Modellierung von Hydrosystemen I

Technische Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig Institiut für Geoökologie Modellierung von Hydrosystemen I Porengrundwasserleiter ungesättigte Bodenzone Fließgewässer Prof. Dr. Matthias Schöniger Übungsunterlagen Course material SS 2005

Technische Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig Institiut für Geoökologie Modellierung von Hydrosystemen I Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau eines Grundwasserströmungsmodells mit einfacher Geologie ( Aufgabe 1) 2 Verständnisfragen zur Grundwasserhydrologie (Trainings-Aufgaben 1+2) 3 Grundwassermodellszenario Friedrichshagen (Aufgaben 2 + 3) 4 Basisarbeitsschritte mit ArcViewGIS (Pre- und Postprocessing) (Trainings-Aufgaben 3) 5 Verständnisfragen (Trainings-Aufgabe 4) 6 Regionales Grundwassermodell Liebenau (Aufgabe 4) 7 Transportmodellierung mit einfacher Reaktionskinetik (Aufgabe 5) 8 Strömungsmodellierung im Boden (Van Genuchten Problem) (Aufgabe 6) 9 Abschätzung der Grundwasserneubildung mit dem Programm ArcSIWA (Trainingsaufgabe 5) 10 Verständnisfragen zur Gerinnehydraulik und Berechnung von Schlüsselkurven u.a. (Trainings-Aufgabe 6) 11 Strömungs- und Transportmodellierung in einem Flussabschnitt mit MIKE11 TM HD (hydrodynamic) (Aufgabe 7) Prüfungsvorleistungen: Bearbeitung von Aufgaben und kommentierte Abgabe Abschlusklausur: letzte Semesterstunde (1,5 h) 2 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Verwendete Software für die Modellierung von Hydrosystemen I Simulationssoftware: FEFLOW: ArcSIWA: FE- Grundwasserprogrammsystem der Fa. WASY, Berlin Version 5.1 und 5.2 GIS- basiertes Programm zur Abschätzung der Grundwasserneubildung, Fa. WASY, Berlin MIKE 11 TM HD: hydrodynamic module, hydrodynamisches Fliessgewässermodell, DHI Water & Environment, Horsholm Geo-Informationssystem: ArcView 3.2/ArcGIS 9: Desktop-GIS der Fa. Ersi, Kranzberg Mitgelieferte Programme, Daten und Dokumente: 1. FEFLOW- CD von der Fa. WASY, Berlin 2. Daten- CD: Daten für Aufgabe 2 4 sowie 7 können über den Dozenten bezogen werden. Skripte zur Physik und Numerik von Oberflächengewässern sowie Handbücher zur Software können ebenfalls eingesehen werden. Alle Handbücher sind als PDF- Dateien verfügbar. Die Aufgaben können auch von der LV-Homepage geladen werden! Die oben aufgeführte Software befindet sich im EDV-Raum des, Langer Kamp 19c auf dem Systemrechner. Handbücher alle als PDF auf der Homepage! Trainings-Programm MvH II im SS 2004 Campus Suderburg, Univ. Lüneburg SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 3

Aufgabe 1 Aufbau eines Strömungsmodells mit einfacher Geologie Starten Sie das Simulationssystem Feflow 5.1 und bauen Sie entsprechend den gegebenen Anfangs- und Randbedingungen, Parametern und den Geometrien (vgl. Bild 1) das Grundwasserströmungsmodell schrittweise auf. Verwenden Sie dabei das Feflow Demonstration Exercise (WASY 2004). Wählen Sie die Pumprate so, dass sich die kontaminierte Fläche im Anströmbereich des Förderbrunnen befindet und kein Schadstoff das östlich gelegene Fließgewässer erreicht! Bild 1: Configuration of a sample problem, your first groundwater model with Feflow, (CHIANG, W.-H. & KINZELBACH, W. 2001); Grundwasserleiter mit zwei stratigraphischen Einheiten (unit 1: k f-horizontal = 0.0001 m/s; unit 2: k f-horizontal = 0.0005 m/s; vertikale hydraulische Durchlässigkeit ist 10% der horizontalen Leitfähigkeit); kein Zustrom (no-flow boundaries) im Norden und Süden; Westen und Osten Begrenzung durch Flüsse (Vorfluter). Der Aquiferkörper ist ungespannt und isotrop, Porosität n e = 25% (unit 1 u. 2); Grundwasserneubildungsrate beträgt 8.00E-09 m/s. Zur horizontalen Diskretisierung: 20 x 20 m. Sie können diese und alle weiteren Aufgaben zur Grundwasserhydrologie auch mit dem Programmsystem PMWIN bearbeiten (CHIANG, W.-H. & KINZELBACH, W. 2001). 4 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Trainings-Aufgabe 1 Randbedingungen (boundary conditions) und hydrogeologische Modelle Kommentieren Sie die nachfolgenden Bilder 2 bis 4c entsprechend ihrer Bildunterschrift: Bild 2: Schematic representation of the boundaries of a two-dimensional regional groundwater flow system, (WANG, F. & ANDERSON, M.P.1982) Bild 3: Variability of boundary conditions and physical properties in a river-aquifer system, (GANOULIS, J.G. 1994) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 5

Bild 4a: Entwickeln des hydrogeologischen Modells: Abstrahieren, Vereinfachen, Schematisieren. Entwickeln Sie ein hydrogeologisches Modell durch Abstrahieren, Vereinfachen und Schematisieren der geologischen Untergrundverhältnisse. Bild 4b: Abgrenzung von homogenen Zonen. Führen Sie eine Abgrenzung der homogenen Zonen durch. 6 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Bild 4c: Umsetzung der Daten zur Grundwasserhydraulik in Randbedingungen (4a-c: SCHRIFTENREIHE DER DT. GEOL. GESELL., 1999, H. 10). Beschriften Sie die Pfeile und Linien sowie die Platzhalter Q R, Q GWN, Q L sowie Q ENT. Bild 5: Regionaler Grundwasserleiter in einem Landschaftsausschnitt mit Randbedingungen, Geometrien und Grundwassergleichen u.a. (SCHRIFTENREIHE DER DT. GEOL. GESELL., 1999, H. 10) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 7

Trainings - Aufgabe 2 a) Wie ist die hydraulische Höhe h (Piezometerhöhe, Erläuterungen mit Hilfe der Bernoulli`schen Gleichung) definiert und wie lautet die Grundgleichung für die dreidimensionale, gesättigte, dichteunabhängige Grundwasserströmung (Potential-)? Skizzieren Sie also das physikalische Ausgangsproblem! b) Welche Parameter bezüglich der Grundgleichung (a) müssen sie im Felde erheben, aus amtlichen Informationssystemen beziehen und ggf. wie geostatistisch bearbeiten (... denken Sie dabei an die Dimension)? c) Beschriften Sie den Grundwasserlängsschnitt bei freiem Grundwasser mit Grundwasserentnahme (Abb. 6) und beschreiben sie, wie die Freispiegelströmung im Simulationssystem Feflow behandelt wird! Bild 6: Grundwasserlängsschnitt mit einem Förderbrunnens und zwei Beobachtungsbrunnen (verändert nach DIN 4049-3: 1994-10, S. 77, Bild 18) d) Was beschreibt die NEUMANN-Randbedingung und wie ist sie formuliert? Nennen Sie hydrogeologisch-hydrologische Situationen. e) Beschriften Sie Abb. 7 nach der Feflow- Philosophie und skizzieren Sie zur Abbildung das geologische Profil mit entsprechender Bezeichnung! 8 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

