Es handelt sich um drei verschiedene, interdependente Projekte: (1) Entwicklung konzeptioneller hydrogeologischer Modelle zur Charakterisierung von Standorten fuer Endlager radioaktiver Abfaelle (Dr. Werner Huerlimann); (2) hydrogeologische Felduntersuchungen (computergestuetzte Auswertung von Feldversuchen unter Beruecksichtigung verschiedener Prozesse in poroesem und geklueftetem Gestein; Entwicklung von Untersuchungsprogrammen und Auswertmethoden) als Grundlage fuer Standortcharakterisierungen und Sicherheitsanalysen (Dr. Simon Loew). (3) Sicherheits- und Risikoanalysen fuer Endlager radioaktiver Abfaelle; Modellrechnungen fuer Mobilisierung von Schadstoffen im Endlager, Transport von Schadstoffen durch technische Barrieren und Geosphaere, Transport von Schadstoffen in der Biosphaere und Dosisberechnung. Beurteilung von Risiken fuer verschiedene denkbare Freisetzungsszenarien (Dr. Markus Hugi).
In diesem Arbeitspaket soll ein spezifisches Bohrlochmesssystem entwickelt werden, mit welchem der Erfolg des DEEP MTD Verfahrens in der Tiefbohrung Mauerstetten gemessen werden soll, welches aber auch in anderen geothermischen Explorationsbohrungen eingesetzt werden kann. Die Solexperts GmbH wird zusammen mit der Solexperts AG im Unterauftrag dieses Bohrlochmesssystem für hydraulische In-Situ Versuche entwickeln, herstellen und testen. Die Messergebnisse in der Bohrung dienen als Grundlage der weiteren Verbesserung des MTD Verfahrens und liefern einen wertvollen Beitrag für das hydrogeologische Modell. Die Entwicklung umfasst eine elektrische downhole Steuerung (EHVU), downhole Ventile (SIT), eine Datenübertragung und Telemetrie, sowie ein System für die abschnittsweise Abdichtung von Bohrlochabschnitten (Doppelpackereinheit). Das System muss die Randbedingungen der etwa 4000 m tiefen Bohrung in Mauerstetten erfüllen (ca. 125 Grad C). Die unterbeauftragte Solexperts AG besitzt schon eine Systemdesignstudie (Bearbeitungszeit von ca. 1.5 Jahre) welches sie im Falle einer Förderung kostenneutral in das Projekt einbringen wird. Diese Studie umfasst das Gesamtsystem (kleinere Anpassungen sind pendent) und ein Grobdesign für die EHVU. Die zur Versuchsdurchführung nötige Mess- und Steuereinheit (EHVU) und der dazugehörende Downhole-Ventilblock (SIT) bilden das innovative Herzstück des Messsystems und befinden sich über der Doppelpackereinheit. Die EHVU und das SIT müssen noch entwickelt werden (Aufgabe Solexperts GmbH). Die Solexperts AG entwickelt das Gesamtsystem und baut den Protottyp. Die einzelnen Komponenten, sowie den Prototyp des Gesamtsystems wird die Solexperts GmbH im Autoklav in Bochum unter realistischen in-Situ Randbedingungen testen. Die Feldarbeit in Mauerstetten wird von beiden Firmen gemeinsam durchgeführt werden.
