The main goal of this work is the development of a computational program for the quantitative assessment of the effects of entrained air in pipeline systems with respect to their operational safety. Likewise, two specific problems are investigated. (1) The effect of entrained air in form of pockets on hydraulic transients, during pump shutdown. It can be considered the most dangerous maneuver within a pumping pipeline. The computations corresponding to this study were evaluated by using the method of characteristics. (2) The numerical simulation of fluid transients caused by the shutdown of pumps, considering air pockets located at the high points of pumping pipeline systems and a water-air bubble mixture immediately downstream of the pockets. The constitutive equations – conservation of the gas mass, of the liquid mass, and the mixture momentum – yield a set of differential equations that will be solved by the method of characteristics. For the homogeneous model presented herein the two phases or components are treated as a single pseudofluid with average properties. It is assumed that there is no relative motion or slip between the phases, as well as for the momentum equation for the mixture. In the same way to the compressibility of the gas, the liquid compressibility and the pipe wall elasticity are included in the system of equations. The equation of energy is not used due to the moderate change in temperature of the mixture during the transient. In the case of negative impacts on the safety and operability of pipeline systems resulting from air entrainment, operational remediation measures will be suggested. 
Hier wurden bereits zielgerechte Modellversuche ausgefuhrt und Losungsvorschlage fur bauliche und betriebliche Anderungen ausgearbeitet. Letztere sollten nunmehr wissenschaftlich vertieft und zu allgemeinen Bemessungsregeln, moglichst auf analytischer Basis, ubergefuhrt werden. Vornehmlich stehen die Bewegungsvorgange von kompakten Lufteinschlussen und Wasser-Luft-Gemischen (Zweiphasenkomponenten-Stromung) in Pumpendruckleitungen und deren Verhalten beim plotzlichen Abschalten der Pumpenaggregate im Vordergrund.

Investigation on the effects of entrained air in pipelines

Hydrological modeling has become a widely accepted theoretical tool for water resources engineering and management. Rainfall-runoff models are used both for short and medium time management (for example flood forecasting) and long-time design purposes. However, the application of hydrological models is limited due to several reasons. One important limitation is imposed by the availability of data and parameter estimation. Discharges are only measured at a few selected river cross sections, leading to a small number of catchments for which the runoff calculated from the models might be verified. Further, the high spatial and temporal variability of the meteorological input (such as precipitation, temperature or wind) cannot fully be captured by the usually small number of meteorological stations. Radar measurement of precipitation can provide more detailed space time information on precipitation but unfortunately the reliability of the data is at present still low. Other influencing factors such as soil properties also vary considerably in space and even to some extent in time (for example macropores in soils). These problems among others make models which are based on physical principles only infeasible for many practical applications. Models which to some extent use analogous concepts can partly smoothen out the effects of variability and thus can often be successfully used for practical purposes. The limitation of these models lies in the fact that some of their parameters are not directly related to physically measurable quantities. Therefore those have to be estimated from observations using calibration techniques. 
This research work was aimed at developing an efficient, practical and robust methodology for parameter estimation (calibration) for a reliable hydrological modeling at gauged and ungauged basin. The main focus of this research was to bring more insight into the process of parameter estimation techniques in hydrological modeling. The other objective of this research work was to develop a methodology that enables regional estimation of parameters of a conceptual continuous water balance model based on physical catchment descriptor, which includes the land use, soil type, stream network, elongation and topographic attributes of the catchment. It aims at improving the weakness inherent in the traditional two-step regionalization approach in estimating the relationship between the model parameters and the physical catchment descriptor. The specific objectives of the research were to answer some basic question as listed below:

- How can we estimate hydrologically reliable parameters for modeling?
- How do different objective functions map parameter space during calibration?
- Can we calibrate a hydrological model using carefully selected critical events?
- Can we improve prediction and model diagnosis by including dynamic variability in parameters?
- How can we extend hydrologically reliable parameters from gauged to ungauged basins?

