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Technical Report NTB 92-04

Hydrodynamic Synthesis and Modeling of Groundwater Flow in Crystalline Rocks of Northern Switzerland

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Der vorliegende Bericht beschreibt die Methoden und Resultate einer umfassenden hydrogeologischen Synthese des kristallinen Grundgebirges der Nordschweiz. Diese Studie ist ein wichtiger Bestandteil eines regionalen geologischen Untersuchungsprogramms, das die Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) in den Jahren 1981 – 1993 in der Nordschweiz durchgeführt hat. Im Rahmen des schweizerischen Programms für die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle (HAA) hat die Phase KRI-I das Ziel, die Eignung des kristallinen Untergrundes als Wirtgestein für ein tiefliegendes Endlager abzuklären.

Dieser Bericht beinhaltet eine umfassende hydrogeologische Charakterisierung des kristallinen Grundgebirges. Dieser Schritt spielt eine zentrale Rolle bei der Beurteilung der Endlagersicherheit, weil jede eventuelle Freisetzung von Radionukliden aus dem Endlager und deren Transport durch die Geosphäre nur durch fliessendes Grundwasser erfolgen kann. Aus dieser Sicht besteht das wichtigste Ziel der Charakterisierungsstudie aus einer möglichst quantitativen und belastbaren Beschreibung der relevanten hydrogeologischen Parameter und Prozesse, die das Fliessverhalten der tiefen Grundwässer in der potentiellen Endlagerregion bestimmen.

Die hydrogeologische Synthese wurde in den Jahren 1991 – 1993 durchgeführt und umfasste folgende Schritte:

  • Zusammenstellung und kohärente Auswertung aller hydrogeologischen Bohrlochdaten
  • Synthese der Informationen in ein konzeptuelles hydrogeologisches Modell des kristallinen Grundgebirges; analytische Abschätzung der effektiven hydraulischen Eigenschaften der konzeptuellen Einheiten
  • Modellierung und Interpretation der grossräumigen (regionalen) Fliessverhältnisse - Modellierung der lokalen Fliessverhältnisse in einem ausgewählten Gebiet
  • Stochastische Modellierung von Kluftnetzwerken im Wirtgesteinsblock in der Umgebung eines hypothetischen Endlagers; Ableiten der für die Sicherheitsanalyse relevanten Parameter

Die Ergebnisse der einzelnen Projektphasen wurden in zahlreichen Nagra­internen Berichten dokumentiert. Sie sind alle im vorliegenden Bericht integriert, der deshalb als eine umfassende Synthese der hydrogeologischen bzw. hydrodynamischen Parameter und Prozesse im kristallinen Grundgebirge zu werten ist. Die Gesamtsynthese aller durchgeführten Untersuchungen im Rahmen des KRI-I-Programms wird von THURY et al. (1994) behandelt.

Das engere Untersuchungsgebiet der Nagra wird im Süden durch den Nordschweizerischen Permokarbontrog und im Norden durch die Grenze zu Deutschland begrenzt. Auf diesem Gebiet wird das Grundgebirge vollständig von mesozoischen Deckschichten überlagert, so dass keine direkten Beobachtungen an der Oberfläche möglich sind. Die verfügbaren Informationen aus den wenigen Tiefbohrungen in der Region werden deshalb durch Analogiestudien im benachbarten Südschwarzwald ergänzt.

