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

01 Jan 2006-
TL;DR: In this paper, a composite programming based approach is proposed for the minimization of the cost of the Forderraten in a Wasserversorgung in Wasserbundungsgebietes.
Abstract: Grundwasserentnahmen 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
TL;DR: In this paper, the authors proposed a new catchment classification procedure based on similarity interpreted as distances between catchments, where 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.
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
TL;DR: In this paper, an event based hourly Nash cascade model was developed to derive the direct runoff hydrograph from rainfall time series, which was implemented on a semi-distributed scale.
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.

53 citations

DissertationDOI
01 Jan 2009
TL;DR: In this article, 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, and the structural alterations are accounted for phenomenologically by constitutive relations describing the impact of structural alterations on the flow and traffic behaviour.
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

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01 Jan 2013
TL;DR: In this paper, the authors point out to the necessity to extend the interdependence models beyond covariance modeling; they summarize some of the difficulties arising when attempting such extensions; and propose an approach to address these difficulties.
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
TL;DR: In this article, a geostatistical fracture generation (GFG) method was proposed to generate a representative fracture network from a single fracture and systematically distributed fractures in a porous matrix, which can be used to improve the flow and transport processes in a fracture-matrix system on an analogue scale.
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 2003
TL;DR: In this article, a large number of hydrologischen untersuchungen is described, e.g., the beobachteten zeitlichen Schwankungen der Abflussmerkmale of a Wassereinzugsgebietes in zwei unabhangige Komponenten aufzuspalten.
Abstract: Eine Vielzahl von hydrologischen Untersuchungen weist nach, dass die beobachteten Veranderungen verschiedener Merkmale des Wasserkreislaufs von der geographischen Lage und dem Masstab, in dem die Untersuchungen durchgefuhrt wurden, abhangen. Im allgemeinen wird der Wasserkreislauf in einem Wassereinzugsgebiet durch klimatische Anderungen und/oder Anderungen der Bodenbedeckung bzw. Flachennutzung beeinflusst. Die Ermittlung der genauen Grunde der beobachteten Schwankungen des Wasserkreislaufs einer mittleren raumlichen Masstabsebene ist eine besondere Herausforderung, weil zum einen ein Mangel an Informationen uber die raumliche Verteilung der relevanten erklarenden Variablen besteht, und zum anderen die raumliche Heterogenitat von Parametern unbekannt ist. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, ein allgemein anwendbares Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, die beobachteten zeitlichen Schwankungen der Abflussmerkmale eines Wassereinzugsgebietes in zwei unabhangige Komponenten aufzuspalten. Die eine Komponente wird ausschlieslich durch klimatische Schwankungen erklart, wahrend die zweite Komponente lediglich durch Anderungen der Flachennutzung bzw. Bodenbedeckung beeinflusst wird. Um diese Aufspaltung zu erreichen, wird folgender Algorithmus vorgeschlagen: Von einem Satz von Variablen ausgehend werden zunachst fur jedes der gegebenen Abflussmerkmale so viele nicht-linearen Modelle kalibriert und auf ihre Anpassungsgute hin bewertet, wie es Kombinationen dieser Variablen gibt. Anschliesend wird die Robustheit jedes Modells durch ein Kreuz-Validierungsverfahren geschatzt, und schlieslich wird die statistische Signifikanz jeder erklarenden Variablen mit Hilfe eines