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Optimierung der Grundwasserbewirtschaftung unter Berücksichtigung der Belange der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes

01 Jan 2006-

AbstractGrundwasserentnahmen zum Zwecke der offentlichen Trinkwasserversorgung fuhren in den Wassergewinnungsgebieten zur Absenkung der naturlichen Grundwasserstande und konnen sich daher negativ auf andere Grundwassernutzer auswirken. Sie bewirken beispielsweise Anderungen in den Standortbedingungen fur die grundwasserabhangige Tier- und Pflanzenwelt und die landwirtschaftliche Nutzung. Bei der Existenz mehrerer Gewinnungsanlagen lasst sich die Gesamtentnahme auf die verschiedenen Brunnen verteilen, so dass hier eine Moglichkeit zur aktiven Steuerung der Forderraten gegeben ist. Dadurch ist es moglich, die Eingriffsintensitat der Entnahme auf die anderen Nutzer zu minimieren. Doch durch die Entnahme aus verschiedenen Brunnen ergeben sich auch fur die Wasserversorgung Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Qualitat des Mischwassers. Vor diesem Hintergrund gilt es, ein Werkzeug zu entwickeln, mit dessen Hilfe die optimalen Forderraten schnell errechnet werden konnen, wobei die verschiedenartigen Anforderungen der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes berucksichtigt werden. Gleichzeitig muss aber auch der Frage nachgegangen werden, welche Gesamtforderrate optimal im Sinn einer nachhaltigen Entwicklung des Wassergewinnungsgebietes ist. Dazu wird in der vorliegenden Arbeit ein Bewertungs- und Optimierungssystem fur die Grundwasserbewirtschaftung entwickelt und anhand des Langenauer Donaurieds seine Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt. Das System nutzt die Rechenergebnisse von numerischen Grundwassermodellen und wertet diese zusammen mit anderen okologischen und soziookonomischen Bewertungskriterien aus. Der errechnete Gesamtnutzwert einer Bewirtschaftungsalternative erlaubt nun eine Aussage daruber, wie nah man der angestrebten nachhaltigen Losung ist und macht verschiedene Alternativenbewertungen direkt miteinander vergleichbar. Mit Hilfe eines gekoppelten Optimierungsalgorithmus‘ lasst sich so schnell die bestmogliche Bewirtschaftungsstrategie unter vorgegebenen Randbedingungen ermitteln. Eine solch umfassende Betrachtung der Auswirkungen von Grundwasserentnahmen erfordert den Einsatz eines multikriteriellen Bewertungssystems. Bei den durchgefuhrten Untersuchungen hat sich das Bewertungsverfahren Composite Programming als am besten geeignet fur die vorliegende Fragestellung dargestellt. Die Arbeit stellt Schritt fur Schritt dar, wie die einzelnen Bewertungskriterien und Zielvorgaben zu ermitteln sind, wie die einzelnen Teilbewertungen zu einer nachvollziehbaren Gesamtbewertung gebundelt werden und wie die gewonnenen Informationen genutzt werden konnen, um die Grundwasserbewirtschaftung zu optimieren. Umfassend wird in der Arbeit die Sensitivitat der Bewertungs- und Optimierungsergebnisse auf die einwirkenden Randbedingungen untersucht und dargestellt. Aus den Untersuchungsergebnissen werden weiterhin Hinweise zum Umgang mit den nicht objektivierbaren Parametern abgeleitet, um die Anwendbarkeit und Ubertragbarkeit auf andere Gebiete zu erleichtern. Als Ergebnis der Arbeit steht ein Werkzeug zur Verfugung, mit dessen Hilfe Grundwasserentnahmen zukunftig fur die Nutzergruppen Wasserversorgung, Landwirtschaft und Natur vertraglicher gestaltet werden konnen. Ein solches Werkzeug ist insbesondere vor dem Hintergrund der in den kommenden Jahren umzusetzenden EU-Wasserrahmenrichtlinie (Vermeidung signifikanter Schadigungen grundwasserabhangiger Landokosysteme) dringend notwendig. The abstraction of groundwater for public water supply causes the drawdown of the piezometric heads within water catchment areas. Hence it may affect other groundwater users negatively. For example, it may change the environmental conditions for groundwater-dependent flora and fauna as well as the agricultural usability of the area. If there is more than one water abstraction site, the total extraction rate can be distributed on the various wells in manifold ways. This means that it is possible to manage the extraction rates actively and to minimize the impacts of the withdrawal on other stakeholders. However, mixing raw waters from different wells also leads to specific requirements for water supply itself, e.g. with regard to quality problems. Against this background a new tool has to be developed to calculate ideal extraction rates quickly taking into account the diverse demands and requirements of water supply, agriculture and ecology simultaneously. At the same time, it has to be investigated which is the ideal total extraction rate to support a sustainable development of the water catchment area. In the thesis at hand an evaluation and optimization system is developed and tested for practical use by applying it in the Langenauer Donauried. The system uses calculation results of numerical groundwater models and evaluates them in combination with other ecological and socio-economic evaluation criteria. The calculated total utility value allows to assess the sustainability of a groundwater management strategy and makes different management strategies directly comparable. With the aid of a conjunct optimization algorithm the best possible groundwater management strategy for predetermined boundary conditions can be calculated within a short time. A comprehensive consideration of the impacts of groundwater abstractions as such demands the use of a multicriterial evaluation system. The evaluation method Composite Programming turned out to be most suitable for the given problem. The thesis demonstrates step by step how relevant evaluation criteria and objectives are derived, and how single evaluations are bundled up into an objective total evaluation. It also shows how the results of the optimization can be used to improve groundwater management. A focus is put on the investigation and explanation of the sensitivity of evaluation and optimization results to the relevant boundary conditions and constraints. Furthermore hints for the use of the subjective parameters are derived from the investigations to ease the adaptability of the system to other areas. The result is a tool that allows the user to find better groundwater management strategies, taking into account the demands of all stakeholders. Regarding the targets of the European Water Framework Directive (avoid significant deterioration of groundwater-dependent terrestrial ecosystems) such a tool is urgently needed.

