Description: Oberflächennahe sedimentäre Aquifere in Mitteleuropa sind wichtig für die Wasserversorgung und können enorme Mengen an thermischer Energie speichern und bereitstellen. Das Verständnis der grundlegenden Wärmetransportprozesse ist entscheidend für eine Kontrolle der thermischen Bedingungen in solchen Aquiferen, wie beispielsweise für die Quantifizierung von Strömungsregimen, die Abschätzung des Potenzials für die geothermische Nutzung und die gleichzeitige Erhaltung der Grundwasserqualität. Während die fundamentalen Wärmetransportmechanismen (d.h. Diffusion und Advektion) bekannt sind, bleibt die Interpretation ihrer kombinierten Effekte unter dem Einfluss größenabhängiger Heterogenitäten ungelöst. Sedimente sind typischerweise heterogen auf Skalen von klein (einzelne Körner) bis groß (Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit). In der Hydrogeologie wird zur Beschreibung des Wärmetransports traditionell ein volumengemittelter Ansatz verwendet, der ein lokales thermisches Gleichgewicht (engl. „local thermal equilibrium“, LTE) zwischen den Körnern und dem umgebenden Fluid annimmt. Dieser Ansatz ist jedoch weder verifiziert, noch sind Bedingungen für seine Gültigkeit festgelegt worden. Außerdem ignoriert dieser Ansatz die variablen Auswirkungen von verschiedenskaligen Heterogenitäten auf den Wärmetransport. Zu diesen Effekten gehören das lokale thermische Ungleichgewicht (engl. „local thermal non-equilibrium“, LTNE) und eine scheinbare Skalierung der makroskopischen thermischen Dispersion. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Wärmetransportmechanismen auf Skalen vom Korn (Millimeter) bis zur geologischen Heterogenität (Dutzende von Metern) durch die Kombination von Labor- und Feldversuchen, so wie analytischen und numerischen Ansätzen in Einklang zu bringen. Auf der kleinen Skala werden gezielte Säulenexperimente durchgeführt, um den Einfluss realistischer Korngrößenverteilungen auf LTNE und thermische Dispersion zu untersuchen. Auf der großen Skala werden einzigartige Aquifer-Analoge in Wärmetransportmodellen getestet, um die Rolle der Sedimentstrukturen zu untersuchen. An einem Teststandort mit bekannter Untergrundheterogenität werden Feldexperimente das Auftreten von LTNE aufzeigen und die thermische Dispersion als Funktion der geologischen Skalenheterogenität quantifiziert. Sowohl Labor- als auch Feldexperimente werden zur Validierung der detaillierten numerischen Wärmetransportsimulationen verwendet. Diese werden anschließend eingesetzt, um weitergehende Aspekte, wie die Beziehung zwischen Korngrößenmischung und Wärmeübergangskoeffizient sowie den Einfluss der geologischen Heterogenität auf LTNE und thermische Dispersion zu klären. Schließlich werden die Ergebnisse gemeinsam interpretiert, um die Wärmetransportmechanismen auf den verschiedenen Skalen zu verstehen. Das Ergebnis wird einen neuartigen und universellen Rahmen für die Modellierung des Wärmetransports in Sedimenten mit natürlichen Heterogenitäten liefern.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Grundwasserzustand
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Hydrogeologie
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Wärme
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Mitteleuropa
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Dispersion
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Grundwasserleiter
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Hydrochemie
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Korngröße
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Limnologie
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Siedlungswasserwirtschaft
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Wasserdurchlässigkeit
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Wasserversorgung
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Sediment
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Modellierung
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Advektion
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Forstwirtschaft
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Freilandversuch
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Hydrologie
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Integrated Water Resources Management
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Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
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Physical Geography
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Soil Sciences
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Urban Water Management
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Water Chemistry
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Region:
Baden-Württemberg
Saxony-Anhalt
Bounding boxes:
9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°
11.7333° .. 11.7333° x 52° .. 52°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
-
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Energy’s Coal Mining Research Program, Mining Geomechanics Team (Mitwirkung)
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Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Geowissenschaften, Abteilung Ingenieurgeologie (Projektverantwortung)
-
Martin-Luther-Universitätt Halle-Wittenberg, Institut für Geowissenschaften und Geographie, Fachgebiet Angewandte Geologie (Projektverantwortung)
-
The University of Newcastle, Faculty of Science and Information Technology, School of Environmental and Life Sciences (Mitwirkung)
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
-
Utrecht University, Department of Earth Sciences (Mitwirkung)
Time ranges:
2021-01-01 - 2025-09-15
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Local thermal equilibrium or not? Reconciling the groundwater heat transport mechanisms in heterogeneous sediments at different scales
Description: Shallow sedimentary aquifers in Central Europe are important freshwater reservoirs while also gaining attention for their ability to store enormous amounts of thermal energy. Understanding and controlling the thermal conditions in such aquifers is vital for quantifying flow regimes, estimating the potential for geothermal use and maintaining groundwater quality. While the fundamental heat transport mechanisms (i.e., diffusion and advection) are well established, interpreting their combined effects under the influence of scale-dependent heterogeneity remains unresolved. Natural materials are inherently heterogeneous at scales from small (e.g., grain size mixtures) to large (e.g., hydraulic conductivity distribution). In hydrogeology, a volume-averaging approach assuming local thermal equilibrium (LTE) between grains and the surrounding liquid has traditionally been applied to describe heat transport, yet this approach has neither been verified nor have conditions for its validity been defined. Further, this state-of-the-art approach ignores the variable effects of heterogeneities on heat transport at different scales. Such effects include local thermal non-equilibrium (LTNE) and an apparent scaling of macroscopic thermal dispersion. This project aims to reconcile the heat transport mechanisms at scales from grain (millimetres) to geological heterogeneity (tens of metres) by combining laboratory, field, analytical and numerical methods. At the small scale, specific flow-through column experiments will be conducted to investigate the influences of natural grain size distributions on LTNE and thermal dispersion. At the large scale, real aquifer analogues will be tested in heat transport models to scrutinize the role of sedimentary structures. At an established test site with well-known subsurface heterogeneity, field experiments will reveal the occurrence and intensity of LTNE and quantify thermal dispersion as a function of geological scale heterogeneity. Both laboratory and field experiments will be used to validate detailed numerical heat transport simulations. These will subsequently be deployed to elucidate advanced aspects, such as the relationship between mixtures of grain sizes and heat transfer coefficient as well as the influence of geological heterogeneity on LTNE and thermal dispersion. Finally, the findings will be jointly interpreted to reconcile heat transport mechanisms at different scales. The outcome will provide a novel and universal framework for modelling heat transport in sediments with natural heterogeneities. It is anticipated that the developed knowledge will advance standards in theory and practice and support improved planning and management, for example of heat tracing in groundwater and shallow geothermal systems.
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