In this research, several algorithms, for example, ROPE, SRWP, HOP, ICE, RDPE and SAV algorithm were developed to answer the basic questions mentioned above. These algorithms were very useful for the robust and reliable hydrological modeling in gauged and ungauged basins. 
Die hydrologische Modellierung ist zu einem anerkannten theoretischen Hilfsmittel in der Wasserwirtschaft geworden. Niederschlagsabflussmodelle werden sowohl fur kurz und mittelfristige Fragestellungen (wie z.B. Hochwasservorhersage), als auch fur langfristige Planungszwecke eingesetzt. Allerdings ist der Einsatz von hydrologischen Modellen aus verschiedenen Grunden beschrankt. Eine wesentliche Einschrankung fur den Einsatz von hydrologischen Modellen ist die Datenverfugbarkeit und die Parameterabschatzung. Abflusse werden nur an einzelnen ausgewahlten Flussquerschnitten gemessen, weshalb es nur eine geringe Anzahl von Einzugsgebieten gibt, fur die der berechnete Abfluss nachgepruft werden kann. Des Weiteren kann die hohe raumliche und zeitliche Variabilitat der meteorologischen Eingangsdaten wie Niederschlag, Temperatur oder Wind nicht vollstandig von der in der Regel geringen Anzahl an Wetterstationen erfasst werden. Radarmessungen konnen eine detailliertere raumliche und zeitliche Auflosung des Niederschlags liefern, allerdings ist die Verlasslichkeit dieser Daten immer noch gering. Andere beeinflussende Faktoren, wie z.B. Bodeneigenschaften, variieren raumlich ebenfalls deutlich und in manchen Fallen sogar zeitlich (z.B. Makroporen im Boden). Durch diese und andere Probleme sind physikalisch-basierte Modelle fur viele praktische Anwendungen nicht verwendbar. Verschiedene Modelle, die auf teilweise gleichen Konzepten basieren, konnen die Einflusse der Variabilitat herausfiltern und somit oft erfolgreich fur praktische Aufgaben eingesetzt werden. Die Einschrankung bei solchen Modellen beruht darauf, dass einige ihrer Parameter nicht direkt mit physikalisch messbaren Grosen zusammenhangen. Deshalb mussen solche Parameter durch Beobachtungen mit Hilfe von Kalibrierungsmethoden abgeschatzt werden.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Entwicklung von effektiven, praktischen und stabilen Methoden der Parameterabschatzung, welche fur eine zuverlassige hydrologische Modellierung sowohl in beobachteten als auch in unbeobachteten Einzugsgebieten eingesetzt werden sollen.
Der Schwerpunkt wurde darauf gelegt, einen vertieften Einblick im Prozess der Parameterschatzung in der hydrologischen Modellierung zu bekommen. 
Ein weiteres Ziel war die Entwicklung einer Methodik zur regionaler Parameterschatzung eines auf physikalischen Eigenschaften des Einzugsgebietes basierendes konzeptionelles kontinuierliches Wasserbilanzmodells. Unter den physikalischen Eigenschaften befinden sich Landnutzung, Bodentyp, Struktur und Lange des Flussnetzwerks sowie die Topographie des Einzugsgebietes.
Durch Schatzung der Beziehung zwischen den Modellparametern und den physikalischen Grosen im Einzugsgebiet zielt es die Methodik an, die im traditionell zweistufigen Regionalisierungsansatz angeborenen Schwachstellen zu mindern. Ferner sollten grundsatzliche Fragen beantwortet werden, wie z.B.:

-	Wie konnen die fur das Modellieren hydrologisch zuverlassige Parameter abgeschatzt werden?
-	Wie bilden unterschiedliche Zielfunktionen den Parameter-Raum wahrend der Kalibration ab?
-	Kann ein hydrologisches Modell mit sorgfaltig ausgewahlte kritischen Ereignisse kalibriert werden?
-	Konnen Vorhersage und Modelldiagnose durch Einschluss dynamischer Variabilitat in Parametern verbessert werden?
-	Wie konnen hydrologisch zuverlassige Parameter von beobachtete auf unbeobachtete Einzugsgebiete ausgeweitet werden?

In dieser Forschungsarbeit wurden zur Beantwortung der obenerwahnten Fragen mehrere Algorithmen (z.B. ROPE, SRWP, HOP, ICE, RDPE und SAV) entwickelt. Diese haben sich fur eine robuste und zuverlassige hydrologische Modellierung sowohl in beobachteten als auch in unbeobachteten Einzugsgebieten als sehr nutzlich erwiesen.

Robust parameter estimation in gauged and ungauged basins

Floods are one of the most important catastrophic consequences of extreme weather conditions which might lead to considerable losses of property and life. In recent years, several major floods having high social impact occurred in many parts of the world including Europe. Nearly every year during the last few decades major flooding has happened somewhere on the European continent. For the period 1980-2002, the greatest number of floods occurred in France (22 %), Italy (17 %) and the UK (12 %). The highest number of fatalities occurred in Italy (38 %), followed by Spain (20 %) and France (17 %) (Innovations Report online). 

Recent flooding highlights the specific need to evaluate societal vulnerability to the response of flooding to global change and climatic vulnerability. Floods becoming a part of our lives incited a new hazard culture – namely, a living with flood attitude - which is based on a more integrated approach including measures such as prevention, insurance, forecasting, warning and evacuation, and land use planning. In addition, flood risk education and awareness increased in importance.

