Reactive transport models of low permeability structured porous and fractured media

Abstract

[Abstract] Groundwater flow and reactive transport models are essential tools for the analysis of coupled physical, chemical and biological processes in Earth systems. This dissertation aims at improving flow and reactive transport models of low-permeability structured porous and fractured media and applying them to radioactive waste disposal. These improvements were implemented in the codes of the CORE series. CORE2DV5 was improved to deal with the feedback effect of porosity changes due to mineral dissolution/precipitation. Model and code improvements have been tested with laboratory data and with code benchmarking. In addition, reactive transport models have been performed to hydrogeological field conditions such as the Centralised Temporary Storage (CTS) facility in Villar de Cañas (Cuenca), Spain which will host the spent fuel and high-level radioactive waste (HLW) from the Spanish nuclear power plants. Groundwater flow and reactive transport models of the CTS site have been most useful to: 1) Confirm the hydrogeological conceptual model; 2) Quantify hydraulic heads, groundwater flows and groundwater balance; 3) Evaluate the impact of the construction of the facility on hydraulic heads; 4) Evaluate the impact of the water supply pumping well; and 5) Study the hydrogeochemical patterns of the site and the time evolution of gypsum affected by dissolution.

[Resumen] Los modelos de flujo subterráneo y transporte reactivo son herramientas esenciales para analizar procesos acoplados físicos, químicos y biológicos. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es la mejora de modelos de flujo y transporte reactivo en medios porosos y fracturados de baja permeabilidad para su aplicación en almacenamientos de residuos radioactivos. Se han implementado mejoras en los códigos de la serie CORE. CORE2DV5 ha sido actualizado para la retroalimentación de la porosidad debido a la disolución/precipitación de minerales. Las mejoras en modelos y códigos han sido comprobadas con datos medidos y con otros códigos. Además, modelos de transporte reactivo se han aplicado a sistemas hidrogeológicos reales como en el emplazamiento del Almacén Temporal Centralizado (ATC) de Villar de Cañas (Cuenca, España) que almacenará combustible gastado y residuos radioactivos de alta actividad (RAA) de centrales nucleares españolas. Los modelos realizados han servido para: 1) Confirmar el modelo conceptual hidrogeológico; 2) Cuantificar los niveles piezométricos, velocidades de flujo y balance de las aguas subterráneas; 3) Evaluar el impacto de la construcción del ATC sobre los niveles piezométricos; 4) Evaluar los efectos del pozo de bombeo; y 5) Estudiar la hidrogeoquímica de la zona y la evolución temporal de la disolución de yeso.

[Resumo] Os modelos de fluxo subterráneo e transporte reactivo son ferramentas esenciais para analizar procesos acoplados físicos, químicos e biolóxicos en sistemas terrestres. O principal obxectivo desta Tese Doutoral é a mellora dos modelos de fluxo e transporte reactivo en medios porosos e fracturados de baixa permeabilidade para a súa aplicación en almacenamentos de residuos radioactivos. Implementáronse melloras nos códigos de transporte reactivo da serie CORE. CORE2DV5 foi actualizado para a retroalimentación da porosidade debido a disolución/precipitación de minerais. As melloras nos modelos e códigos comparáronse cos datos medidos e con outros códigos. Ademais, modelos en medios porosos e fracturados aplicáronse a sistemas hidroxeológicos reais como no emprazamento do Almacén Temporal Centralizado (ATC) de Villar de Cañas (Cuenca, España) que almacenará o combustible gastado e os residuos radioactivos de alta actividade (RAA) das centrais nucleares españolas. Os modelos numéricos realizados foron moi útiles para: 1) Confirmar o modelo conceptual hidroxeolóxico; 2) Cuantificar os niveis piezométricos, as velocidades de fluxo e o balance das augas subterráneas; 3) Avaliar o impacto da construción do ATC sobre os niveis piezométricos; 4) Avaliar os efectos do pozo de bombeo; e 5) Estudar os patróns da hidroxeoquímica da zona e a evolución temporal da disolución de xeso.