Verbundprojekt: Hydrogeological modelling at a regional scale - HYMNE; in der Fördermaßnahme BMUKN-Forschungsförderung zur nuklearen Sicherheit

Abstract

The code d³f++ was developed for the modelling of density-driven flow and nuclide transport in the far field of repositories for radioactive waste in deep geological formations. It can be used in porous media as well as in fractured rock or clay, for modelling salt and heat transport and for models with free groundwater surfaces. The growing demands on groundwater flow and transport modelling require constant further development of the computer codes. Every potential repository site in Germany has been affected by permafrost conditions within the last 100,000 years. With the aim of enhancing d³f++ for the modelling of permafrost phenomena, the implemented equations were extended to include models for thawing and freezing processes. The new development was successfully tested by two benchmarks from the INTERFROST project. Regional models with a free groundwater surface lead to a growing importance of an efficient model calibration. Therefore, a new tool for inverse modelling was implemented, tested and applied to a first large-scale 3D model. The level set method for modelling free groundwater surfaces was further stabilized, especially for large-scale models with density influence (1,000 km²). An ongoing process is the improvement of the robustness and efficiency of the multigrid solver. Parts of the code were restructured for this purpose. As an alternative method for phreatic groundwater flow, a phase field model was introduced in d³f++, based on the Richards equation, that was generalized for density-dependent problems. Additionally, this model was adapted to make it also applicable to models with discrete, low-dimensional fracture networks. Drainage through large networks of receiving waters plays a decisive role in the water balances of almost all regional models. It mainly depends on the water level, but often only the discharge of the main rivers is known. For this reason, a model based on the Saint Venant equation was implemented to enable the simulation of the water flow in the rivers. An important part of the work was the application of d³f++ to two large-scale 3d models, the Äspö Site Descriptive Model (SDM), and the former candidate site Kraví Hora in the Czech Republic. Der Code d³f++ wurde für die Modellierung von Dichteströmung und Nuklidtransport Im Fernfeld von Endlagern für gefährliche Stoffe in tiefen geologischen Formationen entwickelt. Er kann sowohl in porösen Medien als auch im Kluftgestein oder Ton, für die Modellierung von Salz- und Wärmetransport sowie für Modelle mit freier Grundwasseroberfläche eingesetzt werden. Die wachsenden Anforderungen an die Grundwasserströmungs- und Transportmodellierung erfordern eine ständige Weiterentwicklung der benutzten Rechenprogramme. Jeder potenzielle Endlagerstandort in Deutschland war innerhalb der letzten 100.000 Jahre von Permafrost-Bedingungen betroffen. Mit dem Ziel, d³f++ für die Modellierung von Permafrost-Phänomenen zu ertüchtigen, wurden die implementierten Gleichungen um Modelle für Auftau- und Gefriervorgänge erweitert. Die Neuentwicklung wurde anhand zweier Benchmarks aus dem INTERFROST-Programm erfolgreich getestet. Regionalmodelle mit freier Grundwasseroberfläche machen eine effiziente Modellkalibrierung immer wichtiger. Deshalb wurde ein neues Tool zur inversen Modellierung implementiert, getestet und auf ein erstes großräumiges 3d-Modell angewandt. Das Level-Set-Verfahren zur Modellierung der freien Grundwasseroberfläche wurde insbesondere für großflächige Modelle mit Dichteeinfluss (1 000 km²) weiter stabilisiert. Ein ständiger Prozess ist die Verbesserung von Robustheit und Effizienz der Mehrgitterlöser. Ein Teil des Codes wurde dafür umstrukturiert. Als alternative Methode für die phreatische Grundwasserströmung wurde ein auf der Richardsgleichung basierendes Phasenfeldmodell in d³f++ eingeführt. Dazu wurde die Gleichung auf dichteabhängige Probleme erweitert und verallgemeinert. Das Modell wurde so angepasst, dass es auch in Modellen mit diskreten, niederdimensionalen Kluftnetzwerken verwendet werden kann. Die Entwässerung durch umfangreiche Netze von Vorflutern spielt für die Wasserbilanzen fast aller Regionalmodelle eine entscheidende Rolle. Sie hängt hauptsächlich vom Wasserspiegel der Vorfluter ab, bekannt ist aber häufig nur der Abfluss. Deshalb wurde ein auf der Saint Venant-Gleichung basierendes Modell des Abflusses über die Vorfluter implementiert. Ein bedeutender Teil der Arbeiten bestand in der Anwendung von d³f++ auf zwei großräumige 3d Anwendungsfälle, das Äspö Site Descriptive Model (SDM) und den potenziellen Endlagerstandort Kraví Hora in der Tschechischen Republik.