The main scope of the study is to provide a better understanding and insight of flood causing weather conditions and to explain the links between climate and floods in the mesoscale catchments with a size of a few hundreds up to a few thousand square kilometers. The present research was carried out as a part of the SPHERE Project (Systematic, Palaeoflood and Historical data for the improvEment of flood Risk Estimation) funded by the European Union. The project duration was between March 2000 and July 2003. The Institute for Hydraulic Engineering (IWS) at the University of Stuttgart was one of the project partners responsible for the investigation of the links between floods and climate. Within this task, IWS identified the flood-prone large-scale meteorological conditions in the Study Areas – Ardeche in France and Llobregat in Spain – and developed a discharge downscaling method which enables the analysis of possible past and future floods to estimate the flood risk. For the analysis of present and past floods NCEP Re-analysis Data (gridded sea level pressure), past GCM scenarios (KIHZ Project) and historical Point Sea Level Pressure and Temperature data from several stations in Europe (IMPROVE Project) were obtained.

For the purposes of the current study, the identification of the short- and long-term relationships between climatic variability and flooding (on timescales of decades and centuries) is of great importance. Furthermore, the investigation of the changes in frequencies of flood-causing weather conditions and the identification of possible trends might help in the assessment of future flood frequency projections. 

The performance of the climatic and hydrologic models has improved considerably in the last decades. Despite the high number of sophisticated models developed, new ideas, more applications and challenging approaches are still sought. New and innovative hydrometeorological methods are required for the investigation of the flood phenomenon and for explaining the complex relationships and interactions in the nature. This work implies a first application as well.

The aim of this dissertation is to present a new method to explain flood-prone weather conditions by using discharge information observed in the selected basin. Discharge includes significant information in terms of floods, since it is regarded as one of the end- products of precipitation. Hence, it can be integrated into the investigation of flood-causing weather conditions. An automated identification procedure based on fuzzy rules is developed for flood-producing weather situations based on the large-scale observations.

In order to establish a daily link between circulation patterns and flood events, investigation of discharge increases instead of discharge is suggested. This approach is useful in mesoscale catchments with short concentration times.

A new downscaling method, different from conventionally-used downscaling methods, was developed to generate daily discharge time series directly from large-scale atmospheric information. The common way of linking large-scale information to local-scale variables is usually downscaling of precipitation and temperature from large-scale atmospheric features and to link them to discharge with a rainfall-runoff model. In this work, a stochastic discharge simulation was developed to downscale discharge from atmospheric circulation directly.

The research delivers interesting and promising results. The investigation in both Study Areas provided successful outcomes concluding that there is a strong link between the occurrence of certain circulation patterns and the occurrence of floods in the Studied Regions. 
Hochwasser entsteht als Folge extremer Wettersituationen und zahlt zu den haufigsten auftretenden Katastrophen weltweit. In den letzten Jahren wurde in vielen Teilen der Welt von einer Vielzahl von Hochwasserereignissen mit grosen Schaden berichtet. Im Zeitraum von 1980 bis 2002 haben sich auch in Europa viele Flutkatastrophen ereignet. Die haufigsten Hochwasserereignisse traten in Frankreich, Italien und Grosbritannien auf (22 %, 17 %, bzw. 17 % der in Europa gemessenen Ereignisse, Innovation-Report). Im Hinblick auf wirtschaft-liche Folgen waren in erster Linie Deutschland und Italien betroffen, beide mit einem Schadensumfang von 11 Milliarden Euro, gefolgt von Spanien und Grosbritannien mit einer Schadenshohe von 6 Milliarden Euro.

Die aktuellen Hochwasserereignisse gaben Anlass zu der Spekulation, dass der anthropogene Treibhauseffekt zu einem Anstieg der Auftrittsrate derartiger Extremereignisse im Klimasystem fuhre. Der gegenwartige Wissensstand der Klimaforschung kann einen derartigen direkten Zusammenhang nicht belegen. In heutigen Klimamodellen, die das reale Klima in mathematischen Modellen abbilden, sind einige klimarelevante Prozesse noch nicht zufriedenstellend dargestellt, z.B. die Wirkung von Wolken, Aerosolen oder die veranderliche solare Strahlung. Aus diesem Grund werden verbesserte Klimamodelle benotigt, um konkrete Aussagen uber die eventuellen Auswirkungen des Klimawandels zu ermoglichen.

In der vorliegenden Arbeit soll im Folgenden der Zusammenhang zwischen Klima und Hochwasser untersucht werden. Dafur soll ein Link zwischen grosraumigen atmospharischen Variablen (z.B. Druckfelder) und den lokalen, hydrologisch relevanten Parameter (z.B. Niederschlag, Temperatur, Strahlung, hier: Abfluss) in mesoskaligen Einzugsgebieten hergestellt werden. Dieser Zusammenhang ist von besonderer Bedeutung etwa bei der Abschatzung der Folgen von Klimaanderungen auf das Hochwassergeschehen.