Die Relevanz von Unsicherheitsanalysen in der Hydrogeology ist vergleichsweise groß aufgrund der Tatsache, dass Aquifereigenschaften oft sehr heterogen sind und meist nur wenige in-situ Daten zu deren Charakterisierung zu Verfügung stehen. Die Bayes'sche Statistik ist hervorragend geeignet, um solche Analysen durch zu führen. Verglichen mit klassicher, frequentistischer Statistik lassen sich Unsicherheiten deutlich einfacher modellieren, können Wahrscheinlichkeitsaussagen auch für Einzelfälle getroffen werden und Hintergrundwissen von ex-situ Messungen konsistent mittels der A-priori-Verteilung repräsentiert werden. In der Praxis werden allerdings sowohl Unsicherheitsanalyse wie auch Aquifercharakterisierung nur selten mit Bayes'schen Methoden durchgeführt. Der wahrscheinlich wichtigste Hinderungsgrund ist dabei die Schwierigkeit die A-priori-Verteilung zu bestimmen, welche die (Un)sicherheit bzgl. der Aquifereigenschaften ausdrückt bevor in-situ Daten berücksichtigt wurden. In diesem Projekt werde ich dieses Problem angehen, in dem ich (i) einen Arbeitsablauf zur Bestimmung der A-priori-Verteilung ausarbeite und (ii) den Einfluss solch einer Verteilung untersuche. Im ersten Teil werde ich Gebrauch machen von dem hierarchischem Bayes'schen Modell zur Bestimmung von A-priori-Verteilungen, welches in einer Zusammenarbeit zwischen der Arbeitsgruppe von Prof. Yoram Rubin und mir entwickelt wurde. Um dieses Modell mit einem umfangreichen und repräsentativen Datensatz zu versorgen, werde ich es mit einer etablierten Datenbank hydrogeologischer Messungen koppeln. Dadurch wird es möglich informative A-priori-Verteilungen zu bestimmen, welche das Hintergrundwissen von ex-situ Messungen repräsentieren. Im zweiten Teil werde ich den Einfluss dieser informativen A-priori-Verteilungen auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des resultierenden Datenwertes untersuchen. Dazu werde ich eine Reihe von klassischen Meß- und Interpretationsverfahren mit einem Bayes'schen Aquivalent vergleichen. Dabei wird vor allem die Frage des relativen Datenwertes im Mittelpunkt stehen. Relativ bezieht sich hierbei auf den Einfluss von in-situ Daten verglichen mit den ex-situ Daten, welche in der A-priori-Verteilung enthalten sind. Die Ergebnisse dieses Projektes werden demnach helfen einen konsistenten und reproduzierbaren Arbeitsablauf zur Ableitung hydrogeologischer A-priori-Verteilungen zu etablieren sowie deren Einfluss auf Fragen der Unsicherheitsreduktion und des relativen Datenwertes von in-situ Messungen zu bestimmen. Des Weiteren werden die Ergebnisse dazu dienen die Vorteile sowie mögliche Nachteile Bayes'scher Methoden für die hydrogeologische Unsicherheitsanalyse zu verstehen. Dadurch werden die Herausforderungen klar, die zu überwinden sind, um Bayes'sche Statistik zu einem allgemein genutztem Standard für hydrogeologische Unsicherheitsanalysen werden zu lassen.
Ziel dieser Studie ist die Erforschung der Grundwasserbewegung im New Jersey Shelf (NJS). Ende der 1970er Jahre wurde Grundwasser mit deutlich geringerem Salzgehalt als Meerwasser in zahlreichen Bohrungen entlang der U.S. Ostküste nachgewiesen - teilweise mehr als 100 km vom Festland entfernt. Besonders detaillierte Daten zur Porenwassersalinität wurden im Rahmen von IODP Leg 313 am NJS gewonnen: Sie zeigen abrupte vertikale Salinitätskontraste an allen drei Bohrlokationen. Verschiedene Autoren erklären die Entstehung von küstenfernem Süßwasser im NJS durch rezenten meerwärts gerichteten Grundwasserfluss oder führen sie auf ein erhöhtes hydraulisches Potential während der letzten Eiszeit zurück. Zur Klärung welcher dieser Prozesse zur Entstehung von küstenfernem Süßwasser geführt hat, soll im Rahmen dieser Studie, auf der Basis eines detaillierten 3D hydrogeologischen Modells, die Grundwasserströmung im NJS numerisch simuliert werden. Es werden folgende Arbeitshypothesen aufgestellt: 1. Küstenfernes Süßwasser im NJS entstand während der letzten Eiszeit. 2. Ablandige Grundwasserströmung reicht gegenwärtig nicht bis zu 100 km von der Küste. 3. Küstenferne Süßwasservorkommen sind auf Sedimentschichten mit niedriger Permeabilität beschränkt. Die verfügbare Datengrundlage ist exzellent und besteht neben petrophysikalischen Messungen und Bohrlochdaten vergangener ODP/IODP Expeditionen aus zahlreichen 2D seismischen Profilen. Das gleichnamige Projekt wird seit Mitte 2015 an der TU Freiberg und seit Ende 2016 an der RWTH Aachen durch die DFG gefördert. Eine Tiefenmigration reflexionsseismischer Profile ist nahezu abgeschlossen und bildet die Grundlage zur Erstellung eines hydrogeologischen Modells. Auf Basis einer sequenz-stratigraphischen Interpretation der seismischen Daten und unter Berücksichtigung der aus Bohrlochdaten abgeleiteten Korngrößenverteilung am NJS, wurde mittels geostatistischer Verfahren ein komplexes, über 30 Millionen Gitterpunkte umfassendes und geologisch plausibles 2D Faziesmodell erstellt. Dabei ist jeder Faziestyp durch bohrloch- und literaturgestützte petrophysikalische Eigenschaften charakterisiert. Nach sorgfältiger Definition von Anfangs- und Randbedingungen, bildet dieses Modell die Grundlage für vorläufige numerischer Simulationen. Die Simulationsergebnisse sind vielversprechend und deuten auf eine Bestätigung der oben genannten Hypothesen hin. Zukünftig geplante Arbeiten umfassen eine Erweiterung des hydrogeologischen Modells in 3D unter Einbeziehung multiple-point-geostatistischer Methoden. Dabei sollen auch die durch eine AVO-Analyse der Seismik abgeleiteten petrophysikalischen Parameter berücksichtigt werden. Die Überprüfung der oben genannten Hypothesen wird durch numerische Simulationsrechnung auf Basis des finalen 3D Modells erfolgen. Die Ergebnisse dieser Studie können zu einem verbesserten Verständnis von meerwärts gerichtetem Grundwassertransport im Allgemeinen beitragen.
