Techniken und Methoden der Hydroinformatik : Modellierung von komplexen Hydrosystemen im Untergrund

Abstract

Aufgrund der rapiden Weiterentwicklung von Technologien in unserer heutigen Gesellschaft werden immer weitreichendere Eingriffe in die Natur vorgenommen. Im Zuge eines erhöhten Umweltbewusstseins ist es hierbei zunehmend wichtiger, die Auswirkungen dieser Eingriffe vorhersagen und beurteilen zu können. Besonders Hydrosysteme, die u.U. eine großräumige Ausdehnung haben und sensibel auf Veränderungen reagieren, spielen hier eine zentrale Rolle.

Durch den Einsatz von modernen hydroinformatischen Techniken und Methoden können zum Beispiel die Veränderungen von Gas- und Wasserströmungen untersucht werden. Aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der zu integrierenden Daten sind leistungsstarke Programme während des gesamten Simulationszyklusses - Präprozess (Zusammenstellen und Vorbereiten der Daten), die eigentliche Simulation und Postprozess (Auswertung und Präsentation der Ergebnisse) - notwendig. Da jedes dieser Programme einen speziellen Bereich abdeckt, ist der Einsatz von mehreren Programmen notwendig und somit ist eine Koppelung dieser Software unumgänglich.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die einzelnen Modellierungsphasen erläutert und die dazugehörigen Programme exemplarisch vorgestellt. Dabei wird besonders auf die Schnittstellen, welche die Koppelung der einzelnen Anwendungsprogramme ermöglichen, eingegangen. Der Simulationszyklus wird anschließend auf das ingenieurpraktische Beispiel der Methanmigration aus stillgelegten Kohlebergwerken angewendet. Zunächst wird der Einsatz eines CAD-Systems zur Erfassung der 3D-Geometrie des Untergrundes gezeigt. Anschließend werden die Geometriedaten mit Hilfe eines Konvertierungsprogramms so aufbreitet, dass die Daten von einem Netzgenerator weiter verarbeitet werden können. Des Weiteren wird in der Präprozessphase der Simulation auf das Verwalten von physikalischen Daten mit Hilfe eines Datenbankmanagementsystems eingegangen. Nach der eigentlichen numerischen Simulation werden die komplexen Daten mit Hilfe eines 3D-Visualisierungsprogrammes im Rahmen des Postprozesses aufbereitet, präsentiert und ausgewertet. Da das hier gewählte Anwendungsbeispiel sehr komplex ist, werden zusätzlich die notwendigen ingenieurmäßigen Vereinfachungen aufgezeigt. Um den vollen Funktionsumfang eines Datenbankmanagementsystems besser darstellen zu können, wird als praktisches Beispiel der Internetauftritt eines Großinstituts vorgestellt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier vorgestellten 'universell' einsetzbaren Programme zur Modellierung von komplexen Hydrosystemen im Untergrund geeignet sind. Jedoch bietet die Verwendung von kommerziellen, hochspezialisierten Einzelprogrammen den großen Vorteil, dass sie einen auf die jeweilige Fragestellung zugeschnittenen Funktionsumfang besitzen und somit eine einfachere Handhabung ermöglichen. Der Nachteil liegt hier jedoch in den deutlich erhöhten Kosten - und die Problematik der Koppelung unterschiedlicher Programme bleibt weiterhin vorhanden.

The rapid advance of technology in our modern society is accompanied by increasingly far-reaching encroachments on nature. Due to an increased environmental awareness, it has become more and more important to predict the impact and to assess the consequences of these encroachments. Especially hydrosystems, which may be extensive and react very sensitively to changes, play a central role in this context.

Modern hydroinformatic techniques and methods can be used, for example to investigate the changes in gas and water flows. Due to the large number and the complexity of the data which have to be incorporated for this kind of system, powerful programs are necessary during the whole simulation cycle - the preprocess (gathering and preparation of data), the actual simulation and the postprocess (analysis and presentation of results). For each of these steps, a specific software is needed so that a coupling of different programs becomes inevitable.

In this study, the individual steps of the modeling process are explained and the associated programs presented on the basis of examples. Particular attention is paid to the interfaces which enable a coupling of the single application programs. The complete simulation cycle is then applied to the practical engineering example of methane migration from abandoned coal mines.

First, a CAD system used to construct the 3D geometry of the subsurface system is presented. Subsequently, a conversion program is used to prepare the geometry data in such a way that they can be processed by a mesh generator. As a further step in the preprocess phase, the management of physical data with the help of a database management system is explained. After the numerical simulation, the complex data are prepared, analyzed and presented with the help of a 3D visualization program in the context of the postprocess. As the application problem chosen in this study is very complex, the necessary engineering simplifications are shown additionally. In order to explain the full capability of a database management system better, the internet presence of a large institute is presented as a practical example.

In summary, it can be said that the 'universal' programs presented here are capable of and suitable for modeling complex hydrosystem in the subsurface. However, using commercial and highly specialized single programs has the great advantage that they possess a functionality especially custom-made to the respective problem at hand and therefore offer a simpler handling. The disadvantage lies in the higher costs - and the problem of coupling different programs still prevails.