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01 Jan 2008
Abstract: Classification has been considered a fundamental step towards improved catchment hydrology science. Catchments classification has been traditionally carried out via Linnaeus-type cluster analysis, mainly represented by hierarchical approaches and methods based on partitioning of hydrological data set. This paper proposes a new scheme where the classification procedure is based on similarity interpreted as distances between catchments. The similarity or distance is defined under the following premises: 1. similar catchments behave similarly; 2. similarity can be described with catchments' characteristics; and 3. hydrological models are able to capture catchments' similarity. If many sets of model parameters lead to similar model performance for two catchments, they are considered as similar catchments. To implement the proposed scheme, two procedures, namely multidimensional scaling (MDS) and local variance reduction (LVR), are undertaken to construct a configuration of n catchments' characteristics in Euclidean space using information about similar performance between the catchments. The MDS is used to determine the appropriate dimension of the Euclidean space and the LVR is used to obtain the transformation matrix and the coordinates in the transformed Euclidean space. This scheme avoids the idea of parametric regression-based regionalization approaches where a regression function is pre-defined between model parameters and catchment descriptors. In the aforementioned approach, the function that is selected is usually subjective and arbitrary and one can also argue that a priori function is neither able to represent the highly complex hydrological processes nor consider the interdependences amongst model parameters. The proposed scheme is initially tested with a research version of the HBV-IWS model on a number of catchments within the Rhine Basin. Additionally a modified Xinanjiang model is applied to the same catchments to check if the assumption of invariant catchment similarity holds true. Invariant catchment similarity here assumes the catchments genuinely carry their similarities independent of the model used for simulation. This test is also a backstop measure to determine if the models under consideration are capturing the underlying simplified hydrological processes in a rational manner. The scheme will be extended to regional calibration of rainfall runoff models as well as regional drought or flood studies once similarity within catchments has been established. The proposed scheme will eventually contribute to the PUB (Predictions in Ungauged Basins) initiative. Klassifikationsverfahren sind ein fundamentaler Schritt in Richtung besserer Einzugsgebietshydrologie. Einzugsgebietsklassifikation wurde traditionell durch Linnaeus-Cluster Analysis, hauptsachlich basierend auf hierarchischen Ansatzen und Methoden der Partitionierung hydrologischer Datensatze, durchgefuhrt. Diese Arbeit schlagt ein neues Schema vor, bei dem die Klassifikation auf Ahnlichkeit, interpretiert als Abstand zwischen Einzugsgebieten, basiert. Die Ahnlichkeit oder Distanz wird unter den folgenden Voraussetzungen definiert: 1. Ahnliche Einzugsgebiete verhalten sich ahnlich. 2. Ahnlichkeit kann durch Gebietseigenschaften beschrieben werden. 3. Hydrologische Modelle konnen die Ahnlichkeit von Einzugsgebieten abbilden. Wenn viele Parametersatze eines Modells bei zwei Einzugsgebieten zu gleicher Modelleffizienz fuhren, konnen sie als ahnliche Gebiete bezeichnet werden. Um das vorgeschlagene Schema zu implementieren, wurden zwei Verfahren, namlich multidimensional scaling (MDS) und local variance reduction (LVR), angewandt, um eine Konfiguration von n Gebietseigenschaften im Euklidischen Raum, basierend auf Informationen uber ahnliche Modelleffizienz, zu konstruieren. MDS wird benutzt, um die notwendige Dimension des Euklidischen Raums zu ermitteln und mit LVR werden die Transformationsmatrix und die Koordinaten im transformierten Euklidischen Raum bestimmt. Die Methode umgeht die Idee der parametrischen, regressionsbasierten Regionalisierungsansatze, bei denen eine Regressionsbeziehung zwischen Modellparametern und Gebietseigenschaften vorgegeben wird. Dabei wird die Form der Beziehung normalerweise subjektiv und willkurlich gewahlt und man kann argumentieren, dass diese a proiri definierte Funktion weder die hochkomplexen hydrologischen Prozesse noch die Abhangigkeiten zwischen Modellparametern wiedergeben kann. Die vorgestellte Methode wird zuerst mit einer Forschungsversion des HBV Modells und einigen Teileinzugsgebieten des Rheins getestet. Zusatzlich werden die Ergebnisse mit dem Resultat einer Anwendung des modifizierten Xinanjiang Modells der selben Einzugsgebiete verglichen, um zu uberprufen, ob die Annahme der invarianten Gebietsahnlichkeit gultig ist. Invariante Gebietsahnlichkeit nimmt in diesem Fall an, dass die Einzugsgebiete selbst, unabhangig vom gewahlten Modell, ihre Ahnlichkeit in sich tragen. Dieser Test stellt auch sicher, dass die gewahlten Modelle die zu Grunde liegenden hydrologischen Prozesse sinnvoll abbilden konnen. Die Methode soll auf die regionale Kalibrierung von hydrologischen Modellen und regionale Hoch- und Niedrigwasserstudien erweitert werden, sobald die Ahnlichkeit von Einzugsgebieten erfasst ist. Damit konnte das Verfahren zukunftig zu der PUB Initiative (Predictions in Ungauged Basins) der IAHS (International Association of Hydrological Sciences) beitragen.