GOK Bild 7: Designing slice (4) and layers (4). Geologisches Profil mit einer Tonlinse f) Einführung ins Menu: Erläutern Sie die anhand der Bild 8 den Aufbau des Grundwassermodells bezüglich der Rand-, Material- und Anfangsbedingungen (Boundary-, Materials- and Initial Conditions). In welchem Step (Aufbauschritt) befinden Sie sich? Bild 8: Feflow- Menufenster ( hier flow boundaries menu) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 9

g) Ordnen Sie korrekt zu und nennen Sie Hauptmenu und Untermenu! Was wird unter den mit Fragezeichen versehenen Befehlen bzw. Bezeichnungen beim Aufbau eines Feflow- Modells eingestellt (Bild 9)? Bild 9: Teile des Feflow- Menus f) Die Finite - Element Methode zur Berechnung von Strömungsprozessen im Boden ist ein numerisches Verfahren zur Lösung von Differentialgleichungen, im vorliegenden Fall gegeben durch die hydrodynamischen Grundgleichungen (vgl. Trainings - Aufgabe 2a). Skizzieren Sie das Grundkonzept am Beispiel eines Ablaufschemas (Arbeitsdiagramm). 10 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

e) Zeichnen Sie die entsprechenden Grundwassergleichen bzw. Fließrichtungen in einer 2d-Horizontalen (A) und in ein entsprechendes Blockbild (B)! Wie heißt das zugrundegelegte Prinzip und wie ist die Randbedingung zwischen Fließgewässer und Grundwasserleiter formuliert? Quelle und wichtiger Trainings-Stoff: Ground Water and Surface Water A Single Resource By T.C. Winter, J.W. Harvey, O.L. Franke, and W.M. Alley (2002), USGS Grundwasserhydrologie Informationen über - Bohrverfahren und - hydraulische Bohrlochtests etc. finden Sie im Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten, Bd. 4 (SCHREINER & KREYSING 1997). KÖTHE, THIEMANN & RICHTER (1996) haben eine Zusammenstellung der Geräte für die Probennahme von Gewässersedimenten, Böden und Gesteinen erstellt, z.b. zur Parameteridentifikation bezüglich der Kolmationsschicht (Sedimente der Flusssohle). Siehe auch Tutorial Fluvial Geomorphology von STOTT (2003). SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 11

Aufgabe 2 Projektbearbeitung regionale Grundwassermodellierung mit GIS Machen Sie sich mit dem Modellszenario demo_flow-3d.fem vertraut. Es handelt sich um ein dem Programm Feflow beiliegendes Beispielmodell (-projekt) für die regionale Strömungs- und Transportmodellierung nahe Friedrichshagen, im Südosten Berlins; zu finden im Feflow- Programmverzeichnis, z.b.: c:\programme\wasy\feflow 5.1\demo\exercise). a) Füllen Sie dabei die folgende Tabelle möglichst vollständig aus. Geben Sie auch die verwendeten Dateien mit an (unter Bemerkungen)! Tab.1: Modelleingaben für die Strömungssimulationen Modellaufbau gewählte Eingabe Bemerkungen Aufgabenstellung, problem class Dimension FEM- Lösungsverfahren Konvergenzanspruch Simulationszeitraum zeitl. Diskretisierung, Zeitschrittwahl Elementtyp räumliche Diskretisierung: Anzahl Elemente, Größe der Elemente Anzahl Schichten, Topographien, Einstellungen im Regionalisierungsmenu zur z-generierung Behandlung der GW-Oberfläche Anfangsbedingungen Randbedingungen (räumlich differenziert) hydraulische Durchlässigkeiten effektive Porosität Grundwasserneubildungsrate 12 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

b) Der Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Wasserständen der stationären Simulation ergibt welchen Korrelationskoeffizienten bzw. welchen RMSE (root mean square error oder auch mittlere quadratische Abweichungen). Stellen Sie ebenfalls die Wasserbilanz dar. Welchen Zweck verfolgt man mit der Bestimmung der Wasserhaushaltsgrößen und dem RMSE- Grundwasserstandsdiagramm? Aufgabe 3 Projektbearbeitung Rufen Sie das Fem- Projekt demo_flow-3d.fem unter WASY\FEFLOW\exercise\femdata auf und führen Sie die folgenden Veränderungen im bestehenden Projekt durch: unter Problem Editor [Problem class] auf Flow only transient flow, unter Temporal & control data den Simulationszeitraum auf 230 Tage mit einer zeitlichen Diskretisierung von t = 5 Tage wählen, die Simulation soll mit einem Error and convergence criteria (Error tolerance) von 18.0E-03 durchgeführt werden, für den westlichen Förderbrunnen geben Sie eine zeitvariable Förderrate nach den entsprechenden Vorgaben über die Definition einer Time-varying function ein (vgl. Bild 10). Bild 10: Förderrate (well, 4th kind-bc with Time-varying function) in m 3 /s für den westlichen Brunnen im demo_flow-3d.fem Projekt (oben), FE-Netz mit gesetzter 4. BC = well (unten) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 13

