Entwicklung effizienter Brunnen-Erkundungsmethoden<\/p>\n
Grundwasser ist eine wichtige nat\u00c3\u00bcrliche Ressource.Ein Viertel der gesamten Wasserversorgung in Deutschland stammt aus Grundwasser, und mehr als 70% des hiesigen Trinkwassers wird daraus gewonnen.Grundwasser unterst\u00c3\u00bctzt landwirtschaftliche Aktivit\u00c3\u00a4ten, tr\u00c3\u00a4gt zu industriellen Prozessen bei und fungiert als nat\u00c3\u00bcrlicher Filter, der Schadstoffe reduziert und die Wasserqualit\u00c3\u00a4t verbessert.Diese lebenswichtige Ressource ist jedoch zunehmend durch Verunreinigungen aus diesen landwirtschaftlichen und industriellen Quellen sowie durch anhaltende D\u00c3\u00bcrren bedroht und ist daher von gro\u00c3\u0178em Interesse f\u00c3\u00bcr die Umweltforschung.<\/p>\n
Die Hydrogeologie steht vor zwei wesentlichen Herausforderungen:Erstens liegen nur sp\u00c3\u00a4rliche Messungen zu zentralen Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en wie Porosit\u00c3\u00a4t oder Permeabilit\u00c3\u00a4t vor, die oft sowohl r\u00c3\u00a4umlich als auch zeitlich nur unzureichend aufgel\u00c3\u00b6st sind.Zweitens f\u00c3\u00bchrt die heterogene Verteilung dieser Eigenschaften, aufgrund komplexer geologischer Prozesse, zu einer starken Variabilit\u00c3\u00a4t von lokalen bis hin zu regionalen Skalen.Zusammen erschweren diese Faktoren eine pr\u00c3\u00a4zise Einsch\u00c3\u00a4tzung der unterirdischen Str\u00c3\u00b6mung.Eine M\u00c3\u00b6glichkeit, die Punktmessungen dieser Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en zu erg\u00c3\u00a4nzen, besteht darin, hydrologische Tests durchzuf\u00c3\u00bchren, die das Reaktionsverhalten eines Aquifers unter bestimmten Bedingungen erfassen, wie zum Beispiel Pumpversuche an Grundwasserbrunnen.<\/p>\n
In dieser Arbeit wird ein ganzheitliches Framework zur Analyse von Grundwasserstr\u00c3\u00b6mungen in heterogenen Aquiferen vorgestellt, das fortschrittliche geostatistische Methoden, (halb) analytische L\u00c3\u00b6sungen und numerische Simulationen kombiniert, um die Auswertung von Pumpversuchsdaten zu verbessern.Aufbauend auf klassischen Formulierungen wie den L\u00c3\u00b6sungen von Thiem und Theis f\u00c3\u00bcr Pumpversuche in homogenen por\u00c3\u00b6sen Medien haben wir das “extended Generalized Radial Flow” (eGRF) Modell abgeleitet.Dieses Modell kann auf effektive Transmissivit\u00c3\u00a4tsdarstellungen f\u00c3\u00bcr heterogene Aquifere angewandt werden und erlaubt nicht ganzzahlige Str\u00c3\u00b6mungsdimensionen.Um sein Potenzial zu demonstrieren, wendeten wir das eGRF-Modell auf eine Reihe effektiver Transmissivit\u00c3\u00a4tsformulierungen an, die verschiedene Merkmale von Heterogenit\u00c3\u00a4t beschreiben.Dar\u00c3\u00bcber hinaus haben wir aus dem eGRF-Modell abgeleitete Typkurven zur Sch\u00c3\u00a4tzung von Heterogenit\u00c3\u00a4tsparametern an zwei hydrologischen Feldstandorten verwendet und damit seine praktische Anwendbarkeit best\u00c3\u00a4tigt.<\/p>\n
