Intergration von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen durch partikelbasierte Simulation

Description: Eine integrierte Hydrosystemmodellierung ist aufgrund verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen sowie der Komplexitätsstufen der beteiligten Prozesse herausfordernd. Dennoch erfordern viele hydrologische Fragestellungen eine ganzheitliche Betrachtung durch eine fundierte Prozessbeschreibung mit einer Umsetzung in Modellkonzepte. Zu diesen Fragestellungen zählen beispielsweise Risikoanalysen und Modellierungen von Sturzfluten, die sowohl hydrologische als auch hydrodynamische Prozesse beinhaltet. Das Ziel des Projekts ist die integrierte Berücksichtigung von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen innerhalb eines einzigen Modells. Dieser neuartige Modelltyp basiert auf der numerischen Interpolationsmethodik SPH (smoothed particle hydrodynamics) in Verbindung mit innovativen Skalierungsmethoden. Im Gegensatz zu etablierten Euler basierten Methoden erfolgt die zeitliche Integration über die dynamischen Partikel und nicht über ein starres Gitter. Für hydrodynamische Fragestellungen wird die SPH Methode bereits eingesetzt, eine Einbeziehung von hydrologischen, hydrogeologischen oder bodenphysikalischen Prozessen erfolgte bisher jedoch nicht, obwohl die Methodik aufgrund der numerischen Stabilität und flexiblen Erweiterbarkeit das Potential dazu besitzt. Die Umsetzung der Prozessbeschreibungen erfolgt durch die GPU-CUDA Technik für Nvidia Grafikkarten. Die innovative dynamische Skalierung ermöglicht die Übertragbarkeit von Prozessen der Wasserbewegung auf reale hydrologische Einzugsgebiete. Diese Skalierung basiert auf Ähnlichkeits-Konzepten aus der Bodenphysik. Daten zu den Böden und der Vegetation werden in Eigenschaftsfeldern bereitgestellt, wobei die einzelnen Parameter durch Verteilungsfunktionen beschrieben werden. Die Zuordnung der Parameter zu den Partikeln durch multiple Wahrscheinlichkeiten erfolgt in Analogie zu den Variationen in natürlichen Systemen. Die Dichte und Geschwindigkeit der Partikel werden über die Eigenschaftsfelder beeinflusst, während die Partikeleigenschaften die dynamische Skalierung vorgeben. Meilenstein 1 ist ein voll funktionsfähiges Modellsystem mit einer detaillierten Prozessbeschreibung auf der Plot Skala. Berücksichtigt werden die Interaktionen des Wassers mit der Vegetationszone, der ungesättigten und gesättigten Zone. Meilenstein 2 ist auf den Transfer des Detailmodells auf größere Skalen ausgerichtet (Skalierung). Meilenstein 3 umfasst die erfolgreiche Anwendung des Modells auf der Einzugsgebietsskala samt Validierung anhand umfangreicher Beobachtungsdaten (Hühnerwasser). Nach der Validierung wird das integrierte Modellsystem für Anwendungen mit hohen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessskalen eingesetzt. Das Ziel ist die Bereitstellung einer zuverlässigen und realistischen Grundlage in Bereichen wie Sturzfluten oder Bewässerung, um Schadenpotentiale oder den Bewässerungsbedarf zu beurteilen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Bodenvegetation ? Vegetation ? Vegetationszone ? Sturzflut ? Hydrogeologie ? Monitoringdaten ? Bewässerung ? Bodenphysik ? Einzugsgebiet ? Hydrochemie ? Limnologie ? Risikoanalyse ? Siedlungswasserwirtschaft ? Simulation ? Modellierung ? Hydrogeologisches Modell ? Gefährdungspotenzial ? Hydrologie ? Kenngröße ? Partikel ? Wasserbedarf ? Integrierte Wasser-Ressourcen Bewirtschaftung ? Validierung ? Wasserbewegung ? Wechselwirkung ?

Region: Niedersachsen

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Geldgeber*in)
• Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Leichtweiß-Institut für Wasserbau (Betreiber*in)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)

Time ranges: 2017-01-01 - 2025-06-30

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Integrating hydrological, hydro-geological, soil-physical and hydrodynamic processes by means of particle based simulations
  Description: The integration of hydrological processes into models is challenging due to diverse operation scales, such as spatial and temporal scales as well as the complexity levels of the processes. Nonetheless, several tasks in hydrosystem modelling require holistic approaches with a reliable scientific description and its associated simulation concepts of the interaction of water with continuous or discrete media. This includes for instance risk assessment with regard to flash floods, where at least a coupling of hydrological and hydrodynamic processes is essential. The aim of the project is the holistic and fully integrated consideration of hydrological, hydro-geological, soil physical and hydrodynamic processes within one model. The model will be developed as a new type of hydrosystem simulation tool by using the grid-free numerical interpolation method SPH (smoothed particle hydrodynamics) in connection with smart scaling methods. The main difference to common Eulerian methods is that the integration in time is performed over the particles and not over the grid. Even though the SPH method is recently wide spread in hydrodynamic applications, a coupling with related hydrological or soil hydraulic processes is not yet considered; though the method has the potential to do so due to its numerical stability and general expandability. The implementation will be achieved by using the GPU-CUDA framework for Nvidia graphic cards. The dynamic scaling is considered to be an innovative key to perform the inevitable integration of water movement processes in real-world environments. The scaling will be achieved by following similarity concepts originated from soil-physics. Information of the soil and the vegetation will be stored in property fields, which contain the specific parameters as distribution functions. The assignment of parameters to the particles with multiple probabilities reflects the variety of natural systems. The density and velocity of the particles are controlled by information transferred via property fields. The density and velocity of the particles control the dynamical scaling. Milestone 1 is a fully functioning modelling system with detailed process descriptions at the plot scale, while already considering the holistic picture of the mentioned disciplines such as water interaction with the vegetation, with the unsaturated and saturated soil zone. Milestone 2 focuses on the transfer of the plot scale modelling system to larger scales with the mentioned scaling methods. Milestone 3 is the application of the model at the catchment scale including the test and validation with observed data (chicken creek). After the validation, we use the integrated modelling system for applications with high interactions between different process scales. The aim is to achieve a reliable and realistic basis for decision makers in interdisciplinary fields such as flash floods or irrigation in order to assess damage potential or need for irrigation. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1083800

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/380258232 (Webseite)

Status

Aktiv

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