54 citations


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01 Jan 2008
Abstract: This study was aimed at developing a practical, robust and physically reasonable methodology for estimation of design flood under data scarce conditions. Due to lack of sufficient discharge data and inconstant hydrological conditions, application of discharge-frequency analysis or calibration of a hydrological model is not always viable. In such cases model parameters are obtained through regionalization procedure. The main objective of this study was to derive a regionalization methodology for flood predictions in ungauged catchments, which is strictly based on physically reasonable transfer functions and adequately addresses the problem of parameter equifinality. A possibility of assessment of impact of land use changes on flood characteristics was also investigated during the study. An event based hourly Nash cascade model was developed to derive the direct runoff hydrograph from rainfall time series. The model was implemented on a semi-distributed scale, i.e. the direct runoff hydrograph is estimated at sub-catchment scale, and then it is routed to the outlet of the catchment using the Muskingum routing procedure. The model uses three parameters, the runoff coefficient (RC), the number of reservoirs (N) and a reservoir constant (K). For ungauged catchments, the model parameters RC, N and K must be estimated through a regionalization procedure. The study was conducted using 209 rainfall-runoff events from 41 mesoscale catchments in the south-west region of Germany. Among the 41 catchments, 22 were used for optimization of the regionalization methodology and 19 were used for its validation. Areal rainfall time series for the events were estimated through external drift kriging. Various event and catchment specific hydrological characteristics, describing event specific conditions were estimated for each of the events. Four different approaches were employed to derive four different transfer functions for RC: a multiple linear transfer function (MLTF), an artificial neural network transfer function (ANNTF), a fuzzy logic transfer function (FLTF) and a logistic transfer function (LoTF). ANNTF, FLTF and LoTF exhibited a high goodness fit performance for the events in the regionalization as well validation set. In order to investigate whether the transfer functions are physically reasonable, validation for physical relationships was carried out by comparing the signs of derivatives of the functional relationships between the predictors and RC, as featured in the transfer functions, with the signs of derivatives of the physical relationships. The validation revealed that the response of ANNTF and FLTF to hydrological changes often conflicts with the response of the physical relationships. On the other hand, the response of LoTF was consistent with that of the physical relationships, which indicates that it is physically reasonable. The Nash cascade parameters N and K exhibit strong inter-parameter relationship which can be represented by a power function with an exponent (α = -1.0) and a coefficient β. Therefore, regionalization of K and the coefficient β was carried out, where N can be estimated by using K and the inter-parameter function. The transfer functions were optimized by using mean Nash-Sutcliffe coefficient as an aggregated goodness fit measure for a set of gauged catchments. During the optimization and the validation of the transfer functions, highly acceptable aggregated goodness fit performance was achieved, which indicates that the transfer functions are both reliable and efficient at transferring the model parameters to ungauged catchments. The validation of the transfer functions for physical relationships was carried out by comparing the change in the shape of modeled unit hydrograph, due to change in the hydrological characterisics, with the change anticipated from the a priori knowledge of runoff propagation processes. The comparisons with the existing common practices, such as SCS curve number method and the Lutz procedure, revealed that for the study area under consideration, the regionalization methodology performs better than the existing practices. The regionalization methodology is built on physically reasonable relationships with event as well as catchment specific hydrological characteristics. Therefore, it is robust and suitable for both the temporal as well as the spatial transfer of the model parameters. The assessment of impact of land use changes on flood characteristics was carried out for three different land use scenarios in the catchment Tubingen. The attempt led to the conclusion that there is a reasonable chance of using such methodology for assessment of impact of land use changes. Diese