Heterogeneities in fractured rock are found at all scales; from the scale of individual fractures, to the scale of fracture networks, and to the largest regional scales. These heterogeneities cause challenges for modelling and parameter estimation of flow and solute transport. The heterogeneities in fracture aperture, characterization of the flow channelling they are causing, and implementation of this information into numerical simulation models of the solute transport in fractured media are the subjects of this thesis. Aperture variability within a fracture causes the flow channelling, where the water flow is focused in a few channels and other areas of the fracture have practically stagnant water. The flow-wetted surface is the area where the flowing water is in contact to the fracture area. Contaminants are transported with the flowing water and therefore the flow-wetted surface is an important parameter that influences the diffusion into the rock matrix and sorption to the fracture rock surface. The specific flow-wetted surface (sFWS) is the flow-wetted surface divided by the total fracture area. The sFWS is systematically analyzed for different fracture aperture distribution characteristics. The local aperture is linked to the local hydraulic conductivity K. Increasing standard deviation of the hydraulic conductivity K field (σln K) leads to decreased sFWS. The sFWS is found to be independent of the correlation length (λ) of the field. An empirical relationship is developed, which describes the sFWS as a function of the σln K. A method is also introduced to determine this key parameter by analysis of the breakthrough curve from a single-well injection-withdrawal (SWIW) test. Further, an approach is presented to incorporate the effect of fracture level heterogeneity into fracture network models and to analyze the effect on sorption and matrix diffusion, by including the sFWS parameter into the transport calculations. The results show that the median transport time is proportional to the square of the sFWS-value. The results also suggest that there are an averaging behaviour in the fracture network, the sFWS-value of each individual fracture is not important for the transport over the domain, but a mean-value can be utilized in the numerical model. / Heterogeniteter i sprickigt berg finns i alla skalor, från millimeterskala till en skala på hundratals kilometer. Dessa heterogeniteter orsakar problem vid beräkning av vattenflöde och ämnestransport. Aperturen i en spricka är öppningen mellan de två omslutande bergsidorna, den varierar både inom och mellan olika sprickor. Ämnet för denna avhandling är heterogeniteter i aperturerna inom enskilda sprickor, karaktärisering av den flödeskanalisering som uppstår på grund av dessa heterogeniteter och hur man kan använda denna information till en numerisk modell.Variabilitet av aperturen i en enskild spricka gör att vattenflödet blir fokuserat i ett fåtal kanaler, medan andra områden av sprickan kan ha praktiskt taget stillastående vatten. Den flödesvätta ytan är det område där det strömmande vattnet kommer i kontakt med sprickytan. Den flödesvätta ytan som påverkar diffusionen in i bergmatrisen och sorptionen till sprickytan är en viktig parameter eftersom föroreningar transporteras med det strömmande vattnet. Den specifika flödesvätta ytan (sFWS) är den flödesvätta ytan dividerad med den totala sprickarean. I avhandlingen analyserades sFWS systematiskt för olika statistik över sprickaperturen. Den lokala aperturen är kopplad till den lokala hydrauliska konduktiviteten K. En ökad standardavvikelse för det hydrauliska konduktivitetsfältet (σln K) ledde till minskad sFWS. sFWS visades vara oberoende av konduktivitetsfältets korrelationslängd (λ). En empirisk relation utvecklades som beskriver sFWS som en funktion av σln K. Ett SWIW-test är en typ av spårämnesförsök, där ett spårämne injiceras i en brunn följt av vatten i en bestämd tidsperiod, innan flödet vänds och en genombrottskurva registreras. Testet används traditionellt för att bestämma bergets diffusions- och sorptionsegenskaper. En metod presenterades för att bestämma den specifika flödesvätta ytan genom analys av genombrottskurvan för ett SWIW-test. Ett tillvägagångssätt introducerades för att analysera effekterna av sorption och matrisdiffusion i heterogena sprickor i en spricknätverksmodell genom att inkludera sFWS-parametern i transportberäkningar. Resultaten visade att medianvärdet för transporttiden är proportionell mot kvadraten på sFWS-värdet. Resultaten visade också att transporten genom spricknätverket inte är beroende av sFWS-värdet i de individuella sprickorna, utan att medelvärdet kan användas för modellering.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:uu-180409 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Larsson, Martin |
| Publisher | Uppsala universitet, Luft-, vatten och landskapslära, Uppsala |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, 1651-6214 ; 971 |
Page generated in 0.0026 seconds