02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Climate sensitivity of a large lake(2013) Eder, Maria Magdalena; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Lakes are complex ecosystems that are on the one hand more or less enclosed by defined borders, but are on the other hand connected to their environment, especially to their catchment and the atmosphere. This study is examinig the climate sensitivity of large lakes using Lake Constance as an example. The lake is situated in Central Europe at the northern edge of the Alps, at the boundary of Austria, Germany and Switzerland. The maximum depth is 235 m, the total surface area is 535 km³ and the total volume 48.45 km². The numerical simulations in this study have been performed with the lake model system ELCOM-CAEDYM. The model system was validated using three different data sets: Observations of a turbid underflow after a flood flow in the main tributary, a lake-wide field campaign of temperature and phytoplankton, and long term monitoring data of temperature and oxygen in the hypolimion. The model system proved to be able to reproduce the effects of a flood flow in the largest tributary,. A huge turbid underflow was observed flowing into the main basin after an intense rain event in the Alps in August 2005. A numerical experiment showed the influence of the earth’s rotation on the flow path of the riverine water within the lake. The model also reproduced the temperature evolution and distribution and to some extent the phytoplankton patchiness measured in spring 2007 during an intensive field campaign. The model reproduced the measured time series of temperature and oxygen in the deep hypolimnion measured in the years 1980-2000. This indicates, that the vertical mixing and the lake’s cycle of mixing and stratification was reproduced correctly. Based on the model set-up validated with long term monitoring data, climate scenario simulations were run. The main focus was on temperature and oxygen concentrations in the hypolimnion, the cycle of stratification and mixing, and the heat budget of the lake. The meteorological boundary conditions for the climate scenario simulations were generated using a weather generator instead of downscaling climate projections from Global Climate Models. This approach gives the possibility to change different characteristics of the climate independently. The resulting lake model simulations are ”what-if”-scenarios rather than predictions, helping to obtain a deeper understanding of the processes in the lake. The main results can be summarized as follows: An increase in air temperature leads to an increase in water temperature, especially in the upper layers. The deep water temperature increases as well, but not to the same extent as the temperature of the epilimnion. This results in an increased vertical temperature difference. Due to the non-linear shape of the temperature-density curve, the difference in density grows even stronger than the temperature difference. This results in enhanced stratification stability, and consequently in less mixing. Complete mixing of the lake becomes more seldom in a warmer climate, but even in the scenario simulations with air temperature increased by 5 °C, full circulation took place every 3-4 years. Less complete mixing events lead to less oxygen in the hypolimnion. Additionally, as many biogeochemical processes are temperature dependant, the oxygen consumption rate is larger in warmer water. In the context of this study, climate variability is defined as episodes with daily average air temperatures deviating from the long-term average for this day of year. The episodes can be described by their duration in days and their amplitude in °C. Changes in climate variability can have very different effects, depending on the average air and water temperatures. The effects are stronger in lakes with higher water temperatures: For the hypolimnetic conditions, the seasonality in warming is important: Increasing winter air temperatures have a much stronger effect on the water temperatures in the lake than increasing summer temperatures. The combined effects of a warmer climate and higher nutrient concentrations enhances oxygen depletion in the hypolimnion. Finally, it is discussed, to what extent the results of this study are transferrable to other lakes. The reactions of Lake Constance to climate change are determined by the physical, geographical and ecological characteristics of the lake. Hydrodynamic reactions are defined by the mixing type, water temperatures and the residence time of the water in the lake. Furthermore it is important that the lake is almost never completely ice-covered, and that there are only minor salinity differences. The reactions of the ecosystem are determined