Untersuchung beschaftigte sich mit der Entwicklung einer praktischen, robusten und physisch begrundeten Methodologie zur Schatzung der Bemessungshochwasser und ihrer Eigenschaften in Regionen mit mangelhafter Datengrundlage. Allerdings ist, aus Mangel an ausreichenden Abflussdaten und nicht-stationaren hydrologischen Verhaltnissen, die Anwendung der die Abfluss-Frequenz Analyse oder Kalibrierung eines hydrologischen Modells nicht immer geeignet. In diesem Fall mussen, anstelle der Kalibrierung, die Modell-Parameter mit einem Regionalisierungsverfahren berechnen werden. Das Hauptziel dieser Untersuchung war es, eine Regionalisierungsmethodologie zu entwickeln, die auf physisch begrundeten Transfer-Funktionen basiert und das Parameter-Identifizierungs- Problem adaquat berucksichtigt. Zusatzlich wurde untersucht, ob es moglich ist, die Auswirkungen von Landnutzanderungen auf die Hochwasser-eigenschaften zu bewerten. Es wurde ein ereignisbasiertes Nash-Kaskade-Modell mit einstundiger Auflosung entwickelt, um den Hydrographen des Direktabflusses aus der Niederschlagszeitreihe abzuleiten. Das Modell wurde auf ein semi-flachendifferneziertes Modellgebiet angewendet, d.h. die Abflussganglinie wird fur Untereinzugsgebiet geschatzt, dann die Abflussganglinie an der Mundung des Einzugsgebiet mit Muskingum Routing-Verfahren weiterleitet. Das Modell verwendet drei Modellparameter, den Abfluss Koeffizienten (RC), die Zahl der Reservoire (N) und die Reservoir Konstante (K). Fur unbeobachteten Einzugsgebieten, mussen die Modellparameter RC, N und K durch ein Regionalisierungsverfahren geschatzt werden. Die Untersuchung wurde mit 209 Niederschlag-Abfluss Ereignissen aus 41 Einzugsgebieten im Sud-Westen von Deutschland durchgefuhrt. Von den 41 Einzugsgebieten, wurden 22 zur Ableitung der Regionalisierungsmethodologie und 19 zur Validierung der Methodologie verwendet. Der Gebietsniederschlag fur die Ereignisse wurde durch Externe-Drift-Kriging abgeschatzt. Fur jedes Regenereignis wurden verschiedene sowohl ereignis-, als auch einzugsgebietsspezifische hydrologische Merkmale bestimmt. Vier verschiedene Ansatze zur Ableitung vier verschiedener Transfer-Funktionen fur RC wurden verwendet: eine multiple lineare Transfer-Funktion (MLTF), eine neuronales Netzwerk Transfer-Funktion (ANNTF), eine Fuzzy-Logik Transfer-Funktion (FLTF) und eine logistische Transfer-Funktion (LoTF). Bei der Regionalisierung und Validierung zeigten ANNTF, FLTF und LoTF hohe Anpassungsguten. Um zu untersuchen, ob die Transfer-Funktionen physikalisch sinnvoll sind, wurde eine Validierung des physikalischen Zusammenhangs durchgefuhrt. Die Vorzeichen der Ableitungen des funktionalen Zusammenhangs zwischen Predigtoren und RC in der jeweiligen Transfer-Funktion wurden mit den Vorzeichen verglichen, die sich aus dem Wissen uber den physikalischen Zusammenhang ergeben. Die Validierung zeigte auf, dass die Reaktion der ANNTF und FLTF auf hydrologische Veranderungen oft den physikalischen Beziehungen widerspricht. Auf der anderen Seite hat die Validierung von LoTF fur die physikalischen Beziehungen gezeigt, dass die Vorzeichen der Ableitungen der funktionalen Beziehungen den physikalischen Beziehungen, ubereinstimmen. Somit ist LoTF robust und physisch sinnvoll. Die Nash-Kaskade Parameter N und K besitzen stark Beziehung mit einander und die mit einer interparametrischen Funktion formulieren kann. Die inter-parametrische Funktion kann durch eine Potenzfunktion mit einem Exponent α = -1,0) und einem Koeffizient (β) reprasentiert werden. Daher wurde eine Regionalisierung von K und β durchgefuhrt, wobei N mittels K und der interparametrischen Funktion geschatzt werden kann. Die Transfer-Funktionen wurden uber den gebietsgemittelten Nash-Sutcliffe Koeffizient (NS) optimiert, als ein aggregiertes Mas der Anpassungsgute fur ein Set an beobachteten Einzugsgebieten. Die Anpassungsgute Leistung der abgeleitete Regionalisierungsmethodologie bei der Optimierung und der Validierung deutet darauf hin, dass die Methodologie hoch effizient ist zur Abschatzung des Hochwasser in den unbeobachteten Einzugsgebieten. Die Regionalisierungsmethodologie basiert auf physikalisch begrundeten Beziehungen zu Ereignis- und Einzugsgebietspezifischen hydrologischen Merkmalen. Der Vergleich mit ublicherweise verwendeten Anwendungen, wie zum Beispiel der SCS-Curve-Number Methode und dem Lutz Verfahren, ergab, dass die Regionalisierungsmethodologie fur das Untersuchungsgebiet zu besseren Ergebnissen fuhrt als die ublichen Anwendungen. Diese Bewertung von Landnutzungsanderungen wurde fur drei verschiedene Landnutzungsszenarien im Einzugsgebiet Tubingen durchgefuhrt. Der Versuch fuhrte zu der Aussage, dass es moglich ist, die Methodologie zur Bewertung der Beeinflussung von Landnutzanderungen anzuwenden.