Permutations-Tests ermittelt. Die Optimierung der Parameter jedes Modells wird mit Hilfe eines Generalized Reduced Gradient Algorithmus durchgefuhrt. Abschliesend wird mit Hilfe eines Algorithmus das robusteste Modell ausgewahlt, welches die folgenden drei Bedingungen simultan am besten erfullt: Erstens soll es die geringst mogliche Zahl von Variablen verwenden, aber den grostmoglichen Erklarungsbeitrag fur die Schwankungen der Stichprobe liefern. Zweitens soll es von Ausreisern moglichst wenig beeinflusst werden und drittens sollen alle verwendeten Variablen auf einem 5%igen Niveau statistisch signifikant sein. Anschliesend werden die so kalibrierten Modelle mit einem stochastischen Flachennutzungsmodell verknupft, um die hydrologischen Wirkungen von Anderungen der Flachennutzung bzw. Bodenbedeckung und der klimatischen Anderungen in einem Einzugsgebiet mittlerer Grose zu simulieren. Die Grosenordndung dieser Wirkungen wird mit einem probabilistischen Verfahren mit Hilfe einer sequentiellen Monte-Carlo-Simulation geschatzt. Die Simulation geht von vier unterschiedlichen Szenarien aus, die die wahrscheinlichen Entwicklungen der makro-klimatischen und der sozio-okonomischen Bedingungen im Untersuchungsraum darstellen. Die vorgestellte Methodik wurde in einem rund 4000 km2 grosen Einzugsgebiet des Oberen Neckars entwickelt und getestet. Eine Ubertragung auf andere Einzugsgebiete ist moglich. Many hydrologic studies reported in the literature indicate that observed changes of various characteristics of the water cycle largely depend on the geographic location and the scale at which such a study is carried out. In general, the water cycle of a given basin may be modified due to climatic and/or land use/cover changes. Identifying, however, the causes of the observed variability at the mesoscale is a challenging task because of the lack of data describing the spatial distribution of relevant explanatory variables and the unknown spatial heterogeneity of parameter values. This study proposes a general method that attempts to split the observed variability of a given characteristic of a basin’s runoff along the time axis into two independent components, one that is only explained by climatic fluctuations, and a second one that is exclusively explained by land cover changes. The proposed algorithm works as follows. Given a set of explanatory variables, it initially calibrates and assesses the goodness of the fit of as many non-linear models as feasible combinations of these variables exist, then, it estimates the robustness of every model using a cross-validation technique, and finally, it assesses the statistical significance of each explanatory variable employing a permutation test. The optimisation of the parameters of each model is carried out by a generalized reduced gradient algorithm. Finally, the algorithm selects the most robust model as that which best accomplishes simultaneously the following criteria: 1) it should have the least number of variables but explain as much as possible the variance of the sample; 2) it should be robust to outliers (i.e. the minimum cross-validation statistic); and 3) all its variables should be significant at 5% level. Lastly, those hydrological models calibrated for a given set of runoff characteristics were linked with a stochastic land use/cover change model in order to simulate the effects of the hydrological consequences of land use/cover and climatic changes in a mesoscale catchment. The magnitude of these effects was assessed in a probabilistic way by a sequential Monte-Carlo simulation provided four different scenarios which take into account likely developments of macro-climatic and socio-economic conditions relevant for a given study area. The proposed methodology was developed and tested in the upper catchment of the Neckar River covering an area of about 4000 km2; however, its application in other catchments is possible.

