Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität, FB 14, Bauingenieurwesen | |
| dc.contributor.referee | Koch, Manfred (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Holzbecher, Ekkehard (Priv. Doz. Dr.-Ing.) | |
| dc.date.accessioned | 2006-05-22T13:53:03Z | |
| dc.date.available | 2006-05-22T13:53:03Z | |
| dc.date.examination | 2005-11-17 | |
| dc.date.issued | 2005-12-08 | |
| dc.format.extent | 4917740 bytes | |
| dc.format.mimetype | application/pdf | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2988 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2988 | |
| dc.language.iso | ger | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Dispersion | ger |
| dc.subject | Grundwasser | ger |
| dc.subject | Monte-Carlo-Simulation | ger |
| dc.subject | Stochastische Theorie | ger |
| dc.subject | dispersion | eng |
| dc.subject | tank experiments | eng |
| dc.subject | stochastic heterogeneous medium | eng |
| dc.subject | Monte-Carlo-simulation | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Dichteströmung | ger |
| dc.subject.swd | Experiment | ger |
| dc.subject.swd | Poröser Stoff | ger |
| dc.subject.swd | Grundwasserleiter | ger |
| dc.subject.swd | Numerisches Modell | ger |
| dc.title | Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden. | ger |
| dcterms.abstract | It is well-known that the density of a solute can crucially affect the direction and the strength of its movement in groundwater solute transport. A large number of investigations have shown that the permeability heterogeneity of an aquifer can damp out or enhance the effect of the density gradients. In the present thesis the combined effects of the density gradients and the stochastic properties of the porous media permeability heterogeneity on the macrodispersion was studied. This was achieved by coupling experimental with numerical as wells as analytical models. The well-known, perturbation theory based stochastic theory of macrodispersion was tested for the case of transversal dispersion. For this purpose a series of carefully controlled experiments for the hydrodynamically stable case of density dependent flow within a stochastic heterogeneous medium were performed in the model tank (10 m x 1.2 m x 0.1 m) of the University of Kassel. Tank experiments with concentrations differences ranging from 250 ppm to 100000 ppm and inflow velocities ranging from u = 1 and 8 m/d and three different anisotropically packed sand structures of varying variances and correlation lengths, each of them representative of a natural system, were carried out. The flow velocities were varied by adjusting the hydrostatic pressures at the inlet and outlet boundaries of the tank. To analyze the lateral dispersion, the width of the mixing zone was calculated by measuring the difference of the z-locations for the c/co = 0.16 and c/co = 0.84 of the curves of the relative concentration. For calibration and validation purposes, the experiments are accompanied by numerical simulations using the SUTRA density dependent flow and transport model. Based on the calibrated model, a large number of deterministic simulations as well as stochastic Monte-Carlo-Simulations were performed. Additionally, the sensitivity of the lateral macrodispersion to the various transport parameters was calculated and discussed. It turns out that the choice of the pressure Dirichlet boundary conditions at the in- and outflow vertical boundaries has a large impact on the lateral macrodispersion. The results of the experiments, as well as of the simulations show that the boundaries of the concentration plumes are varying in an undulatory way across the horizontal extension of the tank, attributable possibly to nonergodic effects. This is also reflected by the strong differences in the second moments of the concentration distribution along the horizontal tank distance. Nevertheless, an average value for the macrodispersivity can be calculated from a linear regression analysis. Among the results obtained it is notable that the transversal macrodispersivity increases with both the variance and the correlation length of the log-normal permeability distribution and decreases with the flow rate and the density contrast between the two fluids. The theoretical formula proposed by Welty et al. (2003) for the transversal macrodispersivity could be refined and developed further and verified by the experimental as well as the numerical models. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Starke, Bettina |