Praktische Analyse von Perkolationsnetzwerken

Adalbert Huss1
1 HPC AG

6.6 in Hydrogeologie in der Praxis

Eines der wesentlichen Hemmnisse in der hydrogeologischen Methodenentwicklung ist die große Variabilität natürlicher Grundwasserleiter. Für einfache, idealisierte Fälle können häufig analytische Lösungen gefunden werden, welche jedoch nur mit Einschränkungen auf reale, inhomogene Aquifere übertragen werden können. Mangels geeigneter Ansätze greift der Systemanalytiker daher häufig auf grob vereinfachende Idealisierungen zurück, welche den tatsächlichen Verhältnissen kaum gerecht werden. So werden bei der modellgestützten Systemanalyse die hydraulischen Eigenschaften von Festgesteinsaquiferen fast regelmäßig an lithologische und stratigraphische Klassifikationen gekoppelt. Dabei weiß man sehr wohl, dass die hydraulische Durchlässigkeit eines Festgesteins keine Eigenschaft der Lithologie ist, sondern vom Vorhandensein von Perkolationsnetzwerken abhängt. Perkolationsnetzwerke sind jedoch das Ergebnis strukturgeologischer Entwicklungen und stehen in einem engen Zusammenhang sowohl mit der Überdeckung als auch der Art und Entstehung tiefreichender tektonischer Trennflächen.

Eine direkte Analyse von Perkolationsnetzwerken durch Messung von Trennflächenscharen scheitert in der Praxis häufig an der geringen Dichte und der ungleichmäßigen Verteilung der Aufschlüsse. Hier können indirekte Verfahren zur Anwendung kommen, welche z. B. die Dimensionalität des Perkolationsnetzwerkes aus der Signalausbreitung ableiten. Das Ergebnis ist eine Maßzahl zwischen 1 und 3, welche in Verbindung mit einer strukturgeologischen Analyse zur Entwicklung einer Modellvorstellung des Perkolationsnetzwerkes herangezogen werden kann.

Der Vortrag zeigt nach einer kurzen Einführung in die Perkolationstheorie und ihrer Bedeutung in der Hydrogeologie die Analyse eines Perkolationsnetzwerkes an einem praktischen Beispiel. Wesentliches Element ist hierbei die Signalausbreitung entlang größerer Verwerfungen in Verbindung mit einer strukturgenetischen Analyse und der beobachteten Potenzialverteilung. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der sog. kritischen Perkolation, einer Schwelle, welche für einen gegebenen Trennflächentyp den Übergang von hydraulischer Durchlässigkeit zur Undurchlässigkeit charakterisiert. In Verbindung mit einer stufenweise erweiterten, „evolutionären“ Modellentwicklung kann so eine konsistente Vorstellung von der Zonierung des Grundwasserleiters entwickelt werden.

Evolution eines Modellkonzepts unter schrittweiser Einbeziehung von Perkolationsnetzwerken
Evolution eines Modellkonzepts unter schrittweiser Einbeziehung von Perkolationsnetzwerken



Hunt, A. G. (2005): Percolation theory and the future of hydrogeology. – Hydrogeol J, 13: 202-205

Hunt, A. Ewing, R. Ghanbarian, B. (2014): Percolation Theory for Flow in Porous Media. –    Lect. Notes Phys., vol. 880, 3rd ed., Springer, Berlin.

Stauffer, D. & Aharony, A. (1994) Introduction to Percolation Theory. – 2nd ed., CRC Press, London.