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TU Berlin

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Dr.-Ing. Mirko Schankat

DiaTrans - A Multi-Component Model for Density-Driven Flow, Transport and Biogeochemical Reaction Processes in the Subsurface
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Die Arbeit entstand im Zeitraum 2006 - 2009 am Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Technische Universität Berlin
Tag der wissenschaftl.
Aussprache:
06.05.2009
Betreuer:
Prof. Dr.-Ing. R. Hinkelmann, Technische Universität Berlin
Prof. Dr. M. Schlüter, Alfred-Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven
Veröffentlichung:
04 Heftreihe des Instituts für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin
Nachfolgender / akuteller Arbeitgeber:
The University of the West Indies at St. Augustine, Trinidad and Tobago

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Die Dissertation steht im digitalen Repositorium der Universitätsbibliothek zur Verfügung.

Kurzzusammenfassung

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Verbesserung des Prozessverständnisses für den Interaktionsbereich Untergrund und freier Wassersäule und darauf aufbauend in einer verbesserten Quantifizierung von Stoffflüssen, welche beispielsweise für ökologische Fragestellungen in Küstengebieten erforderlich ist.
Dazu wurde DiaTrans (diagenetic transport), ein mehrdimensionales, voll gekoppeltes Ein-Phasen/Mehr-Komponenten-Modell zur Simulation von dichtegetriebenen Strömungs-, Transport- und biogeochemischen Reaktionsprozessen im Untergrund, entwickelt. Auch typische küstennahe Prozesse wie Bioturbation und Bioirrigation werden darin explizit berücksichtigt. Neben der Hauptkomponente Wasser kann eine beliebige Anzahl gelöster Substanzen, wie z. B. Chlorid, Sulfat, Methan oder Sauerstoff, betrachtet werden. Mit Hilfe eines objektorientierten Ansatzes werden die Bilanzgleichungen mit einer Finiten-Volumen Methode (FVM) auf zweidimensionalen strukturierten Rechteckgittern diskretisiert, wobei eine Fully-Upwind-Methode für die advektiven Flussterme verwendet wird. Das daraus resultierende unsymmetrische System aus stark nichtlinearen Gleichungen wird mit einem Newton-Raphson Verfahren mit innerem linearen BiCGSTAB-Gleichungslöser berechnet.
Diese implizite und vollständige Kopplung von Strömungs-, Transport- und Reaktionsprozessen stellt einen neuen Ansatz auf diesem Gebiet der Forschung dar. Das Modell berücksichtigt neben verschiedenen Gebietsgrößen und Netzauflösungen auch instationäre Bedingungen zur Simulation von Tidezyklen. Physikalische Parameter wie Durchlässigkeiten und Porositäten sind frei wählbar, um auch lokale Heterogenitäten berücksichtigen zu können.
Um die Leistungsfähigkeit von DiaTrans auf dem Gebiet der dichtegetriebenen Strömungs-, Transport- und Reaktionssimulation zu gewährleisten, wurde das Modell mit typischen Benchmark-Tests verifiziert. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des Modells werden anhand von praxisrelevanten Fragestellungen aufgezeigt. Zum einen werden die physikalischen Prozesse an submarinen Grundwasseraustrittsstellen im Sahlenburger Watt, Nordsee, untersucht und die Simulationsergebnisse mit Feldmessungen des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) verglichen. Zum anderen wird der Einfluss der Reaktionskinetik auf Methankonzentrationsprofile an submarinen Grundwasseraustrittsstellen in der Ostsee simuliert, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss der Bioturbation und Bioirrigation liegt. Für beide Anwendungsbeispiele konnten gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Naturmessungen erzielt werden. Darüber hinaus können mit DiaTrans qualitative Aussagen über die Vermischungsprozesse von gelösten Substanzen im Interaktionsbereich von Untergrund und freier Wassersäule getroffen werden. Dieser Ansatz wird anhand von Methan, mit expliziter Berücksichtigung der Oxidationsprozesse durch Sauerstoff und Sulfat, erläutert.
Durch seine objektorientierte Struktur kann DiaTrans in der Zukunft um weitere physikalische Prozesse, komplexere Reaktionsprozesse oder um numerische Verfahren in einfacher Weise erweitert werden. DiaTrans genügt hohen Ansprüchen auf dem Gebiet der Simulation von dichtegetriebenen Strömungs-, Transport und Reaktionsprozessen in Sedimenten und porösen Medien sowohl auf kleinen als auch auf größeren räumlichen Skalen.

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Modellgebiet Salzburger Watt
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Submarine Grundwasserquelle
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Strömung, Transport und biochemiische Reaktionsprozesse
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Reaktionsprozesse bei starker und schwacher Grundwasserquelle
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