Geben Sie über Reference data [Reference data Editor Observation single points Set at nodal points] zwei Beobachtungsbrunnen ein mit folgenden G-K-Koordinaten: X B1 : 3408188, Y B1 : 5815416 und X B2 : 3409335; Y B2 : 5814952. Führen Sie eine Berechnung durch, speichern Sie aber vor dem Aktivieren von (Re-/ Run simulator [Simulator Run] unter Control output das Simulationsergebnis als Dar- File ab (record reduced data (ASCII)). Folgende Simulationsergebnisse sind zu kommentieren und ggf. zu visualisieren: 1. Grundwassergleichenkarte, Fließrichtungen. 2. Gebietswasserbilanz (die Fläche des Modellgebietes können Sie mit Hilfe von ArcViewGIS berechnen, dazu steht Ihnen die Datei area_poly.shp zur Verfügung). 3. Grundwasserganglinien der Beobachtungsbrunnen B1 und B2. 4. Mit welchen numerischen Methoden (Zeitschrittverfahren, Upwind- Schemata) wurde die Simulation durchgeführt? 5. Erläutern Sie den hydrogeologischen Aufbau im Modell (Schichtenaufbau, Parameterverteilung, Randbedingungen). 6. Geben Sie ein hydrogeologische Profil von West-Ost und Nord-Süd aus (vgl. Bild 11). Bild 11: Beispiel eines georeferenzierten hydrogeologisches Profil, 30-fach überhöht, Nord-Süd-Richtung, neun Schichten, blau-grün: Saaleglazial, orange-rot: Weichselglazial 14 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Trainings-Aufgabe 3 Basisarbeitsschritte mit ArcViewGIS (Pre- und Postprocessing) Flächenbestimmung unter ArcView 3.2/3.1 1. Laden Sie das Thema mit den Objekten, deren Fläche bzw. Umfang Sie berechnen möchten, in ein ArcView- Projekt. 2. Öffnen Sie die Attributtabelle des Themas. 3. Wählen Sie im Menü Table den Befehl Start Editing. 4. Fügen Sie zur Tabelle ein numerisches Feld hinzu. Klicken Sie in der Attributtabelle auf den Namen des Feldes, um dieses zu aktivieren. 5. Klicken Sie auf die Schaltfläche Calculate, um das Dialogfeld Field Calculator anzuzeigen. 6. Geben Sie in das Ausdrucksfeld entweder: [Shape].ReturnArea oder [Shape].ReturnPerimeter ein und klicken Sie auf Ok. Die Fläche jedes Objekts werden automatisch berechnet und in die entsprechende Spalte in der Attributtabelle geschrieben. Interpolation (Grundwassergleichenplan, Digitales Geländemodell) mit ArcView 3.2/3.1 1. Importieren von Messwerten (Grundwasserstandsmessung, Höhenpunkte) in ein ArcView-Projekt: Die Messwerte müssen im mit ArcView kompatiblen Tabellenformat (dbase, Info oder Text mit Tabs oder Kommata als Spaltentrenner) vorliegen. Die Tabellendaten müssen Ortsangaben in Form von X/Y-Koordinaten enthalten. (1) Laden Sie die Daten als Tabelle in ArcView. Machen Sie ArcViews Projektfenster zum aktiven Fenster, und wählen sie Add Table im Menü Project. (2) Wählen Sie das View, zu dem Sie die Daten hinzufügen möchten, oder erstellen Sie ein neues View. (3) Geben Sie an, in welchen Einheiten die X/Y-Koordinaten in der Tabelle ausgedrückt sind. Wählen Sie dazu Properties im Menü View und im daraufhin angezeigten Dialogfeld die Einheiten in der Dropdown-Liste Map Units. Klicken Sie auf OK. (4) Wählen Sie Add Event Theme im Menü View. (5) Wählen Sie im daraufhin angezeigten Dialogfeld den Namen der Tabelle in der Dropdown-Liste Table und wählen sich die richtigen Tabellenfelder für die X- und die Y-Koordinate. Klicken sie auf OK. SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 15

2. Interpolation von Punktmesswerten: Zunächst muss das Thema, welches die Punktmesswerte enthält, die interpoliert werden sollen, im View aktiv geschaltet werden, indem im Inhaltsverzeichnis des Views (linke View- Leiste) das betreffende Ereignisthema angeklickt wird. Dann kann im Menüeintrag Surface Create Contours die Interpolation initiiert werden. Es erscheinen nacheinander zwei Fenster: im ersten Fenster wird die Gesamtgröße sowie die Rasterweite der Ausgabedatei vordefiniert; im zweiten Fenster erfolgt die Einstellung der Interpolationsmethode und der -parameter. Methoden der Interpolation in ArcView Über die Standardoberfläche von ArcView sind die Interpolationsverfahren IDW (Inverse Distanz Gewichtung) und Spline verfügbar. Der Algorithmus Inverse Distanz Gewichtung (IDW) geht von der Annahme aus, dass jeder in die Berechnung eingehende Stützpunkt einen lokalen Einfluss hat, der sich mit zunehmender Entfernung verringert. Daher werden Stützpunkte, die näher an einer zu berechnenden Stelle liegen stärker gewichtet als weiter entfernt liegende. Maßgeblich für das Interpolationsergebnis ist die Wahl der Anzahl von Stützpunkten (No: of Neighbours) aus der näheren Umgebung, die in die Berechnung aufgenommen werden. Die Splineinterpolation versucht möglichst glatte Isolinien durch eine gegebene Anzahl von Stützpunkten zu legen. Diese Methode wird von der Fa. ESRI für die Interpolation von Grundwasserspiegelhöhen empfohlen. Zu beachten ist, dass bei großen Differenzen zwischen benachbarten Stützpunkten es dazu kommen kann, dass sehr hohe Werte unterschätzt und niedrige überschätzt werden, so dass negative Werte berechnet werden. Die Verwendung der Einstellung Tension führt zu einer besseren Approximation von großen Wertedifferenzen in benachbarten Stützpunkten. Ein größerer Gewichtungsfaktor (weight) macht die zu generierende Oberfläche welliger. Weitere Lehrmaterialien (Skripte/Aufgaben) siehe Webpage HYDROINFORMATIK I SS 2005! Ab WS 2005/06 wird ArcGIS verwendet, siehe hierzu Erste Schritte mit ArcGIS von BOOTH & MITCHELL (2003), ESRI Inc. 16 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Aufgabe 4 Regionale Grundwassermodellierung im Grundwassereinzugsgebiet Liebenau Bauen Sie ein regionales Grundwassermodell für das Brunneneinzugsgebiet des Förderbrunnen FB10 des Wasserschutzgebietes Liebenau II (schwarz) mit dem Grundwasserprogramm Feflow auf (vgl. Bild 12). Bild 12: Ausschnitt aus der topographischen Karte TK 100 (Maßstab 1:100000, Darstellung verkleinert) mit den Grenzen des Wasserschutzgebietes Liebenau II (schwarz) und des Modellgebietes (rot: Brunneneinzugsgebiet des FB10). Die Förderbrunnen des Wasserwerkes Liebenau II sind durch blaue Kreuze markiert (aus: DIETRICH 2000, weitere Informationen können bei Schöniger R313 eingesehen werden) Folgende Schritte sind durchzuführen: Die benötigten Daten liegen auf der mitgelieferten CD, Verzeichnis: Daten/DatenAufg4/! 1. Abgrenzung des Modellgebietes (z.b. durch Auswertung von Grundwassergleichenplänen unter Beachtung hydrologischer und geologischer Besonderheiten des Untersuchungsgebietes). Eine vorgefertigte Abgrenzung liegt vor: Datei randlinie.shp. 2. Start des Programms Feflow und Laden der Dateien randlinie.shp und foerderbrunnen.shp im "Map Manager" (bei und NUR bei randlinie.shp "Attach area" klicken - legt Bildausschnitt fest!) 3. Generierung des Finite-Elemente-Netzes. Zunächst "Superelement Mesh" erzeugen (als Polygon), dann Förderbrunnen als "Add-in Point" markieren und den Netz- Generator starten (hier mit geschätzten 500 Elementen und Standardeinstellung). 4. Einstellen der Dimension auf 3D (zunächst 3 Layers / 4 Slices). Die weiteren Bearbeitungsschritte spielen sich im Feflow-Menu "Edit/Edit Problem Attributes" ab. 5. Problem Class: steady flow (stationäres Strömungsmodell) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 17