52 citations


DissertationDOI
01 Jan 2009
Abstract: In this thesis, a conceptual model is developed and implemented in a numerical model that is capable of modelling flow and transport processes considering structural alterations of the porous medium phenomenologically. Thus, the model bridges the gap between pure flow and transport models on the one hand and structural mechanics models on the other hand. The flow and transport model is a non-isothermal two-phase two-component model including advection and convection, diffusion, thermal conduction, vaporisation and condensation as well as dissolution and degassing. The structural alterations are accounted for phenomenologically by constitutive relations describing the impact of the structural alterations on the flow and transport behaviour. The following effects of the structural alterations are considered: immobilisation and mobilisation of water in the soil matrix, change in total volume and porosity as well as the impact the changes in total volume and porosity have on the hydraulically relevant processes. Based on a model-intercomparison study, it could be shown that the model can reproduce the flow and transport processes in a swelling soil and that the correct parameters can be determined by inverse modelling. Stromungs- und Transportprozesse in schwellenden / schrumpfenden Boden, wie sie zum Beispiel in tonhaltigen Deponiebasisabdichtungen auftreten, werden masgeblich von den Strukturveranderungen des porosen Mediums beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modellkonzept entwickelt und in einem numerischen Modell implementiert, das sowohl Mehrphasenstromungs- und -transportprozesse in porosen Medien als auch Strukturveranderungen des porosen Mediums umfasst. Dabei handelt es sich um ein nichtisothermes Zweiphasen-Zweikomponenten-Model, das die Stromungs- und Transportprozesse Advektion und Konvektion, Diffusion, Warmeleitung, Verdunstung und Kondensation der Flussigphase sowie Losung und Entgasung der Gasphase einbezieht. Die Strukturveranderungen, deren Auswirkungen auf das Stromungs- und Transportverhalten phanomenologisch mittels konstitutiver Beziehungen berucksichtigt werden, sind Immobilisierung und Mobilisierung von Wasser in der Bodenmatrix, Anderung des Gesamtvolumens und der Porositat sowie deren Einfluss auf die hydraulisch relevanten Prozesse. Zur Validierung des Modells wird eine Modellvergleichsstudie durchgefuhrt, die zeigt, dass erstens das Modell geeignet ist, die Stromungs- und Transportprozesse in schwellenden Boden zu simulieren, und zweitens alle dafur benotigten Parameter mittels inverser Modellierung korrekt bestimmt werden konnen.

