Stofftransportvorgänge in Festgesteinsaquiferen: Analyse von Tracerdurchbruchskurven zur Identifikation eines geeigneten Mehrkontinuum-Ansatzes

Lagendijk, Vincent Robert; Köngeter, Jürgen

doi:25699

Stofftransportvorgänge in Festgesteinsaquiferen: Analyse von Tracerdurchbruchskurven zur Identifikation eines geeigneten Mehrkontinuum-Ansatzes

Lagendijk, Vincent Robert (Author)

2004

VerantwortlichkeitsangabeVincen Robert Lagendijk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXX, 215 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-01-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7599
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-123583
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61982/files/61982.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kluftgrundwasserleiter (Genormte SW) ; Grundwasserstrom (Genormte SW) ; Stoffübertragung (Genormte SW) ; Tracer (Genormte SW) ; Durchbruchskurve (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mehrkontinuum (frei) ; charakteristische Kurven (frei) ; geklüftet poröse Medien (frei) ; numerische Simulation (frei) ; Geohydrologie (frei) ; Tracerdurchbruchskurve (frei) ; Faltungssatz (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Festgesteinsaquifere zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass innerhalb der Trennflächen (Klüfte) die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers bis zu mehreren Größenordnungen über derjenigen in der angrenzenden Gesteinsmatrix liegen kann. Bedingt durch diesen Kontrast ergeben sich bevorzugte Fließwege innerhalb der Klüfte. Die umgebende Gesteinsmatrix wirkt hingegen bei Transportprozessen meist als Speichermedium. Diese ausgeprägten Heterogenitäten werden bei Labor- und Feldversuchen oft als „Abnormalitäten” in der Durchbruchskurve erkannt. Solche „Abnormalitäten” können z.B. ausgeprägtes Tailing, plötzliche Neigungswechsel o.ä. sein. Die Ausprägung der Charakteristika ist dabei neben den hydraulischen Eigenschaften der beteiligten Komponenten (Trennflächen und Gesteinsmatrix) abhängig von der Skala (Transportentfernung) und Art der Versuchsdurchführung. Mehrkontinuum-Modelle sind effiziente numerische Hilfsmittel zur Simulation von Strömungs- und Stofftransportprozessen in Kluftaquiferen. Obwohl entsprechende Simulatoren verfügbar sind, ist die Anwendbarkeit der Mehrkontinuum-Modelle für Kluftaquifere erst dann gegeben, wenn eine Methode zur Identifikation des integralen Stofftranportverhaltens zur Verfügung steht. In der hier vorgestellten Dissertation wird eine Erweiterung der bestehenden Methode zur Charakterisierung eines multiporösen Festgesteinsaquifers präsentiert. Die vorhandene Methode beruht auf charakteristischen Größen, die die Wertigkeit der Austauschprozesse zwischen den beteiligten Komponenten beschreiben. Neben den charakteristischen Größen existieren typisierte Tracerdurchbruchskurven zu einer zeitlich unbegrenzten Tracereinleitung, die bei der Identifikation des Systems zur Verfügung stehen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellte erweiterte Methodik zur Typisierung eines Festgesteinsaquifers berücksichtigt die limitierten Erkundungsmöglichkeiten im Feld und stellt ein Bindeglied zwischen den bereits mittels numerischer Experimente entwickelten Identifikationsverfahren und experimentell bestimmbaren Größen dar. Die neu entwickelte Methode zur Auswertung der Durchbruchskurven einer zeitlich begrenzten Tracerzugabe transformiert die Ergebnisse in eine Form, die die Anwendung der bereits vorhandenen Methodik zur Identifikation eines geeigneten Mehrkontinuum-Modells zulässt. Damit steht eine Methodik zur Verfügung, die für die Auswertung von Tracerversuchen im Labor und Feld herangezogen werden kann. In einem Anwendungsbeispiel werden zunächst diskrete numerische Experimente für Strömungs- und Stofftransportprozesse zur Charakterisierung der Eigenschaften des Aquifers durchgeführt. Die Auswertung der Stofftransportexperimente zeigt, dass die Untersuchungen mit begrenzter Tracerzugabe sehr gut eingesetzt werden können, um die Durchbruchskurve einer zeitlich unbegrenzten Tracerzugabe vorherzusagen. Die prognostizierten Durchbruchskurven einer zeitlich unbegrenzten Tracerzugabe werden abschließend zur Identifikation eines geeigneten Mehrkontinuum-Ansatzes verwendet. Die identifizierten möglichen Mehrkontinuum-Ansätze zu den einzelnen Varianten des Anwendungsbeispiels werden abschließend erfolgreich umgesetzt.

Characterizing flow and transport processes in fracured porous media is an essential issue to the modeling and experimental community. This thesis focuses on the analyzis of tracer breakthrough curves in such media. The basic idea is to develop a method which allows for using tracer pulses as boundary conditions with respect to transport and transforming the given signal (breakthrough curve) of the efluent to that signal provided by infinite tracer injection. The necessity for this transformation arises because of the better comparibility for breakthrough curves due to continuous injection. For those breakthrough curves a variety of studies has been performed identifying the number of components relevant for flow and transport in fractured porous media. In this thesis now a method to transform pulse signals to continuous signals and corresponding criteria for validity is presented. The transformed signals are then used to characterize the medium under consideration. With this characterization (i.e. single porous and single permeable, double porous and single permeable, double porous and double permeable, etc.) a multicontinuum approach is chosen. The results of the multicontinuum model are then compared to those of a discrete modeling approach. The data of the discrete model are supposed to be the field data.

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