Hochwasserereignisse sind meistens die Folge von ungewohnlichen Wettergeschehnissen. Um die Entstehung von Hochwasser erklaren zu konnen, wurden bereits zahlreiche Untersuchungen uber den Zusammenhang zwischen Klima und Hochwasser durchgefuhrt. Bei gemasigtem Klima fuhren hohe Niederschlagsmengen, die in mesoskaligen Einzugsgebieten innerhalb von kurzer Zeit fallen, in der Regel zu Hochwasser. Es ist offensichtlich, dass es einen engen Zusammenhang zwischen atmospharischer Zirkulation und klimatischen Variablen gibt. Bislang wurde sehr wenig uber die Zusammenhange zwischen grosraumigen atmospharischen Variablen und Abflussmengen geforscht. Diese sollen in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe verschiedener Methoden eingehend untersucht werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wird einen direkten Zusammenhang zwischen dem grosraumigen atmospharischen Geschehen und dem Hochwasser hergestellt. Auf der Basis dieser Zusammenhange zwischen den grosraumigen atmospharischen Variablen und den lokalen Parametern wird ein Abfluss-Downscaling Modell erarbeitet. Dieses dient zur Generierung von Abfluss-Reihen in taglicher Auflosung, welche auf beobachteten Bodenluftdruckdaten oder aus GCM stammenden Klimaszenarien basiert. Somit kann ein direkter Link zwischen gros- und kleinraumigen Variablen in mesoskaligen Einzugsgebieten erstellt werden.

Basierend auf kunftigen Klimaszenarien kann die Vorgehensweise ebenfalls fur die Prognose der kunftigen Hochwasserereignisse verwendet werden.

Linking large scale meteorological conditions to floods in mesoscale catchments

This work was aimed at developing a methodology for the regionalization of parameters of a conceptual continuous water balance rainfall-runoff model based on measurable physiographic and land use/land cover characteristics of a catchment. The motivation for this work lies in the need to address two problems that have drawn much attention in recent years. Firstly, traditional methods of estimating model parameters are based on calibrating the model against observed catchment responses, such as runoff from the catchment. In the absence of such observed catchment responses, estimation of the model parameters would not be straightforward and therefore there should be a way to estimate them from some attributes of the catchment. Secondly, assessment of the hydrologic impact of changes in land use/land cover attributes of a catchment will be possible only if the changes in these attributes are reflected in the model parameters. Therefore there is a need to relate the model parameters with the land use/land cover characteristics of a catchment.

Different attempts have been made so far to develop a scheme to relate model parameters with catchment attributes. Many of the works done generally involved first calibrating a model to a number of catchments without any reference to any of the catchment properties and then fitting an empirical relationship between the parameters of the calibrated model and the catchment attributes. This approach has, however, met with limited success so far mainly due to the fact that model calibration doesn’t lead to a unique set of parameters when calibrated against observed catchment response. The parameters thus obtained are a single realisation among many other sets of parameters that would lead to a similar model performance. Therefore, the fitted empirical relationship between the parameters and the catchment properties tends to be rather random and the relationship would be weak. 

This work was therefore devoted to developing a different methodology of establishing the relationship between model parameters and the catchment attributes. A modified version of a conceptual Rainfall-Runoff model, the HBV-IWS model, was calibrated for a number of gauged sub-catchments within the German part of the Rhine basin with the dual objective of reproducing the observed catchment responses based on daily observations of meteorological forcing data and catchment response data, and achieving a stronger relationship between the parameters and the catchment attributes. The catchment attributes were implicitly incorporated in the model setup by establishing a functional relationship between them and the model parameters a-priori and an automatic model calibration procedure was implemented to estimate the optimum regional relationship using a non-linear optimisation routine. The catchment attributes used for regionalizing the model parameters include a range of readily measurable physical catchment properties indexing land use and physiographic properties.

Since the model parameters are estimated based on readily measurable catchment attributes, estimation of model parameters corresponding to ungauged catchments is possible, rendering the scheme potentially suitable for modelling the runoff from such catchments. The results obtained from validation of the parameter estimation scheme in gauged subcatchments that were not used in deriving the regional relationship between the model parameters and the catchment descriptors suggest that the model performances in terms of different evaluation criteria in these subcatchments are comparable with that of the catchments used to derive the regional relationships. 

The methodology was further implemented in the prediction of the hydrological consequence of land use changes, as land use was also considered for regionalization of the model parameters. The changes in the catchment reaction obtained for different land use change scenarios were consistent with the physical explanations that can be given about the effect of the scenarios on the runoff generation of a catchment and were supportive of the findings of many of the previous studies conducted on this issue using different approaches. The results indicate that there is an increase both in the long-term water yield and event based runoff from catchments due to urbanization, while they indicate a reduction in both attributes of the catchment response due to afforestation. 
Diese Arbeit zielt darauf ab, eine Methode zur Regionalisierung der parameter in einem konzeptionellen Niederschlag-Abfluss-Modell zu entwickeln. Das untersuchte Modell berucksichtigt eine kontinuierliche Wasserbilanz und basiert auf physiographischen Eigenschaften sowie messbaren Landnutzungsdaten des jeweiligen Einzugsgebiets.