40 citations


DOI
01 Jan 2013
Abstract: In the field of geostatistics and spatial statistics, variogram based models have proved a very flexible and useful tool. However, such spatial models take into account only interdependencies between pairs of variables, mostly in the form of covariances. In the present work, we point out to the necessity to extend the interdependence models beyond covariance modeling; we summarize some of the difficulties arising when attempting such extensions; and propose an approach to address these difficulties. Im Bereich der Geostatistik und der raumlichen Statistik haben sich variogrammbasierte Modelle in der Praxis als ntuzlich und flexibel erwiesen um raumliche Zusammenhange zu beschreiben. Allerdings beziehen diese Modelle nur Wechselwirkungen zwischen Paaren von Variablen, vor allem in Form von Kovarianzen, mit ein. In dieser Dissertation weisen wir auf die Notwendigkeit hin, raumliche Modelle jenseits der Kovarianz Modellierung zu erweitern. Wir fassen einige Schwierigkeiten zusammen, die bei solch einer Erweiterung entstehen. Letztendlich prasentieren wir einen Ansatz, mit dem man diesen Schwierigkeiten behandeln kann.

31 citations


DissertationDOI
01 Jan 2008
Abstract: Aquifer-analogue studies established in the petroleum reservoir have been widely used for characterizing fractured aquifer systems because detailed analysis can be performed practically and characteristics of fractured systems obtained on this scale can be upscaled to fractured systems on field scales. A discrete model approach is an attractive alternative compared with a continuum model approach for aquifer analogue studies because there is no a priori assumption that a fractured system behaves as a continuum, and the effect of individual fractures can be explicitly investigated. However, a generation of a representative'' fracture network remains a challenging task when the discrete model is applied. In a case where a fracture network is embedded in a porous matrix, known as a fracture-matrix system, the numerical study of flow and transport processes requires a full two- or three-dimensional description of the fractures and the surrounding matrix. This causes a rise in computational demand for the numerical study of the flow and transport behavior of such a fractured system. The overall purpose of this work is to improve the study of flow and transport processes in a fracture-matrix system on an analogue scale by using a discrete fracture model. An important prerequisite for this is the generation of a representative'' fracture network. Subsequently, an alternative approach to advective-dispersive transport which requires high computational demand for simulating transport in a fracture-matrix system has to be considered. In the first part of this work, a geostatistical fracture generation (GFG) which integrates statistical geometries and spatial characteristics has been developed and the technique for evaluating spatial characteristics in terms of a standardized variogram, neighborhoods, a fracture-cell density and a variance has been presented. In the following part, streamline tracing (STR) in a fracture-matrix system has been introduced as an alternative to advective-dispersive transport (ADT). The comparative study of geostatistical fracture generation (GFG) and statistical fracture generation (SFG) shows that the spatial characteristics of a fracture network observed from the field as well as the flow and transport behavior of a fracture-matrix system (such as discharge, peak arrival time and mean effective time) are better represented by the results of GFG than those of SFG. Hence, integrating the spatial characteristics and the statistical geometries in GFG have improved the discrete fracture generation and the fractured system behavior can be better predicted. Furthermore, the transport behavior in terms of an accumulated breakthrough curve (AccBTC) and a breakthrough curve (BTC) of fracture-matrix systems are investigated by using streamline tracing (STR) and compared with the results obtained by using advective-dispersive transport (ADT). STR shows significant reduction in computation time and clearly less numerical diffusion in comparison with ADT. In the cases considering a single fracture and systematically distributed fractures in a porous matrix, the effect of fast flow in fractures and slow flow in matrix, which is obviously noticed in STR, is smeared out due to the numerical diffusion in ADT. In complex fracture-matrix systems, numerical diffusion in ADT delays plume migration, whereas purely advective transport in STR leads to fast solute transport. As a result, the difference between the AccBTCs and the BTCs from the two approaches are clearly distinguished. Further investigations involving comparisons with experimental or field studies have to be carried out in order to validate the results of the two approaches. Aquiferanalog-Untersuchungen, die sich zunachst in der Erdol-Forderung etabliert haben, wurden in grosem Umfang auch zur Charakterisierung geklufteter Aquifer-Systeme angewendet, da mit dieser Methode detaillierte praktische Analysen durchgefuhrt und die so erhaltenen kleinskaligen Charakteristiken auf grosraumige System ubertragen werden konnen. Ein diskreten Modell-Ansatz ist bei Aquiferanalog-Untersuchungen eine attraktive Alternative im Vergleich zu Kontinuums-Modellen, da es keine a priori Annahme gibt, nach der sich ein gekluftetes System wie ein Kontinuum verhalten wurde, sondern die Auswirkungen individueller Klufte explizit untersucht werden konnen. Allerdings ist die Generierung eines reprasentativen'' Kluftnetzwerkes bei der Anwendung eines diskreten Modells eine schwierige Aufgabe. Im Falle eines sogenannten Kluft-Matrix-Systems, bei dem ein Kluftnetzwerk in eine porose Matrix eingebettet ist, ist fur numerische Studien von Stromungs- und Transportprozessen eine komplette zwei- oder dreidimensionale Beschreibung der Klufte und der umgebenden Matrix notwendig. Dies bedeutet einen deutlichen rechentechnischen Mehraufwand fur die numerische Beschreibung der Stromungs- und Transportprozesse in einem derartigen geklufteten System. Die Hauptaufgabe dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung der Untersuchungen von Stromungs- und Transportprozessen in Kluft-Matrix-Systemen auf einer analogen Skala unter Anwendung von diskreten Kluftmodellen. Eine wichtige Grundvoraussetzung dafur ist die Generierung eines reprasentativen'' Kluftnetzwerkes. Des Weiteren wird ein zur in einem Kluft-Matrix-System sehr rechenaufwendigen advektiv-dispersiven Transport-Simulation alternativer Ansatz in Betracht gezogen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine geostatistische Kluft-Generierung (geostatistical fracture generation, GFG) entwickelt, die statistische Geometrien und raumliche Charakteristiken einbezieht. Hierzu wurde eine Technik zur Evaluierung der raumlichen Charakteristiken in Hinblick auf ein standardisiertes Variogramm, Nachbarschaften, eine Kluftzellen-Dichte sowie eine Varianz gezeigt. Im nachsten Teil wurde die Methode des Streamline Tracing'' (STR) in einem Kluft-Matrix-System als Alternative zur Methode des advektiv-dispersiven Transports (advective-dispersive transport, ADT) eingefuhrt. Eine vergleichende Studie der geostatistischen Kluft-Generierung (GFG) mit der statistischen Kluft-Generierung (statistical fracture generation SFG) zeigt, dass sowohl die bei Feldversuchen erhaltenen raumlichen Charakteristiken eines Kluftnetzwerks als auch das Stromungs- und Transportverhalten eines Kluftmatrix-Systems (wie beispielsweise der Durchfluss, die Ankunftszeit des maximalen Massenflusses oder die mittlere Aufenthaltszeit) besser durch die Ergebnisse der GFG als durch die der SFG beschrieben werden. Demzufolge verbessert die Einbeziehung der raumlichen Charakteristiken und statistischen Geometrien durch die GFG die Generierung diskreter Klufte, und das Verhalten des geklufteten Systems kann besser vorhergesagt werden. Daruber hinaus wurde das Transportverhalten von Kluft-Matrix-Systemen bezuglich akkumulierter Durchbruchskurven (accumulated breakthrough curve, AccBTC) und Durchbruchskurven (breakthrough curve, BTC) unter Anwendung des Streamline Tracing'' (STR) untersucht und mit Ergebnissen aus advektiv-dispersiven Transport-Untersuchungen (ADT) verglichen. Das STR zeigt eine signifikante Reduktion der Rechenzeit und deutlich weniger numerische Diffusion als der ADT. In Fallen, bei denen eine einzelne Kluft beziehungsweise systematisch verteilte Klufte in einer porosen Matrix in Betracht gezogen werden, konnen die Effekte schneller Stromung in Kluften und langsamer Stromung in der Matrix im STR beobachtet werden, wahrend sie im ADT aufgrund der numerischen Diffusion verwischt sind. Bei komplexen Kluft-Matrix-Systemen fuhrt die numerische Diffusion im ADT zu Konzentrationsfahnen-Stromungen, wahrend der rein advektive Transport im STR zu einem schnellen Losungstransport fuhrt. Das Ergebnis sind deutliche Unterschiede zwischen den AccBTCs und den BTCs dieser beiden Annaherungen. Zur Uberprufung der Ergebnisse dieser beiden Naherungen sollten in Zukunft auch Untersuchungen durchgefuhrt werden, die Vergleiche mit experimentellen oder Feld-Studien einbeziehen.

