Uni-Bayreuth

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Hochaufgelöste Säulen- und Sandboxexperimente zur Untersuchung kleinskaliger Strömungs- und Transportprozesse

Andreas Englert1, Musch Thomas2, Gevers Martin2, Gebhardt Patrik2, Groth Sven1, Kersting Roland1, Gökpinar Thorsten1
1 Hydrogeologie, Ruhr-Universität Bochum
2 Elektronische Schaltungstechnik, Ruhr-Universität Bochum

P 5.3 in Geophysical methods in hydrogeology

Die Qualität von Risikobewertungen und Sanierungen kontaminierter Standorte sowie die effektive Nutzung von Grundwasser hängt entscheidend vom Verständnis der Strömung und des reaktiven Transports im geologischen Untergrund ab. Hierzu notwendige Untersuchungen an jedem Punkt im Untergrund sind aber nicht durchführbar, daher werden Verfahren benötigt, um Strömungs- und Transportprozesse hochzuskalieren. Da mathematische und numerische Methoden zum Hochskalieren weiterhin eine Herausforderung darstellen und neue Entwicklungen bezüglich solcher Methoden überprüft werden müssen, ist es nötig experimentell zu untersuchen wie Strömung und Transport skalieren. Hierbei ist insbesondere die Hochskalierung von der Poren bis zur Meterskala interessant, da viele numerische Modellierungen auf einer räumlichen Diskretisierung im Meterbereich basieren.

Unser kürzlich entwickeltes Verfahren zum experimentellen Hochskalieren basiert auf der Kombination von Säulen- und Sandboxexperimenten und funktioniert wie folgt: In einem ersten Schritt wird eine kubische Darcyzelle (0,1 m x 0,1 m x 0,1 m) genutzt um experimentell Strömungs- und Transportcharakteristika eines Lockersediments zu bestimmen. Hierbei wird experimentell von der Poren- auf die dm-Skala hochskaliert. In einem zweiten Schritt wird die, mit Sediment gefüllte Darcyzelle eingefroren und anschließend der gefrorene Sedimentwürfel aus der Darcyzelle ausgebaut. In einem dritten Schritt werden neun solcher gefrorener Sedimentwürfel in ein Sandboxmodell eingebaut, so dass ein 0,3 m x 0,3 m x 0,1 m großer Sedimentkörper entsteht. Schließlich, nachdem der Sedimentkörper aufgetaut ist, kann im Sandboxexperiment die Strömung und der Transport durch den Sedimentkörper untersucht werden. Dieses Verfahren erlaubt es somit Strömung und Transport sukzessiv von der Poren auf die dm-Skala und weiter auf die m-Skala hochzuskalieren.

Erste Ergebnisse des kürzlich entwickelten Verfahrens zeigen, dass es möglich ist Sedimentwürfel herzustellen, diese aus der kubischen Darcyzelle zu extrahieren und in ein Sandboxexperiment einzubauen. Unsere momentanen Experimente zielen nun darauf ab, die Charakterisierung von Strömung und Transport in Sedimentwürfeln und daraus geformten Sedimentkörpern zu verbessern. Hierzu wurde ein neues Sensor System zur hochaufgelösten Messung von elektrischen Leitfähigkeiten entwickelt. Das Sensor System besteht aus 13 Miniaturelektroden, welche einerseits die elektrischen Leitfähigkeiten im Ein- und Auslauf der kubischen Darcyzelle und des Sandboxexperiments (ensemble Durchbruchskurven), andererseits aber auch im Inneren eines jeden Sedimentwürfels (lokale Durchbruchskurven) messen können. Die kombinierte Analyse von lokalen und ensemble Durchbruchskurven wird nicht nur eine genaue Hochskalierung von Transport, sondern auch eine genaue Untersuchung der Beziehung zwischen der räumlichen Anordnung von hydraulischen Leitfähigkeiten und dadurch induzierten Transportphänomenen erlauben.

 

 

last modified 2014-03-24