Motivation waren zwei Fragestellungen, die in den letzten Jahren wachsende Aufmerksamkeit auf sich zogen:
Traditionelle Methoden der Parameter schatzung basieren auf einer Kalibrierung des Modells mittels beobachteter Einzugsgebiets-Reaktionen auf jeweilige Niederschlags-ereignisse. Es sollte aber zum einen eine Moglichkeit geben, diese Parameter aus den Eigenschaften des Einzugsgebiets abzuschatzen, wenn keine Abfluss-Beobachtungen vorliegen. Zum anderen sind die Auswirkungen einer sich andernden Landnutzung in einem Einzugsgebiet nur dann erfassbar, wenn die entsprechenden Grosen auch in den Parametern des Modells berucksichtigt sind. Aus diesen zwei Punkten ergibt sich die Notwendigkeit, die Modellparameter mit den Landnutzungsdaten und anderen Einzugsgebietseigenschaften zu verbinden.

Bisher wurden verschiedene Ansatze entwickelt, um die Modell-Parameter mit den Charakteristika des Einzugsgebiets in Beziehung zu setzen. Viele der Arbeiten folgten dem Prinzip, zuerst ein Modell auf einige Einzugsgebiete zu kalibrieren und anschliesend eine empirische Beziehung zwischen den Parametern des kalibrierten Models und den Eigenschaften der Einzugsgebiete anzupassen . Dieser Ansatz war bisher jedoch nur von begrenztem Erfolg. Dies liegt hauptsachlich daran, dass die Kalibrierung mit beobachteten Niederschlag-Abfluss-Ereignissen nicht zu einem eindeutigen Parameter-Satz fuhrt. Die erzeugten Parameter sind also nur eine Realisation unter vielen anderen moglichen Parameter-Satzen, die zu ahnlicher Modellgute fuhren wurden. Folglich ist die Beziehung zwischen den angepassten Modell-Parametern und den Charakteristika des Einzugsgebietes eher schwach.

Deshalb sollte in dieser Arbeit eine andere Methode entwickelt werden, um die Parameter des Modells mit den Kennwerten des Einzugsgebietes zu verbinden. Verwendet wurde das HBV-IWS Modell, eine modifizierte Version eines vorhandenen konzeptionellen Niederschlag-Abfluss-Modells. Die Kalibrierung wurde durchgefuhrt fur einige mit Messpegeln bestuckte Teileinzugsgebiete der deutschen Seite des Rhein-Einzugsgebiets. Dabei bestand eine doppelte Zielsetzung. Erstens sollte die Reaktion der Einzugsgebiete auf Niederschlags-ereignisse auf der Basis von taglichen Beobachtungen meteorologischer Daten vom Modell nachgebildet werden. Zweitens sollte ein starkerer Zusammenhang erreicht werden zwischen den Modellparametern und den Kennwerten des Einzugsgebietes. Die Attribute der Einzugsgebiete wurden dazu implizit in den Modellaufbau eingegliedert. Es wurde a priori ein funktionaler Zusammenhang zu den Modelparametern festgelegt und anschliesend ein automatischer Ablauf zur Modellkalibrierung implementiert. Mit einer nicht-linearen Routine wurde dabei die optimale regionale Beziehung zwischen Einzugsgebietsdaten und Modellparametern berechnet. Die Kennwerte des Einzugsgebietes, welche fur die Regionalisierung der Modell-Parameter genutzt werden, beinhalten direkt messbare physikalische Eigenschaften des Einzugsgebietes, welche die Landnutzung und die physiographischen Bedingungen charakterisieren.

Da ja die Abschatzung der Modellparameter nun auf direkt messbaren Einzugsgebiets-Kennwerten basiert, ist es moglich, diese Parameter auch fur Einzugsgebiete ohne Pegel festzulegen. Dadurch kann es das System potentiell leisten, den Abfluss in solchen Einzugsgebieten ebenfalls zu modellieren. Dies wurde anhand von Teileinzugsgebieten mit Pegeln validiert, die nicht fur die Kalibrierung verwendet wurden. Die Validierung lasst darauf schliesen, dass die Anpassungsgute des Modells in Bezug auf verschiedene Bewertungskriterien vergleichbar ist, ob es sich nun um die fur das Modell neuen Einzugsgebiete handelt oder um jene, die verwendet wurden, um die regionalen Beziehungen herzuleiten.