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01 Jan 2005
Abstract: Per definition, log-conductivity fields estimated by geostatistical inversing do not resolve the full variability of heterogeneous aquifers. Therefore, in transport simulations, the dispersion of solute clouds is under-predicted. Macrotransport theory defines dispersion coefficients that parameterize the total magnitude of variability. Using these dispersion coefficients together with estimated conductivity fields would over-predict dispersion, since estimated conductivity fields already resolve some of the variability. Up to presence, only a few methods exist that allow to use estimated conductivity fields for transport simulations. A review of these methods reveals that they are either associated with excessive computational costs, only cover special cases, or are merely approximate. Their predictions hold only in a stochastic sense and cannot take into account measurements of transport-related quantities in an explicit manner. In this dissertation, I successfully develop, implement and apply a new method for geostatistical identification of flow and transport parameters in the subsurface. The parameters featured here are the log-conductivity and a scalar log-dispersion coefficient. The extension to other parameters like retardation coefficients or reaction rates is straightforward. Geostatistical identification of flow parameters is well-known. However, simultaneous identification together with transport parameters is new. In order to implement the new method, I develop a modified Levenberg-Marquardt algorithm for the Quasi-Linear Geostatistical Approach and extend the latter to the generalized case of uncertain prior knowledge. I derive the sensitivities of the state variables of interest with respect to the newly introduced scalar log-dispersion coefficient. Further, I summarize and extend the list of spectral methods that help to drastically speed up the expensive matrix operations involved in geostatistical inverse modeling. If the quality and quantity of input data is sufficient, the new method accurately simulates the dispersive mechanisms of spreading, dilution and the irregular movement of the center of mass of a plume. Therefore, it adequately predicts mixing of solute clouds and effective reaction rates in heterogeneous media. I perform extensive series of test cases in order to discuss and prove certain properties of the new method and the new dispersion coefficient. The character and magnitude of the identified dispersion coefficient depends strongly on the quality and quantity of input data and their potential to resolve variability in the conductivity field. Because inverse models of transport are coupled to inverse models of flow, the information in the input data has to sufficiently characterize the flow field. Otherwise, transport-related input data cannot be interpreted. Application to an experimental data set from a large-scale sandbox experiment and comparison to results from existing approaches in macrotransport theory show good agreement. Grundwasser ist eine wichtige Ressource, die weltweit sowohl in ihrer Quantitat als auch Qualitat gefahrdet ist. Numerische Modelle fur die Vorhersage und Risikoabschatzung der Grundwassermenge und -beschaffenheit sind von Noten, um eine nachhaltige Bewirtschaftung zu gewahrleisten. Insbesondere fur die Planung und Auslegung von Sanierungsmasnahmen und die Abschatzung des naturlichen Ruckhaltevermogens sind solche Modelle unabdingbar. Um die Zuverlassigkeit und das Vorhersagevermogen solcher Modelle sicherzustellen, ist es notwendig, das fragliche naturliche System moglichst genau im Modell abzubilden. Unglucklicherweise sind Grundwasserleiter im Allgemeinen heterogen, und Messungen der Eigenschaften von Grundwasserleitern sind teuer und fehleranfallig. Somit sind die Parameter in numerischen Modellen in fast allen Fallen unsicher und fehlerbehaftet. Wenn diese Unsicherheit nicht rigoros quantifiziert wird, sind Modelle aufgrund unbekannter Unsicherheit ihrer Vorhersagen nutzlos. Daher mussen Methoden zur Kalibrierung von Modellen unter allen Umstanden die Unsicherheit und die Heterogenitat von Grundwasserleitern berucksichtigen. Die Unsicherheit in der Beschreibung von Grundwasserleitern kann am besten in einem stochastischen Rahmen in Angriff genommen werden. Die Verbindung von Modellkalibrierung und Stochastik fuhrte zu Methoden der Geostatistischen Invertierung. Diese behandeln die Log-Durchlassigkeit oder andere hydraulische Parameter als Zufallsfunktionen im Raum, charakterisiert durch den Mittelwert und eine Kovarianzfunktion. Messungen abhangiger Grosen, wie zum Beispiel der Piezometerhohe, werden verwendet, um Informationen uber die Parameter durch Konditionierung zu erhalten. Da solche Eingabedaten lediglich unvollstandige Information vermitteln, konnen die so geschatzten Log-Duchlassigkeitsfelder niemals den vollen Umfang der Variabilitat eines naturlichen Systems wiedergeben. Die Entwicklung solcher Methoden stellt auch fur die Zukunft noch anspruchsvolle Aufgaben an die Forschung. Die wichtigsten Mechanismen fur den Stofftransport in heterogenen Systemen sind Advektion und Dispersion. Advektion ist der Transport von gelosten Stoffen mit der Stromung des Grundwassers. Dispersion ruhrt von der Heterogenitat des Stromungsfeldes und somit von der Heterogenitat des Grundwasserleiters. Da geschatzte Log-Durchlassigkeitsfelder per Definition nicht die gesamte Variabilitat widerspiegeln konnen, wird bei Ihrer Verwendung in der Transportmodellierung die Dispersion geloster Stoffe unterschatzt. Die Theorie von Transportvorgangen auf der Makroskala definiert Dispersionskoeffizienten, welche eine vollstandige Vernachlassigung der Variabilitat in numerischen Modellen ausgleicht. Da geschatzte Log-Durchlassigkeitsfelder die Variabilitat bereits teilweise berucksichtigen, wurde der Einsatz von makroskaligen Dispersionskoeffizienten auf geschatzten Feldern zu einer Uberschatzung der Dispersion fuhren. Eine fehlerhafte Beschreibung der Dispersion fuhrt zu einer fehlerhaften Beschreibung der Verdunnung und Durchmischung und letzten Endes zu einer falschen Vorhersage chemischer Reaktionen zwischen gelosten Stoffen im Untergrund. Bis heute existieren lediglich wenige Methoden, die es erlauben, geschatzte Durchlassigkeitsfelder in der Transportmodellierung einzusetzen. Diese Methoden sind jedoch entweder mit nicht tragbarem rechnerischem Aufwand verbunden, nur auf Spezialfalle anwendbar oder nur naherungsweise gultig. All diese Methoden geben Transportprozesse in heterogenen Medien lediglich in einem stochastischen Sinne wieder und machen keinen expliziten Gebrauch von transportbezogenen Messdaten. In der einschlagigen Literatur werden drei dispersive Mechanismen unterschieden: Die unregelmasige Bewegung des Massenschwerpunktes von Stoffwolken, Spreitung und Verdunnung. Bestehende Methoden konnen bislang nur Summen dieser Prozesse nachahmen. Es ist mit den bisherigen Mitteln unmoglich, jeden dieser Mechanismen gleichzeitig quantitativ und qualitativ angemessen in numerische Modelle mit abgeschatzten oder kalibrierten Parameterwerten fur heterogene Medien einzubinden.

