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Mathematische Modellierung der biogeochemischen Prozesse im Wattenmeersediment

In diesem Vorhaben soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die wichtigsten interagierenden Prozesse nachbildet. Dabei handelt es sich um die konkurrierenden Prozesse der Detritusdegradierung in den verschiedenen Schichten des Sedimentes mit unterschiedlichen Oxidationspotentialen, um die abiotischen und mikrobiologisch ablaufenden Redoxprozesse, um die physikalischen und biologisch induzierten Transportprozesse und um das microbial foodweb . Die Kreisläufe der Elemente C, 0, N, P, Si, S, Fe und Mn sollen mit ihren Massenbilanzen dargestellt werden. Das Modell besteht aus einer Reihe von partiellen Differentialgleichungen (Diffusions-Reaktionsgleichungen) für die Konzentrationen der beteiligten Stoffkomponenten. Dabei werden wir uns auf die vertikale Dimension (bis 30 cm) beschränken. Als Antrieb werden Annahmen über die zeitlich veränderlichen Oberflächenrandbedingungen (Konzentrationen im überstehenden Wasser, Eintrag durch Sedimentation usw.) benutzt. Die Arbeit synthetisiert frühere und gegenwärtig laufende Forschungsaktivitäten zu einem Gesamtbild. Es ist zu erwarten, dass dabei durchaus erhebliche Fortschritte im Verständnis auch der Einzelprozess erreicht werden, weil der Zwang zur konzeptionellen Klarheit in einem mathematischen Modell Wissenslücken und Konsistenzprobleme aufdeckt. Ein wesentliches Nebenprodukt wird die Erarbeitung einer Modellversion herausragend gut verständlicher graphischer Darstellung der Ergebnisse und einfachster Bedienung sein.

Räumliche Verifikation von hoch-aufgelösten Ensemble-Vorhersagen mittels Wavelet-Transformation

Das Ziel von VeriWave ist die Entwicklung eine Methode der räumlichen Verifikation von hoch-aufgelösten Ensemblevorhersagen mit Beobachtungen, die nicht vernachlässigbare Unsicherheiten aufweisen. Die Methode basiert auf Wavelet-Transformation und enthält die Möglichkeit einer differenzierten diagnostischen Information, welche sowohl auf den physikalischen Prozess angepasst, als auch vergleichbar zu objektorientierten Methoden ist, dabei allerdings robust gegen Rauschen bleibt und die Effizienz von skalen-separierenden Methoden ausnutzt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Orthogonalität der verschiedenen Komponenten wie Intensität, Ort, Orientierung und Textur, welche es erlaubt, die hoch-dimensionalen Daten auf wenige charakteristische Zahlen zu reduzieren.Wir haben folgende Zielvorstellungen: (1) Definition eines Konzepts der Wavelet-Transformation, die sowohl and die Daten als auch an den physikalischen Prozess angepasst ist, (2) Entwicklung einer Wavelet basierten Methode der räumlichen Verifikation welche diagnostische Information über Intensität, Ort, Orientierung und Textur enthält, (3) Gewährleistung, dass die Methoden robust gegen Änderungen der Parameter und bei Beobachtungsunsicherheiten sind, (4) Erweiterung der Methode auf Ensemblevorhersagen, und (5) Verbreitung der Methode durch Bereitstellung der Software mit einem Nutzerhand.Die Methode wird an Hand einer Hierarchie von Daten getestet, welche von einfachen geometrischen Fallstudien, über künstlich gestörte Vorhersagen bis hin zu hoch-aufgelösten Ensemblevorhersagen reichen.

Entwicklung von Fuzzy-Set-Theorie-basierten Verfahren für die Anwendung in einem Bodeninformationssystem