Zusatzlich wurde diese Methode dazu eingesetzt, die Auswirkungen von veranderter Landnutzung auf die Abflussbildung vorherzusagen, da die Landnutzung in der Regionalisierung der Modellparameter berucksichtigt wird. Wenn auf ein Einzugsgebiet verschiedene Szenarien einer geanderten Landnutzung angesetzt werden, dann sind die Anderungen im simulierten Abfluss aus dem Einzugsgebiet konsistent mit der physikalischen Erklarung, wie sich die Landnutzung auf die Abflussbildung auswirkt. Die Ergebnisse stutzen daruber hinaus die Befunde vieler anderer Untersuchungen dieses Problems, die mit unterschiedlichsten Ansatzen durchgefuhrt wurden. Bei zunehmender Urbanisierung zeigt sich gleichermasen ein Einstieg im langzeitlichen Abfluss, wie im ereignisabhangigen Abfluss aus dem Einzugsgebiet. Als Antwort auf eine Aufforstung hingegen, reduzieren sich beide Grosen.

Regionalization of parameters of a conceptual rainfall runoff model

The extensive use of chemicals in industry coupled with the lack of
understanding their potential threat to the environment and
human health has resulted in substantial soil and groundwater
contamination during the 20th century in many industrialized
areas. Sites contaminated by dense non-aqueous phase liquids
(DNAPL's) turned out to be rather problematic. The fact that DNAPL's
have a higher density than water enables them to migrate below the
ground water table causing extensive contaminations in the saturated
zone. Conventional remediation techniques show major difficulties
in the remediation of DNAPL and induced the development of innovative
remediation techniques for such sites. One of the most promising is 
the injection of steam into the subsurface. This technique has been
successfully applied to the remediation of DNAPL contaminations in the
unsaturated zone. Today, the application of steam injection for the
treatment of contaminations in the saturated zone is in the focus of
research interest. Although the physical processes elapsing during
steam injection are basically the same either in the saturated and 
unsaturated zone, there are distinct differences in their
relevancy. 

This work contributes to increasing the insight into the non-isothermal
multi-phase system emerging during steam injection into saturated
porous media. An essential prerequisite for this is to identify and
understand important processes and parameters influencing the
system behavior. First, experimental investigations are carried out
in a saturated two-dimensional flume. The established understanding of
the system behavior was incorporated into the development of a numerical
model. In this process, special attention was placed on an accurate
description of system behavior and a robust operation of the
model. Instabilities occurring at fully saturated conditions were
analyzed, and appropriate measures were taken to prevent them.
The developed model was subsequently used for simulating steam
injection experiments and later utilized for the verification of the
model code. In order to demonstrate the predictive qualities of the
model, a field scale steam injection was simulated.

The experimental and numerical investigations resulted in an
improved understanding of the non-isothermal multi-phase system
emerging during steam injection into saturated porous media. The
relevant processes and parameters influencing the propagation of the
steam front at saturated conditions could be identified. This provided
the possibility of deriving characteristic typecurves for steam
propagation in saturated porous media. 
Der massive Einsatz von synthetischen Chemikalien in der Industrie 
fuhrte in der Vergangenheit zu erheblichen Verunreinigungen des 
Untergrundes und somit auch des Grundwassers. Besonders problematisch 
sind Verunreinigungen mit Schadstoffen aus der Gruppe der DNAPL 
(dense non-aqueous phase liquids), da diese schon in geringen 
Konzentrationen human-toxisch sind und im Verdacht stehen
krebserregend zu sein. DNAPL's haben eine grosere Dichte als
Wasser und konnen somit zu Verunreinigungen in der mit Grundwasser
gesattigten Bodenzone fuhren. Konventionellen Verfahren wie z.B. 
Pump & Treat haben oftmals erhebliche Schwierigkeiten das Sanierungs-
ziel bei DNAPL Schadensfallen zu erreichen. Dies initiierte die 
Entwicklung einer Reihe innovativer Technologien fur die Sanierung 
solcher Schadensfalle. Ein viel versprechendes Verfahren ist dabei die
thermische Sanierung mittels Dampfinjektion. Das Verfahren der 
Dampfinjektion ist bereits erfolgreich fur Schadensfalle in der 
ungesattigten Bodenzone oberhalb des Grundwasserspiegels eingesetzt 
worden. DNAPL Schadensfalle sind jedoch nicht auf die ungesattigte 
Bodenzone beschrankt und deshalb wird momentan die Anwendbarkeit 
des Verfahrens zur Sanierung von Kontaminationen in der gesattigten 
Bodenzone untersucht. Obwohl die Prozesse der Dampfausbreitung dabei 
prinzipiell ahnlich sind, wie in der ungesattigten Bodenzone, so
kann sich dennoch deren Einflus auf das Prozessverhalten stark
unterscheiden.

