Analysis of the influence of structures and boundaries on flow and transport processes in fractured porous media

Abstract

This thesis is focused on the evaluation of tracer-breakthrough curves for the purpose of identifying domain structures and material properties. Examples of such structures are single fractures, fracture systems, layers or lenses. The investigations are based on the analysis of numerically modelled as well as measured data of domains on laboratory-scale. The numerical simulations are conducted using a flexible model set-up allowing variations of domain characteristics as well as of boundary conditions.

First, the influence of impervious domain boundaries on flow and transport measurements is investigated. Initially, the general influence of boundaries on selected flow and transport variables is discussed. Subsequently, the significance of the influence of, on the one hand, impervious boundaries, and on the other hand, structures on the variation of selected variables of flow and transport is compared. The analysis is based on simulated tracer-breakthrough curves of one homogeneous system with exclusively boundary influence and of ensembles of heterogeneous systems with structure influence only. It is concluded that the influence of the boundaries is of the same magnitude as the influence of the structures. Finally, the sensitivity of tracer-breakthrough curves to structure variations depending on the existence of boundaries is investigated. For this purpose, simulation results from heterogeneous systems with and without impervious boundaries are compared. It is concluded that, in general, the sensitivity of flow and transport results is increased if the domain is limited by impervious boundaries. The investigations show that general predictions of the influence of boundaries on the flow and transport behaviour can only be made in exceptional cases for domains with very simple structure distributions. For more complex domains, boundary effects must be investigated individually in order to exclude unfavourable experimental or numerical set-ups and in order to interpret measured or simulated data correctly. The work presented demonstrates new ways of analysing different aspects of the boundary influence.

Second, possibilities and limitations of structure identification are investigated. Based on three groups of test cases of varying characteristics, typical shapes of tracer-breakthrough curves are discussed and the fundamental mechanisms that lead to a certain curve shape are identified. Using the experience gained, an approach which is based on the shape of tracer-breakthrough curves and the initial arrival times, is developed for locating structures and approximating their permeabilities. The identification result is first assessed by applying the approach to the known test cases. Subsequently, the applicability to unknown artificial as well as real cases is tested. For domains containing block-shaped structures the new approach yields satisfying results for both artificial and real domains. For domains containing a few significant fractures, it is a useful support for approximating the structure distribution. Despite deviations, the fundamental characteristics are approximated correctly. The newly developed approach should be considered as one possible method to be used in combination with all other available data in order to obtain accurate identification results.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Auswertung von "Tracer-durchbruchskurven" für die Identifikation von Strukturen und Materialeigenschaften. Beispiele solcher Strukturen sind Einzelklüfte, Kluftsysteme, Schichten und Linsen. Die Untersuchungen basieren auf der Analyse von sowohl numerisch modellierten als auch gemessenen Daten, die von Gebieten auf der Laborskala stammen.

Zunächst wird der Einfluss von undurchlässigen Gebietsrändern auf Strömungs- und Transportmessungen untersucht. Die Diskussion des generellen Einflusses von Rändern auf ausgewählte Strömungs- und Transportvariablen bildet eine Grundlage für die weiteren Untersuchungen. Darauffolgend wird die Stärke des Einflusses von undurchlässigen Rändern bzw. Strukturen auf die Variation von ausgewählten Strömungs- und Transportvariablen untersucht. Die Untersuchung basiert auf simulierten Duchbruchskurven von zwei Systemen mit jeweils ausschließlich Rand- bzw. Struktureinfluss. Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Ränder von ungefähr gleicher Größe wie der der Strukturen ist. Schließlich wird die Sensitivität von Durchbruchskurven gegenüber Strukturveränderungen in Abhängigkeit des Vorhandenseins von Rändern untersucht. Hierzu werden Simulationsergebnisse heterogener Systeme ohne bzw. mit undurchlässigen Rändern verglichen. Die Schlussfolgerung ist, dass die Sensitivität der Strömungs- und Transportergebnisse bei einer Begrenzung durch undurchlässige Ränder zunimmt. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass allgemeingültige Vorhersagen des Einflusses von Rändern nur in einfachen Ausnahmefällen gemacht werden können. Für komplexere Gebiete müssen Randeffekte speziell untersucht werden um einen ungünstigen experimentellen oder numerischen Aufbau zu vermeiden und um gemessene oder simulierte Daten korrekt zu interpretieren. Die vorgelegte Arbeit stellt neue mögliche Wege um verschiedene Aspekte des Randeinflusses zu analysieren vor.

Im zweiten Teil der Arbeit werden Möglichkeiten und Einschränkungen der Strukturidentifikation untersucht. Basierend auf drei Gruppen von Testfällen mit unterschiedlichen Struktureigenschaften, werden zunächst typische Formen von Durchbruchskurven diskutiert und die prinzipiellen Mechanismen, die zu bestimmten Kurvenformen führen identifiziert. Anschließend wird ein neuer Ansatz zur Approximation der Lage von Strukturen und deren Permeabilitäten, der auf der Form mehrerer Durchbruchskurven sowie der Erstankunftszeit basiert, entwickelt. Der Ansatz wird zunächst mithilfe der bekannten Testfälle evaluiert. Im folgenden Schritt wird die Anwendbarkeit anhand unbekannter künstlicher und natürlicher Gebiete getestet. Für Gebiete, die blockförmige Strukturen beinhalten, werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Beinhaltet ein Gebiet einige Einzelklüfte, so stellt der Ansatz eine hilfreiche Unterstützung für die Approximation der Strukturverteilung dar. Trotz Abweichungen werden grundlegende Charakteristiken korrekt angenähert. Der Entwickelte Ansatz sollte als eine mögliche Methode betrachtet werden, die in Kombination mit anderen zur Verfügung stehenden Informationen zu einer hinreichend genauen Identifikation führen kann.