also by the oligotrophic state of the lake. Results of this study thus can be transferred to other deep, monomictic, oligotrophic fresh water lakes, as for example the other large perialpine lakes of glacial origin.Item Open Access Statistical downscaling of extremes of precipitation in mesoscale catchments from different RCMs and their effects on local hydrology(2011) Alam, Muhammad Mahboob; Bardossy, Andras (Prof. Dr. rer. nat. Dr. -Ing.)Global climate models are the only available comprehensive tools for studying the affects of climate change on our earth in terms of changes in different meteorological and hydrological variables in future. Precipitation and temperature are two of the most important meteorological variables with regards to their affects on other meteorological (e.g. humidity, evaporation etc.) and hydrological (e.g. river runoff) variables and on human life (e.g. food fibre production, economy etc.). Among other important local and large scale phenomenon that affects the occurrence and amount of precipitation (and severity of temperature), geographical and topographical conditions perhaps play most important role in the behaviour of these variables in certain area. This makes the two variables more or less local phenomenons that need to be specifically studied for each area of interest individually. Unfortunately the scale at which global climate models (GCMs) operate is too large for any meaningful study to be performed related to future patterns of these two variables on local scale. Different methodologies have thus been developed to downscale (i.e. to increase the resolution of) GCM data to the local scale. The two broad categories of downscaling methodologies are statistical and dynamical downscaling. In statistical downscaling methodology, an attempt is made to develop a relationship between large scale GCM modelled variable (called predictor) and local scale observed/measured variable (called predictant). Assuming that in future this relationship will hold, the relationship is used to predict local scale predictand for future simulated scenarios of predictor. In dynamical downscaling (the so called regional climate models (RCMs)) on the other hand, an attempt is made to embed a complete physical model of more or less the same complexity as GCM, in a GCM and upon receiving values from GCM at its boundaries, recalculate all possible physical formulations at a much finer scale. The local conditions are thus taken in to account and the results are believed to be more suitable for local scale studies. Both downscaling methodologies have been extensively applied in climate change and impact studies around the world with varying degree of success and new techniques are consistently being developed to improve upon them. Both methodologies have associated advantages and disadvantages. While statistical downscaling is computationally much cheaper than RCMs, statistical downscaling is based on basic assumption of stationarity which is sometimes hard to justify. RCMs on the other hand although attempt to solve physical equations at local scale, does also inherit bias from the parent GCM. This thesis presents statistical downscaling methodology which attempts to correct for the biases that are inherited by different RCMs. Three different RCMs are considered for German part of Rhine basin and using bias correction methodology based on correction of quantiles of precipitation (and temperature for some studies), new scenarios of precipitation are developed. Further, a distributed version of conceptual hydrological model HBV is calibrated and validated for German part of Rhine basin and raw and downscaled RCM scenarios of precipitation are fed into the model to ascertain the future hydrological regime in face of climate change for this important river. The downscaling procedure briefly discussed above was applied in two ways. In the first case the statistical downscaling methodology was performed on RCM data without considering any constraint during quantile-quantile exchange between RCM control and scenario runs. In the second case, the quantile-quantile exchange was conditioned on occurrence of certain circulation pattern. It was briefly discussed above how precipitation (occurrence and amount) is conditioned by certain phenomenon. In addition to geographical and topographical location, precipitation also depends upon large scale circulation patterns. Thus it was assumed that conditioning the downscaling methodology also on circulation patterns would bring about better results. To realize above concept, classification of circulation patterns is performed. Fuzzy rule based classification methodology is used to classify circulation patterns. Two new methodologies of classification of circulation