Der erste Schritt jeder hydrogeologischen Charakterisierung einer Region besteht aus der Entwicklung eines konzeptuellen Modells, das eine vereinfachte aber in sich konsistente Darstellung der Grundwasser-Fliessverhältnisse in verschiedenen Grössenbereichen zum Ziel hat. Ausgehend von der verfügbaren Datenbasis wird das kristalline Grundgebirge in dreidimensionale konzeptuelle Bereiche unterteilt. Jeder Bereich repräsentiert ein hydrogeologisch homogenes Gebirgsvolumen, das mit einem typischen Eigenschaftswert (z. B. effektiver K-Wert) beschrieben werden kann. Die Anordnung und Ausdehnung dieser Homogenbereiche widerspiegelt annähernd die beobachtete räumliche Heterogenität des kristallinen Grundgebirges. In Bezug auf grossräumige Grundwasserströmungen wird das Grundgebirge in folgende zwei Grundelemente gegliedert: grosse, steilstehende Störungen, die als regionale Wasserleiter wirken können sowie dazwischen liegende unregelmässige Blöcke von relativ wenig gestörtem Kristallin. Die letzteren können aufgrund der allgemein beobachteten Tendenzen in eine obere, relativ hoch durchlässige und eine tiefere, relativ gering durchlässige kristalline Einheit unterteilt werden. In einer früheren Phase der Studie wurde gefolgert, dass ein potentiell geeignetes kristallines Grundgebirge in zwei verschiedenen Regionen der Nordschweiz anzutreffen sei, die als Zone West (Bohrungen Böttstein, Leuggern und Kaisten) bzw. Zone Ost (Bohrung Siblingen) definiert wurden. Beide Gebiete weisen unterschiedliche hydrogeologische Eigenschaften auf. Die tiefere kristalline Einheit der Zone West wurde als potentielles Wirtgestein identifiziert und im konzeptuellen Modell explizit als «Gering durchlässiger Bereich» bezeichnet. In der Zone Ost, deren hydrogeologische Verhältnisse einzig durch die Bohrung Siblingen charakterisiert werden können, wurde kein solcher Bereich mit vergleichbar günstigen Eigenschaften angetroffen. Die grundlegende Frage lautet nun, inwiefern der Datensatz der Bohrung Siblingen repräsentativ für die umliegende östliche Kristallinregion ist, oder ob er vielmehr lokale hydrogeologische Verhältnisse wiedergibt, die nur am Bohrstandort selbst Gültigkeit haben. Da diese Frage ohne zusätzliche Informationen nicht schlüssig zu beantworten ist, berücksichtigt das konzeptuelle Modell beide Möglichkeiten als gleichwertige Alternativen.

Betrachtet man den viel kleineren Massstab im Bereich eines potentiellen Endlagers, so ist die Grundwasserführung in einem geringdurchlässigen Wirtgesteinsblock fast ausschliesslich auf die mannigfaltigen diskreten Trennflächen beschränkt. Diese planaren Elemente wurden in den hydraulischen Bohrlochversuchen als individuelle Zuflussstellen identifiziert und im konzeptuellen Modell vereinfacht als planare wasserführende Strukturen oder transmissive Elemente idealisiert. Ihre hydrogeologische Charakterisierung (Häufigkeit, Grösse, Transmissivität) stützt sich auf die statistische Auswertung von Bohrlochdaten sowie auf weitere direkte und indirekte Beobachtungen.

Die Modellierung grossräumiger Grundwasserströmungen diente zur Bestätigung und Verbesserung des generellen Verständnisses des regionalen Fliessregimes im Grundgebirge der Nordschweiz. In diesem Skalenbereich konnten die kristallinen Gesteine durch eine Annäherung als äquivalent-poröses Medium (EPM) beschrieben werden. Modellergebnisse wurden mit beobachteten hydraulischen Potentialen sowie mit hydrochemischen Aussagen verglichen, um den Glaubwürdigkeitsgrad der verschiedenen getesteten Hypothesen zu überprüfen. Das Produkt dieser Sensitivitätsstudie ist eine tabellarische Zusammenstellung von schlüssigen Aussagen und nach Glaubwürdigkeit gewichteten möglichen Alternativen, die gesamthaft das gegenwärtige konzeptuelle Verständnis des regionalen hydrodynamischen Systems zum Ausdruck bringen. Die Robustheit der simulierten Verhältnisse wurde zusätzlich durch nachträglichen Einbau von expliziten Störungen (als dreidimensionale Elemente) sowie durch Einbeziehung von hydrogeologischen Langzeitszenarien, die eine neotektonisch bedingte Veränderung der Topographie und seitliche Verlagerung der Flusssysteme berücksichtigen, getestet.