Mit der vorliegenden Arbeit konnte das Prozessverstandnis fur das
nicht-isotherme Mehrphasensystem, welches sich bei der Dampfinjektion
in ein gesattigtes poroses Medium einstellt, verbessert werden. Eine 
essentielle Voraussetzung dafur war die Identifikation der relevanten 
Prozesse und Parameter.
Dazu wurden in einem ersten Schritt experimentellen Untersuchungen 
zur Dampfinjektion in einer zweidimensionalen Kuvette durchgefuhrt.
Das gewonnene Prozessverstandnis wurde in die Entwicklung eines 
numerischen Modells einbezogen. Dabei wurde auf eine moglichst exakte 
Wiedergabe des Prozessverhaltens und ein robustes Verhalten des 
numerischen Modells Wert gelegt. Probleme, die auftraten wurden 
analysiert und geeignete Masnahmen getroffen um diese zu umgehen. 
Das numerische Modell wurde im Anschlus zur Simulation der 
durchgefuhrten Experimente verwendet und konnte dabei erfolgreich 
verifiziert werden. Die Prognosefahigkeit des Modells wurde durch
die Simulation der Dampfausbreitung im Vorfeld einer Pilot-Sanierung
unter Beweis gestellt.

Die Verknupfung von experimentellen und numerischen Untersuchungen 
resultierte in einem verbesserten Prozessverstandnis des untersuchten 
Mehrphasensystems. Die fur die Dampfausbreitung in einem gesattigten 
porosen Medium relevanten Prozesse und Parameter konnten identifiziert
und Planungshilfen zur Abschatzung der Dampfausbreitung entwickelt werden.

Steam injection into saturated porous media : process analysis including experimental and numerical investigations

Um der wirklichkeitsnahen und recheneffizienten Planung betontechnologischer, konstruktiver sowie bauausfuhrungsbezogener Masnahmen zur Abwendung der Rissegefahr bei grosen RCC-Staumauern ein Stuck naher zu kommen, wird in der vorliegenden Arbeit eine Verfahrensweise entwickelt, mit der es moglich ist, wesentliche Einflussfaktoren in umfassenderer Weise als bisher zu berucksichtigen und die Temperatur- und Spannungsentwicklungen im Beton wahrend der Bauausfuhrung und des Betriebs der grosen RCC-Staumauern effizient zu berechnen.

Ausgehend von der bekannten Fourier'schen Differentialgleichung werden in Kapitel 2 mathematische Beziehungen vorgestellt, die es gestatten, die Temperatur im Beton unter Berucksichtigung der Kopplung zwischen Temperaturverlauf und Hydratationswarmeabgabe und unter moglichst wirklichkeitsnaher Berucksichtung der Rand- und Anfangsbedingungen iterativ zu ermitteln. Die Sonnenstrahlung und Verdunstung werden dabei als Warmestrome direkt in den Cauchy-Neumannschen Randbedingungen untergebracht. Bei denen sind sowohl die Cauchyschen Randbedingungen (Warmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft) als auch die Neumannschen Randbedingungen (vorgegebene Warmeflusse: Sonnenstrahlung und Verdunstung) zu berucksichtigen. Der konvektive Warmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft bei Vorhandensein der Verdunstung wird zusammen mit der Temperatur des Untersuchungsobjekts und der Verdunstung auf den Oberflachen iterativ ermittelt. Die Globalsonnenstrahlung auf die Oberflachen des Bauwerkes kann aus den anderen ublich erhaltlichen meteorologischen Daten (Lufttemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Sonnenscheindauer) an oder nahe dem Standort der Staumauer anhand der Sonnenstrahlungsmodelle abgeschatzt werden. Zur Abschatzung der Kurzzeitverdunstung an nassen Oberflachen ist das Penmann-Brutsaert-Modell bevorzugt.

In Kapitel 3 werden die Hilfsmittel fur die Spannungs-Dehnungs-Berechnung in Betonbauwerken infolge Hydratation des Zements im Beton bereitgestellt. 
Die allgemeingultigen Gleichgewichtsgleichungen bleiben bei der vorliegenden Problemstellung unverandert. Die fur die Spannungs-Dehnungs-Berechnung
 notwendigen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden durch das verallgemeinerte Hooke'sche Gesetz beschrieben, in dem die unelastische sofortige Verformung, die Verformung infolge des Kriechens und Schwindens/Quellens, und die Temperaturverformung als die Anfangsverformung zusammengefasst werden. Die Wahl notwendiger Parameter und Ansatze der alternden Betoneigenschaften, wie Elastizitatsmodul- und Festigkeitsentwicklung, Kriechen, Schwinden, Temperaturverformung und Querdehnzahl, wird anhand der in der Literatur angegebenen Forschungsergebnisse begrundet.

Die in den vorigen zwei Kapiteln dargestellten Gleichungen zur Temperatur- und Spannungsberechnung werden in Kapitel 4 anhand der Methoden finiter Elemente numerisch implementiert. Die Reduzierung des Rechenaufwands erfolgt zeitlich durch Adaptive-Zeitschrittweiten-Methode und raumlich durch Zusammenfassung der Betonschichten.