patterns are presented in this thesis. One is based on low flow conditions in rivers in the study area and the other is based on clustering of precipitation stations. The new classification methodology is believed to provide better classification of circulation patterns in that the difference between the individual classes is enhanced and similarity among the same class intensified. A classification analysis measure called wetness index was developed and used to identify critical circulation patterns among the classified circulation patterns. Critical circulation patterns were identified for extreme wet and dry conditions and it was shown that all extreme cases of floods and droughts are caused by identified critical CPs. This thesis also presents and applies another statistical downscaling methodology based on multivariate autoregressive model of order 1 (one). The methodology makes use of the classification of circulation patterns described above. The parameters of the autoregressive model depend upon the circulation patterns. The methodology is used for number of head catchments in southern and eastern Germany. Head catchments by definition have very quick response time to any significant precipitation event. They contribute quickly to the surface runoff and if they are head catchments of larger rivers, may also result in bigger flood events. Downscaling of precipitation was performed for these catchments by using mean sea level pressure (MSLP) as predictor and local station precipitation as predictant. The model was developed such that ensemble of daily precipitation could be produced. Thereby enabling one to estimate associated uncertainty. Finally drought analysis are performed for German part of Rhine basin using Palmer drought severity index. A FORTRAN routine is developed which can calculate different kind of drought indices such as Palmer drought severity index, Palmer hydrological drought index, and monthly moisture anomaly index for certain catchment. The program developed is also capable of simultaneously mapping the results. The mapping of results makes it possible to ascertain the severity of drought over the larger area. The analysis of drought is performed for observational gridded data set and for control and A1B scenarios of three different RCMs.Item Open Access Large-scale high head pico hydropower potential assessment(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Schröder, Hans Christoph; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Due to a lack of site-related information, Pico hydropower (PHP) has hardly been a projectable resource so far. This is particularly true for large area PHP potential information that could open a perspective to increase the size of development projects by aggregating individual PHP installations. The present work is extending the capabilities of GIS based hydropower potential assessment into the PHP domain through a GIS based PHP potential assessment procedure that facilitates the discrimination of areas without high head PHP potential against areas with PHP potential and against areas with so called “favorable PHP potential”. The basic unit of the spatial output is determined by the underlying PHP potential definition of this work: a standardized PHP installation and the required hydraulic source, together called standard unit, are located on an area of one square kilometer. The gradation of the output is a consequence of the verification techniques. Several large area PHP potential field assessment methods, based on contemplative analysis techniques, are developed in this work. Field assessments were conducted in Yunnan Province/China, Costa Rica, Ecuador and Sri Lanka. The aim for all field assessments is to get a comprehensive view on the PHP potential distribution of the entire country/province. Application of the GIS based PHP potential assessment procedure is aimed at the global tropical and subtropical regions.Item Open Access Seismographen(1996) Wielandt, ErhardIm Heubachtal bei Schiltach im Schwarzwald, in einem alten Silberbergwerk 150 Meter unter Tage, stehen einige der empfindlichsten Seismographen Deutschlands. Wer allerdings meint, er könne dort feinmechanische Wunderwerke mit Dutzenden von Hebeln, Zahnrädern, Walzen und Federn besichtigen, wird enttäuscht. Erstens nämlich gibt es keine Besichtigungen - selbst die vier vor Ort arbeitenden Wissenschaftler und Techniker betreten die Seismometerkammer nur dann, wenn es unbedingt nötig ist, und das ist glücklicherweise selten. Zweitens würde der Besucher, selbst wenn er die Kammer betreten darf, nichts sehen als einige Styroporkisten und silbern glänzende Isolierfolien, die die Geräte vor den im Bergwerk ohnehin minimalen Temperaturschwankungen schützen. Drittens schließlich - nehmen