Kluft-Matrix-Systeme

Projekt Kurzbeschreibung:
Die meisten Felsgesteine sind infolge ihrer Entstehungsgeschichte zerklüftet. Das Grundwasser fließt im geklüfteten Gebirgskörper hauptsächlich durch das Netzwerk der miteinander verbundenen Klüfte, entlang derer die Advektion der dominante Stoffprozess ist. Innerhalb der porösen Gesteinsmatrix sind die Fließgeschwindigkeiten deutlich geringer. Das Speichervermögen, welches das instationäre Strömungsverhalten maßgeblich bestimmt, ist jedoch in der Gesteinsmatrix um mindestens eine Größenordnung größer als in den Klüften. Ebenso werden zeitliche Verzögerungen von Stofftransportvorgängen (tailing) durch Adsorption und Diffusion in die Gesteinsmatrix hervorgerufen. Um Strömungs- und Stofftransportvorgänge in einem geklüfteten Gesteinskörper auf lokaler Betrachtungsebene berechnen zu können, ist daher die Modellierung der diskreten Klüfte erforderlich. Für die vektoriellen Daten wird eine zweidimensionale Fisher-Verteilung angenommen. Die Hauptkluftrichtungen werden anhand der Belegungsdichte der Polpunktprojektion ermittelt. Für die skalaren Kluftparameter, z.B. die Kluftlänge, werden geeignete statistische Verteilungsfunktionen angepasst.

• Die Strömung in der Kluft kann mit dem "cubic law" beschrieben werden, wonach die Durchlässigkeit der Kluft proportional zum Quadrat der Kluftöffnungsweite ist. Der Fluiddruck wird über die Kluftdicke als konstant angenommen.
• Die Öffnungsweite liegt im Sandstein bei einer Größenordnung von einigen Mikro- bis zu einigen Millimetern. Der Stofftransport in den Klüften ist hochadvektiv. Der Transport der Stoffe in die Gesteinsmatrix hinein ist stärker durch die Diffusion bestimmt. Numerisch erfordert dies eine spezielle Behandlung.
• Um geklüftete Grundwasserleiter realitätsnah modellieren zu können, müssen für die stochastische Generierung von Kluftnetzen statistische Kluftparameter erhoben werden. Mit den statistischen Kluftparametern werden dreidimensionale stochastische Kluftnetze erzeugt. Die statistischen Kluftparameter bestehen aus vektoriellen Daten, die die Raumlage der Klüfte beschreiben. Die skalaren Grössen sind die Kluftlänge und die Kluftöffnungsweite.
• Die Klüfte sind auf Grund der größeren Fließgeschwindigkeit dominante Wege für den Stofftransport. Ausgehend von den hohen Konzentrationen in der Kluft verteilen sich die mitgeführten Stoffe in die umgebende Gesteinsmatrix. Normal zur Kluft nimmt die Konzentration schnell ab. Um die Stoffverteilung optimal approximieren zu können, werden Knotenreihen parallel zur Kluft in logarithmischen Abständen generiert. Normal zur Kluftrichtung werden schlanke Elemente generiert. Im Schnittpunkt der Klüfte kann sich ein Fließkanal ausbilden.
• Die Simulation von Strömung und Stofftransport in geklüftetem Sandstein zeigt deutlich die charakteristischen Prozesse. Die Fließgeschwindigkeit in den Klüften ist wesentlich größer als im Gesteinsmaterial. Die Richtung der Klüftung bestimmt die Potentialverteilung. Über miteinander verbundene Klüfte bilden sich dominante Fließwege aus. Mitgeführte Stoffe werden über die Klüfte in den Sandstein transportiert.