Modellierung von Strömungs- und Transportprozessen in geklüfteten Medien
Die Nutzung von Festgesteinen, z.B. als radioaktive Endlagerstätte oder als Geothermie-“Reaktoren“ werfen eine Vielzahl von Fragestellungen auf. Insbesondere Sicherheitsfragen in Bezug auf die Schadstoffausbreitung im Festgestein (z.B. Deponiesickerwasser, landwirtschaftlicher Eintrag ins Grundwasser, etc.) sind von besonderem Interesse. Um diese sehr komplexen Fragestellungen zu beantworten, müssen zum einen die natürlichen Eigenschaften des Festgesteins besser charakterisiert und zum anderen ein verbessertes Prozessverständnis der Strömungs- und Transporteigenschaften im Kluft-Matrix-System entwickelt werden.
Die Diskontinuitäten im Festgestein (Scherzone, Feinkluft, Grobkluft) beeinflussen maßgeblich die Strömungs- und Transportvorgänge. Sie geben z.B. die Strömungsrichtung aufgrund ihrer Orientierung unabhängig von der Hauptstromrichtung vor, sodass es zu einer Querströmung kommen kann. Die Porosität und Permeabilität des Gesteins kann unter anderem durch die Konnektivität der Klüfte, ihre Orientierung und ihrer Öffnungsweite beschrieben werden. Sind Klüfte plombiert (z.B. mit Lehm verfüllt), so dienen sie als Barrieren für den Strömungsprozess, wohingegen offene Klüfte den Stofftransport begünstigen und gegenüber einem porösen Medium beschleunigen. Die Gesteinsmatrix besitzt dagegen einen hohen Speicheranteil und kann die Stoffe im Festgestein über geringe Fließgeschwindigkeiten dem System wieder zuführen. Die numerische Beschreibung der beiden unterschiedlichen physikalischen Prozesse (Speicherkoeffizient, Fließgeschwindigkeiten) in der Matrix und den Klüften ist eine der Herausforderungen bei der Modellierung.
Zur Beschreibung der charakteristischen Festgesteinseigenschaften wurde der Kluftgenerator FRAC3D weiterentwickelt (Assterawatt [2008], Silberhorn-Hemminger [2004], Neunhäuserer [2003]). Die im Labor und im Feld gemessenen Klufteigenschaften können direkt und als geostatistisch oder stochastisch verteilte Funktionen dem Programm zugeführt werden. Die gemessenen geologischen Eigenschaften werden dem Programm FRAC3D in Form von Parametern zugewiesenen, welches dann ein Modellgebiet mit der in der Natur vergleichbaren Kluftdichte generiert. Der Kluftgenerator stellt somit das Bindeglied zwischen Natur und dem numerischen Modell dar.
Darauf aufbauend können die Strömungs- und Transportprozesse diskret beschrieben werden. Für eine diskrete Betrachtungsweise muss die Lage von Klüften (Scherzonen, etc.) genau bekannt sein. Die diskrete Modellierung beschränkt sich aufgrund der hohen Rechnerleistung auf kleinere Betrachtungsgebiete. Werden die Strömungs- und Transportprozesse auf einer größeren Skala betrachtet (z.B. Einzugsgebietsebene), so können diese mit Multi-Kontinuumsmodellen beschrieben werden. Die Matrix und die Klüfte werden hier jeweils als Kontinua approximiert (Lang [1995]).
Ein weiterer Ansatz zur Modellierung von Strömungs- und Transportprozesse ist das Multiple Interacting Continua (MINC) Modell. Die Matrixblöcke sind hier nur über die Klüfte verbunden. Jeder Matrixblock enthält eine frei wählbare Unteranzahl an Kontinua. Je weiter ein Kontinuum von der Kluft entfernt ist, desto kleiner ist deren Einfluss.