wir an, ein Seismograph würde gerade neu aufgestellt und wäre daher unverhüllt zu sehen - stände dort auf einem kleinen Zementsockel lediglich ein geschlossener Metallzylinder, etwa so groß wie eine kleine Propangasflasche. In seinem Inneren, noch durch mehrfache weitere Abschirmungen geschützt, verbirgt sich der eigentliche Sensor: ein in einer Richtung frei beweglicher Messingklotz von einigen hundert Gramm Gewicht, die sogenannte seismische Masse. Ihre einzige Aufgabe ist es, ruhig zu bleiben, wenn um sie herum die Erde zittert. Ihre Lage wird elektronisch gemessen, auch hierfür braucht es keine Mechanik. Ganz ohne Feinmechanik kommt aber auch ein moderner Seismograph nicht aus: es ist gar nicht so einfach, eine Masse 'frei beweglich' im Schwerefeld der Erde aufzuhängen!Item Open Access Fluid-phase transitions in a multiphasic model of CO2 sequestration into deep aquifers : a fully coupled analysis of transport phenomena and solid deformation(Stuttgart : Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik, Universität Stuttgart, 2017) Häberle, Kai; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Item Open Access Formulation of a dynamic material point method (MPM) for geomechanical problems(2013) Kafaji, Issam K. J. al-; Vermeer, Pieter (Prof. Dr.-Ing.)In geomechanics one often encounters large deformations, soil-structure interaction and dynamical problems, e.g., in pile driving and installation of anchors. Moreover, geomechanical phenomena that include excessive movement of soil masses like landslides can pose a danger to human life and property. The numerical simulation of the physics is challenging, particularly if a saturated soil is subjected to dynamic loading, leading to propagation of different waves in the soil. Because of the reliance of Lagrangian finite element methods (FEM) on a mesh, they are not well suited for the treatment of extremely large deformations of solids. The need for overcoming this limitation urged researchers throughout the last decades to devote considerable effort to the development of more advanced computational techniques. Such techniques include the combination of Lagrangian and Eulerian finite element methods, meshless methods and mesh-based particle methods. The intent of this thesis is to further develop and extend the material point method (MPM), which is a mesh-based particle method, for use in geomechanics. MPM can be conceived as an extension of FEM, in which soil and structural bodies are represented by Lagrangian particles that move through an Eulerian fixed mesh. The physical properties of the continuum reside with particles throughout the computations (deformations), whereas the Eulerian mesh and its Gauss points carry no permanent information. Hence, MPM combines the best aspects of both Lagrangian and Eulerian formulations and avoids as much as possible the shortcomings of them. Three novel MPM development are described in this thesis. In the analysis of geomechanical problems that involve dynamics, absorbing boundaries are introduced to prevent the reflection ofwaves at the selected boundary of the domain. The well-known viscous boundaries, which will continuously creep under load, are modified to viscoelastic boundaries by introducing Kelvin-Voigt elements to limit such non-physical displacements. The novel extension of MPM to model the behavior of saturated soils under dynamic loading is formulated. Enhancement of volumetric strains is adopted to mitigate the spurious pressure oscillations which plague low-order finite element implementations. The algorithm is applied to predict the generation and dissipation of pore pressures in a sea dike under heavy dynamic loading by wave attack. Numerical simulation of pile driving is investigated. Results of shallow and deep penetration are presented. Due to the complex behavior of sand in pile driving, a highly non-linear advanced hypoplastic model is to be used for sand. Explicit Euler forward scheme with sub-stepping technique is used in the integration of this model. MPM is applied to analyze different geomechanical problems, including the collapse of a tunnel face, the instability of a slope and the deep installation of a dynamic anchor. The dynamic MPM can be applied to quasi-static problems. To this end, a local damping procedure for single and two-phase materials is discussed, being applied to reach fast convergence to quasi-static equilibrium. Such convergence is detected by two proposed criteria on force and energy. Mass scaling is presented as a procedure that allows the use of large time step size for problems, in which inertia effect can be disregarded.Item Open Access Investigation of changes in hydro-meteorological time series using a depth-based approach(2015) Yulizar; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)The