Die Heterogenit\u00c3\u00a4t des Untergrundes wird von uns dabei durch geostatistische Kenngr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en charakterisiert, die aus der Zweipunktstatistik abgeleitet werden, und zwar durch den Mittelwert, die Varianz und die Korrelationsl\u00c3\u00a4nge der logarithmischen hydraulischen Leitf\u00c3\u00a4higkeit sowie durch einen Formparameter in den Variogrammfunktionen, der die Rauheit der Verteilung beschreibt.Insbesondere nutzten wir eine spezielle Formulierung f\u00c3\u00bcr beschr\u00c3\u00a4nkte Potenzgesetz-Variogramme, um eine integrale Variogrammfunktion als \u00c3\u0153berlagerung einfacherer Modelle einzuf\u00c3\u00bchren, welche die Subskalen-Variabilit\u00c3\u00a4t der Transmissivit\u00c3\u00a4tsverteilung ber\u00c3\u00bccksichtigt.Daraus leiteten wir eine neuartige Formulierung f\u00c3\u00bcr eine effektive Transmissivit\u00c3\u00a4t ab, welche mit dem oben genannten eGRF-Modell verwendet werden kann.Die resultierenden Ergebnisse zeigen, dass die effektive Absenkung in persistenten (d. h. eher glatten) Feldern nur geringf\u00c3\u00bcgig von der Rauigkeit beeinflusst wird, w\u00c3\u00a4hrend in antipersistenten (d. h. eher rauen) Feldern die Druckspiegelreaktion bei zunehmender Rauigkeit rasch in Richtung der klassischen Thiem- und Theis-L\u00c3\u00b6sungen konvergiert.Damit schlie\u00c3\u0178en wir eine lang bestehende L\u00c3\u00bccke in der Literatur zum Einfluss der Rauigkeit der Transmissivit\u00c3\u00a4tsverteilung auf Pumpversuchsdaten.<\/p>\n
Um diese theoretischen Ergebnisse zu validieren und ihre praktische Anwendung zu erm\u00c3\u00b6glichen, haben wir eine modulare Open-Source Software-Suite in Python entwickelt, welche welltestpy f\u00c3\u00bcr die Auswertung von Pumpversuchen, AnaFlow f\u00c3\u00bcr (halb) analytische Grundwasserstr\u00c3\u00b6mungsl\u00c3\u00b6sungen, ogs5py f\u00c3\u00bcr Finite-Element Grundwassersimulationen und GSTools als geostatistische Toolbox zur Generierung von Zufallsfeldern und Variogrammanalysen umfasst.Dieses umf\u00c3\u00a4ngliche virtuelle Labor erm\u00c3\u00b6glicht automatisierte Workflows von der Datenaufbereitung und Parametersch\u00c3\u00a4tzung bis hin zur Ensemblesimulationen und reduziert so die Unsicherheiten bei der Charakterisierung von Aquiferen.Dar\u00c3\u00bcber hinaus stellt es robuste Werkzeuge f\u00c3\u00bcr das Grundwassermanagement bereit.Mit der Durchf\u00c3\u00bchrung von Ensemblesimulationen von Pumpversuchen auf spezifizierten Transmissivit\u00c3\u00a4tsfeldern konnten wir die Richtigkeit des eGRF-Modells, der effektiven integralen Transmissivit\u00c3\u00a4tsfunktion und der implementierten Sch\u00c3\u00a4tzroutinen nachweisen, um die gezogenen Schlussfolgerungen zu untermauern.Dar\u00c3\u00bcber hinaus wurde durch eine umfangreiche Literaturrecherche eine Datenbank f\u00c3\u00bcr geostatistische Parameter zusammengestellt, in der typische Wertebereiche f\u00c3\u00bcr verschiedene geologische Gegebenheiten katalogisiert sind.Diese Parameter, wie z. B. Korrelationsl\u00c3\u00a4ngen, Varianzen und Anisotropieverh\u00c3\u00a4ltnisse, bieten eine solide Referenz f\u00c3\u00bcr die Initialisierung und Kalibrierung hydrogeologischer Modelle.Durch die systematische Aufbereitung dieser Informationen stellt die Dissertation nicht nur die Reproduzierbarkeit sicher, sondern bietet auch eine praktische Ressource sowohl f\u00c3\u00bcr Forschende als auch f\u00c3\u00bcr Menschen in der Praxis, die fundierte geostatistische Erkenntnisse in ihre eigenen Grundwasseruntersuchungen integrieren m\u00c3\u00b6chten.<\/p>\n
Insgesamt schl\u00c3\u00a4gt diese Arbeit eine Br\u00c3\u00bccke zwischen theoretischer Geostatistik und praktischen hydrogeologischen Anwendungen und bietet einen wesentlichen Fortschritt im Verst\u00c3\u00a4ndnis und in der Modellierung der Grundwasserstr\u00c3\u00b6mung in komplexen, heterogenen Medien.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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