphic descriptions of approximately 30,000 drilling profiles were qualitatively controlled and evaluated. These were used as the basis for analysing the spatial dependence of the Quaternary/Tertiary boundary in the borehole data by means of variogram analysis. In the urban area of Munich, a geometric anisotropy with a major range was detected at an azimuth angle of 70°. Based on the spatial dependences a detailed geostatistical Universal Kriging was implemented to estimate the relief with contour lines at intervals of 1 m. Due to the lack of statistical representativeness in terms of relatively large differences in the density of boreholes in the surrounding areas, a differentiated cell-declustering of 100 m and 200 m was applied respectively in the urban and the greater areas. It is thus intended to obtain a representative estimate of the Quaternary aquifer basis over the entire MGP. Detailed geostatistical modelling of the relief surface results in a very heterogeneous picture of the Quaternary/Tertiary boundary in the MGP with the presence of both meander-shaped channels and plateaus. Based on the modelled relief, the groundwater-saturated thickness of the MGP is displayed in detail. This provides considerable additional value for the planning of future groundwater uses. Moreover, in order to further improve planning certainty, a spatial uncertainty analysis of the aquifer basis is provided defining the tolerance limits of the estimation as a function of density and spatial variance. Due to the high density of boreholes in the urban area, the mean standard deviation there is as low as 1.25 m. The much lower data density in the surrounding areas considerably increases the uncertainty to a mean standard deviation of 4.34 m.
Keywords
Münchener Schotterebene • Grundwasserleiterbasis • Quartärbasis • Geostatistik • Universal Kriging • Reliefmodellierung • Grundwassererkundung • Geothermie • Munich Gravel Plain • aquifer basis • Quaternary basis • geostatistics • Universal Kriging • relief modelling • groundwater reconnaissance • geothermics