climate is a complex interactive system between the atmosphere, the land surface, the oceans and others. A change in climate is not an issue of one or two days, but it takes place over a long period of time. Hydrology is one of the fields that is affected due to climate change. It describes the process of the movement of water on Earth, also known as the water cycle system. In this field, temperature and precipitation are the two main parameters that need to be analyzed in order to know about the water cycle system's behavior. Temperature increases throughout the globe and changes in precipitation distribution are two examples where change has already occurred on Earth. These phenomena that occur on Earth give us information about changes in the meteorological variables which have no boundaries and which affect the process of the water cycle system. This means that changes in the hydro-meteorological series might not only affect the means, variances, and extremes at individual locations, but they might also have an affect on the spatial and temporal dynamics. These changes in the multivariate scale would lead to the occurrence of unusual events. An example of an unusual event could be, one area being very warm but at the same time another area being very cold. Situations that have never occurred before might appear and others might disappear. Within the framework of this research, the frequencies and magnitudes of unusual events on temporal and spatial scales are investigated. Here a statistical tool that is called a depth function is used. It is based on the outlyingness function. Many types of depth function have been developed nowadays, and in this study the half-space depth function is used due to its robustness for defining the occurrence of unusual events. The general idea of a depth function is to measure the centrality of a point with respect to a dataset. Here, points that have a low depth that are located on, near, and outside a boundary are classified as unusual events. In another word, unusual events are defined based on their geometrical position in a multivariate set of observations using outlyingness function. Under this definition, all extremes are unusual events, but other combinations might also be considered as unusual. In this study, a low depth value with a threshold of 5 is used for the analysis. The main methodology is based on a cross depth calculation. It enables the identification of newly appearing and disappearing situations. Three possibilities might be obtained from the analysis; growing, shrinking, and translation. The daily data from temperature and precipitation series across Europe and the United States are used in this study to illustrate the methodology. In addition, the daily discharge series from the River Rhine and the River Neckar in Germany are also used to define the occurrence of unusual events. The investigation was carried out based on spatial and temporal scales that consist of discrete and over-time analysis, respectively. In the discrete approach, two equally long periods were analyzed with a cross depth calculation, so that we will define on how many days there are appearances and disappearances. In another way, the over-time approach or moving windows analysis with different aggregation levels was used so that we can observe the oscillation of unusual events. From the analysis, it shows any individual events may not be considered as an extreme at one time or one location, but due to their joint or simultaneous occurrence, it might lead to extreme events on a multivariate scale. These events, furthermore are called as unusual events. The results show that all the hydro-meteorological events show an oscillation in the occurrence unusual events. This means that unusual events not only occur at one time, but they change dynamically at different time periods on the spatial and temporal scales. In the temperature series, we can clearly observe that unusual events change dynamically from time to time. A similar situation also can be found in the precipitation series, where the unusual events show an oscillation in their occurrence. In the precipitation analysis, zero values are taken into consideration during the investigation. The discharge series also shows a similar condition with temperature and precipitation, where they have an oscillation in the occurrence of unusual events. With regard to magnitude, the number of unusual days for temperature is higher than for precipitation. This result leads to a situation, for instance, where droughts occur for a longer time than floods, that take place on a short time scale. Another result also shows that the occurrence of unusual precipitation does not showing a coherent situation with