Uni-Bayreuth

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Particle Tracking in heterogenen geklüfteten sedimentären Formationen – Anwendung auf die Effinger Schichten

Matthias Willmann1, Alina Tyukhova1, Wolfgang Kinzelbach1
1 Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich

O 2.8 in Hydrogeologie von Hardrock und Kluftgesteinen / Grundwasser und Karst

29.05.2014, 12:40-13:00, H17, NW II

 

 

In der Schweiz werden zur Zeit verschiedene geklüftete sedimentäre Formationen auf ihr Potential als mögliche nukleare Endlagerstandorte untersucht.

Um Transport in grossskaligen, heterogenen Modellen mit mehreren Millionen Zellen  zu untersuchen, muss Particle Tracking angewendet werden, da eine direkte Lösung der Transportgleichung numerisch zu aufwendig ist. Da in sedimentären Formationen die Durchflüsse in der Matrix oft in der selben Grössenordnung wie in den Klüften sind, kann die Matrix nicht – wie in kristallinen Formationen – ignoriert oder als Matrixdiffusion angenähert werden. Die direkte Berechnung von Partikelpfaden in Klüften und Matrix ist konzeptionell schwierig. Die Hauptprobleme sind: (1) das Verhindern des Überspringens von Klüften, wenn Partikel sich in der Matrix bewegen, und (2) das unklare Verhalten beim Ausspülens der Partikel aus den Klüften.

Wir haben eine neue Particle Tracking Methode entwickelt, die diese Probleme löst (Willmann et al., 2013). Analog zu den meisten Strömungssimulationen nehmen wir unser Medium als eine Superposition von 3D Matrixströmung und 2D Kluftströmung an. Diese Systeme könne Partikel austauschen; nur dass der Austausch von Partikeln nicht nur - wie bei der Strömung - an den Knoten stattfindet, sondern auf der gesamten Fläche der Klüfte. Als Vereinfachungen wird das Kluftsystem als orthogonal angenommen, wie es in Hydrogeossphere implementiert wurde (Graf & Therrien, 2008). Komplexe Kluftsysteme müssen daher gut aufgelösten werden um die nötige Genauigkeit der Strömungsfelder zu erhalten. Da aber die Strömungssimulationen der zeitaufwendigste Teilschritt ist, stellt dies in den meisten Fällen kein Problem dar. Durch das orthogonale Kluftsystem kann die Pollockmethode (Pollock, 1994) verwendet werden, die die Partikelschritte  immer bis zum Zellenrand rechnet und so nur nach jedem Partikelschritt in der Matrix geprüft werden muss, ob sich am jeweiligen Zellenrand eine Kluft befindet. Die Auswaschung der Klüfte wurde in Abhängigkeit der jeweiligen Matrixströmung und der Kluftbreite gerechnet.

Die neu entwickelte Methode wurde schliesslich auf die Effinger Schichten (Gautschi & Schnellmann, 2007) angewandt, einer Formation in der Nordostschweiz, die gegenwärtig als möglicher Endlagerstandort untersucht wird. Die Ergebnisse wurden dann in Bezug auf effektiveTransporteigenschaften dieser Formation analysiert.



Gautschi, A. & A. Schnellmann (2007): Konzeptuelles hydrogeologisches Modell der Effinger Schichten. AN 07-205, Nagra Bericht, Wettingen.

Graf, T. & R. Therrien (2008): A method to discretize non-planar fractures for 3D subsurface flow and transport simulations,  Numerical Methods in Fluids, 56(11), 2069-2090.

Pollock, D. (1994): User’s Guide for MODPATH/MODPATHPLOT, Version 3: A particle tracking post-processing package for MODFLOW, the USGS finite difference groundwater flow model, USGS Open-File Report 94, 234p.

Willmann, M., G. W. Lanyon, P. Marschall & W. Kinzelbach (2013): A new stochastic particle-tracking approach for fractured sedimentary formations,  Water Resour. Res., 49, doi:10.1029/2012WR012191.



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Letzte Änderung 01.11.2013