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Technischer Bericht NTB 90-14

Hydrogeologische Modellierung im Opalinus-Ton und in der Unteren Süsswasser-Molasse der Nordostschweiz

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Als Alternative zum Kristallinprogramm untersucht die Sedimentstudie der Nagra die Eignung der Sedimentgesteine für die tiefe Endlagerung der hochradioaktiven Abfälle. Die generelle Beurteilung der potentiellen Wirtgesteine führte zur einer Einengung auf zwei Optionen erster Priorität, bestehend aus dem Opalinuston (OPA) und der Unteren Süsswassermolasse (USM). In einer grossräumigen Standortevaluation wurden anschliessend tektonisch und seismisch ruhige Regionen ausgeschieden. Das Vorgehen und die Ergebnisse der gesamten Evaluationsphase wurden ausführlich im Zwischenbericht 88 der Sedimentstudie dokumentiert (Nagra 1988). Ein wichtiger Bestandteil der Beurteilung der identifizierten Gebiete stellt die Charakterisierung der regionalen Fliessverhältnisse dar. Zu diesem Zweck wurde für die jeweils erfolgversprechendste Region mit OPA bzw. USM als Wirtgestein ein hydrodynamisches Modell aufgebaut. Die Modellierung hat zum Ziel, Aussagen über die räumliche Verteilung der hydraulischen Potentiale und Gradienten, über die Strömungsrichtungen sowie über die Neubildungs- und Exfiltrationsgebiete des Grundwassers zu machen. Da in beiden Untersuchungsregionen nur spärlich vorhandene hydrogeologische Messdaten und Beobachtungen zur Verfügung stehen, soll die Modellierung ebenfalls die bei der Abschätzung der Fliessverhältnisse vorhandenen Unsicherheiten aufzeigen.

Das etwa 1'600 km2 grosse und 1'600 Elemente umfassende Modell OPA 88 simuliert die Strömungsverhältnisse der Tiefengrundwässer in der mesozoischen Sedimentabfolge oberhalb des Mittleren Muschelkalks. Das Modellgebiet umschliesst die ausgewählten OPA-Untersuchungsregionen Tafeljura nördlich der Lägern, Zürcher Weinland und Reiat. Die Modellparameter werden als «beste Schätzung» vorgegeben. In einer anschliessenden Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss der bestehenden Unsicherheiten in der Parameterwahl auf die Simulationsresultate untersucht.

Die Druckverhältnisse im Opalinuston sind weitgehend von den Potentialdifferenzen zwischen den regionalen Aquiferen des Oberen Malms und Oberen Muschelkalks abhängig. Je nach Richtung des vorherrschenden vertikalen Gradienten gelangt das den Opalinuston durchströmende Grundwasser entweder in den Malm- oder in den Muschelkalk-Aquifer und exfiltriert in dessen Vorfluter. Im Modellgebiet können die folgenden Exfiltrationszonen von regionaler Bedeutung ausgeschieden werden:

  • der Hochrhein bei Kaiserstuhl bzw. bei Neuhausen (Rheinfallbecken) für den Malm-Aquifer
  • der Rheinabschnitt bei Koblenz für den Muschelkalk-Aquifer; das östliche Randgebiet des Modells entwässert unter Umständen auch in den Neckar bei Stuttgart

Die Identifizierung der hydrogeologisch günstigen Standortgebiete beruht auf einem relativen Vergleich der berechneten Fliesszeiten des Grundwassers zwischen Wirtgestein und Biosphäre, wobei die geforderte minimale und maximale Lagertiefe zu berücksichtigen ist. Aus den durchgeführten Modellsimulationen geht hervor, dass die günstigste Region möglichst weit im Südosten des Modellgebiets (d. h. möglichst entfernt zu den Exfiltrationsgebieten am Rhein) anzusiedeln ist. Gerade aber in diesem Bereich sind die Unsicherheiten bezüglich der Malm- und Muschelkalk-Potentiale am grössten, da aus der weiteren Umgebung keine gesicherten Messdaten vorliegen. Das hydrogeologische Modell liefert also wohl Aussagen über die wahrscheinlichen regionalen Fliessverhältnisse im Untersuchungsgebiet, doch ohne Einschränkung der bestehenden Unsicherheiten, insbesondere bei den Malm- und Muschelkalk-Potentialen können noch keine belastbaren Modellaussagen erwartet werden. Ebenso ist für eine zukünftige Kalibrierung des numerischen Modells die Beschaffung von zusätzlichen Felddaten unerlässlich.