80 citations


DissertationDOI
01 Jan 2001
Abstract: In dieser Arbeit werden die physikalischen Fragestellungen als auch die mathematisch-numerische Modellbildung der nichtisothermen Mehrphasen- und Mehrkomponentenprozesse in porosen Medien aufbereitet. NN

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DissertationDOI
01 Jan 1999
Abstract: Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Forschungsprogramms der Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung VEGAS. Sie beschaftigt sich mit einem zentralen Thema zur Beschreibung von Transport und Schadstoffausbreitung im naturtlichen Untergrund. NN

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DissertationDOI
01 Jan 2005
Abstract: This thesis has two foci. The first focus is the development of a so-called simulation-optimization model. An optimization algorithm, Simulated Annealing (SA), is coupled with a Multiphase/ Multicomponent simulator, MUFTE-UG, to solve a real-world simulation-optimization problem (henceforth MUFTE-SA). In this thesis, the simulation-optimization model is tailored to the study of better (optimal) methane-extraction strategies from an abandoned coal mine in the Ruhrgebiet, Germany. The question of how to deal with the methane from abandoned coal mines is always of great concern for the administrators. Thus, I try to provide one numerical tool to support this decision making in the context of extraction-well operations. The skills required for modelling, for example using computational fluid dynamic theories, have been making progress for the past couple of decades. So nowadays, additionally, the importance of developing a so-called decision-support system integrating these skills is starting to be noticed. This simlation-optimization model is designed to answer these new requirements.Although, the use of the simulation-optimization model in this thesis is limited to the investigation of better methane-extraction strategies, the model itself can be utilized anologously for many processes whose abstracted aspects can be modelled by the multiphase/ multicomponent model. In the past, this sort of simulation-optimization model could only be applied to an artificially designed example since the computational time needed to make real-world simulations is generally enormous, although optimization procedures require dozens, hundreds, thousands of iterations. Thus, a pseudo parallelization design of the optimization procedure is proposed in order to use a parallel computer, having succeeded in reducing the total computational time by a factor of 23. The second focus is to make comparative studies using different model concepts (i.e. a two-phase and a two-phase/ three-component model) for the simulation of methane-migration and methane-water interaction processes in saturated coal mines. This work includes the new development of a two-phase (liquid, gas) / three-component (water, air and methane) model in order to incorporate mass-transfer processes between the phases. Considering the mass transfer processes between the phases sometimes becomes very important, especially when the coal mine is modelled after groundwater rebound. This is because the dissolution of the methane in the liquid phase is relatively high under some conditions. Diese Dissertation behandelt zwei Kernpunkte: erstens die Entwicklung eines Simulations-Optimierungsmodells fur Mehrphasenstromungen im Untergrund und zweitens Vergleichsuntersuchungen von verschiedenen Modellierungskonzepten. Zur Entwicklung des Simulations-Optimierungsmodells wurde ein Optimierungsalgorithmus, Simulated Annealing, programmiert und mit einem Mehrphasen-Mehrkomponenten-Simulationsprogramm (MUFTE-UG) gekoppelt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell wird auf die Untersuchung von optimalen Methan-Extraktionsstrategien fur ein stillgelegtes Kohlebergwerk im Ruhrgebiet zugeschnitten. Die Frage, wie mit dem Methan aus stillgelegten Kohlebergwerken umgegangen werden soll, ist von groser Bedeutung. Einerseits ist einer moglichen Explosionsgefahr durch unkontrollierte Methanmigration vorzubeugen, anderseits wird die wirtschaftliche Nutzung des Methans zur Energieerzeugung untersucht. Deshalb versuche ich, ein numerisches Werkzeug zur Verfugung zu stellen, das diese Entscheidungen in Bezug auf den Betrieb von Extraktionsbrunnen unterstutzt. Die Moglichkeiten der Modellierung von realen Lagerstatten haben innerhalb der letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da leistungsfahige numerische Methoden und Rechner entwickelt worden sind. Deshalb wird heutzutage die Bedeutung der Entwicklung sogenannter decision-support Systeme, die diese Kenntnisse integrieren, mehr und mehr geschatzt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell stellt eine Antwort auf diese neuen Anforderungen dar. Obwohl das Simulations-Optimierungsmodell in dieser Dissertation auf die Untersuchung besserer Methan-Extraktionsstrategien beschrankt ist, kann das Modell analog fur viele andere Anwendungen verwendet werden, die durch ein Mehrphasen-Mehrkomponentenmodell modelliert werden konnen. In der Vergangenheit konnte diese Art von Simulations-Optimierungsmodell nur auf kunstliche Beispiele angewandt werden, da die Rechenzeit fur praktische Simulationen im Allgemeinen enorm ist. Da Optimierungsprozeduren Hunderte von Iterationen benotigen, wird eine pseudo-parallele Ausfuhrung der Optimierungsprozedur durchgefuhrt, um Parallelrechner verwenden zu konnen. Damit kann die Rechenzeit dieser Prozedur um einen Faktor 23 verringert werden. Der zweite Punkt dieser Arbeit sind Vergleichsuntersuchungen unter Verwendung verschiedener Modellkonzepte (d.h., eines Zweiphasen- und eines Zweiphasen - Dreikomponentenmodells) fur die Simulation von Methanmigration und Methan-Wasser-Interaktionsprozessen in den gefluteten Kohlebergwerken. Diese Arbeit schliest die Neuentwicklung eines Zweiphasen (Flussigkeit, Gas) / Dreikomponenten (Wasser, Luft und Methan) - Modells ein, um den Massentransfer zwischen den Phasen beschreiben zu konnen. Die Betrachtung des Massentransfers zwischen den Phasen wird besonders dann sehr wichtig, wenn das Kohlebergwerk nach dem Grundwasseranstieg modelliert wird. Das liegt daran, dass die Loslichkeit des Methans in der Flussigphase unter bestimmten Bedingungen relativ hoch ist.

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