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Arbeitsbericht NAB 13-23
Regional Hydrogeological Model of Northern Switzerland
Im Rahmen von Etappe 2 des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT) müssen die hydrogeologischen Verhältnisse in den potenziellen Standortgebieten analysiert werden. Diese Analysen erfolgen unter anderem mit Hilfe von hydrogeologischen Modellen. Das Testen von unterschiedlichen Szenarien ermöglicht dabei die Herleitung und Begründung von im Rahmen der provisorischen Sicherheitsanalysen verwendeten Parametern, wie dem hydraulischen Gradienten über die Wirtgesteine.
Um die unterschiedlichen Massstäbe abbilden zu können, werden feiner diskretisierte lokale Modelle der Standortgebiete in ein regionales hydrogeologisches Modell (Regionalmodell) eingebettet. Dabei liefert das Regionalmodell die hydraulischen Randbedingungen für die Lokalmodelle. Im vorliegenden Bericht des hydrogeologischen Regionalmodells der Nordschweiz werden insbesondere die regionalen Fliesssysteme im Malm-Aquifer, im Hauptrogenstein-Aquifer (westliches Gebiet) und im Muschelkalk-Aquifer betrachtet. Zusätzlich wurde auch der lokale Keuper-Aquifer als 10 m mächtige Einheit im Modell berücksichtigt.
Die Geometrie des Regionalmodells beruht auf dem geologischen Modell 2012.1 (Gmünder et al. 2013) und beinhaltet auch die regionalen Störungszonen. Aus modelliertechnischen Gründen mussten diese in die Vertikale rotiert werden. Die Störungen sind im Modell mit drei Elementreihen abgebildet um unterschiedliche Szenarien der Störungseigenschaften testen zu können. Die Modellierung erfolgte stationär (d.h. zeitunabhängig).
Die Wahl der lateralen Modellgrenzen beruht auf generellen hydrogeologischen Überlegungen und ersten Analysen mit Hilfe von einfachen 2D-Modellen. Die Modelloberfläche wurde bei bedeutenden Oberflächengewässern und Lockergesteinsaquiferen mit Fixpotenzialen belegt. Zusätzlich erfolgt eine flächenhafte Grundwasserneubildung über Niederschlag.
Die hydraulischen Eigenschaften der hydrogeologischen Einheiten basieren auf der Datenkompilation von Nusch et al. (2013) und weiterer Literatur. Weitere geologische Aspekte wurden berücksichtigt für die Abschätzung regional unterschiedlicher hydraulischer Durchlässigkeiten, beispielsweise für den Malm-Aquifer im Faltenjura gegenüber anderen Gebieten. Die in Bohrungen gemessenen Potenziale werden für einen Vergleich mit den Modellresultaten verwendet. Weil die Dichte von Potenzialmessungen in den Tiefenaquiferen zu gering ist für eine belastbare Modellkalibration, wurden die Modelle für Szenarienanalysen eingesetzt, insbesondere bezüglich der möglichen Auswirkungen der regionalen Störungszonen.
Bezüglich der hydraulischen Eigenschaften der Störungszonen wurden drei hypothetische Rechenfälle betrachtet:
- Mit dem Fall C1 werden die Auswirkungen des veränderten Durchflussquerschnitts durch den Versatz an den Störungen betrachtet. Die typischen Exfiltrationszonen von Malm-, Hauptrogenstein-, Keuper- und Muschelkalk-Aquifer liegen dabei in den Flusstälern, wo das Vorflutniveau durch die Flüsse oder die Lockergesteins-Grundwasserleiter definiert wird. Das Grundwasser stammt dabei meist von den Infiltrationsgebieten im Falten- und Tafeljura wie auch von der Südgrenze des Modells. Der Betrag des hydraulischen Gradienten über den Opalinuston ist in diesem Fall meist < 0.5.