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01 Jan 2005
TL;DR: In this paper, an automated identification procedure based on fuzzy rules is developed for flood-producing weather situations based on the large-scale observations, which enables the analysis of possible past and future floods to estimate the flood risk.
Abstract: 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.

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01 Jan 2005
TL;DR: In this paper, the influence of boundary boundaries on flow and transport measurements is investigated using tracer-breakthrough curves for the purpose of identifying domain structures and material properties, such as single fractures, fracture systems, layers or lenses.
Abstract: This thesis is focused on the evaluation of tracer-breakthrough curves for the purpose of identifying domain structures and material properties. Examples of such structures are single fractures, fracture systems, layers or lenses. The investigations are based on the analysis of numerically modelled as well as measured data of domains on laboratory-scale. The numerical simulations are conducted using a flexible model set-up allowing variations of domain characteristics as well as of boundary conditions. First, the influence of impervious domain boundaries on flow and transport measurements is investigated. Initially, the general influence of boundaries on selected flow and transport variables is discussed. Subsequently, the significance of the influence of, on the one hand, impervious boundaries, and on the other hand, structures on the variation of selected variables of flow and transport is compared. The analysis is based on simulated tracer-breakthrough curves of one homogeneous system with exclusively boundary influence and of ensembles of heterogeneous systems with structure influence only. It is concluded that the influence of the boundaries is of the same magnitude as the influence of the structures. Finally, the sensitivity of tracer-breakthrough curves to structure variations depending on the existence of boundaries is investigated. For this purpose, simulation results from heterogeneous systems with and without impervious boundaries are compared. It is concluded that, in general, the sensitivity of flow and transport results is increased if the domain is limited by impervious boundaries. The investigations show that general predictions of the influence of boundaries on the flow and transport behaviour can only be made in exceptional cases for domains with very simple structure distributions. For more complex domains, boundary effects must be investigated individually in order to exclude unfavourable experimental or numerical set-ups and in order to interpret measured or simulated data correctly. The work presented demonstrates new ways of analysing different aspects of the boundary influence. Second, possibilities and limitations of structure identification are investigated. Based on three groups of test cases of varying characteristics, typical shapes of tracer-breakthrough curves are discussed and the fundamental mechanisms that lead to a certain curve shape are identified. Using the experience gained, an approach which is based on the shape of tracer-breakthrough curves and the initial arrival times, is developed for locating structures and approximating their permeabilities. The identification result is first assessed by applying the approach to the known test cases. Subsequently, the applicability to unknown artificial as well as real cases is tested. For domains containing block-shaped structures the new approach yields satisfying results for both artificial and real domains. For domains containing a few significant fractures, it is a useful support for approximating the structure distribution. Despite deviations, the fundamental characteristics are approximated correctly. The newly developed approach should be considered as one possible method to be used in combination with all other available data in order to obtain accurate identification results. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Auswertung von "Tracer-durchbruchskurven" fur die Identifikation von Strukturen und Materialeigenschaften. Beispiele solcher Strukturen sind Einzelklufte, Kluftsysteme, Schichten und Linsen. Die Untersuchungen basieren auf der Analyse von sowohl numerisch modellierten als auch gemessenen Daten, die von Gebieten auf der Laborskala stammen. Zunachst wird der Einfluss von undurchlassigen Gebietsrandern auf Stromungs- und Transportmessungen untersucht. Die Diskussion des generellen Einflusses von Randern auf ausgewahlte Stromungs- und Transportvariablen bildet eine Grundlage fur die weiteren Untersuchungen. Darauffolgend wird die Starke des Einflusses von undurchlassigen Randern bzw. Strukturen auf die Variation von ausgewahlten Stromungs- und Transportvariablen untersucht. Die Untersuchung basiert auf simulierten Duchbruchskurven von zwei Systemen mit jeweils ausschlieslich Rand- bzw. Struktureinfluss. Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Rander von ungefahr gleicher Grose wie der der Strukturen ist. Schlieslich wird die Sensitivitat von Durchbruchskurven gegenuber Strukturveranderungen in Abhangigkeit des Vorhandenseins von Randern untersucht. Hierzu werden Simulationsergebnisse heterogener Systeme ohne bzw. mit undurchlassigen Randern verglichen. Die Schlussfolgerung ist, dass die Sensitivitat der Stromungs- und Transportergebnisse bei einer Begrenzung durch undurchlassige Rander zunimmt. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass allgemeingultige Vorhersagen des Einflusses von Randern nur in einfachen Ausnahmefallen gemacht werden konnen. Fur komplexere Gebiete mussen Randeffekte speziell untersucht werden um einen ungunstigen experimentellen oder numerischen Aufbau zu vermeiden und um gemessene oder simulierte Daten korrekt zu interpretieren. Die vorgelegte Arbeit stellt neue mogliche Wege um verschiedene Aspekte des Randeinflusses zu analysieren vor. Im zweiten Teil der Arbeit werden Moglichkeiten und Einschrankungen der Strukturidentifikation untersucht. Basierend auf drei Gruppen von Testfallen mit unterschiedlichen Struktureigenschaften, werden zunachst typische Formen von Durchbruchskurven diskutiert und die prinzipiellen Mechanismen, die zu bestimmten Kurvenformen fuhren identifiziert. Anschliesend wird ein neuer Ansatz zur Approximation der Lage von Strukturen und deren Permeabilitaten, der auf der Form mehrerer Durchbruchskurven sowie der Erstankunftszeit basiert, entwickelt. Der Ansatz wird zunachst mithilfe der bekannten Testfalle evaluiert. Im folgenden Schritt wird die Anwendbarkeit anhand unbekannter kunstlicher und naturlicher Gebiete getestet. Fur Gebiete, die blockformige Strukturen beinhalten, werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Beinhaltet ein Gebiet einige Einzelklufte, so stellt der Ansatz eine hilfreiche Unterstutzung fur die Approximation der Strukturverteilung dar. Trotz Abweichungen werden grundlegende Charakteristiken korrekt angenahert. Der Entwickelte Ansatz sollte als eine mogliche Methode betrachtet werden, die in Kombination mit anderen zur Verfugung stehenden Informationen zu einer hinreichend genauen Identifikation fuhren kann.

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01 Jan 2005
TL;DR: In this article, the authors developed 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.
Abstract: 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.

