Inhaltszusammenfassung:
Zielsetzung des Fachgebietes Computational Hydrology ist die Entwicklung und Verbesserung mathematischer und numerischer Methoden zur Betrachtung natürlicher Hydrosysteme. Die Methoden dienen der Verbesserung des Systemverständnisses und machen Prognoseaussagen hinsichtlich des Systemverhaltens möglich. Ein natürliches Hydrosystem besteht aus den Teilsystemen Grund-und Oberflächenwasser, die gegenseitiger Wechselwirkung unterliegen. Wechselwirkungen werden in einem numerischen Modell durch die Kopplung verschiedener Prozesse berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit behandelt zunächst die Komponenten Grundwasser und Oberflächenwasser als isolierte Systeme, ist aber in folgendem Kontext zu sehen: Die neu erstellten Programmteile, die nun Teil des Finiten Elemente Programms GeoSys/RockFlow bilden, dienen dem ferneren Ziel ein Programmsystem anzubieten, das eine ganzheitliche Betrachtungsweise natürlicher Hydrosysteme mit den beiden Teilsystemen Grund- und Oberflächenwasser innerhalb eines integrierenden numerischen Modells möglich macht. Hydrogeologische Systeme können aufgrund ihres Schichtaufbaus zumeist gut mit Dreiecksprismen diskretisiert werden. Ein weiterer Vorteil der Dreiecksprismen ist, dass eine numerische Quadratur nicht erforderlich ist und die Integrationen geschlossen durchführbar sind. Deshalb wurde der neue Elementtyp unter Verwendung der analytischen Integration implementiert. Die Prozesse Grundwasserströmung und Transport sind dabei berücksichtigt. Eine Überprüfung der neuen analytischen Methode erfolgte anhand eines Vergleichs der Lösungen mit dem herkömmlichen numerischen Verfahren sowie teilweise anhand analytischer Lösungen. Die Leistungsfähigkeit des analytischen Verfahrens wurde mit einem Transport Rechenbeispiel überprüft. Im Vergleich zu der herkömmlichen numerischen Methode wurde die Berechnungszeit zum Aufbau der Elementmatrizen auf ein fünftel verkürzt. Da oftmals ungespannte Systeme berücksichtigt werden müssen, wurde die Grundwasserströmung auch im ungespannten Aquifer modelltechnisch umgesetzt. Dafür wurde die Methode der beweglichen Gitterknoten verwendet, die mit Hilfe einer Picard Iteration realisiert wurde. Die Verifizierung dieser Methode erfolgte ebenfalls anhand einer analytischen Lösung. Oberflächenabfluss ist eine wichtige Komponente eines Hydrosystems und wurde deswegen als weiterer Prozess in das bestehende Programm aufgenommen. Die Strömung wird dabei mit einer Diffusions-Wellengleichung, einer vereinfachten Form der Flachwassergleichungen, beschrieben. Modellergebnisse wurden wiederum anhand einer analytischen Lösung verifiziert oder mit Ergebnissen eines anderen numerischen Models verglichen. Anwendungsbeispiele sind die Modellierung eines geringmächtigen Aquifers im Gebiet um Jericho, die Bewertung von Dichteffekten auf die Ausbreitung einer Tracerwolke anhand einer Modellstudie und die Modellierung eines 3-schichtigen Aquifersystems in Jordanien.
computational hydrology