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unilogo Universität Stuttgart
Institute of Hydraulic Engineering

Research:

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SFB 477 - BAUWERKSÜBERWACHUNG
Teilprojekt B8: Modellierung und Analyse von Mehrphasenprozessen im Deponieuntergrund
Project manager:Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig
Research assistants:Dr.-Ing. Holger Class
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann
Duration:1.7.1998 - 31.12.2000
Funding:externer Link German Research Foundation (DFG)
Project Partners:externer Link Bitte hier klicken !
Comments:externer Link Für weitere Informationen zum SFB 477 bitte hier klicken !
Poster:Poster (JPG) - Poster (PS)
Publications: Link

Abstract:

Die numerische Modellierung gekoppelter Strömungs- und Transportprozessen im porösen sowie stark heterogen porösen Untergrund hat in den letzten Jahren bezüglich der Überwachung und der Beurteilung der Langzeitsicherheit von Deponiebauwerken zunehmend an Bedeutung gewonnen. Zum einen kann die numerische Modellierung als Prognosewerkzeug zur Bewertung und Folgeabschätzung von möglichen Schadensfällen herangezogen werden. Hierbei können sowohl Schadensfälle, die an zu erwartenden Risikostellen auftreten, als auch Leckagen, die mit Hilfe einer kontinuierlichen Deponieüberwachung lokalisiert wurden, fortlaufend in das Modell integriert werden. Zum anderen kann bei einem aufgetretenen Schadensfall durch Rückrechnung (inverse Modellierung) auf mögliche Schwachstellen des Deponiebauwerkes geschlossen werden. Die numerische Modellierung ergänzt des weiteren das Bauwerksmonitoring für Deponien, das zwangsläufig nur an wenigen Punkten kontinuierliche Messungen bereitstellen kann. Damit stellt sie einen wichtigen Baustein zur adaptiven Bauwerksüberwachung dar.

Die Ausbreitung von Schadstoffen im Umfeld einer Deponie verläuft je nach Stoffeigenschaft, Aquifertyp und Schadstoffeintrag unterschiedlich. Aus physikalischer Sicht handelt es sich oft um Fluide, die mit Wasser nicht mischbar oder nur gering löslich sind. Sie liegen somit als getrennte Phasen vor, so daß ihre Ausbreitung, beziehungsweise Verdrängung in porösen Medien durch Mehrphasen-Mehrkomponentenprozesse beschrieben werden muß. Dabei muß dem geologisch möglicherweise sehr komplexen Untergrund, der bereichsweise sehr heterogene Strukturen aufweisen kann, besondere Beachtung geschenkt werden. Der Schwerpunkt des beantragten Forschungsprojektes besteht daher in der Modellierung, Diskretisierung und Analyse von Mehrphasen-Mehrkomponentenströmungs- und transportprozessen im porösen sowie stark heterogen porösen Untergrund.

Bei der Berechnung von Mehrphasenprozessen in solchen Medien treten besonders bei der mathematischen Modellentwicklung Schwierigkeiten durch die starke Nichtlinearität des gekoppelten Differentialgleichungssystems infolge dessen parabolischen / hyperbolischen Charakters auf.

Wie Untersuchungen des Antragstellers gezeigt haben, ist die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Modellierung stark abhängig von der Empfindlichkeit des numerischen Modells bezüglich der Wahl der Primärvariablen und Modellparameter (zum Beispiel Kapillardruck-Sättigungs-Beziehung). Begleitende Sensivitätsanalysen sollen weitere Aufschlüsse geben, wie groß der Einfluß dieser Parameter auf das Mehrphasenverhalten ist.

Die Bewältigung dieser Aufgabe bedarf eines konsistenten physikalisch--mathematischen Modellkonzepts, welches die Mehrphasenprozesse im Untergrund erfaßt, die Weiterentwicklung problemangepaßter Diskretisierungsverfahren (FE- und FV-Methoden) und darauf aufbauend die Bereitstellung von effizienten Lösungsalgorithmen (Multilevelverfahren), sowie die Parallelisierung dieser Ansätze. Eine realitätsnahe Erfassung der Mehrphasen-Mehrkomponentenprozesse, die im Hinblick auf Fehlerverteilung und Rechenzeit- sowie Speicherplatzbedarf möglichst wirtschaftlich sein soll, erfordert zwangsläufig den Einsatz adaptiver Methoden hinsichtlich Gitter-, Modell- und Prozeßsteuerung.

Aufbauend auf den zu entwickelnden Methoden ist als mittelfristiges Forschungsziel die Modellierung des inversen Problems geplant, bei der aus Feldmessungen auf die innere Struktur des betrachteten Untergrunds, d.h. auf die räumliche und zeitliche Verteilung von Parametern und Prozessen rückgeschlossen werden kann. Einige sehr wichtige Handwerkszeuge hierfür, wie z.B. Mehrgitterverfahren, werden bereits bei der direkten Modellierung erarbeitet, es müssen aber dann spezielle Lösungsalgorithmen für nichtlineare Optimierungsprobleme entwickelt werden.