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Grundwassermodell e sind konzeptionelle analytische oder numerische Werkzeuge welche die notwendigen Informationen für d

Grundwassermodell

Grundwassermodelle sind konzeptionelle, analytische oder numerische Werkzeuge, welche die notwendigen Informationen für die quantitative und qualitative Bewirtschaftung eines Aquifers (Grundwasserleiters) zur Verfügung stellen.

Allgemein Bearbeiten

Ein Grundwassermodell ermöglicht die Simulation verschiedener Größen wie

Mathematisches Modell Bearbeiten

Ein mathematisches Grundwasserströmungsmodell besteht im Wesentlichen aus einer Kombination der Darcy-Gleichung mit einer Bilanzbeziehung, wie sie z. B. die Laplace-Gleichung darstellt. Ein Stofftransportmodell baut auf dem berechneten Strömungsfeld auf und verwendet die Advektions-Dispersionsgleichung, eine Kombination des Dispersionsansatzes und einer Bilanzbeziehung, um die Ausbreitung der Wasserinhaltsstoffe zu berechnen. Alternativ kann die Berechnung der Wärmeausbreitung auf dem Strömungsfeld mittels der Wärmeleitungsgleichung erfolgen.

Zwingend für den Einsatz eines Stofftransport- oder Wärmeausbreitungsmodells ist also immer die vorausgehende Berechnung des Strömungsfeldes.

Numerisches Modell Bearbeiten

Neben analytischen Lösungsansätzen wie dem Strömungsnetz, die meist von sehr einfachen (eindimensionalen oder zweidimensionalen) Modellvorstellungen mit einfachen geometrischen Randbedingungen und homogenen Verhältnissen im Modellgebiet ausgehen, existieren numerische Modelle zur Lösung der Gleichungen des mathematischen Modells.

Für praktische Anwendungen mit komplexen Randbedingungen sind mathematische Modelle nur approximativ lösbar, ermöglichen aber die Simulation heterogener und anisotroper, dreidimensionaler Systeme.

Die Lösung mit einem numerischen Modell erfolgt entweder mit sog. Eulerschen Ansätzen wie dem Finite-Differenzen-Verfahren, Finite-Volumen-Verfahren oder der Finite-Elemente-Methode oder durch Lagrangsche Ansätze wie dem Particle-Tracking und der Random-Walk-Methode.

Das Grundwassermodell berücksichtigt die geologischen und hydrogeologischen Kenntnisse über das Modellgebiet (Konzeptmodell oder Hydrogeologisches Modell) bzw. die Vorgaben eines Versuchsaufbaus. Bestandteil einer numerischen Grundwassermodellierung ist die Kalibrierung des Modells und die Durchführung einer Sensitivitätsanalyse.

Kalibrierung Bearbeiten

Die Kalibrierung stellt die Überprüfung des vom Modell berechneten Ergebnisses mit den vorgegebenen (in der Praxis: den im Feld gemessenen Grundwasserständen, Stoffkonzentrationen oder Temperaturen) Ergebnissen sowie die Anpassung der Modelleigenschaften zur Minimierung der Abweichungen dar. Die Differenz der gemessenen zu den berechneten Ergebnissen als auch die Grundwasserbilanz des Modells, die möglichst ausgeglichen sein soll, ist ein Maß für die Güte der Kalibrierung, die stationär, d. h. zeitunabhängig, oder instationär, d. h. zeitabhängig, erfolgen kann.

Stochastische Analyse Bearbeiten

Da die dem Modell zugrundeliegenden (hydro)geologischen Erkenntnisse (beispielsweise der hydraulische Durchlässigkeitsbeiwert) oft nicht eindeutig und vor allem nicht flächendeckend durch Feldversuche quantifiziert werden können, bietet es sich an, diese Parameter im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse zu variieren und somit deren Einfluss auf das Modellergebnis abzuschätzen.

