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s/vadoze zone/Vadose Zone/gi

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Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe für 1981-2010 (mm/a)

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1981-2010) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

Skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell für Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüftet-porösen Medien

Das Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines partikel-basierenden skalenübergreifenden Modells zur Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten Klüften und angrenzender poröser Matrix. Die Beschreibung von Strömung- und Transportprozessen in ungesättigten geklüftet-porösen Medien stellt immer noch große Herausforderungen an die Wissenschaft, ist jedoch in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung wie z.B. im Zusammenhang mit der Quantifizierung der Infiltration durch mächtige ungesättigte Felsmaterialien (Endlagerforschung), mit der Prognose der Grundwasserneubildung durch geklüftete Festgesteine und Aquifervulnerabilität. Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüfteten Grundwasserleitern werden häufig durch ihre heterogene Geometrie und hohen Kontraste in den hydraulischen Eigenschaften dominiert. Strömungen in ungesättigten Klüften sind aufgrund des komplexen Zusammenspiels von Gravitations-, Trägheitseffekten, Kapillarkräften, Oberflächenspannung, Benetzungsdynamiken und der hochvariablen Kluftgeometrie schwer zu prognostizieren. Laborexperimente und numerische Modelle sind häufig eine der wenigen Möglichkeiten die höchst nichtlinearen Strömungsprozesse und den Effekt der Wechselwirkung an komplexen Mehrphasengrenzflächen innerhalb der Klüfte zu erfassen. Insbesondere starke Deformationen der Grenzflächen können mit grid-basierenden Modellen nur unter hohem Aufwand umgesetzt werden. Eine einfachere Methode zur Simulation bieten jedoch partikel-basierte Methoden. Freie Oberflächen und Phasengrenzen bewegen sich hierbei mit den Partikeln, so dass keine komplexen front-tracking Algorithmen notwendig sind.In der Regel sind Kluftsysteme in eine poröse Matrix eingebettet, die in Modellierungsansätzen explizit erfasst werden muss. Die Kluft-Matrix Grenzfläche bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der porösen Matrix, die als Hauptspeicher wirkt, und den Klüften, welche die dominierende hydraulische Verbindung durch die ungesättigte Zone bilden. Um die Verknüpfung dieser beiden Komponenten auf Prozessebene simulieren zu können sind skalenübergreifende Modellansätze notwendig. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll ein skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell entwickelt werden. Die ungesättigte Strömung und der Transport innerhalb der porösen Matrix soll durch klassische Ansätze (Richards) abgebildet und mit den hochdynamischen Strömungs- und Transportprozessen (z.B. adsorbierte Filme, Tropfen, Rinnsäle) auf den Kluftoberflächen gekoppelt werden. Das Modell wird in ein einzigen numerisches Framework eingebunden, so dass Kopplungsmethoden vereinfacht und unterschiedliche Lösungsalgorithmen vermieden werden. Das Modell wird durch numerische Experimente und Laborexperimente validiert und eingesetzt um Effekte komplexer ungesättigter Kluftströmung auf Befeuchtungs- und Transportdynamiken an der Kluft-Matrix-Grenzfläche quantitativ und physikalisch basiert beschreiben zu können.

Charakterisierung und Modellierung von Multi-Kompartment Karst Systemen mittels integrierter Interpretation von Quellsignalen - iKarst

Karstsysteme stellen heterogene hydrologische Systeme mit ausgeprägter Anisotropie dar. Die Charakterisierung solcher Systeme ist extrem aufwendig, da viele Prozesse bisher nur unzureichend verstanden sind. Die Aussagekraft von klassischen Feld- und Geländeuntersuchungen in Karstsysteme kann durch geeignete Modellkonzepte entscheidend erhöht werden. Aufgrund der Komplexität von Karstsystem sind numerische Simulationsmethoden geeignet, um das Strömungs- und Transportverhalten von Wasser und gelösten Stoffen zu beschreiben. Zahlreiche numerische Werkzeuge können die einzelnen Karst-Kompartimente (Oberfläche bzw. Surface Zone, vadose Zone, phreatische Zone) beschreiben, es fehlt jedoch an integrierten hydrologischen Modellen mit physikalisch-basierten Ansätzen, welche die relevanten physikalischen Prozesse sowie deren Zusammenspiel beschreiben können. Unsere Vorarbeiten verdeutlichen, dass die Quellsignale in Karstgebieten von einer Vielzahl von interagierenden Prozessen geprägt werden (Generierung der Eingangssignale, Austausch zwischen Karströhren und Festgesteinsmatrix oder Röhrenspeicherprozesse). Darüber hinaus limitieren mehrdeutige Modelllösungen (z. B. resultierende aus der Modellstruktur, den verwendeten Parametern etc.) die Anwendung von hoch-parametrisierten Modellen für komplexe Karstsysteme. Die Zerlegung des Gesamtsystems in individuelle Kompartimente wird genutzt, um bereits existierende Modelle mit räumlich verteilten Parametern (distributed parameter models) für die prozessbasierte Charakterisierung zu nutzen. Dies ermöglicht ein deutlich verbessertes Prozessverständnis in Hinblick auf Grundwasserströmung und Transport gelöster Stoffe. Vorhandene numerische Werkzeuge werden zu einem integrierten Modellansatz gekoppelt. Dabei wird die Vorwärtsmodellierung von idealisierten Szenarien genutzt, um das systematische Verhalten verschiedener Karsttypen zu untersuchen. Zum Beispiel werden Eingangssignale in das Röhrensystem auf Grundlage von multiplen Quellsignalen (Strömung, Wärme sowie gelöste Stoffe) identifiziert und quantifiziert. Gleichzeitig wird die Relevanz der jeweiligen Prozesse und Parameter mittels Sensitivitätsanalyse untersucht. Maßgebende Modelleigenschaften und -Parameter sowie resultierende Modellunsicherheiten werden anschließend mit Hilfe inverser Methoden (z. B. automatische Parametrisierung) gezielt untersucht und identifiziert. Für reale Einzugsgebiete wird die nötige Modellkomplexität mit geeigneten Kriterien in Abhängigkeit von verfügbaren Informationen und Daten bestimmt. Dabei kann die Modellkomplexität schrittweise bis hin zu hoch-parametrisierten Modellen angepasst werden, um gezielt und unter Berücksichtigung der vorhandenen Rechenkapazitäten Aussagen treffen zu können. Damit können zukünftige Anforderungen in Hinblick auf die Erkundung und Charakterisierung von Karstgebieten identifiziert werden. Ebenso wird das Wassermanagement in Karstsystemen unterstützt.