6. Das 3-dimensionale Untergrundmodell wird unter dem Menüpunkt 3D-Slice elevation aufgebaut. Für die Geländeoberfläche und die Schichtgrenzen werden die jeweiligen Daten eingelesen (Rechts-, Hoch- und Z-Wert der vorliegenden Datenpunkte, Dateien dgm.trp und slice*.trp; Einlesen der Datei: Voreinstellung: Assign unterhalb des Mesh Inspectors, database rechts vom Mesh Inspector, durch Klicken auf z-coordinates erscheint ein Fenster zur Definition der Interpolationseinstellungen, nachdem diese festgelegt sind, kann durch Drücken des Buttons import time constant data die trp-datei geladen werden). Anschließend wird ein 4. Layer nach unten angefügt, welcher die undurchlässig angenommene Aquiferbasis darstellt (mächtige Tonschichten im Untersuchungsgebiet). 7. Eingabe der strömungsrelevanten Daten. Als Anfangswerte werden die mittleren Wasserstände des Wasserhaushaltsjahres 1991 verwendet (Standrohrspiegelhöhen aus dem Monitoring der Harzwasserwerke GmbH), Datei wwjahr91.trp. Zuweisung für alle Layer vornehmen! 8. Randbedingungen festlegen. An den Gebietsgrenzen im Norden und Süden soll zunächst die 1. Randbedingung (Constant Head) festgelegt werden (46,8 m im Norden, 36,5 m im Süden, alle Slices). Der Brunnen wird als 4. Randbedingung (Well) mit einer Förderung von 2500 m³/d in Slice 3 eingegeben. 9. Die hydraulischen Leitfähigkeitsbeiwerte (k f ) werden in alle Raumrichtungen gleich angenommen und wie folgt zugeordnet: Layer 1 (Sand, teils lehmig): 1*10-5 m/s, Layer 2 (Feinsand, teils schluffig): 5*10-5 m/s, Layer 3 (Mittel- bis Grobsand) 4*10-4 m/s, Layer 4 (Ton, "dicht") 1*10-9 m/s. 10. Die Grundwasserneubildung wird über inflow on top `auf Layer 1 eingelesen (Datei gwnb.trp). Sie wurde für das Untersuchungsgebiet parzellenscharf von einem Ingenieurbüro berechnet und liegt im Mittel des Gebietes bei rund 200 mm/a. 11. Import von Beobachtungspegeln, an denen die simulierten Wasserstände berechnet werden und der Vergleich gemessener und simulierter Wasserstände durchgeführt werden kann. Fertig ist das Modell uebung4.fem. 12. Starten der Simulation! 13. Lassen Sie die Wasserbilanz berechnen und prüfen Sie diese auf ihre Plausibilität. Anmerkungen: regionaler Nitrattransport Für die Modellierung des Stofftransportes müssen die für den Transport relevanten Eigenschaften des Untergrundes ermittelt werden (z.b. Feldversuche, geostatistische Verfahren). Außerdem müssen Anfangskonzentrationen des Stoffes und aktuelle Einträge ermittelt werden. Dies ist insbesondere bei diffusen flächenhaften Einträgen schwer zu bewerkstelligen. Mit geeigneten Szenarien können qualitative Untersuchungen durchgeführt werden, die beispielsweise als Entscheidungshilfe für das Flächenmanagement dienen können (Wie könnte die Konzentrationsverteilung in 30 Jahren aussehen, wenn ich - unter Verwendung der derzeit bekannten bzw. geschätzten Parameterfelder - bei der Hälfte der Äcker eine Reduzierung des Nitrataustrags um 30% erreiche?). 18 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Kurze Erläuterungen zum Umgang mit Geodaten ArcViewGIS - Feflow gängige Datenformate: geogr. Umweltfachdaten im ArcView Shape-Format, zusätzlich im ARCInfo Exchange- Format (E00). topogr. Daten: TIFF-Rasterformat für ArcView georeferenziert Zeitreihen statistische Daten: dbase(.dbf)-kompatibles Format..shp (geogr. Daten): Polygon, Linien, Punkte.dbf: Attributdaten im dbase-format.shx: Index für geogr. Daten.tif: Bilddaten.dbf: Datenbankformat Wie erstelle ich ein DGM unter Feflow? Problem editor 3d Slice Elevation z-coord. Data Base- Regionalisation Menu Import Data [.trp-datei], dann wahlweise: Kriging Technique, Akima Inter-/Extrapolation oder Inverse distance weighting. Genauso wird der schichtförmige Untergrundaufbau entwickelt. Das Beispiel für eine Triple file (.trp) sieht wie folgt aus (vgl. Bild 13): X1 Y1 F1 X2 Y2 F2 X3 Y3 F3...... Xn Yn Fn END Bild 13: Beispiel für eine trp- Datei zur Regionalisierung unter Feflow; hier ist X der Rechtswert und Y der Hochwert im Gauss-Krüger- Koordinatensystem, F ist die Geländehöhe Add Map unter dem Programmpaket Feflow: Generate Lines (*.lin) ASCII format for lines ARC/INFO compatible Generate Polys (*.ply) ASCII format for polygons ARC/INFO compatible Generate Point (*.pnt) ASCII format for points ARC/INFO compatible Generate Anno (*.txt) ASCII format for annotations ARC/INFO compatible ESRI Shapefile (*.shp) spatial data file from ArcView AutoCad DXF (*.dxf) spatial data file from AutoCad HPGL Plotfile (*.hpg) HPGL plotting file SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 19

Image File (*.tif) raster data Supermesh File (*.smh) Feflow Superelement mesh Auch die Ergebnisdarstellung ist über eine Ausgabe mit verschiedenen Formaten möglich. Sollen z.b. die regionalisierten hydraulischen Durchlässigkeiten oder simulierte Grundwassergleichen oder/und Partikel-Tracking- Bahnen visualisiert werden, wird wie folgt vorgegangen: Menüpunkt Special unterhalb des Mesh Inspectors auswählen und auf den Parameter klicken. Das Beispiel in der Bild 14 zeigt die Visualisierung/Export von z-koordinaten. Es erscheint das Feflow Data View, operation & export - Fenster (vgl. Bild 14). Auf der linken Seite des Fensters können die Einstellungen für die Visualisierung der Ergebnisse vorgenommen werden, die durch Klicken auf Show (oben rechts im Fester) auf der Programmoberfläche angezeigt werden. Im unteren rechten Abschnitt des Fensters (rot hervorgehoben) können die Einstellungen für den Export von Daten vorgenommen werden. Die Exportmöglichkeiten beinhalten Verktorformate (für Gleichenpläne) und Rasterformate (Höhengrid). Da die Exportmöglichkeiten vielfältig sind, können sie hier nicht ausführlich dargestellt werden. Eine individuelle selbständige Einarbeitung unter Nutzung der Feflow- Onlinehilfe ist erforderlich. 20 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Bild 14: Feflow Data View, Operation & Export -Fenster zur Ansicht und zum Export von Daten (oben), unten: Ergebnis einer Interpolation (Flow Initials, Akima interpolation linear) SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 21

