Freiburger Schriften zur Hydrologie
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Band/volume 12: HAUNS M. (2000):
Modelling tracer and particle transport under turbulent flow conditions
in karst conduit structures
Der Schutz der Grundwasservorkommen in Karstgebieten ist ein wichtiges
Thema in vielen Regionen der Schweiz und in anderen Ländern. Karstaquifere
haben Grundwasserfluss einerseits in der wenig durchlässigen Gesteinsmatrix,
andererseits in hochdurchlässigen Klüften und Höhlen. Der
Abfluss in diesem hochdurchlässigen Leitungsnetz beeinflusst sowohl
die Durchgangskurven von Experimenten mit löslichen Tracern als auch
das Sedimentationsverhalten suspendierter Partikel.
Kleinskalige Tracerversuche in Höhlenflüssen zeigen ein merkliches
Tailing im abfallenden Ast der Durchgangskurve. Dies führt zu der
Feststellung, dass ein lineares Darcy-Modell nicht geeignet ist zur Beschreibung
der Fließprozesse in einem Karstkluftnetzwerk. In der vorliegenden
Arbeit werden diese Fließprozesse mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen,
des k-E Turbulenzmodells und der Methode der finiten Volumen beschrieben.
Um diesen Ansatz anwenden zu können, wird ein detailliertes konzeptionelles
Modell für Karstkluftnetzwerke benötigt. Zu diesem Zweck wurde
die Höhle von Milandre (Ajoie, Schweiz) näher untersucht. Die
Gerinneform von Höhlenflüssen ist charakterisiert durch einen
Wechsel von schießendem und strömendem Abfluss (drop-pool oder
riffle-pool sequence). Die auftretenden Gerinnegeometrien können
durch einige Grundtypen (exampletypes) beschrieben werden. Für die
physikalischen Prozesse, die hier untersucht werden, sind Geometrien mit
hohem Anteil an stehendem Wasser am interessantesten.
Die Strömung in den Gerinneform-Grundtypen wird mittels eines numerischen
Strömungsmodells (CFD-Modell) berechnet. Die Länge der berechneten
Geometrien liegt im Meter- bis Dekameterbereich. Das Strömungsmodell
ist dreidimensional. Freie Oberflächen und schießender Abfluss
können mittels eines Zweiphasenansatzes für Wasser und Luft
berechnet werden. Bei ebener Wasseroberfläche mit apriori bekannter
Position, wie sie bei strömendem Abfluss und Geometriegröße
im Meterbereich vorliegt, wird die "rigid-lid"-Näherung
angewandt. Dies erlaubt die Berechnung des Tracerdurchgangs auf einem
zeitlich konstanten Geschwindigkeitsfeld und somit eine große Ersparnis
an Rechenaufwand. Mit der erreichten räumlichen Diskretisierung werden
Kehrströmungen verschiedener Größe aufgelöst, nicht
jedoch die Wirbelstraße zwischen Kehrwasser und Hauptströmung.
Die Visualisierungsplattform ZoomIn, die am Institut für Informatik
der Universität Neuchatel entwickelt wurde, erlaubt die graphische
Darstellung komplexer Strömungsmuster.
Eine neue Methode zur Anpassung und Interpretation der Tracerdurchgangskurven
wurde entwickelt. Diese Methode geht von einer analytischen Lösung
der Transportgleichung aus und erlaubt die Quantifizierung des Tailings.
Um Tracerversuche im Gerinne unter Laborbedingungen durchführen zu
können, wurde ein Labormodell (durchströmtes Bassin) gebaut.
Die durchgeführten Versuche bestätigen die Hypothese, dass das
beobachtete Tailing durch Kehrströmungen hervorgerufen wird. Der
Vergleich des Labormodells mit dem numerischen Strömungsmodell zeigt
einige Unterschiede bei der Form der Tracerwolke, die vermutlich auf die
beschränkte Auflösung des Turbulenzmodells zurückzuführen
sind.
Mit Hilfe von Transferfunktionen können die Ergebnisse des numerischen
Modells zu mesoskaligen Szenarios extrapoliert werden.
Die Sedimentation suspendierter Partikel wird mittels der Scherkräfte
am Grund berechnet. Die Sedimentationsraten in einem Becken hängen
von der räumlichen Verteilung der Scherkräfte ab, welche im
numerischen Strömungsmodell berechnet sind.
Der Vergleich zwischen numerischer Modellierung und Experiment zeigt sowohl
für den Tracertransport als auch für die Sedimentation suspendierter
Partikel ermutigende Ergebnisse.
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