- Mit dem Fall C2 werden die Auswirkungen von abdichtenden Störungszonen studiert. In diesem Fall resultieren durch die Störungen separierte, kleinerräumige Fliesssysteme. Für den Malm- und Hauptrogenstein-Aquifer ergeben sich ähnliche Hauptexfiltrationszonen wie im Fall C1. Demgegenüber sind die Auswirkungen auf die tieferen Aquifere (Muschelkalk, Keuper) ausgeprägter und können beispielsweise im Muschelkalk-Aquifer zu sehr langen Exfiltrationspfaden führen. Aus diesem Rechenfall resultieren die höchsten Gradienten über den Opalinuston: Meist ist der Betrag kleiner als 1, im Raum Zürich Nordost – Südranden resultieren aus der in diesem Gebiet verwendeten hohen Durchlässigkeit des Keuper-Aquifers und dem stauenden Effekt der Störungen auch etwas höhere Werte.
- Mit dem Fall C3 werden die Auswirkungen von Kurzschlüssen über Störungen zwischen unterschiedlichen Aquiferstockwerken getestet. In diesem Fall resultieren gegenüber C1 und C2 oft deutliche Verschiebungen in den In- und Exfiltrationszonen. Wichtige Exfiltrationszonen liegen in diesem Fall dort, wo die Störungen die grossen Flusstäler queren. Während in den Fällen C1 und C2 die Fliesspfade typischerweise im selben Aquifer bleiben, können in C3 Exfiltrationspfade beispielsweise beginnend im Muschelkalk, via Störungen und Malm-Aquifer die Vorflut erreichen. Dieser Modellfall würde zumindest nahe an den Störungen eine identische oder ähnliche isotopische und geochemische Charakteristik der verschiedenen Grundwasserstockwerke bedeuten. Durch den Potenzialausgleich entlang der regionalen Störungszonen resultieren in diesem Rechenfall gegenüber C1 verbreitet tiefere Gradienten über den Opalinuston. Der Betrag ist Allgemein kleiner als 0.5
Zusätzlich zu diesen drei Rechenfällen wurde auch ein Fall getestet, wo sich die Durchlässigkeit der Elemente der Störung aus dem Versatz und den Durchlässigkeiten angrenzender Einheiten errechnen (shale gouge ratio). Dieser Ansatz führte zu ähnlichen Resultaten wie der Fall C1 und wurde deshalb nicht weiter verfolgt.
In einzelnen Rechenfällen werden auch Fliesspfade angezeigt, welche die Durchquerung von mächtigen Aquitarden beinhalten. Dieses Ergebnis der stationären Modellierung resultiert aus stagnierenden Verhältnisse im Aquifer und bedeutet letztlich lange Fliesszeiten.
Der Vergleich der modellierten mit den gemessenen Potenzialen ergibt keine eindeutige Präferenz für einen der Fälle C1, C2 oder C3. In vielen Lokalitäten sind die Messwerte primär durch die nahe liegenden Aufschlüsse (In- resp. Exfiltrationszonen) beeinflusst und erlauben deshalb keine Diskriminierung. Eine Modellkalibration erfolgte für den Rechenfall C1 und zeigte, dass der verwendete Datensatz der hydraulischen Durchlässigkeiten der Einheiten robust ist.
Die In- und Exfiltrationspfade werden für die einzelnen Standortgebiete mit Hilfe von particle tracking visualisiert. Der Gradient über das in allen potenziellen Standortgebieten der Nordschweiz betrachtete Wirtgestein Opalinuston wird für die verschiedenen Rechenfälle in Karten visualisiert.
Um die Sensitivitäten des Modells auf Eingabeparameter und Annahmen zu testen, wurden zahlreiche Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Im regionalen Massstab zeigen diese ein robustes Modellverhalten bezüglich der südlichen Modellgrenze und der Verkarstungstiefe von Malm- und Hauptrogenstein-Aquifer. Eine moderate Sensitivität existiert bezüglich der Grundwasserneubildungsbedingungen, der Durchlässigkeit der Lockergesteine und der Verkarstungstiefe im Muschelkalk-Aquifer. Das Modell ist sehr sensitiv auf die Durchlässigkeitsverteilung in den wichtigsten Aquiferen, dies beeinflusst insbesondere die Grundwasserflüsse. Die maximalen vertikalen Gradienten über den Opalinuston liegen auch in den Sensitivitätsanalysen bei Werten nahe 1.