Visualisierung von Ergebnissen und Geodaten mit einem Desktop-GIS Ergebnisdarstellung im Programm Feflow (Bild 15) und in ARCView (Bild 16). Bei den Grundwassergleichen handelt es sich um simulierte Isolinien, exportiert als "Thema" aus dem Grundwasserprogramm. Bild 15: Visualisierung der Ergebnisse der Feflow- Simulation am Bildschirm Bild 16: Visualisierung von Ergebnissen aus der Grundwassermodellierung mit dem Desktop-GIS ArcView 3.2 bzw. ArcGIS 8 22 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Trainings-Aufgabe 4a Verständnisfragen Schauen Sie sich unter dem Feflow-Shell- Menu Flow Boundaries die einzelnen Randbedingungen an und erläutern Sie die hydraulisch-hydrologische Bedeutung im Zusammenhang mit einer stationären und instationären Strömungsmodellierung. Um die Erklärungen zu vereinfachen, sind Beispiele für Randbedingungen in der Bild 17 skizziert. Benennen Sie die Randbedingungen jeweils zwischen den roten Punkten. See 3 4 Modellgebiet 2 Fluss Förderbrunnen Talrand mit unterirdischem Zustrom 5 Grundwassergleichen 1 Bild 17: Beispiele für Randbedingungen (stationäre) in einem Strömungsmodell (n. KINZELBACH & RAUSCH 1995). T-Aufgabe 4b Erläutern Sie die Verfahren zur Gitternetzgenerierung allgemein und im Speziellen im Programmsystem Feflow (Delaunay-Triangulation, Advancing Front Methode, u.a.). In SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 23

diesem Zusammenhang muss auch die sogenannte BASD- Technik genannt werden (Best- Adaption-to-Stratigraphic-Data). T-Aufgabe 4c Erläutern Sie die folgenden Techniken zur zeitlichen Diskretisierung (Zeitschrittweitensteuerung/Time step: unter Temporal & Control Data): - Constant time steps, - Varying time steps, - Automatic time step control. T-Aufgabe 4d Finite Elemente sind in 2-D entweder Vierecke oder Dreiecke, die automatisch generiert werden können. In 3-D wird ein zweidimensionales Gitter in der dritten Raumrichtung (z- Richtung) fortgesetzt, so dass prismatische Elemente entstehen. Als Diskretisierungsschemata (diskrete Approximation) stehen die folgenden Verfahren zur Verfügung: Galerkin-FEM (no upwinding), verschiedene Upwind-Strategien (Petrov-Galerkin-FEM) a. streamline upwinding, b. full upwinding, c. shock capturing, d. least square upwinding. Erläutern Sie diese Verfahren möglichst mit Hinweisen zu Anwendungsbeispielen. T-Aufgabe 4e Welche Möglichkeiten bietet das Programm Feflow, reaktiven Stofftransport zu modellieren? T-Aufgabe 4f Welche Möglichkeiten bietet das Programm Feflow, das nebenstehende biochemische Modellkonzept über den IFM zu implementieren (Bild 18a)? 24 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Bild 18a: Spezies, Phasen und Prozesse des biochemischen Modells. Die Pfeile weisen auf mögliche Austauschprozesse hin (RAUSCH ET AL. 2002). Nicht zuletzt durch die WRRL- Anforderungen kommt den diffusen, d.h flächenhaften Stoffeinträgen z.b. von Nährstoffen eine wachsende Bedeutung zu. Die WRRL sieht u.a. eine Beurteilung diffuser Stoffbelastungen der Schutzgüter Oberflächengewässer und Grundwasser sowie Maßnahmen zur Verringerung von Stoffeinträgen in Einzugsgebiete vor. Oberflächengewässer und Grundwasser sind gemäß der EU-WRRL integrativ zu betrachten. Geohydrologische Stichworte: Wechselwirkung zwischen den Hydrosystemen Oberflächengewässer Boden Grundwasser; Grundwasserpfade, mittlere Verweilzeiten etc (vgl. Bild 18b) Bild 18b: Eintragspfade SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 25

Aufgabe 5a Grundwasserleiterleiter beeinflusst durch Abflusswelle im angrenzenden Fluss Laden Sie das Feflow- Projekt dynamic-river und beschreiben Sie die Anbindung des Flusses an das Grundwassermodell. Gehen Sie bei der Beschreibung der FEM- Datei schrittweise vor und listen auf, welche Parameter und Messzeitreihen man benötigt, um die Auswirkungen einer Abflusswelle im Fluss auf den benachbarten Grundwasserleiter zu modellieren (Bild 19a+b). Bild 19a: Feflow-Working window mit FE-Netz und Time-varying function Bild 19b: dynamic modeling of a river, input data for 1d linear interpolation along the river, feflow-working window, two measured powerfunctions 26 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Führen Sie die Berechnung der Grundwassersimulation mit den Flusswasserständen aus dem Diagramm (Bild 20: Flusspegel 1; Flusspegel 2) durch und dokumentieren Sie die Grundwasserstände an zwei Beobachtungsbrunnen mit den Gauss-Krüger- Koordinaten (Global Cartesian: B1: 3411242, 5816088; B2: 3410363, 5814282). Wasserstand in münn 28 27 26 25 24 23 22 21 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Zeit in Tagen Bild 20: Registrierte Wasserstandsganglinien im Fluss in münn Wichtige Literatur zum Thema Interaktion Grund- und Oberflächengewässer: WINTER, T.C., HARVEY, J.W., FRANKE, O.L. & ALLEY, W.M. (2002): Ground Water and Surface Water. A Single Resource.- USGS Circular 1139 MONNINKHOFF, B. (2004): Kopplung von FELOW mit dem 1D-hydrodynamischen Modell MIKE11 (DHI).- Coupling of groundwater model FEFLOW with the hydrodynamic model MIKE 11 (DHI).- Tagungsband zur 6. Fachtagung Grafikgestützte Grundwassermodellierung, IWU- Tagungsberichte, 6. Fachtagung: 55-68, Berlin Worin liegt die Bedeutung der hydraulischen Wechselwirkung zwischen den Hydrosystemen Grundwasserleiter Fluss? SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 27