Das zweite für die Sedimentstudie erstellte Modell USM 88 untersucht die zu erwartenden Fliessverhältnisse in der Unteren Süsswassermolasse östlich der Limmat. Es erstreckt sich über das mittelländische Molassebecken zwischen dem Zürichsee und dem Bodensee über eine Fläche von 2'600 km2 und wird durch 1'700 Elemente aufgebaut. Hinsichtlich der Dichte der vorhandenen hydrogeologischen Messdaten im Modellgebiet und der daraus entstehenden Unsicherheiten bei der Parameterwahl herrschen ähnliche Verhältnisse wie beim OPA-Modell. Als Ausnahme gilt einzig der Aquifer der Oberen Meeresmolasse (OMM), wo mehrere zuverlässige Potentialmessungen aus Thermal- und Mineralwasserbohrungen zur Verfügung stehen. Da die OMM-Potentiale nicht für die Festlegung der Randbedingungen verwendet wurden (mit Ausnahme der randlich gelegenen Ausbissknoten entlang dem östlichen Erosionsrand), dienen diese Beobachtungen für eine grobe Beurteilung der Modellvarianten.

Auch in diesem Modell wird die Durchströmung des Wirtgesteins massgebend durch die Potentialverhältnisse in den benachbarten Aquiferen bestimmt. Im Hangenden ist dies die OMM, im Liegenden der Obere Malm. Die wichtigste regionale Vorflut des OMM-Aquifers stellt der breite Schottergrundwasserstrom bei der Einmündung der Thur in den Hochrhein dar. Weitere Exfiltrationsgebiete liegen im unteren Tösstal bei Rorbas, im Limmattal und am Untersee/Bodensee ausserhalb des Modellgebiets. Die Vorfluter des Oberen Malms wurden bereits im OPA-Modell identifiziert.

Die im Modell resultierende flache Potentialverteilung in der OMM im Mittelland zwischen dem Limmattal und dem Bodensee, welche weiträumig auf die randlich gelegenen Exfiltrationsgebiete eingespiegelt ist, übt eine drainierende Wirkung auf die Untere Süsswassermolasse aus, sodass das Wirtgestein hier von unten nach oben durchströmt wird. Die stärksten nach oben gerichteten Gradienten treten unter tiefliegenden Molasseausbissen in den Talsohlen auf. Da die OMM unter den wichtigsten Taleinschnitten zugleich auch durchwegs artesische Druckverhältnisse aufweist (Bsp. Bohrungen Aqui, Tiefenbrunnen, Konstanz, Mainau, u. a.), sind hier hydraulische Kurzschlüsse durch die OSM zur Oberfläche entlang von durchlässigen Störungen denkbar. Abwärtsgerichtete Strömungen in der USM treten im Modellgebiet nur im SE-Teil des Molassebeckens im Hochgebiet der Hörnli-Schüttung auf. Die Fliesswegberechnungen zeigen auch, dass die längsten Verweilzeiten bei den in diesem Gebiet startenden Stromlinien erreicht werden. Die Modellaussagen lassen somit erkennen, dass die günstigste Standortregion für ein tiefes Endlager in der USM möglichst weit im Südosten des untersuchten Gebiets zu finden ist. Da die Molasseschichten gleichmässig gegen SE eintauchen, hat dies zur Folge, dass ein Endlager in der grössten bautechnisch zulässigen Tiefe angelegt werden sollte.

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