regard to the occurrence of unusual discharge events. This situation might be influenced by a time lag in the rainfall going between the surface into the river, catchment characteristics, river training, and others.Item Open Access Geodätische und fernerkundliche Beiträge zum Verständnis rutschungsinduzierter Seismizität an tonreichen Lockergesteinsrutschungen(2018) Rothmund, Sabrina; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)Die Verfeinerung von passiven seismologischen Methoden ermöglicht seit 1995 die Erfassung von rutschungsinduzierter Seismizität an den kriechenden bis langsam bewegenden (nach Cruden und Varnes, 1996) tonreichen Lockergesteinsrutschungen Slumgullion (USA), Heumöser Hang (Österreich), Super-Sauze (Frankreich), Valoria (Italien) und Pechgraben (Österreich). Dabei konnten verschiedene Signaltypen beobachtet werden: (1) Slidequakes, bei denen es sich um kurzzeitige (< 2 s) impulshafte Bruchprozesse mit abgeschätzter Lokalmagnitude bis ML -3 mit Bruchlängen im Meterbereich handelt, (2) Tremore, meist deutlich schwächere Mehrfachereignisse die den ETS-(episodic slip and tremor) Signalen und den vulkanischen Tremoren ähneln sowie (3) Impaktsequenzen, generiert durch Steinschlag und Felssturz, die an Abrisskanten oder Steilhängen auftreten. Aufgrund des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR = signal-to-noise-ratio) lassen sich weder die genaue Epizentren bzw. Hypozentren noch Momententensoren bestimmen und es ist folglich nicht möglich allein auf Basis seismischer Daten den Herdmechanismus für die rutschungsinduzierten Signale zu identifizieren. Für die Super-Sauze Hangrutschung konnte gezeigt werden, dass sich die oberflächennahe Untergrunddynamik in Form von jährlich wiederkehrenden ortsfesten spannungsorientierten Rissstrukturen an die Oberfläche durchpaust. Deshalb wird der Grundgedanke einer multidisziplinären Analyse und synoptischen Interpretation verfolgt, wobei die abgeleiteten Informationen aus den geodätischen und fernerkundlichen Beobachtungen eine wesentliche neue Informationsquelle darstellen. Für die Untersuchung des Auftretens rutschungsinduzierter Signale (Slidequakes und Tremore) sowie der Zusammenhänge zwischen diesen und den hangspezifischen Parametern Bewegung, Durchfeuchtung, Wasserinfiltration, Rissöffnung und -schließung sowie Niederschlag wurde ein achtwöchiges multidisziplinäres Feldexperiment an der Super-Sauze Hangrutschung zwischen Ende Mai und Juli 2010 durchgeführt. Die eingesetzten Untersuchungsmethoden umfassten neben Nanoseismic Monitoring, Geoelektrik, sehr hochauflösende (cm-Bereich) UAV-basierte (unmanned aerial vehicle) Luftbilderfassung und terrestrische Bildaufnahmen, dGNSS-Messungen (differential global navigation satellite system), terrestrische Laserscans (TLS = terrestrisches Laserscanning), Bodenproben zur Bestimmung des Wassergehaltes, Grundwasserspiegelmessungen sowie Wetteraufzeichnungen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche der fernerkundlichen und geodätischen Verfahren und welche abgeleiteten Parameter sich eignen, um Rückschlüsse auf das räumliche und zeitliche Auftreten von Slidequakes und Tremorsequenzen zu ziehen. Dabei bildet die Auswertung und Analyse von sehr hochauflösenden multitemporalen UAV-basierten Luftbildern sowie terrestrischen Bildsequenzen, multitemporalen rasterförmigen dGNSS-Messungen und terrestrischen Laserscans die wichtigste Datengrundlage. Im Vordergrund standen dabei die Ableitung präziser Bewegungsraten und die Quantifizierung der Rissentwicklungsprozesse sowie oberflächlicher Änderungen infolge der Hangdynamik. Aufbauend auf der multitemporalen Verschiebungsanalyse ist ein Schwerpunkt die Strainanalyse, bei der aus zeitlich und räumlich heterogenen Geschwindigkeitsvektorfeldern von dGNSS- und TLS-Messungen die oberflächlichen Deformationsraten abgeleitet werden. Die Strainratenfelder visualisieren Bereiche mit unterschiedlichen Mustern von räumlich variabler Extension und Kompression als auch Scherungsraten von Teilgebieten und weisen auf variable Spannungsänderungen hin. Aus geodätischen Beobachtungen Informationen über die Krustendeformation abzuleiten fand bereits in den 1930er Anwendung und seit den 1990ern werden zunehmend die Seismizität und geodätische Strainraten aus GNSS-Messungen z.B. für Italien, Türkei, Kalifornien und Iran zur seismischen Gefährdungsabschätzung kombiniert. Daher lag der Versuch nahe, diese Anwendungen und Beobachtungen der Krustendeformation auf den um mehr als 1000-fach kleinskaligeren Bereich von Lockergesteinsrutschungen zu übertragen und zu diskutieren. Basierend auf den dGNSS- und TLS-Messungen wurden durchschnittliche Geschwindigkeitsfelder für einen Messzeitraum von 50 Tagen abgeleitet, der für dGNSS in vier Zeitabschnitte unterteilt