Aufgabe 5b Behandlung der dynamischen Grundwasserneubildung bei der regionalen Grundwassermodellierung Laden Sie die Feflow-Projekt recharge_powerid.fem und erläutern die Eingabe der Grundwasserneubildung (vgl. Bild 21). Starten Sie die FEM- Simulation und stellen die Grundwasserstandsganglinien für die Beobachtungsbrunnen 1-5 (Observation data/single Points) den Ganglinien der Grundwasserneubildung gegenüber (z.b. in Excel). Stellen Sie die berechnete Gebietswasserbilanz auf! Bild 21: Implementierung der Grundwasserneubildungsraten Hinweis: Berechnung der Grundwasserneubildung kann mit dem Programm ArcSIWA erfolgen. Hierbei handelt es sich um ein Desktop-GIS ArcView basiertes Bodenwasserhaushaltsmodell (ein so genanntes N-A-Modell, SIWA ist eine Programmkomponente von ArcEGMO). 28 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Aufgabe 6 Transportmodellierung mit einfacher Reaktionskinetik Lösen Sie das Anfangsrandwertproblem c c c R + qx Dxx + R λ c = 0 2, t x x mit der Anfangsbedingung: c (x,0) = 0, und den Randbedingungen: c (t,0) = 1, c(t, x) 0 2 lim = x inf mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (Feflow). Ein Parametersatz ist in der Tab. 2 beigefügt. Führen Sie die numerische Analyse an einem 2-D horizontalen Fallbeispiel mit folgenden Strömungsbedingungen durch: h(t, x = 0 m) = 20 am Injektionspunkt, q(t, x = 100 m) = 0,1 m 2 d -1. Tab. 2: Modellparameter und Geometrien Symbol Name Wert (Einheit) c Stoffkonzentration (ML -3 ) D d molekularer Diffusionskoeffizient 0 (10-9 m 2 s -1 ), D xx = D d + L q x = D SCHEIDEGGER-BEAR hydrodyn. Dispersionstensor (L 2 T -1 ) q x = x = q DARCY Fluss, spezifischer Durchfluss (L 2 T -1 ) R = + (1-) Retardationsfaktor R = 0,2 (1) t 1/2 Halbwertzeit (T) x = Geschwindigkeit (LT -1 ) x Koordinate (L) L Koeffizient der longitudinalen Dispersivität L = 5 m Henry Sorptionskoeffizient = 0 = ln2/t 1/2 Zerfallsrate = 0,002 10-4 s -1 Kinematische Porosität = 0,2 dt Zeitschritt dt = 0,1 1 d T Transmissivität T = 1,0 10-4 m 2 s -1 B Streifenbreite B = 20 m L Länge der Transportstrecke L = 100 m M Mächtigkeit des Aquifers M = 1 m SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 29

a) Untersuchen Sie das Lösungsverhalten in Abhängigkeit der Netzgeometrie! Wählen Sie dazu ein äquidistantes Gitter mit verschiedenen Maschenweiten und ein nicht gleichmäßiges Gitter. b) Vergleichen Sie die numerischen Lösungen mit der analytischen Lösung. Verwenden Sie zur Lösung der oben angegebenen Transportgleichung das Programm Mathematica: c c 1 x(1 γ ) x q γ t / R = exp erfc 2 2β 2 q β L t / R x(1 + γ ) x + q γ t / R + exp erfc, 2β q t R L 2 L 0 L β / mit: γ = 1+ 4 λ R β / L q, und dem komplementären Gaußschen Fehlerintegral: u e 2 ξ 0 2 erfc( u) = 1 dξ π (n. Ogata & Banks 1951). c) Untersuchen Sie den Einfluss des Parameters Retardationsfaktor und der Parameter der Dispersivität auf das Transportverhalten. d) Der Retardationsfaktor ist proportional zum C org - Gehalt. Lösen Sie das obige Problem für einen in x-richtung variablen Retardationsfaktor (vgl. Abb. 19). R niedrig R hoch R niedrig Bild 22: Finite Elemente Netz und räumliche Variabilität des Retardationsfaktors e) Variieren Sie die Konzentrationsanfangs- und Randbedingungen (Neumann- Randbedingung am linken Rand) in Anlehnung an Bild 23: 30 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

c t Bild 23: Mögliche NEUMANN-Randbedingungen für das vorliegende Rechenbeispiel SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 31

Aufgabe 7 Ungesättigte Zone (Van Genuchten Problem) Es soll in dieser Aufgabe der ungesättigte Fluss in einer inhomogenen Bodensäule mit dem FE- Programm Feflow an einem Fallbeispiel berechnet werden. Es handelt sich um ein Beispiel, in dem nach Studien von VAN GENUCHTEN (1987) die Bewegung von Bodenwasser in einem geschichteten Boden simuliert werden soll. Die Bodensäule hat eine Vertikalerstreckung von 1,70 m und besitzt vier Bodenhorizonte (vgl. Bild 24). Bild 24: Bodenprofil mit Knoten an der linken Bodensäule (rechts) sowie Landschaftsphoto mit Bodenprofilstandort (links); Stichwort: Übertragung, Variabilität von bodenphysikalischen Parametern Die Anfangsbedingung ist gegeben mit der Druckhöhe ψ 0 = - 3,5 m. Eine konstante Infiltrationsrate an der Oberfläche mit q h n = - 0,25 m/d (t 1 Tag) und einer Verdunstungsrate von q h n = 0,005 m/d (t > 1 Tag) sind vorgegeben. An der unteren Begrenzung der Bodensäule befindet sich eine sogenannte "drainage gradient-type BC" mit 4 m/d (GENUCHTEN-MUALEM model). Berechnen Sie mit dem FE- Programm Feflow unter Verwendung der in der Tabelle 3 angegebenen Parameter den zeitlichen Verlauf der Wasserspannung in kpa und der Bodenwassersättigung über die Tiefe. Visualisieren Sie die Simulationsergebnisse für unterschiedliche Zeitschritte (t = 1, 2, 4, 6, 8 Tage). Diskutieren Sie die Ergebnisse unter Einbeziehung des nebenstehenden Photos. 32 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Tab. 3: Parameter für das VAN GENUCHTEN Modell parameters problem class type mesh element type upwinding time stepping regime initial time step length, final time FEFLOW transient flow, 1D unsaturated B = 0,01 m, L = 1,70 m, x = y= 0,01 m 4-noded quadrilateral no upwinding: Galerkin-based formulation AB/TR time integration scheme 1,0e-05, 8 d flow initials initial pressure head ψ 0 = -3.5 m flow boundaries constant flux at surface at t 1 day constant flux at surface at t > 1 day drainage at bottom q n h = -0,25 m/d q n h = 0,005 m/d q n h = 4 m/d flow materials van Genuchten model parameters soil type s f r s f s A n cond. storage (cm 3 /cm 3 ) (cm 3 /cm 3 ) (m -1 ) (-) (10-4 m/s) compressibility (m -1 ) 1 clay loam 0.2 0,54 0,8 1,8 0,029 4,0e-05 2 dense layer 3 loamy sand 0,25 0,4 0,9 3,0 0,012 5,0e-06 0,17 0,47 1,0 2,0 0,087 1,0e-05 4 0,1611 0,4611 1,306 2,178 0,154 1,0e-05 5 0,15 0,45 1,08 2,4 0,237 1,0e-05 6 0,14 0,44 1,12 2,6 0,313 1,0e-05 7 0,1311 0,4311 1,156 2,778 0,379 1,0e-05 8 0,1244 0,4244 1,182 2,911 0,43 1,0e-05 9 sand 0,12 0,42 1,2 3,0 0,463 1,0e-05 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 33