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01 Jan 2005
TL;DR: In this paper, the authors conducted reactive mixing experiments in two different setups and the applicability of some of the existing numerical and theoretical studies to the observed data is tested, and concluded that point-like measurements provide reliable information of dilution and mixing in porous media, and therefore are effective enough in predicting product formation, provided sorption parameters are effectively quantified.
Abstract: Reactive mixing of compounds in porous media is a topic of current research interest because accurate estimation of reaction rates are crucial in planning aquifer remediation methods. It is suggested that relative parameters for dilution are better quantities to estimate reaction rates than the generally used classical macrodispersion coefficients. Most of the concepts developed in the field of reactive mixing are based on theoretical and numerical studies, and have not been experimentally tested. In this thesis, reactive mixing experiments are carried out in two different setups and the applicability of some of the existing numerical and theoretical studies to the observed data is tested. Two types of experimental setups - a homogeneously packed one-dimensional column setup and a heterogeneously packed two-dimensional sandbox setup - are used in the study. The column is 2m long with an inner diameter of 10cm, while the sandbox has dimensions 14m x 0.5m x 0.13m. Silica sand is used to fill both setups. The heterogeneity in the sandbox resembles the sedimentation pattern in nature. A conservative test and a reactive test each is conducted in both setups. Fluorescein is used as both the conservative and the reactive tracer. Dilution coefficients are estimated from the temporal moments of the conservative breakthrough curves obtained within in the porous media. Fiber optic fluorometry is used as the point measurement system. The measurement tip of the optic fiber probes has a diameter of 2.5mm. Reactive mixing in the porous media is predicted from the dilution coefficients estimated from the conservative tests, and is compared with the actual reactive mixing from the reactive tests. I conclude that point-like measurements provide reliable information of dilution and mixing in porous media, and therefore are effective enough in predicting product formation, provided sorption parameters are effectively quantified. I found that regions with large contrast in hydraulic conductivity give opportunity to enhanced mixing. Considering the typical length scales of the heterogeneities, the experimental findings are qualitatively in agreement with the linear stochastic theory. Die reaktive Durchmischung von gelosten Stoffen in porosen Medien ist als Forschungsthema von aktuellem Interesse, weil der akkuraten Abschatzung effektiver Reaktionsraten eine zentrale Rolle in der Planung und Auslegung von Grundwassersanierungsmasnahmen zukommt. In der Literatur wird vielerorts vorgeschlagen, dass relative Parameter fur die Verdunnung bessere Handhabe fur die Abschatzung von Reaktionsraten bieten als die im Allgemeinen verwendeten klassischen Makrodispersionskoeffizienten. Die meisten Konzepte, die im Bereich der reaktiven Durchmischung entwickelt wurden, basieren auf theoretischen oder numerischen Studien und sind bislang nicht experimentell verifiziert worden. In dieser Dissertation werden Versuche zur reaktiven Durchmischung in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten durchgefuhrt. Darauf aufbauend wird die Anwendbarkeit einiger bereits existierenden numerischen und theoretischen Studien auf die experimentellen Befunde untersucht. Bei den zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten handelt es sich einerseits um eine homogen mit Quarzsand befullte Saule fur eindimensionale Versuche und andererseits um einen heterogen mit Quarzsand befullten Versuchsbehalter fur zweidimensionale Versuche. Die Saule ist 2m lang mit einem Innendurchmesser von 10cm, wahrend der Versuchsbehalter deutlich grosere Abmessungen von 14m x 0.5m x 0.13m (LxBxH) aufweist. Die heterogene Befullung des Versuchsbehalters spiegelt naturliche Sedimentationsmuster wider. In beiden Aufbauten wurden jeweils ein konservativer und ein reaktiver Tracerversuch durchgefuhrt, wobei Fluorescein sowohl als konservativer als auch as reaktiver Tracer eingesetzt wurde. Zur Messung der Tracerkonzentration an einzelnen Punkten wurde Glasfaserfluometrie eingesetzt. Die Spitzen der Glasfasersonden haben einen Durchmesser von 2,5mm. Aus den zeitlichen Momenten der gemessenen Durchbruchskurven des konservativen Tracers wurden apparente Verdunnungskoeffizienten bestimmt. Daraufhin wird die reaktive Durchmischung in den porosen Medien mit Hilfe der apparenten Verdunnungskoeffizienten vorhergesagt und anschliesend mit der tatsachlich in den reaktiven Tracerversuchen beobachteten reaktiven Durchmischung verglichen. Der Vergleich kam zu positiven Ergebnissen. Es lasst sich die Schlussfolgerung ziehen, dass punktartige Messungen von Konzentrationen verlassliche Informationen bezuglich der Verdunnung und Durchmischung von gelosten Stoffen in porosen Medien bieten. Daher sind sie hinreichend, um effektive Reaktionsraten und Konzentrationen von Reaktionsprodukte vorherzusagen. Dies unterliegt jedoch der Einschrankung, dass mogliche Sorptionsprozesse ausreichend quantifiziert werden konnen. Es wird gezeigt, dass Bereiche mit stark ausgepragten Kontrasten der hydraulischen Leitfahigkeit eine starkere Durchmischung fordern. Unter Berucksichtigung der charakteristischen Langenskalen der heterogenen Sandbefullung stimmen die experimentellen Befunde mit den Vorhersagen der linearen stochastischen Dispersionstheorie uberein.

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