Weiterentwicklung und Validierung des modularen Simulationswerkzeugs ModSimple für hydrogeologische und geothermische Fragestellungen zum Schutz des Grundwassers
Projektdurchführung
hydrocomputing GmbH & Co. KG
Zur Schule 20
04158 Leipzig
Zielsetzung
Dieses Vorhaben führt die Arbeiten der Phase 1 des Projektes "Entwicklung und Validierung eines modularen Simulationswerkzeuges für hydrogeologische und geothermische Fragestellungen mit einer interaktiven Schnittstelle zur direkten Implementierung dynamischer und rückkoppelnder Randbedingungen {ModSimple}" weiter. Das Simulationswerkzeug soll für geothermische Anwendungen weiterentwickelt, validiert und auf einen Standort angewendet werden.
Arbeitsschritte
Die Arbeiten erfolgten in fünf Arbeitspaketen (AP). AP 1.1 umfasste die Entwicklung eines Simulationswerkzeuges zur numerischen Simulation von Stoff- und Wärmetransport. Der Projektpartner (PP) hydrocomputing erweiterte das ueflow-Modul pymf6 aus Phase 1 durch Integration des Groundwater Energy (GWE) Model von MODFLOW 6 (MF6) weiter. Der Austausch mit MF6 wurde von der Nutzung des Memory-Managers auf das Basic Model Interface (BMI) umgestellt. In AP 1.2 erfolgte die Validierung der Implementierung anhand synthetischer Testszenarien. Der PP hydrocomputing entwickelte einen automatisierten Test-Workflow für die vom United States Geological Survey (USGS) bereitgestellten 155 Test-Modelle. AP 2.1 beinhaltete die Kopplung von analytischen Randbedingungen mit den numerischen Strömungs- sowie Stoff- und Wärmetransportmodulen. Der PP TU Bergakademie Freiberg (TUBAF) setzte eine analytische Lösung für den Wärmeübergang aus der Atmosphäre um. Der PP hydrocomputing entwickelte eine Kopplung mit einem Modell der Analytic Element Method (AEM). Ein praxisnaher Anwendungsfall zur Evaluierung der Anwendung des Werkzeuges auf das geothermische Modell Kleinbasel war Gegenstand des AP 2.2. Der PP TUBAF exportierte die Daten des FEFLOW-Modells von Kleinbasel in geeignete Formate. Der PP hydrocomputing entwickelte ein Konvertierungswerkzeug zur Umwandlung dieser Daten in Eingabedaten für MF6 und fügte dem Modell eine pymf6-basierte thermische Cauchy-Randbedingung hinzu. In AP 3 entstanden eine Programmdokumentation und ein Schulungskonzept. Beide Projektpartner entwickelten dafür geeignete Beispielanwendungen von pymf6.
Ergebnisse
Das Ergebnis der Phase 2 ist das entscheidend verbesserte Werkzeug pymf6 aus Phase 1 dieses Projektes. Das technische Konzept integriert jetzt die in der Zwischenzeit neu entstandenen Bibliotheken, wie das BMI-basierte Python-Modul modflowapi. Dies vereinfacht die Nutzbarkeit von pymf6 durch eine höhere Abstraktionsebene bei der Interaktion enorm. Die Kopplung mit analytischen Lösungen und die Anwendung auf das komplexe Modell Kleinbasel zeigen das breite Anwendungsspektrum von pymf6. Die Entwicklungsstrategie wurde im Projekt mehrfach an neue technische Entwicklungen angepasst. Der Fokus hat sich dabei von der technischen Integration über Programmiersprachengrenzen hinweg zur Praktikabilität des Werkzeuges für die Nutzung durch Hydrologen und Ingenieure verschoben. Die weitere Entwicklung wird durch das Einarbeiten des Feedbacks der sich ausweitenden Nutzergemeinde wahrscheinlich weiter in diese Richtung gehen. Die geplanten Schulungen spielen hierbei eine zentrale Rolle, um direktes Feedback zu erhalten.
Öffentlichkeitsarbeit
Projektpartner präsentierten Zwischenergebnisse mit Vorträgen und Posterbeiträgen auf den ASIM-Workshops 2023 und 2024, der FH-DGGV-Konferenz 2024, der Konferenz MODFLOW and More 2024 sowie der EuroSciPy 2023. Dabei kam es zu einem Gedankenaustausch zu unterschiedlichsten Aspekten der Simulation- und Softwaretechnik. Insbesondere der persönliche Austausch mit den Kernentwicklern von MODFLOW 6 und modflowapi auf der MODFLOW and More erbrachte viele neue Ansatzpunkte für die Strategie der Entwicklung von pymf6. Erste Ergebnisse wurden in einer Publikation veröffentlicht (Müller et al, 2023). Weitere Publikationen sind in Vorbereitung.
Fazit
Das Projekt konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Die grundsätzliche Herangehensweise hat sich bewährt. Die Arbeiten in Phase 2 konnten auf denen der Phase 1 aufbauen. Gleichzeitig konnten grundlegend neue Konzepte aufgenommen und erfolgreich umgesetzt werden. Als nächste Schritte stehen die Bekanntmachung des Projektes und der Praxis-Einsatz des Werkzeugs an.