Anwendung Bearbeiten

Anhand des kalibrierten Grundwassermodells können gegebene Zustände und Modellvorstellungen unter Verwendung des kalibrierten Parametersatzes überprüft oder durch die Verwendung prognostizierter, auch zeitabhängiger Randbedingungen (beispielsweise der Grundwasserneubildung), zukünftige Entwicklungen sowie die Auswirkungen geplanter anthropogener Eingriffe simuliert werden, auch historische Zustände lassen sich damit rekonstruieren (z. B. bei der Suche nach Verschmutzungsquellen, Rückverfolgung der Migrationswege).

Literatur Bearbeiten

  • W. Kinzelbach, R. Rausch: Grundwassermodellierung – Eine Einführung mit Übungen. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 1995, ISBN 3-443-01032-6.
  • Klaus Zipfel, Gerhard Battermann: Hauptsache Grundwasser – Grundwassermodelle, Möglichkeiten, Erfahrungen, Perspektiven. Hrsg. Technologieberatung Grundwasser und Umwelt (TGU). Koblenz 1997, OCLC 177343255.
  • W. H. Chiang, W. Kinzelbach, R. Rausch: Aquifer simulation model for Windows [Medienkombination]: groundwater flow and transport modeling, an integrated program. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 1998, ISBN 3-443-01039-3.
  • R. Rausch, W. Schäfer, C. Wagner: Einführung in die Transportmodellierung im Grundwasser: mit 9 Tabellen im Text. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 2002, ISBN 3-443-01048-2.
  • R. Rausch, W. Schäfer, R. Therrien, C. Wagner: Solute transport modelling: an introduction to models and solution strategies; with 11 tables. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 2005, ISBN 3-443-01055-5.
  • H.-J. Diersch: FEFLOW – Finite Element Modeling of Flow, Mass and Heat Transport in Porous and Fractured Media. Springer, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-38738-8.
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Veröffentlichungsdatum:
Grundwassermodelle sind konzeptionelle analytische oder numerische Werkzeuge welche die notwendigen Informationen fur die quantitative und qualitative Bewirtschaftung eines Aquifers Grundwasserleiters zur Verfugung stellen Inhaltsverzeichnis 1 Allgemein 2 Mathematisches Modell 3 Numerisches Modell 4 Kalibrierung 5 Stochastische Analyse 6 Anwendung 7 LiteraturAllgemein BearbeitenEin Grundwassermodell ermoglicht die Simulation verschiedener Grossen wie dem Stromungsfeld im ungesattigten oder gesattigten Bodenbereich dem diffusiven dispersiven und konvektiven Transport von gelosten Wasserinhaltsstoffen Stofftransportmodell sowie der Warmeausbreitung Mathematisches Modell BearbeitenEin mathematisches Grundwasserstromungsmodell besteht im Wesentlichen aus einer Kombination der Darcy Gleichung mit einer Bilanzbeziehung wie sie z B die Laplace Gleichung darstellt Ein Stofftransportmodell baut auf dem berechneten Stromungsfeld auf und verwendet die Advektions Dispersionsgleichung eine Kombination des Dispersionsansatzes und einer Bilanzbeziehung um die Ausbreitung der Wasserinhaltsstoffe zu berechnen Alternativ kann die Berechnung der Warmeausbreitung auf dem Stromungsfeld mittels der Warmeleitungsgleichung erfolgen Zwingend fur den Einsatz eines Stofftransport oder Warmeausbreitungsmodells ist also immer die vorausgehende Berechnung des Stromungsfeldes Numerisches Modell BearbeitenNeben analytischen Losungsansatzen wie dem Stromungsnetz die meist von sehr einfachen eindimensionalen oder zweidimensionalen Modellvorstellungen mit einfachen geometrischen Randbedingungen und homogenen Verhaltnissen im Modellgebiet ausgehen