PetroK_f - k_f-Wert Ermittlung nach Bohrgutansprache

Flachbohrungen werden häufig ohne direkte Ermittlung hydraulischer Parameter durchgeführt. Durchlässigkeitsbeiwerte (k_f-Werte) auf Grundlage von Korngrößenanalysen oder hydraulischen Tests liegen regelmäßig nur für wenige Bohrungen und ausgewählte Schichten vor. Bohrmeisterschichten- verzeichnisse oder die Gesteinsansprache des Projektgeologen sind in der Regel die Grundlage der archivierten Bohrdatendokumentation.

Für die Parametrisierung von numerischen Modellen ist die Ermittlung von Durchlässigkeitsverteilungen aus geologischen Schichtbeschreibungen der Schichten von Bohrungen, welche oft in Bohrungsdatenbanken verfügbar sind, von besonderer Bedeutung.

In der hydrogeologischen Praxis finden diverse Richtwerttabellen für die Zuweisung von k_f-Werten zu Sedimentschichten Anwendung, die häufig eher überschlägigen Charakter aufweisen. Die k_f-Wert-Bestimmung nach einer fixierten Methodik anhand der vorliegenden geologischen Schichtbeschreibung findet in der heutigen Praxis in aller Regel nicht statt. Dabei stellt bei der Mehrzahl der in Bohrungsdatenbanken erfassten Informationen die Bohrgutansprache die einzig vorhandene und zu diesen Zwecken auswertbare Information dar.

Nachfolgend wird ein deterministisches Verfahren zur zuverlässigen Abschätzung des k_f-Wertes auf Basis der dokumentierten petrographischen Bohrgutansprache nach dem "Symbolschlüssel Geologie" und dessen dv-technische Umsetzung vorgestellt. Dieses Verfahren wird in ausführlicher Form in dem Artikel: "Deterministische k_f-Wert-Schätzung nach petrografischer Bohrgutansprache", veröffentlicht in der Zeitschrift "Grundwasser", beschrieben.

Methode der Durchlässigkeitsbestimmung

Grundlage des Verfahrens ist die Ableitung einer synthetischen Kornsummenkurve aus der nach dem Symbolschlüssel Geologie notierten petrographischen Bohrgutbeschreibung.

1) Eingangsparameter

• Eingabe der Petrographie in der Symbolschreibweise nach dem Symbolschlüssel Geologie: "mS,fs4,gs2"
• Gliederung der Intensitätsabstufung in fünf numerische Quantifikatoren (Abb. 1, Tabelle rechts oben)

2) Algorithmus

• Zerlegung der Bohrgutansprache in Haupt- ("mS") und Nebengemengeanteile ("fs4, gs2")
• Ableitung des minimalen, maximalen und des mittleren zu erwartenden Gewichtsanteils jeder Korngrößenfraktion entsprechend der jeweils identifizierten Quantität

3) Kornsummenkurve

• Erzeugen von Wertepaare aus den Korngrößenklassengrenzen und den jeweiligen im Mittel zu erwartenden Anteilen
• Darstellung der im Mittel zu erwartenden Kornsummenkurve (orange) und der Hüllkurven (blau und grün begrenzen den Bereich der theoretisch erzeugbaren Kurvenschaar)

4) Ermittelte Parameter / Zielgrößen

• Korngrößen bei beliebigen Durchgangskurven
• Bestimmung des maximalen, minimalen und des wahrscheinlichen k_f-Wertes unter der Annahme, dass die tatsächlichen Gehalte im Mittel dem Mittelwert der beschriebenen Gehaltsklassen (orange) entsprechen.
• Bestimmung von Porosität, Nutzporosität, Krümmungszahl, Porenzahl, Kennkornzahl etc.

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Validierungsergebnisse

Die Validierung des Algorithmus erfolgt in zwei Schritten:

1) Bestimmung des Systemfehlers

• Datengrundlage: 10 Bohrungen, 185 Bohrgutproben mit petrographischer Feldansprache (nach Symbolschlüssel Geologie) und Analyse der Korngrößenverteilung per Siebanalyse
• Vergleich der k_f-Werte aus Siebanalyse der Bohrgutproben (kf.Sieb.) und nach Ableitung einer synthetischen petrographischen Beschreibung (kf.synth.) aus der per Siebanalyse ermittelten Korngrößenverteilung (Abb. 2)
• Durchschnittliche Abweichung Faktor 1,2 ± 0,22 (Abb. 2, gelbe Box: Q1: 1,04; Q2: 1,13; Q3: 1,21);Diskrepanz (Faktor F) beschreibt die methodisch bedingte Unschärfe der deskriptiven Notation des Symbolschlüssels
• Durchschnittliche Abweichung der Feldansprache (kf.Bohrgut) von Siebanalyse (kf.Sieb) um Faktor 3,23 ± 2,12 (Q2: 2,77)

2) Prüfung der Praxistauglichkeit

• Datengrundlage: 10 Bohrungsdatenbanken im jungpleistozänen Tiefland und Molassebecken, 1009 Bohrungen mit rund 5.668 verwertbaren Schichtansprachen (kf.Sieb. nach Beyer).
• Vergleich von (kf.Sieb.) und (kf.Bohrgut) (Zusammenstellung der Streubreiten Abb. 3)
• Durchschnittliche Abweichung um Faktor 4,25 ± 0,22 (Abb. 3, über alle Datenbanken: Q1: 1,48; Q2: 2,41; Q3: 4,42)
• Höhere Differenzen des Faktors F beschreiben die unterschiedliche Qualität der Siebprobennahme (Ausbildung und praktische Berufserfahrung), sowie die individuelle, subjektiv beeinflusste Schichtansprache des geologischen Sachbearbeiters, Bestimmungs-methodik und Sorgfalt
• Petrographische Ansprache der Bohrgutproben erfolgt durch geologische Sachbearbeiter eher zu fein (rund 1/3); resultierende k_f-Werte sind demnach eher zu klein

Schlussfolgerungen

Der vorgestellte Algorithmus realisiert eine deterministische k_f-Wert-Schätzung auf Basis petrographischer Bohrgutansprachen. Für die untersuchten Bohrungsdatenbanken gilt:

• 47 % bis 79 % weisen k_f-Wert-Abweichungen F < 3,
• 66 % bis 93 % Abweichungen < 5,
• zwischen 1 % und 16 % Abweichungen > 10 auf.

Veröffentlichungen

Der vorliegende Artikel wurde im Mai 2010 als Poster auf der Drei-Länderjahrestagung der Fachsektion Hydrogeologie der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (FH-DGG) an der Eberhard-Karls Universität in Tübingen präsentiert:

 

»  Fuchs, S., Nillert, P.: Deterministische k_f-Wert Schätzung nach petrographischer Bohrgutansprache − Theorie und praktische Anwendung, FH-DGG Jahrestagung 2010, 12.-16. Mai, Tübingen.

 

Eine detaillierte Beschreibung des Algorithmus ist dokumentiert in:

 

»  Fuchs, S. (2010): Deterministische k_f-Wert Schätzung nach petrographischer Bohrgutansprache, Grundwasser, Heidelberg, Springer.

Software

Der vorgestellte Algorithmus wurde in Kooperation mit der GCI GmbH in eine windowslauffähige Software umgesetzt.

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