Methoden der Fuzzy-Set-Theorie können in unterschiedlichen bodenkundlichen Teildisziplinen den üblicherweise angewendeten Methoden der Klassifikation, Behandlung von Datenunsicherheiten und Modellierung deutlich überlegen sein, da sie bei geringeren Informationsverlusten einen flexibleren Umgang mit Parameterunschärfen erlauben. Derzeit besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung von Verfahren, welche künftig die während der Datenverarbeitung in Bodeninformationssystemen auftretenden Informationsverluste minimieren, die Klassifikationsgüte erhöhen und eine direkte Qualitätsbeurteilung von Karten ermöglichen. In enger Kooperation mit Geologischen Landesämtern ist daher die Erarbeitung entsprechender, auf der Fuzzy-Set-Theorie basierender Verfahren zur automatisierten Bodenklassifikation nach der deutschen Bodenkundlichen Kartieranleitung sowie für die differenzierte Bewertung von Bodenfunktionspotentialen vorgesehen. Um die Ergebnisse hinreichend abzusichern und ihre Interpretationsfähigkeit zu gewährleisten, soll insbesondere die Überprüfung der verwendeten Fuzzy-Parameter und Operatoren im Zentrum der Arbeiten stehen. Unter Nutzung der auch in den Geologischen Landesämtern angewendeten geographischen Informationssysteme zur Durchführung des Vorhabens soll eine mögliche praktische Umsetzung der Ergebnisse im Rahmen von Bodeninformationssystemen untersucht werden.

Stofftransport in geklueftetem Fels und Gebirgscharakterisierung im Stollennahbereich - Mehrphasenstroemungen

Die weiterhin aktuelle Thematik der Deponierung von gefaehrlichen Abfallstoffen erfordert die Moeglichkeit, das von diesen Deponien ausgehende Gefaehrdungspotential abschaetzen zu koennen. Zu diesem Zweck wird seit langem an numerischen Simulationsprogrammen gearbeitet, die helfen sollen, die Wirksamkeit der 'natuerlichen Barriere' einzuschaetzen und ausserdem eine Prognose ueber zukuenftige Zustaende abzugeben. In diesem Zusammenhang stehende Forschungsarbeiten im Felslabor 'Grimsel' durch die Bundesanstalt fuer Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) fuehrten zu dem Wunsch, neben der schon bestehenden Moeglichkeit zur Modellierung von Wasser- und Gasstroemungsprozessen auch mehrphasige Verdraengungsprozesse von Gas-Wasser-Stroemungen numerisch simulieren zu koennen. Das zu diesem Zweck von R. Helmig entwickelte numerische Modell verwendet eine Finite-Elemente-Formulierung mit frei koppelbaren 1D-Roehrenelementen (Fliesskanaele), 2D-Scheibenelementen (Kluefte) und 3D-Kontinuumselementen (Felsmatrix). Die beiden Phasen Luft und Wasser werden als nicht mischbare Fluide behandelt, zwischen denen keine Austauschprozesse stattfinden. Die verschiedenen Elementtypen erlauben es, komplexe Geometrien durch sinnvolle Abstraktion in ein diskretes Modell zu ueberfuehren. Das Fliessverhalten im Modell wird bestimmt durch die gegenseitige Behinderung der fliessenden Phasen (Permeabilitaets-Saettigungs-Beziehung) sowie die angesetzten Kapillarkraefte zwischen den Phasen (Kapillardruck-Saettigungs-Beziehung). Dadurch ist es z.B. moeglich, den Effekt einer Kapillarsperre im numerischen Modell zu erfassen. Die Simulation von Mehrphasenstroemungen und speziell Gas-Wasser-Verdraengungen fuehrt jedoch vielfach auf numerische Schwierigkeiten. Bedingt durch die enormen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der betrachteten Fluide und die starke nichtlineare Kopplung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen ergibt sich ein raeumlich und zeitlich stark variierendes Systemverhalten. Durch die nichtlineare Kopplung ist es zudem noetig, die Loesung fuer jeden Zeitschritt iterativ zu bestimmen. Die speziell fuer diese Probleme neu eingefuehrte Relaxationssteuerung ermoeglicht jetzt fuer viele derartige Probleme die Loesung oder beschleunigt den Loesungsvorgang. Dadurch wurde es moeglich, Systeme zu rechnen, bei denen die Ausbildung scharfer Saettigungsfronten sonst zur Instabilitaet des numerischen Verfahrens fuehrte. Die ebenfalls entwickelte Zeitschrittsteuerung ermoeglicht das gleitende Anpassen an die veraenderten Systembedingungen waehrend des Rechenlaufs, wodurch der zugelassene Diskretisierungsfehler in Zeitrichtung und damit der Rechenaufwand gesteuert werden kann. Die Zeitschrttweitensteuerung verbessert insbesondere bei Problemen mit starker zeitlicher Variabilitaet, wie sie z.B. bei der Gas-Wasser-Verdraengung auftreten, erheblich die Rechengeschwindigkeit.