existieren numerische Modelle zur Losung der Gleichungen des mathematischen Modells Fur praktische Anwendungen mit komplexen Randbedingungen sind mathematische Modelle nur approximativ losbar ermoglichen aber die Simulation heterogener und anisotroper dreidimensionaler Systeme Die Losung mit einem numerischen Modell erfolgt entweder mit sog Eulerschen Ansatzen wie dem Finite Differenzen Verfahren Finite Volumen Verfahren oder der Finite Elemente Methode oder durch Lagrangsche Ansatze wie dem Particle Tracking und der Random Walk Methode Das Grundwassermodell berucksichtigt die geologischen und hydrogeologischen Kenntnisse uber das Modellgebiet Konzeptmodell oder Hydrogeologisches Modell bzw die Vorgaben eines Versuchsaufbaus Bestandteil einer numerischen Grundwassermodellierung ist die Kalibrierung des Modells und die Durchfuhrung einer Sensitivitatsanalyse Kalibrierung BearbeitenDie Kalibrierung stellt die Uberprufung des vom Modell berechneten Ergebnisses mit den vorgegebenen in der Praxis den im Feld gemessenen Grundwasserstanden Stoffkonzentrationen oder Temperaturen Ergebnissen sowie die Anpassung der Modelleigenschaften zur Minimierung der Abweichungen dar Die Differenz der gemessenen zu den berechneten Ergebnissen als auch die Grundwasserbilanz des Modells die moglichst ausgeglichen sein soll ist ein Mass fur die Gute der Kalibrierung die stationar d h zeitunabhangig oder instationar d h zeitabhangig erfolgen kann Stochastische Analyse BearbeitenDa die dem Modell zugrundeliegenden hydro geologischen Erkenntnisse beispielsweise der hydraulische Durchlassigkeitsbeiwert oft nicht eindeutig und vor allem nicht flachendeckend durch Feldversuche quantifiziert werden konnen bietet es sich an diese Parameter im Rahmen einer Sensitivitatsanalyse zu variieren und somit deren Einfluss auf das Modellergebnis abzuschatzen Anwendung BearbeitenAnhand des kalibrierten Grundwassermodells konnen gegebene Zustande und Modellvorstellungen unter Verwendung des kalibrierten Parametersatzes uberpruft oder durch die Verwendung prognostizierter auch zeitabhangiger Randbedingungen beispielsweise der Grundwasserneubildung zukunftige Entwicklungen sowie die Auswirkungen geplanter anthropogener Eingriffe simuliert werden auch historische Zustande lassen sich damit rekonstruieren z B bei der Suche nach Verschmutzungsquellen Ruckverfolgung der Migrationswege Literatur BearbeitenW Kinzelbach R Rausch Grundwassermodellierung Eine Einfuhrung mit Ubungen Borntraeger Berlin Stuttgart 1995 ISBN 3 443 01032 6 Klaus Zipfel Gerhard Battermann Hauptsache Grundwasser Grundwassermodelle Moglichkeiten Erfahrungen Perspektiven Hrsg Technologieberatung Grundwasser und Umwelt TGU Koblenz 1997 OCLC 177343255 W H Chiang W Kinzelbach R Rausch Aquifer simulation model for Windows Medienkombination groundwater flow and transport modeling an integrated program Borntraeger Berlin Stuttgart 1998 ISBN 3 443 01039 3 R Rausch W Schafer C Wagner Einfuhrung in die Transportmodellierung im Grundwasser mit 9 Tabellen im Text Borntraeger Berlin Stuttgart 2002 ISBN 3 443 01048 2 R Rausch W Schafer R Therrien C Wagner Solute transport modelling an introduction to models and solution strategies with 11 tables Borntraeger Berlin Stuttgart 2005 ISBN 3 443 01055 5 H J Diersch FEFLOW Finite Element Modeling of Flow Mass and Heat Transport in Porous and Fractured Media Springer Heidelberg 2014 ISBN 978 3 642 38738 8 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Grundwassermodell amp oldid 212867298