iKarst: Charakterisierung und Modellierung von Multi-Kompartment Karst Systemen mittels integrierter Interpretation von Quellsignalen
Gefördert durch
DFG Sachbeihilfe
Laufzeit
2019 - 2024
Beschreibung
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.
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Dr.-Ing. Thomas Reimann
Seniorwissenschaftler / Arbeitsgruppenleiter Modellierung
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