Universität Stuttgart
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Item Open Access Modellierung von Bodenerosion und Sedimentaustrag bei Hochwasserereignissen am Beispiel des Einzugsgsgebiets der Rems(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Schönau, Steffen; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Die vorliegende Dissertation untersucht Bodenerosion und Sedimentaustrag bei Hochwasserereignissen und Starkniederschlägen im Einzugsgebiet der Rems (Flussgebiet Neckar, Stromgebiet Rhein). Es werden die Grundlagen des Zusammenspiels von (Stark-) Niederschlag, Hochwasser und Sturzfluten, Bodenerosion und Sedimentaustrag sowie deren messtechnische und modellbasierte Erfassung dargestellt. Die Anwendung empirischer Modellansätze im Untersuchungsgebiet beinhaltet Modellparametrisierung, -kalibrierung und -validierung sowie Regionalisierung für die Übertragbarkeit auf unbeobachtete Gebiete. Es erfolgt eine Untersuchung des räumlichen Zusammenhangs der flächenhaften Eingangsdaten und Modellergebnisse sowie die Beurteilung der Wirkung von konservierender Bodenbearbeitung auf die Bodenabtrags- und Sedimentaustragsschätzungen. Es werden sowohl langandauernde advektive, zu Flusshochwasser führende Niederschlagsereignisse betrachtet als auch kurzzeitige konvektive Sommerereignisse, die nur zu wenig Abfluss oder aber auch zu Sturzfluten führen. Mit der entwickelten Methodik können saisonale und gebietsspezifische Eigenheiten wie Niederschlagscharakteristika, Landnutzung und Landbedeckung sowie Anfangsbodenfeuchte berücksichtigt werden. Ein Ergebnis ist die Bereitstellung von Eingangsdaten für die Optimierung der Steuerung von Hochwasserrückhaltebecken und Speichern zur gezielten Retention stofflicher Belastungen. Teile der Untersuchungen für diese Dissertation haben ihren Ursprung im RIMAX-Verbundvorhaben "Entwicklung eines integrativen Bewirtschaftungskonzepts für Trockenbecken und Polder zur Hochwasserrückhaltung".Item Open Access Investigations on functional relationships between cohesive sediment erosion and sediment characteristics(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Beckers, Felix; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Modeling of evaporation-driven multiple salt precipitation in porous media with a real field application(2020) Mejri, Emna; Helmig, Rainer; Bouhlila, RachidaSoil and groundwater salinization are very important environmental issues of global concern. They threaten mainly the arid and semiarid regions characterized by dry climate conditions and an increase of irrigation practices. Among these regions, the south of Tunisia is considered, on the one hand, to be a salt-affected zone facing a twofold problem: The scarcity of water resources and the degradation of their quality due to the overexploitation of the aquifers for irrigation needs. On the other hand, this Tunisian landform is the only adequate area for planting date palm trees which provide the country with the first and most important exportation product. In order to maintain the existence of these oases and develop the date production, a good understanding of the salinization problem threatening this region, and the ability to predict its distribution and evolution, should not be underestimated. The work presented in this paper deals with the Oasis of Segdoud in southern Tunisia, with the objective of modeling the evaporation-driven salt precipitation processes at the soil profile scale and under real climatic conditions. The model used is based on the one developed and presented in a previous work. In order to fulfil the real field conditions, a further extension of the geochemical system of the existing model was required. The precipitated salts considered in this work were halite (NaCl), gypsum (CaSO4) and thenardite (Na2SO4). The extended model reproduces very well the same tendencies of the physico-chemical processes of the natural system in terms of the spatio-temporal distribution and evolution of the evaporation and multiple-salt precipitation. It sheds new lights on the simulation of sequences of salt precipitation in arid regions. The simulation results provide an analysis of the influence of salt precipitation on hydrodynamic properties of the porous medium (porosity and permeability). Moreover, the sensitivity analysis done here reveals the influence of the water table level on the evaporation rate.Item Open Access Bayesian inversion and model selection of heterogeneities in geostatistical subsurface modeling(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Reuschen, Sebastian; Nowak, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Advanced experimental methods for investigating flow-biofilm-sediment interactions(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Koca, Kaan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)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.Item Open Access The role of retardation, attachment and detachment processes during microbial coal-bed methane production after organic amendment(2020) Emmert, Simon; Davis, Katherine; Gerlach, Robin; Class, HolgerMicrobially enhanced coal-bed methane could allow for a more sustainable method of harvesting methane from un-mineable coaldbeds. The model presented here is based on a previously validated batch model; however, this model system is based on upflow reactor columns compared to previous experiments and now includes flow, transport and reactions of amendment as well as intermediate products. The model implements filtration and retardation effects, biofilm decay, and attachment and detachment processes of microbial cells due to shear stress. The model provides additional insights into processes that cannot be easily observed in experiments. This study improves the understanding of complex and strongly interacting processes involved in microbially enhanced coal-bed methane production and provides a powerful tool able to model the entire process of enhancing methane production and transport during microbial stimulation.Item Open Access Coupled free-flow-porous media flow processes including drop formation(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Veyskarami, Maziar; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Behavior of a coupled free-flow-porous medium system is determined by the interface between the two domains. Formation of droplets at the interface governs transport processes in the whole system by enormously affecting the exchange of mass, momentum, and energy between the free flow and the porous medium. A droplet that forms at the interface might grow or shrink due to the flow from the porous medium and evaporation from its surface into the free flow. It also might be detached from the interface by the free flow. An example of such phenomena in nature is formation of sweat droplets on the skin by perspiration and the resulted cooling effect through their evaporation into the surrounding air. Water management in fuel cells, cooling systems, and inkjet printing are just a few technical applications in which droplet formation at the interface between a free flow and a porous medium appears. In this work, we developed a novel model to describe the formation, growth and detachment as well as evaporation of droplets at the interface between a coupled free-flow-porous medium system. Pore-network modeling is used as a tool to capture pore-scale phenomena occurring in porous media. New coupling concepts between the free flow and the porous medium are developed, which include storing mass, momentum and energy in the droplet. The formation and growth of a droplet is described and a new approach is developed to include the impact of the growing droplet on the free-flow field. Description of the forces acting in the system is given and accordingly the droplet detachment is predicted. A clear description of the droplet evaporation is provided and the impact of free-flow and porous medium properties on the droplet evaporation have been analyzed.Item Open Access Developing and calibrating a numerical model for microbially enhanced coal-bed methane production(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Emmert, Simon; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing.)Experimental investigations demonstrate the potential of microbially enhanced coal-bed methane (MECBM) production on the lab scale. However, no in-depth mathematical and conceptual model including all sub-processes is reported in literature so far. With this study, we develop and present a conceptual food-web, included into a numerical model, that is calibrated and validated using batch experiments. The model is extended to model flow and transport features, test hypotheses, and compare against column experiments. Additionally, a sensitivity analysis of the model parameters as well as a preliminary study regarding operator-splitting techniques for the MECBM model are presented.Item Open Access Modelling biogeochemical and mass transport processes in the subsurface: investigation of microbially induced calcite precipitation(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2016) Hommel, Johannes; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing.)