wurde. Die TLS-basierten Geschwindigkeitsfelder wurden durch die Anwendung des digitalen Bildkorrelations-Algorithmus COSI-Cor von Leprince et al. (2007) auf den abgeleiteten Schummerkarten ermittelt. Aufgrund der geringen Verschiebungen von etwa 30 cm für die 50 Tage und den Fehlern bei der Mosaikbildung und Co-Registrierung, war nur der Vergleich der Scans zu Beginn und Ende der Messkampagne aussagekräftig. Der Vergleich zwischen den 2D- und 3D-dGNSS-Messungen ergab eine durchschnittliche Abweichung von 0,04 cm/Tag. Da diese vernachlässigbar ist, können sich zur einfacheren Handhabung alle nachfolgenden Analysen auf die horizontalen Verschiebungen und Geschwindigkeiten beschränken. Die Analyse zeigte, dass sich der östliche 5° steilere Messbereich mit durchschnittlich 0,5 cm/Tag und der westliche Bereich mit 0,3 cm/Tag bewegte. Zwischen der zweiten und vierten Woche ist eine deutliche Beschleunigung, besonders im östlichen Bereich, erkennbar. Aus den UAV-basierten und aus den terrestrischen Bildsequenzen wurden mittels des Structure-from-Motion-Prozess (SfM) Bundler von Snavely et al. (2006) und Multi-View-Stereo (MVS) Algorithmus PMVS2 von Furukawa und Ponce (2007) sehr hochauflösende (mm-cm Punktabstand) 3D-Punktwolken rekonstruiert. Die Abweichungen aus dem Vergleich in vertikaler Richtung, die mit einer zeitkorrespondierenden TLS-Punktwolke ermittelt wurden, betrugen zwischen 8 und 17 cm. Folglich konnten die 3D-Punktwolken aufgrund der geringen Verschiebungen nicht zur Kinematikanalyse herangezogen werden. Aus den UAV-basierten Luftbildern wurden differenziell entzerrte Orthophotomosaike von 40 Tagen basierend auf Softwareskripten von Niethammer (2013) mit einer geometrischen Auflösung (GSD = ground resolution distance) von 2 cm erstellt. Durch die multitemporale Bildanalyse der UAV-basierten Orthophotomosaike und terrestrischen Bilder konnten Felsstürze und aktive sekundäre Rutschungen identifiziert werden. Zudem ließ sich die Entstehung oder Öffnung einiger Risse besonders im östlichen Bereich bei dem freiliegenden Festgesteinskamm beobachten. Allerdings gestaltete sich die Risskartierung aufgrund einer zweiwöchigen niederschlagsreichen Periode, die Sedimentumlagerungen und Rissverfüllung zur Folge hatte, sehr schwierig. 46 rutschungsinduzierte seismische Ereignisse im Messgebiet, welche aufgrund von Noise, anthropogenen, elektrischen und anderen umweltinduzierten Störsignalen nicht einfach zu identifizieren und klassifizieren sind, wurden von Dr. Naomi Vouillamoz (Institut für Geophysik, Universität Stuttgart) ausgewertet. Diese treten häufig in Clustern auf. Der Vergleich mit Grundwasserspiegel, Kinematik und den Strainratenfeldern ergab, dass diese häufig am Anfang eines Grundwasserspiegelanstieges auftreten. Dabei nimmt die Stärke der Ereignisse mit der Zeit ab. In der Regel treten alle rutschungsinduzierten Ereignisse in Bereichen mit erhöhter seismischer Momentenrate auf, die nach Savage und Simpson (1997) aus den geodätischen Beobachtungen abgeleitet wurde. Zudem treten die meisten Ereignisse dort auf, wo eine zeitliche Änderung der Strainraten erkennbar ist. Besonders die Slidequakes treten häufig in Extensionszonen auf, die zeitlich in ein heterogenes Deformationsmuster von Kompression und Extension übergehen. Diese lokalen Deformationsmuster könnten sich für die Ableitung einer schematischen Herdflächenlösung eignen. Die Mehrheit der Tremore wird in Bereichen mit erhöhten Scherungsraten beobachtet, was die These stützt, dass diese entweder auf den Gleitflächen oder durch die Scherrisse generiert werden. Eine exakte Zuordnung der verschiedenen seismischen Signaltypen zu Quellen und Quellprozessen konnte bislang nicht verifiziert werden und bleibt weiterhin ein zukünftiger Forschungspunkt.Item Open Access Pressure management via brine extraction in geological CO2 storage : adaptive optimization strategies under poorly characterized reservoir conditions(2019) González-Nicolás, Ana; Cihan, Abdullah; Petrusak, Robin; Zhou, Quanlin; Trautz, Robert; Godec, Michael; Birkholzer, Jens T.Industrial-scale injection of CO2 into the subsurface increases the fluid pressure in the reservoir, which if not properly controlled can potentially lead to geomechanical damage (i.e., fracturing of the caprock or reactivation of faults) and subsequent CO2 leakage. Brine extraction is one approach for managing formation pressure, effective stress, and plume movement in response to CO2 injection. The management of the extracted brine can be expensive (i.e., due to transportation, treatment, disposal, or re-injection), with added cost to the carbon capture and sequestration (CCS); thus, minimizing the volume of extraction brine is of great importance to ensure that the economics of CCS are favorable. The main objective of