Sustainable Water Resources Management in the Yanqi Basin, Sinkiang, China

Irrigation in the Yanqi Basin, Sinkiang, China has led to water table rise and soil salination. A model is used to assess management options. These include more irrigation with groundwater, water saving irrigation techniques and others. The model relies on input data from remote sensing.The Yanqi Basin is located in the north-western Chinese province of Xinjiang.This agriculturally highly productive region is heavily irrigated with water drawn from the Kaidu River. The Kaidu River itself is mainly fed by snow and glacier melt from the Tian Mountain surrounding the basin. A very poor drainage system and an overexploitation of surface water have lead to a series of environmental problems: 1. Seepage water under irrigated fields has raised the groundwater table during the last years, causing strongly increased groundwater evaporation. The salt dissolved in the groundwater accumulates at the soil surface as the groundwater evaporates. This soil salinization leads to degradation of vegetation as well as to a loss of arable farmland. 2. The runoff from the Bostan Lake to the downstream Corridor is limited since large amount of water is used for irrigation in the Yanqi Basin. Nowadays, the runoff is maintained by pumping water from the lake to the river. The environmental and ecological system is facing a serious threat.In order to improve the situation in the Yanqi Basin, a jointly funded cooperation has been set up by the Institute of Environmental Engineering, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) , China Institute of Geological and Environmental Monitoring (CIGEM) and Xinjiang Agricultural University. The situation could in principle be improved by using groundwater for irrigation, thus lowering the groundwater table and saving unproductive evaporation. However, this is associated with higher cost as groundwater has to be pumped. The major decision variable to steer the system into a desirable state is thus the ratio of irrigation water pumped from the aquifer and irrigation water drawn from the river. The basis to evaluate the ideal ratio between river and groundwater - applied to irrigation - will be a groundwater model combined with models describing the processes of the unsaturated zone. The project will focus on the following aspects of research: (...)

Hydrogeologische Profiltypen der ungesättigten Zone

Die hydrogeologische Profiltypenkarte der ungesättigten Zone ist in digitaler Form vorhanden. Untersucht wurde die ungesättigte Zone (Sickerwasserpassage) bis zum Hauptgrundwasserleiter. Ein Schema definiert 10 charakteristische Profiltypen, die in ihrer flächenhaften Verbreitung dargestellt sind. Es wird zwischen Grundwasserleiter (Sand, Kies) und Grundwassergeringleiter (Geschiebelehm, Geschiebemergel, Beckenton usw.) unterschieden. Als Grundwasserniveau dienten die niedrigen Wasserstände aus dem Trockenjahr 1996.

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss für 1991-2020 (mm/a)

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss (1991-2020) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Zur Bildung von natürlichem Zwischenabfluss kommt es dort, wo das Sickerwasser vor Erreichen des Grundwasserleiters eine wasserundurchlässige Schicht erreicht, so dass es lateral in der ungesättigten Zone abfließt bis es ein Oberflächengewässer erreicht. Dieser Zwischenabfluss entsteht nur auf Flächen, die nicht künstlich entwässert sind.

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss für 1971-2000 (mm/a)

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss (1971-2000) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Zur Bildung von natürlichem Zwischenabfluss kommt es dort, wo das Sickerwasser vor Erreichen des Grundwasserleiters eine wasserundurchlässige Schicht erreicht, so dass es lateral in der ungesättigten Zone abfließt bis es ein Oberflächengewässer erreicht. Dieser Zwischenabfluss entsteht nur auf Flächen, die nicht künstlich entwässert sind.

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss für 1981-2010 (mm/a)

Mittlerer jährlicher natürlicher Zwischenabfluss (1981-2010) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Zur Bildung von natürlichem Zwischenabfluss kommt es dort, wo das Sickerwasser vor Erreichen des Grundwasserleiters eine wasserundurchlässige Schicht erreicht, so dass es lateral in der ungesättigten Zone abfließt bis es ein Oberflächengewässer erreicht. Dieser Zwischenabfluss entsteht nur auf Flächen, die nicht künstlich entwässert sind.

Jährliche Sickerwasserhöhe für 1961-2021 (mm/a)

Jährliche Sickerwasserhöhe (von 1961 bis 2021) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe für 1991-2020 (mm/a)

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1991-2020) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

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