Trainings-Aufgabe 5 Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate Mit dem Simulationssystem ArcSIWA soll die räumlich variable Grundwasserneubildungsrate ermittelt werden. Die Berechnung der Grundwasserneubildung im innerjährlichen Gang erfolgt auf der Grundlage von über 30 Bodenwasserhaushaltsgrößen. ArcSIWA ist ein Produkt der WASY GmbH, welches das weiterentwickelte hydrologische Modellsystem SIWA mit einer graphischen, ArcView- basierten Benutzeroberfläche kombiniert. Da ArcSIWA die berechneten Ergebnisse in eine Shapedatei speichert, sind die Werte einfach in das Grundwassermodul Feflow zu importieren. SIWA ist ein reduziertes Niederschlags-Abfluss-Modell zur eindimensionalen Beschreibung der Abflussbildung und des Bodenwasserhaushalts für die räumlich und zeitlich differenzierte Berechnung der Grundwasserneubildung und weiterer Wasserhaushaltsgrößen. Mit ArcSIWA ist es möglich, diese Ergebnisse auf einfache Weise graphisch darzustellen und Karten zu produzieren. Ohne großen Aufwand können Modelldaten und Berechnungen an den aktuellsten Stand des Projektgebiets angepasst werden. Mit dem Programm können neben der Grundwasserneubildung weitere 36 Bodenwasserhaushaltsgrößen wie z.b. reale Verdunstung, Sickerwasserrate, aktuelle Bodenfeuchte oder die über die Kanalisation abgeleiteten Regenwassermengen ausgewertet werden. Für die Berechnung dieser Bodenwasserhaushaltsgrößen berücksichtigt ArcSIWA die Interzeption, die Muldenspeicherung, die Infiltration und den vertikalen Feuchtestrom bis zum Grundwasser einschließlich der Grundwasserneubildung und des kapillaren Aufstiegs. Ermittlung der elementarflächenbezogenen Modellparameter Modelleingangsdaten für ArcSIWA sind Zeitreihen von Tageswerten des korrigierten Niederschlags und der potentiellen Verdunstung (TURC-IVANOV). Des Weiteren werden für die Modellierung folgende Geo-Informationen benötigt, die als ARC/INFO-Cover (Vektor) oder Shapedateien bereitzustellen sind: Landnutzungskarte, Bodenkarte, Grundwasserflurabstandskarte und das digitale Geländemodell (Gefällewerte). Durch Verschneidung der Einzelinformationen entstehen quasihomogene Elementarflächen, deren unterschiedliche Eigenschaften in ArcSIWA durch Attribute definiert werden. Zur Umsetzung dieser Informationen in ArcSIWA- Modellparameter werden Zuordnungstabellen genutzt, die hydrologisch relevante Kennwerte enthalten und über Schlüsselattribute mit den Geometriedaten verknüpft sind. Diese Kennwerttabellen bilden zusammen mit den Modellgeometrien die Grundlage für die programminterne Ermittlung der elementarflächenbezogenen Modellparameter. Optional kann jedes Element noch einem Teilgebiet zugeordnet werden, z.b. einem Landkreis. Zwei-Ebenen-Technologie mit Optionen ArcSIWA besteht aus zwei Ebenen: der Definitions- und der Anwendungsebene. Die oben 34 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

genannten Verschneidungen und Definitionen müssen innerhalb der Definitionsebene vorgenommen werden. Hierzu wurden spezielle Menüpunkte entwickelt. Die Verschneidung wird hier mit ARC/INFO- Befehlen durchgeführt. So sind die Befehle Union, Dissolve, Eliminate und Clip in ArcSIWA identisch zu ARC/INFO. Es wird hier dann auch mit einzelnen Flächen gearbeitet, nicht mit Regionen. Weiter besteht die Möglichkeit, aus Linien oder Punkten Grids zu erstellen. Hierzu benötigt man allerdings die ArcView- Erweiterung Spatial Analyst. Es besteht dann die Möglichkeit, Gefälle- und Grundwasserflurabstandskarten mit ArcSIWA zu erstellen. ArcSIWA bietet auch die Option, diese Karten zu klassifizieren. Aufgabenstellung: Skizzieren Sie in Gruppenarbeit die einzelnen Arbeitsschritte zur Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate im Sinne einer räumlich-zeitlichen Variablen (... wichtige Größe bei der regionalen Grundwassermodellierung). Versuchen Sie, den Bogen zwischen einer instationären vertikalen Strömung in der ungesättigten Zone am Standort zu einer flächen-/raumdifferenzierten Information für den Boden zu spannen! Bild 25: WASY Software ArcSIWA- Ergebnissen im View- Menu SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 35

Trainings-Aufgabe 6a Verständnisfragen zur Gerinnehydraulik Rechnen Sie mit Hilfe des Schüsselkurven- Wizard (Programm Gerinne zur Berechnung des Normalflusses, MARTIN & CARSTENSEN (2000); auf der mitgelieferten CD zu finden unter: \Gerinne\Gerinne1.exe) für das Mittel- und Hochwasser in einem gegliederten Profil mit zwei Berechnungsformeln (1. Fließformel nach MANNING-STRICKLER, 2. vereinfachte universelle Fließformel) den Durchfluss aus. Die Geometrie des Gerinne und die Wasserstände sind der Bild 26 zu entnehmen. Verwenden Sie folgende Parameter für die Berechnung: Gefälle I 0,0013 m/m Sandrauhigkeit k S 0,0011 m Formbeiwert f r 3,68 Strickler-Beiwert k St 55,2 m 1/3 s -1 Bild 26: Gerinne mit beidseitigem Uferbewuchs T-Aufgabe 6b Welche Mängel weisen die klassischen Fließformeln nach Brahms und Chezy auf? Wie lautet die sogenannte Flachwassergleichung (Saint Venant Gleichung, CHANDHRY 1993)? T-Aufgabe 6c Erläutern Sie die in Bild 27 dargestellten wasserlaufbezogenen Rahmenbedingungen für eine 1D-/2D- Gerinneströmungsberechnung. Denken Sie dabei auch an den Sediment- oder Stofftransport! 36 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Bild 27: Wasserlaufbezogene Rahmenbedingungen: Network für die 1D- Gerinneströmungsmodellierung mit Abflusspegeln (Wehranlagen mit kontinuierlicher Datenaufnahme) sowie einem Querprofilabstand von 1 km, Beispiel für ein Querprofil (beidseitiger Bewuchs) mit graphischer Darstellung der gewässerkundlichen Hauptzahlen (HW, NW und NW). Für 2D krummliniges, orthogonales Rechennetz für Flussabschnitt. Weitere Wasserwirtschaftliche Infrastrukturen wie Wasserkraftanlagen, Rückhaltebecken, Flussdeiche etc. sind nicht dargestellt T-Aufgabe 6d Erläutern Sie die drei Möglichkeiten zur Modellierung der Gerinneströmung im Programmpaket MIKE 11 HD. Nennen Sie die vier Bedingungen, unter denen die Saint Venant Gleichung verwendet wird! T-Aufgabe 6e Für die Modellierung einer Gerinneströmung in einem Fluss (z.b. für den Stoff-, Sedimenttransport, Hochwasservorhersage etc.) benötigen Sie neben hydraulischen Parametern auch wasserlaufbezogene Strukturinformationen. Bild 28 zeigt ein entsprechendes MIKE 11- Menufenster zur Eingabe derartiger Informationen. Skizzieren Sie zum einen SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 37

die notwendigen Feldaufnahmen oder stellen Sie eine Liste der zu beschaffenden Daten auf, und erläutern Sie die entsprechenden Implementierungen in das Programm MIKE 11, z.b. river network, cross section etc.! Bild 28: MIKE 11 Simulation Files mit entsprechendem Input, u.a. MIKE 11 River Network File und Cross Sections file T-Aufgabe 6f: Beschäftigen Sie sich mit der Software ArcHydro (Maidment et al.), welches zur Aufnahme und Analyse (Pre-/ Postprocessing, aber auch zur Prozessmodellierung durch Kopplung) von Fließgewässern und wasserwirtschaftlichen Infrastrukturen geeignet ist. Stellen Sie Parallelen zum Gewässerexplorer von ArcWFD (Wasy) her! 38 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

