Modellierung von Kluftaquifersystemen: Geostatistische Analyse und deterministisch-stochastische Kluftgenerierung

Abstract

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Untersuchung des räumlichen Verhaltens von Klüften unter Anwendung einer geostatistischen Analyse sowie in der Entwicklung eines Kluftgenerators zur dreidimensionalen deterministisch - stochastischen Simulation von Kluft - Strukturmodellen. Diese Strukturmodelle dienen als Basis für eine anschließende numerische Modellierung der Strömungs- und Transportprozesse in einem Kluftaquifersystem.

Zunächst gilt es, Kriterien und Eigenschaften festzulegen, mit deren Hilfe ein geklüftetes Gestein charakterisiert werden kann. Diese Kriterien und Eigenschaften müssen im Feld oder im Labor qualitativ und quantitativ zu erfassen und beispielsweise durch einen funktionalen Zusammenhang zu beschreiben sein. Für den Aufbau eines Strukturmodells ist in erster Linie die geometrische Beschreibung eines Kluftsystems von Interesse. Hierzu wird das Kluftsystem bzw. die Kluft in einzelne Komponenten zerlegt. Man muss dabei beachten, dass die ursprüngliche "Einheit" eines Kluftsystems durch diese Vorgehensweise aufgegeben wird.

Eine univariate statistische Analyse der einzelnen Kluftparameter liefert keinen Hinweis auf die räumliche Variabilität der einzelnen Parameter. Eine zusätzliche geostatistische Analyse bietet die Möglichkeit, weitere Informationen, insbesondere bzgl. des räumlichen Verhaltens der Klüfte, erlangen zu können. Dadurch ist eine umfassendere Charakterisierung des Kluftsystems gegeben. Am Beispiel der geostatistischen Analyse des Kluftaquifersystems Pliezhausen werden die Oberflächenkartierungen der Kluftspuren des Feldversuchsblocks hinsichtlich ihrer räumlichen Variabilität untersucht und die Ergebnisse vorgestellt.

Der entwickelte 3D - Kluftgenerator FRAC3D, mit dem Kluft - Strukturmodelle, die die Basis für die diskrete Modellierung von Strömungs- und Transportvorgängen im geklüfteten Gestein darstellen, generiert werden können, wird vorgestellt. Die Kluftgenerierung hat hierbei die Aufgabe, basierend auf den im Feld und im Labor aufgenommenen Strukturinformationen, ein diskretes Strukturmodell zu erstellen. Sie stellt dabei das Bindeglied zwischen der Natur und dem numerischen Modell dar.

Anhand ausgewählter Beispielrechnungen wird die erfolgreiche Modellbildung mit den Teilschritten Kluftgenerierung, Netzgenerierung sowie Strömungs- und Transportsimulationen von Kluftaquifersystemen aufgezeigt.

This study focuses on the geostatistical investigation and analysis of the spatial variability of fractures, and the development of a fracture- generating program, which simulates 3D deterministic and stochastic structural models of fractured systems. The structural models are the basis of the subsequent discrete numerical simulation of the flow and transport processes in a fracture aquifer.

First, the criteria and properties which characterize a fractured rock system have to be specified. These criteria and properties have to be measurable in a qualitative and quantitative sense in the laboratory or in the field. In order to simulate a structural model, the geometrical description of the fracture aquifer is most important. To this end, one has to split up the complex fracture system into single components. The original "unity" of a fracture system is given up.

The use of the discrete modeling approach to simulate flow and transport processes in fractured porous media requires the discrete description of the fractures in space within a structural model. However, fractured media are very heterogeneous, and hence extremely difficult to characterize. Beside a univariate statistical analysis of the fractured media, additional geostatistical analyses provide further insight into the spatial behavior of the fractures. On the basis of the geostatistical analysis of the fracture traces at the field site Pliezhausen, the spatial variability of the fractures is investigated and the results are presented.

In order to describe the real fracture - matrix system within a structural model, a fracture - generating program is presented. The fracture – generating program represents the link between nature and the numerical model. The program deals with deterministic and/or stochastic fracture data. Beside that, the program provides the interfaces for the mesh generating and for the numerical flow and transport program.

Selected model simulations are presented, showing successful modeling with the steps fracture generation, mesh generation, and flow and transport simulation of fracture aquifers.