this study is to demonstrate the use of adaptive optimization methods in the planning of brine extraction and to investigate how the quality of initial site characterization data and the use of newly acquired monitoring data (e.g. pressure at observation wells) impact the optimization performance. We apply an adaptive management approach that integrates monitoring, calibration, and optimization of brine extraction rates to achieve pre-defined pressure constraints. Our results show that reservoir pressure management can be extremely benefited by early and high frequency pressure monitoring during early injection times, especially for poor initial reservoir characterization. Low frequencies of model calibration and optimization with monitoring data may lead to optimization problems, because either pressure buildup constraints are violated or excessively high extraction rates are proposed. The adaptive pressure management approach may constitute an effective tool to manage pressure buildup under uncertain reservoir conditions by minimizing the volumes of extracted brine while controlling pressure buildup.Item Open Access Wasserinfiltration in die ungesättigte Zone eines makroporösen Hanges und deren Einfluss auf die Hangstabilität(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2016) Germer, Kai; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Hangrutschungen stellen in besiedelten Regionen eine große Gefahr dar, weil nicht selten direkt bewohnte Bereiche betroffen sind. Aber auch die Rutschungsauswirkungen auf die Infrastruktur wie Verkehrswege und Versorgungseinrichtungen können der Gesellschaft Schaden zufügen. Zum einen ergibt sich im Zusammenhang mit Hangrutschungen und allgemein Massenbewegungen das Betätigungsfeld der direkten Stabilisierung und Verhinderung von Rutschungen durch beispielsweise Tiefdrainagen und aufwendige ingenieursbauliche Maßnahmen. Zum anderen, und das ist Gegenstand dieser Arbeit, ergibt sich das Tätigkeitsfeld der grundlagenorientierten Forschung, um die Prozesse, die zu Hangrutschungen führen, besser verstehen zu können. Mit dem Heumöser Hang in Österreich (Vorarlberg), einem sich sehr langsam bewegenden Großhang (Kriechhang), liegt ein Untersuchungsobjekt vor, an dem vielfältige hydrologische Prozesse stattfinden, die schon über mehrere Jahre hinweg untersucht wurden. Die Untersuchungen resultierten in der Hypothese, dass sich am Heumöser Hang entwickelnder Makroporenfluss zu schnellen hydraulischen Veränderungen im Innern des Hangkörpers führe. Die hydraulischen Veränderungen zeigen sich insbesondere in starken Porenwasserdruckanstiegen (unter anderem in einem gespannten Grundwasserleiter), die teilweise in der Tiefe des Hanges zu Auftriebskräften führen, die den Hang destabilisieren, so dass dieser sich schubweise insgesamt etwa ein bis zwei Dezimeter im Jahr talwärts bewegt. Zum Erarbeiten des Prozessverständnisses bezüglich des Zusammenhanges zwischen Infiltration und Hangstabilität wurden große Bodenproben vom Hang im Labor untersucht und Experimente an zwei technischen Modellen durchgeführt. Mit der vorgestellten Vorgehensweise und der Separierung der Untersuchungen und Experimente konnten für den Heumöser Hang relevante hydrologische und mechanische Teilaspekte erarbeitet werden, die verknüpft die Hangbewegungshypothese in weiten Teilen bestätigen können. Insbesondere bestätigten die Messungen an den originären Bodenproben vom Heumöser Hang, dass der Makroporenfluss so dominant sein kann, dass potentiell schneller Porenwasserdruckanstieg in der Tiefe erzeugt werden kann. Dennoch kann ein Makroporenfluss generell insbesondere bei trockenen Matrixbedingungen vermindert werden. Die Verminderung des Makroporenflusses wurde anhand von Experimenten mit Sand gezeigt. Der Prozess des Wassertransfers von Makropore zu umgebender Matrix ist im Sand sehr deutlich zu sehen. Darüber hinaus konnten bei Bodensäulen- und Bodenprobenexperimenten viele methodische Herangehensweisen getestet und verglichen werden. Weil im Vorfeld der Untersuchungen schon abgeschätzt wurde, dass nur mit größeren Proben eine für den Standort bessere Repräsentativität der Ergebnisse erhalten werden kann, wurde besonders viel Wert auf die Methodik der Großprobennahme gelegt. So ist in der vorgestellten Arbeit ein neuartiger Ansatz zur Großprobennahme entwickelt worden, bei dem die Proben ungestört frei gelegt wurden und mit Haushaltsfolie, Montageschaum und Außenmodulen eingehüllt wurden. Nur die Großprobennahme garantierte ein Mindestmaß an Erfassung von Heterogenitäten und Bodenstrukturen im Dezimeterbereich, wie z.B. Makroporen und Risse. Auch die laboratorischen Versuchsaufbauten zur Anwendung der Multi-Step-Outflow- und Evaporationsmethode an den Großproben wurden einmalig größenangepasst entwickelt.