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Uranium, Mining and Hydrogeology VI



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Workshops UMH II

Arbeitsgruppe 2: Reaktiver Stofftransport

Leitung: W.E. Falk und D. Blowes

Die Diskussion befaßte sich vor allem mit den Problemen der Modellierung des reaktiven Stofftransports und weniger mit generellen konzeptionellen Ansätzen.

Die Teilnehmer versuchten den Stand der Technik und Forschung in gekoppelten reaktiven Transportmodellen darzustellen, dies vor allem aus der Sicht der Anwender

Drei gegenseitig abhängige Komplexe wurden erkannt: Lösungskonzept, Datenverfügbarkeit und mathematische/numerische Realisation

Das Problem der Verfügbarkeit zuverlässiger Daten, insbesondere thermodynamischer und kinetischer Daten, wurde bereits auf einem vom SMU 1996 initiierten Workshop dargelegt. Andere Daten, z.B. objekt-spezifische Daten, sollten grundsätzlich einer Sensitivitätsanalyse unterzogen werden, um den Einfluß von Analysenfehlern abzuschätzen.

Der konzeptionelle Ansatz, der stark von der Vorstellung des Modellierers abhängt, hat einen signifikanten Einfluß auf das Modellergebnis. Dies wurde in verschiedenen vergleichenden Studien wie z.B. dem CHEMVAL-Projekt festgestellt, bei dem verschiedene Modellierer den selben Datensatz benutzten, aber zu unterschiedlichen Ergebnissen kamen. Auch hier gilt, daß Sensitivitätsanalysen die Kritisierbarkeit von Annahmen aufhellen kann. Ferner wurden Probleme des "up-scaling" diskutiert, das heißt die Übertragbarkeit von Daten und Konzepten aus Laborversuchen auf Geländebedingungen und die Problematik der Heterogenität natürlicher Systeme. Beide Probleme sind eng miteinander verbunden.

Während die dreidimensionale Modellierung des Fließverhaltens in der gesättigten Zone als auf dem Stand von Technik und Forschung betrachtet werden kann, stellen spezifische Aspekte, wie Systeme mit double porosity oder Mehrphasensysteme, Fließverhalten in der ungesättigten Zone eingeschlossen, immer noch konzeptionelle und numerische Probleme dar. Während die grundlegenden Abläufe dieser Prozesse gut untersucht sind, stellt die Zeit-abhängige Parametrisierung reeller Fälle ein Problem dar.

Die Modellierung statischer Gleichgewichte geochemischer Prozesse kann wiederum als auf dem Stand von Technik und Forschung betrachtet werden. Hier stellt die Beschreibung der Kinetik heterogener Prozesse, wie Lösung/ Fällung, Mitfällung und Sorption eine wirkliche Herausforderung dar. Viele geochemische Systeme erreichen in üblichen Boebachtungszeiträumen (Stunden...Monate) kein Gleichgewicht, daher bestimmen oft Übergangsphasen oder Sekundärphasen die Prozesse. Außerdem spielen sich diese Prozesse hauptsächlich an der Oberfläche ab und beziehen somit nur einen Bruchteil der gesamten festen und gelösten Masse mit ein. Daher können sie in Analysen völlig verloren gehen.

Die üblichen Strategie, um Fließverhalten und chemische Reaktionen zu koppeln, besteht entweder darin, die Gleichungen der jeweiligen Massenbilanzen gleichzeitig zu lösen oder ein lokales chemisches Gleichgewicht anzunehmen und eine schrittweise Iteration zwischen Fließverhalten und chemischem System durchzuführen. Dennoch wird eine Rückkoppelung zwischen heterogenen chemischen Reaktionen, die Fließwege begrenzen oder erweitern können, und dem hydraulischen System kaum berücksichtigt.

Zur Zeit existieren ca. 10 Codes für den gekoppelten reaktiven Transport. Wahrscheinlich wird sich diese Zahl auf 2 oder3 reduzieren, wie es auch mit den geochemischen Codes der Fall war.

Die große Anzahl an Codes macht eine Verifikation und Qualitätskontrolle der Modellierungsergebnisse schwierig, bzw. es sollten Techniken/ Strategien dazu entwickelt werden. Fehlende Dokumentation mancher Codes, die ursprünglich hauptsächlich als Forschungswerkzeug für den eigenen Gebrauch entwickelt wurden, ist ein wesentliches Hindernis für ihre Verwendung.

Die größte Einschränkung in der Verwendung gekoppelter reaktiver Transportmodelle ist immer noch die Rechenzeit. Ein Teilnehmer nannte ein Beispiel, wo die Ausführung der Laborversuche nur wenige Minuten dauerte, ihre Berechnung auf einer schnellen Workstation aber einige Stunden in Anspruch nahm. Das Ziel sollte ganz klar das Gegenteil sein: um die potentiellen Möglichkeiten der Modellierung voll auszuschöpfen, wäre ein Verhältnis von 1:1000 zwischen Rechenzeit für die Modellierung und Versuchzeit unbedingt wünschenswert.

 



© A. Berger, 17.05.2010 http://www.geo.tu-freiberg.de/umh/UMHII_Workshop2d.htm
 
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