Vereinfachte Modelle und Ersatzmodelle für Strömungs- und Transportberechnungen im Untergrund

Einleitung

Die Berechnung von Strömung und Stofftransport im Grundwasser ist für die Sicherheitsbetrachtung von potentiellen Endlagerstandorten von fundamentaler Bedeutung, aber oft sehr aufwendig. Da her werden hier vereinfachte Modelle und Ersatzmodelle für solche Berechnungen gezeigt. In der Brunnenhydraulik ist die Skin-Schicht eine große Unbekannte, die nun erstmals detailliert analysiert werden konnte.

A. Peche, T.V. Tran, T. Hennig, V. Kumar, K. Brömme, R. Kringel, S. Altfelder: Zeitskalen und Distanz des Durchbruchs beim diffusen Transport von Radionukliden in niedrig-permeablen porösen Medien

Die Berechnung des Radionuklidtransports im Untergrund ist ein wichtiger Bestandteil von Sicherheitsanalysen für Endlagerstandorte. Der diffusive Radionuklidtransport im Buffer oder Wirtsgestein aufgrund der geringen hydraulischen Wegsamkeit kontrolliert den Radionuklidaustrag ins Deckgebirge und in die Biosphäre. In diesem Hauskolloquium wird die Anwendung eines analytischen Modells zur Berechnung von Zeitskalen und Durchbruchslängen des diffusiven Radionuklidtransports vorgestellt. Diese Zeit- und Raumskalen ermöglichen eine Abschätzung, ob ein Radionuklid eine geologische Barriere innerhalb eines für die Endlagerung relevanten Zeitraumes von 1 Mio. Jahren durchdringen kann. Die Ergebnisse des analytischen Modells werden darüber hinaus genutzt, um einen neuen mathematischen Ausdruck zur Berechnung der maximalen Durchbruchslänge zu bestimmen. Dieser Ausdruck ist gültig für zerfallende und nicht-sorbierende Radionuklide.

T.V. Tran, A. Peche, K. Brömme, R. Kringel, S. Altfelder: Anwendung von Machine Learning Ansätzen zur Rekonstruktion lückenhafter Grundwassermessstellen im Einzugsgebiet für radioaktive Abfälle Morsleben (ERAM)

Ein weiteres Element zur Analyse des Radionuklidtransports im Untergrund ist die Verwendung numerischer Strömungs- und Transportmodelle. Solche Modelle benötigen zur transienten Kalibrierung konsistente Zeitreihen, die in der Praxis nicht oder nur lückenhaft zur Verfügung stehen, was die Genauigkeit und Belastbarkeit der numerischen Modelle aufgrund der unzureichenden Kalibrierdaten in Frage stellt.

Ziel dieser Studie ist die exemplarische Rekonstruktion einer lückenhaften Zeitreihe im Einzugsgebiet des ERAM. Hierzu werden verschiedene Machine Learning (ML) Methoden verwendet und umfassen Künstliche Neuronale, Random Forest, XGBoost und Multiple Lineare Regression. Durch die Anwendung dieser verschiedenen ML-Ansätze werden Bandbreiten generiert, die die Unsicherheiten einzelner ML-Ansätze kompensieren. Dieses ML-Preprocessing verbessert die transiente numerische Kalibrierung der Strömungs- und Transportmodelle im ERAM durch die konsistentere Datengrundlage. Die rekonstruierte Zeitreihe trägt dazu bei, die Belastbarkeit der numerischen Modelle zu erhöhen und eine genauere Vorhersage des Radionuklidtransports zu ermöglichen.

G. Houben et al.: Skin-Schicht in Brunnen: Bedeutung und Vorhersage

Die Skin-Schicht ist ein Filterkuchen aus schwach durchlässigem Feinmaterial, der sich während des Brunnenbohrprozesses an der Bohrlochwand bildet. Sie kann aus Spülungszusätzen (Bentonit, CMC), aber auch aus Feinmaterial bestehen, das von den durchteuften Schichten aufgenommenem wurde.

Draufsicht auf einen überbaggerten Entwässerungsbrunnen aus einem Braunkohletagebau Quelle: Photo: Houben

Beim Bohren ist ihre Anwesenheit erwünscht, da sie die Verluste der Bohrspülung in das umgebende Gebirge verringert und damit das Bohrloch stabilisiert. Wird sie jedoch nach Fertigstellung des Brunnens nicht entfernt, kann sie beim Betrieb des Brunnens aufgrund ihrer geringen Durchlässigkeit zu erheblichen Druckverluste führen. Diese machen sich durch erhöhte Absenkungen bemerkbar, die entsprechend höhere Energiekosten verursachen.

Obwohl die Skin-Schicht häufig diskutiert wird, fehlen konkrete Daten über ihre Typologie, Mächtigkeit, Zusammensetzung und insbesondere ihrer hydraulischen Durchlässigkeit. Eine der wenigen Möglichkeiten die Skin-Schicht zu beproben ergibt sich im Tagebau, wo die fortschreitende Abbaufront die Entwässerungsbrunnen nach einigen Jahren freilegt. Zu diesem Zweck wurden erstmals Skin-Proben von überbaggerten Brunnen aus Tagebauen im Rheinland und der Lausitz detailliert untersucht.

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