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Technischer Bericht NTB 93-20

Inverse Modellierung zur Bestimmung hydrogeologischer Parameter eines Zweiphasensystems

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Der Nachweis der Langzeitsicherheit eines Endlagers für radioaktive Abfälle basiert u. a. auf hydrodynamischen Modellrechnungen, welche den Systemzustand im Endlager, im unmittelbaren Nahfeld sowie in der grossräumigen Umgebung prognostizieren. Das Vorhandensein von Naturgas sowie die Produktion von Korrosionsgasen im Endlager selbst führen dazu, dass der zu untersuchende Bereich als Zweiphasensystem zu beschreiben ist. Ein mathematisch-numerisches Modell, welches die Strömung der flüssigen und gasförmigen Phase im porösen Medium simuliert, hat zahlreiche Effekte wie Kapillarität, relative Permeabilität, Phasenübergänge etc. zu berücksichtigen. Die chemische Zusammensetzung der einzelnen Phasen sowie deren physikalischen Eigenschaften sind zudem abhängig von den aktuellen Druck- und Temperaturverhältnissen.

Die Resultate jeder Prognoseberechnung hängen von zahlreichen Parametern ab, welche die strömungsrelevanten Gesteinseigenschaften im Modell repräsentieren. Die Bestimmung dieser Modellparameter erfolgt mittels Kalibrierung des Modells anhand von Messdaten, welche den Systemzustand an diskreten Punkten in Raum und Zeit wiedergeben.

In der vorliegenden Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zusammengestellt, welche die Beziehung zwischen den fehlerbehafteten Messdaten und den daraus abgeleiteten Modellparametern beschreiben. Ein Verfahren zur automatischen Kalibrierung eines Zweiphasenmodells wird erarbeitet und in einem Computerprogramm implementiert. Die Parameterschätzung mittels Inverser ModelIierung verlangt eine genaue Beschreibung der signifikanten Prozesse, der Modellgeometrie, der Anfangs- und Randbedingungen im sogenannten Funktionalen Modell. Zusätzlich muss die Fehlerstruktur der Messdaten im Stochastischen Modell zusammengefasst und ein Optimierungskriterium formuliert werden. Unter gewissen Voraussetzungen lassen sich damit optimale Parameter - bezogen auf die gegebene Modellstruktur und die zur Verfügung stehenden Daten -bestimmen und deren Genauigkeit abschätzen.

Anhand eines synthetischen Laborexperimentes wird das Vorgehen bei der Inversen ModelIierung aufgezeigt. Die Auswertung des Gastests im Felslabor Grimsel stellt sodann ein Anwendungsbeispiel dar, bei dem das gewählte Kalibrierungsverfahren im Rahmen einer praxisbezogenen Fragestellung eingesetzt wird.

Die automatische Kalibrierung zur Bestimmung hydrogeologischer Modellparameter ermöglicht ein besseres Verständnis des Systemverhaltens unter Zweiphasenbedingungen und erhöht somit die Zuverlässigkeit der anschliessenden Prognoseberechnung.

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