Eine integrierte Hydrosystemmodellierung ist aufgrund verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen sowie der Komplexitätsstufen der beteiligten Prozesse herausfordernd. Dennoch erfordern viele hydrologische Fragestellungen eine ganzheitliche Betrachtung durch eine fundierte Prozessbeschreibung mit einer Umsetzung in Modellkonzepte. Zu diesen Fragestellungen zählen beispielsweise Risikoanalysen und Modellierungen von Sturzfluten, die sowohl hydrologische als auch hydrodynamische Prozesse beinhaltet. Das Ziel des Projekts ist die integrierte Berücksichtigung von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen innerhalb eines einzigen Modells. Dieser neuartige Modelltyp basiert auf der numerischen Interpolationsmethodik SPH (smoothed particle hydrodynamics) in Verbindung mit innovativen Skalierungsmethoden. Im Gegensatz zu etablierten Euler basierten Methoden erfolgt die zeitliche Integration über die dynamischen Partikel und nicht über ein starres Gitter. Für hydrodynamische Fragestellungen wird die SPH Methode bereits eingesetzt, eine Einbeziehung von hydrologischen, hydrogeologischen oder bodenphysikalischen Prozessen erfolgte bisher jedoch nicht, obwohl die Methodik aufgrund der numerischen Stabilität und flexiblen Erweiterbarkeit das Potential dazu besitzt. Die Umsetzung der Prozessbeschreibungen erfolgt durch die GPU-CUDA Technik für Nvidia Grafikkarten. Die innovative dynamische Skalierung ermöglicht die Übertragbarkeit von Prozessen der Wasserbewegung auf reale hydrologische Einzugsgebiete. Diese Skalierung basiert auf Ähnlichkeits-Konzepten aus der Bodenphysik. Daten zu den Böden und der Vegetation werden in Eigenschaftsfeldern bereitgestellt, wobei die einzelnen Parameter durch Verteilungsfunktionen beschrieben werden. Die Zuordnung der Parameter zu den Partikeln durch multiple Wahrscheinlichkeiten erfolgt in Analogie zu den Variationen in natürlichen Systemen. Die Dichte und Geschwindigkeit der Partikel werden über die Eigenschaftsfelder beeinflusst, während die Partikeleigenschaften die dynamische Skalierung vorgeben. Meilenstein 1 ist ein voll funktionsfähiges Modellsystem mit einer detaillierten Prozessbeschreibung auf der Plot Skala. Berücksichtigt werden die Interaktionen des Wassers mit der Vegetationszone, der ungesättigten und gesättigten Zone. Meilenstein 2 ist auf den Transfer des Detailmodells auf größere Skalen ausgerichtet (Skalierung). Meilenstein 3 umfasst die erfolgreiche Anwendung des Modells auf der Einzugsgebietsskala samt Validierung anhand umfangreicher Beobachtungsdaten (Hühnerwasser). Nach der Validierung wird das integrierte Modellsystem für Anwendungen mit hohen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessskalen eingesetzt. Das Ziel ist die Bereitstellung einer zuverlässigen und realistischen Grundlage in Bereichen wie Sturzfluten oder Bewässerung, um Schadenpotentiale oder den Bewässerungsbedarf zu beurteilen.