KI: Abbildung von Flussbettprofilen und lokalen Strömungsverhältnissen durch Künstliche Intelligenz zur Positionsermittlung von Kleinturbinen Clustern, KI: Abbildung von Flussbettprofilen und lokalen Strömungsverhältnissen durch Künstliche Intelligenz zur Positionsermittlung von Kleinturbinen Clustern

Mathematische Erfassung des Abflussvorganges bei der pneumatischen Spuelung von Leitungen

Die pneumatische Spuelung stellt eine Moeglichkeit der Wasserforschung mittels Druckluft in Rohrleitungen dar. Das Wasser wird bei einer Spuelung mit Hilfe der Druckluft mit relativ hoher Geschwindigkeit ganz oder teilweise aus der Leistung gedrueckt. Der Zusammenhang zwischen Luftdruck und Abflussgeschwindigkeit bei einer pneumatischen Spuelung soll allgemeingueltig theoretisch hergeleitet werden und durch Versuche und eventuell an bestehenden Anlagen ueberprueft werden.

Mathematische Behandlungsverfahren fuer Datensaetze von Umweltchemikalien

Es wird gezeigt, welche mathematischen Bearbeitungsverfahren fuer die Ermittlung der Umweltgefaehrlichkeit von Chemikalien geeignet sind. Schlussfolgerungen betreffen auch die Praxis.

Neuberechnung der Anlage IV der Strahlenschutzverordnung

Berechnung der 50-Jahre-Folgeaequivalentdosis fuer Organe und Gewebe, der effektiven Aequivalentdosis und der daraus resultierenden Grenzwerte der Jahresaktivitaetszufuhr fuer beruflich strahlenexponierte Personen. Ueberpruefung der metabolischen Daten, die in der Publikation ICRP 30 vorgeschlagen werden und eventuelle Unterbreitung eines Vorschlages. Vergleichsrechnungen mit alternativen metabolischen Daten. Sensitivitaetsanalyse fuer ausgewaehlte Verbindungen. Untersuchung der Relevanz kritischer Einwaende gegen die Anwendung des ICRP 30 Konzepts. Modellberechnungen der normierten Dosisleistung bei externer Bestrahlung.

Berechnung von Stroemungsfeldern mit der Randintregalmethode

Bilanzierung, Modellierung und Entwicklung nachhaltiger urbaner Wasser- und Abwasser-Systeme - Vergleich und Optimierung der Australischen und Deutschen Forschungsansätze

Die Bevölkerungszunahme in Städten erfordert zukünftig die Entwicklung eines nachhaltigen Managements von städtischen Wasser- und Abwassersystemen. Ein grundlegendes Problem aller Forschungsansätze in Bezug auf nachhaltige urbane Systeme ist das unzulängliche Wissen über die verschiedenen urbanen Kontaminationsquellen. Folglich muss eine Bilanzierung der Stoffflüsse in diesen Systemen und im urbanen Untergrund durchgeführt werden. Ziel der Untersuchungen während des geplanten Forschungsaufenthaltes in Australien ist deshalb die interdisziplinäre Bewertung des Gesamtkomplexes der urbanen Wasser- und Abwassersysteme und deren Auswirkungen auf das urbane Grundwasser in Abhängigkeit unterschiedlicher Randbedingungen. So soll beispielsweise durch Analyse der für ausgewählte Stoffkomponenten relevanten Transport-, Retardations- und Abbauprozesse die raum-zeitlich differenzierte Schadstoffdynamik im urbanen Untergrund erfasst, und die Folgewinkungen auf die abstromig gelegenen Ökosysteme quantitativ bewertet werden. Dies soll im Vergleich zu den in Deutschland laufenden Untersuchungen unter Einbeziehung von prozess-bezogenen, numerischen Modellen geschehen. Mit diesen Untersuchungen in Australien sollen wichtige Beiträge zur geplanten Habilitationsschrift erarbeitet werden. Das Ergebnis dieser Forschungen soll dann ein auf andere urbane Räume übertragbares Expertensystem zur Analyse, Prognose und Entwicklung von nachhaltigen urbanen Wasser- und Abwassersystemen sein.

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