Präferenzielle Strömungsdynamik in ungesättigten porös-geklüfteten Gesteinen: Beziehung zwischen Kluftnetzwerktopologie und Dual-Domain Modellparametrisierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Ptak-Fix, seit 3/2023
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412940616

Das Ziel des Antrags ist die Ermittlung funktionaler Beziehungen zwischen Geometrie/Topologie von Kluftnetzwerken und Parametern von Dual-Domain Modellen zur Simulation von Strömung bzw. Neubildung in ungesättigten, geklüftet-porösen Medien. Um das Einsetzen und die Dynamik von präferenziellen Fließwegen in ungesättigten Kluftnetzwerken zu analysieren werden sowohl Laborexperimente, als auch Feldexperimente durchgeführt. Der Fokus liegt hierbei auf der Identifikation von einfach zu messenden geometrischen und topologischen Kluftnetzwerkparametern (Intersektionstyp, Weite, Kluftdichte, Orientierung, Matrixeigenschaften) und der Beziehung dieser Parameter zu Dual-Domain Modellen, welche die Dynamik des Gesamtsystems auf Niederschlagsereignisse modellieren können. Insbesondere soll eine funktionale Beziehung zwischen den Eigenschaften ungesättigter Kluftnetzwerke und dem strömungsaktiven Kluftoberflächenanteil f(Tiefe, Zeit), sowie der konstanten Kluftoberflächendichte M, welche häufig in Dual-Domain Modellen genutzt wird, hergestellt werden.Laborexperimente werden durchgeführt um das Einsetzen und die Ausbildung von präferenziellen Fließwegen in Kluftnetzwerken unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. Hierzu werden analoge Kluftnetzwerke (quasi-2D) mit unterschiedlichen Kluftweiten konstruiert um ungesättigte Strömung primär im kapillargetriebenen (< 0.7 mm) oder gravitativ getriebenen (> 0.7 mm) Regime zu simulieren. Die Netzwerke werden aus geologischen Materialien erstellt, so dass der diffusive Austausch mit der porösen Matrix ebenfalls berücksichtigt wird. Des Weiteren werden Kluftgeometrie und -topologie systematisch variiert um den Einfluss auf präferenziellen Strömung zu untersuchen. Die Topologie von Kluftschnittpunkten kann als Maß für die Konnektivität, sowohl im Labor als auch im Feld einfach bestimmt werden. Feldexperimente werden in triassischen Muschelkalkaufschlüssen durchgeführt und bzgl. der Skala auf die Größe der Laborexperimente angepasst. Die Feldexperimente dienen primär der Validation von Ergebnissen aus den wohlkontrollierten Laborexperimenten. Darüber hinaus helfen die Ergebnisse zu bestimmen, bis zu welchem Grad planare zweidimensionale Aufschlussmessungen genutzt werden können um die Strömungsdynamik in dreidimensionalen Systemen zu modellieren. Analytischen Lösungen werden eingesetzt um geometrische und topologische Informationen mit der Ausprägungseffizienz von präferenziellen Fließwegen zu verknüpfen und letztendlich die Strömung durch derartige System widergeben zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Martin Sauter
• Kooperationspartner: Dr. John Nimmo
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Jannes Kordilla, bis 2/2023