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Technical Report NTB 94-07

Grimsel Test Site: Modeling of Groundwater Flow at the Subregional Scale: Boundary Conditions, Transient and Thermal Effects, Inverse Modeling

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Dieser Bericht stellt die wichtigsten Ergebnisse dar, die im Zeitraum 1991 – 1993 innerhalb verschiedener Arbeitsgruppen im Rahmen vom Projekt MOD Phase III (Hydrodynamische Modellierung) erarbeitet wurden.

Im Rahmen eines übergeordneten hydrogeologischen Untersuchungsprogramms im Felslabor Grimsel (FLG) wurde das Projekt MOD initiiert, um eine geeignete Strategie und Vorgehensweise für die Modellierung der Grundwasserströmung in geklüftetem Gestein zu erarbeiten. Übergeordnetes Ziel des Projektes MOD war von Anfang an die Sammlung von Erfahrung und Know-how sowie die Entwicklung bzw. Anpassung von Software für numerische Simulationen. Die wichtigsten angestrebten Ziele des Projektes für die Phase III waren: die Untersuchung von transienten Effekten auf die Grundwasserströmung, welche durch Bau, Betrieb und Versiegelung von Stollen hervorgerufen werden; die Berechnung dichteabhängiger, gekoppelter thermo-hydraulischer Prozesse im Umfeld eines imaginären HAA­Endlagers; und die Erweiterung bzw. Vervollständigung bestehender Kalibrierungs- und Validierungskonzepte.

Durch eine Literaturstudie zum Stand der Technik über Modelleichung und ­validierung sowie über Skalierung von Prozessen und Modellparametern wurde eine Modellierungsstrategie für ein komplexes Standortmodell entwickelt. Diese Methodik wird anhand des subregionalen Modells FLG getestet, wobei eine automatisierte Eichung mittels Inverser Modellierung zur Anwendung kommt. Die durch Stollenbau, -betrieb und -versiegelung hervorgerufenen transienten Effekte auf die Grundwasserströmung werden mit ein-, zwei- und dreidimensionalen Modellen analysiert. In weiterführenden Arbeiten kamen komplizierte numerische Modelle zur Anwendung, deren Güte durch den Vergleich ihrer Resultate mit analytischen Lösungsansätzen dokumentiert wurde. Um allen Fragestellungen gerecht zu werden, und spezifische Probleme möglichst vollständig beantworten zu können, wurden mehrere Kombinationen von Randbedingungen und Netz-Diskretisierungen getestet.

Die Auswirkungen von dichteabhängigen Grundwasserströmungen, die durch die Freisetzung thermischer Energie eines imaginären Endlagers für hochaktive Abfallstoffe entstehen, wurde untersucht. Der Diskretisierungsbedarf bei diesem stark nicht-linearen, gekoppelten Simulationsproblem wurde zunächst durch das Peclet-Zahl Kriterium für das subregionale Modell FLG (drei-, zwei­ und eindimensionale Finite-Elemente-Netze) ermittelt. Diese projektorientierte Studie sollte folgende Fragen beantworten:

  • sind gekoppelte thermo-hydraulische Berechnungen in einem dreidimensionalen Finite-Elemente-Netz mit den vorhandenen Computerresourcen durchführbar;
  • welchen Arbeitsaufwand erfordert die dreidimensionale Modellierung thermo-hydraulischer Prozesse im Umfeld eines imaginären Endlagers; und
  • welche Unterschiede weisen ausschliesslich isothermal/thermo-hydraulisch beeinflusste Grundwasserfliesssysteme auf?

Alle angestrebten Ziele vom Projekt MOD konnten erreicht werden. Die Modellierungsstrategie, die entwickelte, angepasste bzw. getestete Software und die jeweiligen Simulationsergebnisse geben wertvolle Hinweise und Rahmenbedingungen für künftige Standortmodelle von Endlagern. Es wurden umfangreiche Erfahrungen über transiente Effekte von Tunnelsystemen auf die Grundwasserströmung gesammelt, die mit ein-, zwei- und dreidimensionalen Modellen gewonnen wurden. Die automatisierte Inverse Modellierung hat sich für die Modellkalibrierung als sehr wertvoll erwiesen und bewährt. Die Ergebnisse über. die numerische Computerauslastung von komplexen dreidimensionalen Problemen und deren Diskretisierungsbedarf können benutzt werden, um künftige Modellarbeiten an konkreten Standorten zu realisieren.

Im Verlauf des Projektes wurden vertiefte Kenntnisse des hydrodynamischen Verhaltens und der Modellierung eines gering durchlässigen und heterogenen Gesteinskörpers im Umfeld eines Untertagebauwerks gewonnen.

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