Die in Kapital 4 entwickelten inkrementellen Verfahren zur Temperatur- und Spannungsberechnung sind im Programm Tesa'' (Temperatur- und Spannungsanalyse), welches teilweise auf KASKADE basierte, implementiert. Anhand von Programmen Tesa und Ansys wurde eine umfangreiche Parameter- und Fallstudie durchgefuhrt. Dabei werden die Temperatur und Spannungen in einer fiktiven RCC-Staumauer unter verschiedenen Bedingungen berechnet und die Schwerpunkte im Hinblick auf folgende zwei Aspekte gelegt: (1) Methoden zur Reduzierung des Rechenaufwands; (2) Beeinflussungen der klimatischen Bedingungen (Lufttemperatur, Sonnenstrahlung und Windgeschwindigkeit) sowie konstruktions- und bauausfuhrungsbezogenen Parameter (Frischbetontemperatur, Zeitdauer der Spruhwasserkuhlung und Querfugenabstand) auf die Temperatur- und Spannungsentwicklungen in der Mauer.

Die Ergebnisse sind in Kapitel 5 dokumentiert, gewertet und diskutiert. Daraus lassen sich eine Reihe fur die Praxis nutzlich Schlussfolgerungen ziehen.

Die Anwendung der entwickelten Methoden in Form der ineinander greifenden Programme Tesa'' und Ansys'' auf konkrete Projekte in Form von Variantenuntersuchungen ermoglicht eine prazisere Vorplanung der konstruktiven und bauausfuhrungsbezogenen Masnahmen, wie z.B Anordnung der Querfugen, Spruhwassernachbehandlung und Kontrolle der Frischbetontemperatur. 
In order to take a step closer to the realistic and computational efficient
planning of material, structural and constructional measures for avoiding
thermal cracking in large RCC dams, a framework is developed in the present
work, with the help of which it is possible to take into account the essential influencing factors in a more comprehensive way, and calculate temperature and stress development in the concrete during the construction and operation of large RCC dams efficiently.

Starting from the well-known Fourier differential equations, mathematical
relations are presented in chapter 2, which allow calculating temperature in the concrete iteratively by taking into account the coupling between temperature and hydration evolution, and by taking into account boundary and initial conditions more realistically. During the calculation solar radiation and evaporation are integrated as heat fluxes directly into the Cauchy-Neumann boundary conditions, where both the Cauchy boundary conditions (heat exchange between surfaces of the dam/foundation and the air) and the Neumann boundary conditions (given heat fluxes to consider solar radiation and evaporation) are taken into consideration. At the presence of evaporation the convective heat exchange between dam/foundation and air is iteratively calculated together with the temperature of the dam/foundation and the evaporation on its surfaces. Global solar radiation on the surfaces of the dam can be calculated by using the solar radiation models and other usually available meteorological data (air temperature, air pressure, relative humidity and duration of sunshine) at or near the dam site. For the estimation of short time evaporation on wet surfaces the Penmann-Brutsaert model is preferred.

In chapter 3 equations, simplifications and assumptions for calculating strains and stresses in plain concrete structures due to hydration are introduced. The generally accepted equilibrium equations remain unchanged for the relevant problem statement. Stress-strain relations necessary for the stress/strain computation are described by the generalized Hooke's law, in which inelastic immediate deformation, deformations due to creep and shrinkage/expansion, and temperature deformation are summarized as initial deformation. The choice of necessary parameters and formulas for describing the aging concrete properties, such as developments of elastic moduli and strengths, creep, shrinkage, temperature deformation and Poisson's ratio, are justified on the basis of the research results indicated in the references.

Equations presented in the previous two chapters for calculating temperature and stresses are numerically implemented in chapter 4, using the methods of finite elements. The reduction of computation effort is acchieved through adaptive time steps control and combination of concrete lifts during temperature and stress calculations. 

The finite element methods implemented in chapter 4 for incremental calculation of temperature and stresses are coded in the program package Tesa'', which is partly based on the program package KASCADE''. With the programs Tesa'' and Ansys'' an extensive parameter and case study is carried out. Temperature and stresses in a fictitious RCC dam are computed under different conditions, and the emphasis is put on the following two aspects: (1) Methods for reducing computation effort; (2)Influences of climatic conditions (air temperature, solar radiation and wind velocity) as well as construction and structural design related parameters (initial concrete temperature, duration of the spray water cooling and distance between transverse joints) on temperature and stress development in the dam.

The results are documented, evaluated and discussed in chapter 5, from which some useful conclusions for controlling thermal cracks in massive concrete structures can be drawn.

The application of the developed methods on concrete projects, as utilizing
the interwinded programs Tesa'' and Ansys'' for parameter and case studies
in the present work, allows a more precise planning of structural and constructional measures to avoid thermal cracking, such as arrangement of transverse joints, spray water cooling and control of the initial concrete temperature.

Minghao Qin

Papers

Wirklichkeitsnahe und recheneffiziente Ermittlung von Temperatur und Spannungen bei großen RCC-Staumauern