Development and evaluation of a reactive hybrid transport model (RUMT3D)

Abstract

In Gebieten, in denen Bergbauaktivitäten stattgefunden haben, werden häufig das Vorkommen von sauren Sickerwässern und erhöhte Gehalte an gelösten Schwermetallen sowie möglicherweise an Radionuklide beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein reaktives Hybrid-Stofftransportmodell (RUMT3D, 3-Dimensional Reactive Underground Mine Transport Model) entwickelt, welches die zeitliche Quantifizierung von gelösten Schadstoffen und ausgefällten Mineralphasen in gefluteten untertägigen Bergwerken erlaubt. Dieses Hybrid-Modell berücksichtigt speziell die sehr unterschiedlichen Transportregionen innerhalb eines Bergwerkes: (i) beschleunigter Transport in dem hochdurchlässigen Netzwerk der Schächte und Strecken oder in Röhrensystemen und (ii) verlangsamter Transport im vergleichsweise wenig durchlässiger erzführender geklüfteter Gesteinsmatrix. RUMT3D besteht aus einem Standard Transportmodell (MT3DMS), einem Röhrentransportmodell und einem Standard geochemischen Modell (PHREEQC-2). Sowohl Gleichgewichts- als auch kinetisch kontrollierte Reaktionen können simuliert werden. RUMT3D ist auf Bergbaugebiete unterschiedlicher Komplexität in Struktur und Anzahl von Komponenten anwendbar. Außerdem kann RUMT3D für alle Domänen mit einem eingebetteten Röhrensystem, wie z.B., diskrete geklüftete Gebiete, diskrete Karstgebiete oder Aquifere mit Bohrlöchern, eingesetzt werden. Diese Domäne mit eingebetteten Röhrensystemen werden in dieser Arbeit allgemein als Hybridsystem bezeichnet. RUMT3D wurde auf der Grundlage von drei unterschiedlichen Benchmark-Problemen, einer Quasi-analytischen Lösung und zwei numerischen Programmcodes sowie Plausibilitätsanalysen evaluiert. Zwei Probleme (das AMD und das Königstein Problem) davon verifizieren den reaktiven Transport in dem Kontinuum. Das AMD Problem simuliert die prinzipiellen Prozesse des Acid Mine Drainage Phänomens während das Königstein Problem den Transport von saurem Wasser, Sulfat und gelösten Metallen einschließlich gelöstem Uran in einem Grundwasserleiter stromabwärts von einem Bergwerksgebiet simuliert. Plausibilität der reaktiven Ergebnisse von RUMT3D für ein Hybridsystem konnte durch vier unterschiedliche Szenarien gezeigt werden. Diese Szenarien wurden zuerst für das Kontinuumsystem analysiert, um ungewöhnliche Phänomene besser zu identifizieren, die sich eventuell durch die Inkorporation des Röhrentransportmodells ergeben haben könnten. Die gute Übereinstimmung der Ergebnisse von RUMT3D mit den unterschiedlichen Lösungen und numerischen Programmcodes sowie der Plausibilitätsanalysen weisen auf eine angemessene Kopplung der drei unterschiedlichen Modelle innerhalb RUMT3D hin. Somit ist RUMT3D ein verlässliches reaktives Simulationswerkzeug für Kontinuums- und Hystemsysteme. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass zur Simulierung des Schadstofftransports in Hybridsystemen die Berücksichtigung von schnellen Transportwegen unerlässlich ist. Ein Röhrensystem bestimmt erheblich die hydraulischen Verhältnisse in einem Hybridsystem und ist deshalb für die schnellen Änderungen im hydrogeochemischen Milieu verantwortlich.