Aufgabe 8 Modellierung der hydrodynamischen Vorgänge in einem Vorfluter, Einführung Für die hydrodynamische Modellierung eines kleinen Flusses im Süden Jütlands steht das Simulationssystem MIKE 11 HD und die entsprechenden Datensätze zur Verfügung. Der Fluss Vida hat mehrere kleinere Zuflüsse und ist tidebeeinflusst durch die Nordsee. Bild 29: Topographische Karte der Flussaue Vida bei Tonder (DK). Am Fallbeispiel Vida wird die Funktionalität des hydrodynamischen Flussmodells Mike 11 HD vorgestellt unter Zuhilfenahme des Short Introduction Tutorial [DHI 2003] Zuerst folgt eine kurze technische Einführung basierend auf den Handbüchern DHI Water & Environment (2003): MIKE 11. A Modelling System for Rivers and Channels, Short Introduction and Tutorial und DHI (2003): MIKE 11 - User Guide. Im Anschluss daran werden schrittweise die einzelnen Arbeitsschritte kurz beschrieben. Eine Vielzahl von landschaftsökologischen und hydrologisch-wasserwirtschaftlichen Untersuchungen z.b. auch im Zusammenhang mit der EU-WRRL sind nur zielführend durchzuführen, wenn auch Fachkenntnisse im Umgang mit hydrodynamischen Modellvarianten vorhanden sind! Für Hochwassermodellierungen in Flussgebieten sind spezielle Kenntnisse der GIS- basierten Ergebnisvisualisierung notwendig. Hydromechanische und hydraulische Grundkenntnisse werden im Vorlesungsbetrieb vermittelt. Für das empfohlene Eigenstudium werden auf der MvH I - Webpage entsprechende Skripte angeboten. SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 39

Technische Einführung MIKE 11 ist ein 1-D querschnittsintegriertes Finite Differenzen Verfahren zur Simulation der Hydrodynamik (Wasserstand und Strömung) in Fließgewässern. Description from DHI about MIKE 11 (http://www.dhisoftware.com/mike11/) MIKE 11 is a professional engineering software package for the simulation of flows, water quality and sediment transport in estuaries, rivers, irrigation systems, channels and other water bodies. It is a dynamic, user-friendly one-dimensional modeling tool for the detailed design, management and operation of both simple and complex river and channel systems. Because of its exceptional flexibility and speed MIKE 11 provides a complete and effective design environment for engineering, water resources, water quality management and planning applications. MIKE11 is based on an integrated modular structure with a variety of basic modules and add-on modules, each simulating certain phenomena in river systems. The modular structure offers great flexibility: MIKE11 includes basic modules for: Rainfall-Runoff, Hydrodynamics, Advection-Dispersion and cohesive sediments, Water Quality, Non-cohesive sediment transport Hydrodynamic Module (HD) The HD module contains an implicit, finite difference computation of unsteady flows in rivers and estuaries. The formulations can be applied to branched and looped networks and quasi two-dimensional flow simulation on flood plains. The computational scheme is applicable to vertically homogeneous flow conditions ranging from steep river flows to tidally influenced estuaries. Both subcritical and supercritical flow can be described by means of a numerical scheme which adapts according to the local flow conditions. The complete non-linear equations of open channel flow (Saint-Venant) can be solved numerically between all grid points at specified time intervals for given boundary conditions. In addition to this fully dynamic description, a choice of other flow descriptions is available: high-order, fully dynamic, diffusive wave, kinematic wave, quasi-steady state. Within the standard HD module advanced computational formulations enable flow over a variety of structures to be simulated: broad-crested weirs, culverts, regulating structures, control structures, dam-break structures, user-defined structures, tabulated structures. Rainfall-Runoff Module (RR) In addition to the provision of boundary conditions at model boundaries, the description of rainfall and associated runoff is often a key element in setting up a MIKE 11 simulation. The rainfall-runoff (RR) module contains three different models that can be used to estimate catchment runoff: NAM: A lumped, conceptual rainfall-runoff model simulating overland flow, interflow and baseflow as a function of the moisture content in each of four mutually interrelated storages: 40 SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de

snow storage, surface storage, root zone storage, groundwater storage. In addition NAM allows treatment of man-made interventions in the hydrological cycle such as irrigation and groundwater pumping. The present UHM module simulates the runoff from single storm events by the use of the unit hydrograph technique and constitutes an alternative to the NAM model for flood simulation in areas where no stream flow records are available or where unit hydrograph techniques have already been well established. The module calculates simultaneously the runoff from several catchments and includes facilities for presentation and extraction of the results. The output from the module can be used as lateral inflow to the advanced hydrodynamic module in MIKE 11. SMAP: A monthly soil moisture accounting model. The RR module can either be applied independently or used to represent one or more contributing catchments that generate lateral inflows to a river network. In this manner it is possible to treat a single catchment or a large river basin containing numerous catchments and a complex network of rivers and channels within the same modelling framework. Einzelnen Arbeitsschritte zum Modellaufbau MIKE 11-Vida Die folgenden Dateien wurden bereits vorbereitet und stehen Ihnen für die Lösung zur Verfügung (auf Server in EDV-Raum Langer Kamp 19c): Sim-Hotstart.sim11 Sim.nwk11 Sim.XNS11 Sim.bnd11 Sim.HD11 VIDA400.gif M4214Q.dfs0 Sim.HD11 Öffnen von MIKE 11 Nach dem Öffnen von MIKE Zero auf File open MIKE11 Simulation Files (*.sim11) gehen und die Datei Sim_Hotstart.sim11 öffnen. (Zum Erstellen einer ganz neuen Simulation geht man auf File new.) Simulation (Sim_Hotstart.sim11) Hauptmaske von MIKE 11 MIKE 11 ist aus verschiedenen Modulen aufgebaut, die in der Simulationsmaske zusammengefügt werden. Models: Hydrodynamic und unsteady (Unterschied steady/unsteady?) anklicken. Input Angabe der zur Simulation verwendeten Dateien. Folgende bitte verwenden: Network (Sim.nwk11) Cross sections (Sim.XNS11) Boundary data (Sim.bnd11) HD Parameters (Sim.HD11) Simulation: Gibt den Simulationszeitraum und die verwendeten Zeitschritte an. Die Daten brauchen für unsere Modellierung nicht verändert zu werden. Bevor es in der Simulationsmaske weitergeht müssen die einzelnen Dateien vollständig erstellt werden. Die Sim_Hotstart.sim11-Datei bitte vor dem Schließen speichern. SS 2005 Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: m.schoeniger@tu-bs.de 41