Die lokalen Fliessverhältnisse in der ausgewählten Zone West wurden mittels eines sogenannten hybriden oder Doppelporositätsmodells untersucht. Dieses Verfahren ermöglicht eine explizite Modellierung der regionalen wasserführenden Störungszonen und den dazwischen liegenden – relativ ungestörten – kristallinen Blöcken (konzeptuelle Bezeichnung: Matrixblöcke). Die letzteren werden wiederum durch den EPM-Ansatz charakterisiert. Hierfür musste ein neues Netzgenerierungsprogramm entwickelt werden, um die komplexe Netzgeometrie zu meistern, die sich aus Verschneidungen der beliebig orientierten planaren Störungen ergibt. Ferner wurde durch die Strukturgeologen ein vereinfachtes Störungsmodell des kristallinen Grundgebirges entworfen, das als Grundlage für die Auslegung des numerischen Netzes diente. Da jedoch die wahre Häufigkeit und räumliche Lage und Geometrie der wichtigen wasserführenden Störungen bis auf wenige Ausnahmen unbekannt ist, wurden mehrere geometrische Modellvarianten erstellt, um diesbezüglichen Unsicherheiten Rechnung zu tragen. Die beiden Extremvarianten in Bezug auf räumliche Dichte der berücksichtigten Störungen wurden als VOLL-Szenario und TEIL-Szenario bezeichnet. Es wurde davon ausgegangen, dass diese beiden Varianten das volle Spektrum der möglichen Simulationsergebnisse abdecken. Die umfassende Auswertung der Modellaussagen konnte somit auf diese zwei Fälle beschränkt werden. Das Hauptziel der durchgeführten Simulationen war die Untersuchung der Auswirkungen der grossen wasserführenden Strukturen auf das lokale Fliessfeld in dazwischenliegenden Blöcken. Die Resultate wurden im Hinblick auf die Bedürfnisse der Sicherheitsanalyse ausgewertet. Die wichtigsten Aussagen sind 1. die Verteilung des Wasserflusses auf die Störungen und Matrixblöcke, 2. die Verteilung der hydraulischen Gradienten im Wirtgestein als Funktion der Störungsdichte, und 3. die Fliessrichtung und Fliesslänge des Grundwassers zwischen Endlagerort und dem nächst gelegenen hochdurchlässigen Medium. Die simulierten hydraulischen Gradienten liegen zwischen 0.01 (Mittelwert VOLL-Szenario) und 0.05 (Mittelwert TEIL-Szenario). Die Fliessrichtung und -Länge des Grundwassers im gering durchlässigen Wirtgestein ist von der Blockgrösse abhängig. Es wurde gezeigt, dass lokale Fliesssysteme nur in grösseren Blöcken erhalten bleiben. Ein Vergleich der simulierten und beobachteten Vertikalgradienten ergab, dass nicht alle Störungen des vorgeschlagenen strukturgeologischen Modells hydraulisch wirksam sein können. In anderen Worten, die im TEIL-Szenario simulierten hydrogeologischen Verhältnisse sind plausibler als jene im hydraulisch zusammenhängenden VOLL-Netzwerk.

Der nächst kleinere Modellbereich behandelt die Beschreibung des Grundwasserflusses durch einen typischen Wirtgesteinsblock, der ein hypothetisches Endlager beherbergen würde. Gemäss der konzeptuellen Vorstellung ist in diesem Massstab die Grundwasserführung ausschliesslich auf einzelne durchlässige Klüfte konzentriert, die als planare transmissive Elemente idealisiert werden. Da ihre Lage sowie ihre hydraulischen und geometrischen Eigenschaften nicht explizit bestimmbar sind, müssen diese Strukturen durch ein statistisches Netzwerk beschrieben werden. Dies ist das Prinzip der Diskontinuum­Modelle, die den advektiven Grundwasserfluss durch ein geklüftetes Medium simulieren, wobei der Beitrag der Gesteinsmatrix vernachlässigt wird. Die generierten komplexen Kluftnetzwerke werden durch statistische Eingabeparameter definiert, die aus Bohrlochdaten abgeleitet worden sind. Die Simulation der Kluftnetzwerke in der Umgebung einer Endlagerkaverne hat zum Ziel, die für den Datensatz der Sicherheitsanalyse benötigten Parameter bereitzustellen. Es handelt sich hierbei um:

  • Anzahl, Spurlänge und Transmissivität der im Kavernenstollen angetroffenen transmissiven Elemente. Diese drei Grössen erlauben in Kombination mit hydraulischen Gradienten (im Lokalmodell berechnet) die Abschätzung des Volumenstroms durch die Kaverne.
  • Abschätzung der effektiven hydraulischen Durchlässigkeit des modellierten Wirtgesteinsblocks. Dieser Parameter kann wiederum im Hybridmodell zur Charakterisierung der Blockmatrix eingesetzt werden.

Die Untersuchung der Grundwasserführung in einem Kluftnetzmodell wurde für typische Blockgrössen der tieferen kristallinen Einheit in Zone West und Ost durchgeführt. Das Ziel war jeweils die quantitative Herleitung von relevanten Parametern für die Transportmodellierung im Rahmen der Sicherheitsanalyse. Das Resultat beinhaltet Aussagen über den Volumenstrom durch eine Kaverne und dessen Verteilung auf einzelne transmissive Elemente sowie über die Verdünnung dieses Volumenstroms in den oberflächennahen Aquiferen (Biosphäre). Die Zone Ost erwies sich erwartungsgemäss als weniger gut charakterisierbar und die Modellaussagen sind mit grossen Unsicherheiten behaftet. Für diese Zone wurden zwei unabhängige Datensätze erstellt, die auf zwei verschiedenen Interpretationen der Siblingen-Daten basieren.

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