Prozessbasierte Charakterisierung der Strömung in ungesättigten geklüfteten Gesteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Sauter
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251078144

Die Simulation der ungesättigten Strömung im geklüfteten Festgestein stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Probleme liegen insbesondere beim grundlegenden Prozessverständnis und der skalenübergreifenden Beschreibung von Prozessparametern. Der Fokus unseres Antrags liegt auf der Entwicklung eines Modellwerkzeugs zur Simulation der ungesättigten Strömung auf der lokalen Skala und der Bewertung inwieweit kleinskalige Prozesse die Verweilzeitenverteilung des Wassers in ungesättigten geklüfteten Gesteinen auf größeren Skalen beeinflussen.Einen Schwerpunkt der Modellentwicklung stellt die Simulation von freier Oberflächenströmung unter Berücksichtigung der Effekte Oberflächenspannung und Kontaktliniendynamik dar. Zum Einsatz kommen gitterlose SPH ("Smoothed Particle Hydrodynamics") Modelltechniken. Zur Erlangung eines verbesserten Verständnisses von Strömungsprozessen in Kluftsystemen sollen die geplanten Simulationen ein breites Spektrum verschiedener Strömungsregimes und Wechselwirkungen abbilden. Hierzu gehören (1) Kapillarströmung, (2) adsorbierte Filme auf Kluftoberflächen, sowie (3) stark nichtlineare gravitative Strömungen innerhalb der Kluft, z.B. Tropfenströmung. Die prozessbasierte Modellierung der komplexen Wechselwirkung verschiedener Strömungsregimes wird deutlich verbesserte Aussagen zur Dynamik und Verweilzeitenverteilung des Wassers in ungesättigten geklüfteten Festgesteinen erlauben. Traditionelle volumeneffektive Methoden, wie z.B. die Richards-Gleichung, sind hierfür nicht geeignet, da diese Ansätze keine Simulationen auf der hierfür notwendigen Prozessskala erlauben. Das zu entwickelnde partikelbasierende Strömungsmodell wird eine robuste und flexible Basis für die Beschreibung der ungesättigten Strömung in verschiedensten porösen und komplex geklüfteten Gesteinen bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Personen: Dr. Tobias Geyer; Professor Dr. Alexandre Tartakovsky