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Anfang August 1986 erhielt die Gruppe für hydrodynamische Modellierung (GHM) von der Nagra den Auftrag, ein hydrodynamisches Modell des Standortes Wellenberg zu erarbeiten. Primärziel war, jene hydrogeologischen Vorgänge im Projektgebiet zu erkennen und quantitativ zu erfassen, die sich für die Sicherheit eines Endlagers als relevant herausstellen könnten. Daneben galt es, Schlussfolgerungen für das vorgesehene Sondierprogramm zu ziehen und verschiedene Varianten für die bauliche Auslegung der Endlagerbauwerke in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die Grundwasserbewegung zu vergleichen.
In der Folge wurde ein etwa 25 km3 umfassendes Standortmodell definiert. Als Bauwerke wurden ein Hochlager auf 550 m und ein Tieflager auf 250 m NN, sowie ein Vertikalschacht zwischen den Lagern und ein Stollen aus dem Wirtgestein heraus berücksichtigt. Dem Standortmodell wurde ein rund 1,2 km3 grosses Nahfeldmodell eingefügt, welches unterschiedliche bauliche Auslegungen des Hochlagers und des Bau- und Betriebsstollens simuliert.
Im Sinne einer Sensitivitätsanalyse wurden mit dem Standortmodell 57 Fälle und – basierend auf deren Resultate – mit dem Nahfeldmodell weitere 14 Fälle gerechnet. Die Rechnungen wurden mit dem dreidimensionalen finiten Element-Modell «FEM301» durchgeführt.
Den Modellierungen liegen die generellen geologischen Vorabklärungen des Standortgeologen zugrunde: Das NE-SW-streichende Wirtgestein der Valanginienmergel liegt zwischen der Axendecke im Süden und den Kalken der Drusbergdecke im Norden. Das abgeleitete konzeptuelle Modell besteht aus sieben hydrogeologischen Einheiten und verfügt über die folgenden sechs geometrischen Optionen:
- eine vertiefte Talfüllung im Engelbergtal
- eine Deckenverschuppung unter dem Wirtgestein
- eine beschränkte Ausdehnung des Wirtgesteins
- eine Nebengesteinsscholle im Wirtgestein
- eine über die Talfüllung reichende Rutschmasse
- einen Verkehrtschenkel der Drusbergdecke
Zusätzlich können der Bergwasserspiegel und die seitlichen Randbedingungen variiert werden. Die Optionen sind kumulierbar und können mit beliebigen Durchlässigkeitsoptionen kombiniert werden. Die für jede hydrogeologische Einheit definierten Durchlässigkeitsbereiche stützen sich vornehmlich auf Untersuchungen am geologisch vergleichbaren Standort Oberbauenstock, welche vor der Sondierphase I 1987 durchgeführt wurden.
Resultate:
Die topographische Situation impliziert höhere hydraulische Potentiale in der Axendecke südlich des Wirtgesteins und tiefere Potentiale in den Kalken der Drusbergdecke im Norden. Daraus folgt im Wesentlichen eine Entwässerung des Wirtgesteins in nordwestlicher Richtung zum Engelbergtal und – in vermindertem Mass – gegen das Secklistal. Über grosse Gebiete des Wirtgesteins ist der Grundwasserfluss abwärts gegen den Verkehrtschenkel der Drusbergdecke gerichtet.
Die Potentialprofile in den vorgesehenen Sondierbohrungen werden je nach Standort von den einzelnen Optionen unterschiedlich stark beeinflusst.
Die kürzesten Fliesswege des Grundwassers im Wirtgestein (gemessen vom Endlager bis zum Rand des Wirtgesteins) betragen rund 200 m. Die kürzesten Fliesszeiten belaufen sich bei Annahme einer mittleren Fliessporosität von 0.001 in den wahrscheinlichen Fällen auf 150 bis 1500 Jahre. In stark konservativen Fällen, bei denen die für Fliesszeiten ungünstigen Annahmen kumuliert werden, können sich diese Zeiten auf weniger als 10 Jahre reduzieren. Die Wasserfliessgeschwindigkeiten im Wirtgestein liegen für die wahrscheinlichen Fälle in der Grössenordnung von 1 m/a.
In den wahrscheinlichen Fällen fliesst Wasser vom Hochlager über den Vertikalschacht ins Tieflager. In den stark konservativen Fällen kann diese Fliessrichtung umgedreht werden. Die kürzesten Fliesswege und Fliesszeiten ergeben sich für den nördlichen Teil und die längsten für den südlichen Teil des Hochlagers. Für das Tieflager resultieren dazwischenliegende, wenig streuende Werte.
Der Zugang zum Hochlager erfolgt aus betrieblichen Gründen von nordwestlicher Richtung. Damit würde eine parallel zur Fliessrichtung des Grundwassers liegende direkte Verbindung zwischen dem Endlager und der Biosphäre ermöglicht. Werden der Bau- und Betriebsstollen dagegen in einer Westschlaufe um das Hochlager geführt, so kann dieses von Süden in seinem Anstrombereich erschlossen werden. Diese Art der Stollenführung reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Wasserflusses vom Endlager entlang den Stollen an die Biosphäre.
Die Trajektoriendaten (Fliesszeit, Weglänge, Fliessrichtung) reagieren sensitiv auf Änderungen der Bergwasserspiegel in den nördlich und südlich angrenzenden Kalkformationen sowie auf die geometrischen Optionen Verkehrtschenkel und Deckenverschuppung. Die Fliesszeit ist zusätzlich stark abhängig von der Porosität, Durchlässigkeit und Ausdehnung des Wirtgesteins, von der Anordnung der Endlagerbauwerke und – im Falle eines direkten Zuganges von Nordwesten – von der Durchlässigkeit der Auflockerungszonen entlang der Bau- und Betriebsstollen.
Zur Kalibrierung des vorliegenden Modells fehlten zum Zeitpunkt der ModelIierungsarbeiten die notwendigen Messdaten. Einzig der Gesamtabfluss von Grundwasser aus dem Modellgebiet konnte als Eichgrösse für die durchlässigen hydrogeologischen Einheiten und für den Bergwasserspiegel in den Kalken beigezogen werden. Die Durchlässigkeit des Wirtgesteins konnte damit jedoch nicht kalibriert werden.
Erst das ausgearbeitete Sondierprogramm wird Daten für alle hydrogeologischen Einheiten liefern und eine Kalibrierung und Validierung des Modells ermöglichen. Die belastbarsten Daten werden dabei aus Beobachtungen der durch die Sondierarbeiten induzierten, langfristigen Absenkung des hydraulischen Potentials im Endlagerbereich erwartet.