Intergration von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen durch partikelbasierte Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Günter Meon, seit 8/2019
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380258232

Eine integrierte Hydrosystemmodellierung ist aufgrund verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen sowie der Komplexitätsstufen der beteiligten Prozesse herausfordernd. Dennoch erfordern viele hydrologische Fragestellungen eine ganzheitliche Betrachtung durch eine fundierte Prozessbeschreibung mit einer Umsetzung in Modellkonzepte. Zu diesen Fragestellungen zählen beispielsweise Risikoanalysen und Modellierungen von Sturzfluten, die sowohl hydrologische als auch hydrodynamische Prozesse beinhaltet.Das Ziel des Projekts ist die integrierte Berücksichtigung von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen innerhalb eines einzigen Modells. Dieser neuartige Modelltyp basiert auf der numerischen Interpolationsmethodik SPH (smoothed particle hydrodynamics) in Verbindung mit innovativen Skalierungsmethoden. Im Gegensatz zu etablierten Euler basierten Methoden erfolgt die zeitliche Integration über die dynamischen Partikel und nicht über ein starres Gitter. Für hydrodynamische Fragestellungen wird die SPH Methode bereits eingesetzt, eine Einbeziehung von hydrologischen, hydrogeologischen oder bodenphysikalischen Prozessen erfolgte bisher jedoch nicht, obwohl die Methodik aufgrund der numerischen Stabilität und flexiblen Erweiterbarkeit das Potential dazu besitzt. Die Umsetzung der Prozessbeschreibungen erfolgt durch die GPU-CUDA Technik für Nvidia Grafikkarten.Die innovative dynamische Skalierung ermöglicht die Übertragbarkeit von Prozessen der Wasserbewegung auf reale hydrologische Einzugsgebiete. Diese Skalierung basiert auf Ähnlichkeits-Konzepten aus der Bodenphysik. Daten zu den Böden und der Vegetation werden in Eigenschaftsfeldern bereitgestellt, wobei die einzelnen Parameter durch Verteilungsfunktionen beschrieben werden. Die Zuordnung der Parameter zu den Partikeln durch multiple Wahrscheinlichkeiten erfolgt in Analogie zu den Variationen in natürlichen Systemen. Die Dichte und Geschwindigkeit der Partikel werden über die Eigenschaftsfelder beeinflusst, während die Partikeleigenschaften die dynamische Skalierung vorgeben.Meilenstein 1 ist ein voll funktionsfähiges Modellsystem mit einer detaillierten Prozessbeschreibung auf der Plot Skala. Berücksichtigt werden die Interaktionen des Wassers mit der Vegetationszone, der ungesättigten und gesättigten Zone. Meilenstein 2 ist auf den Transfer des Detailmodells auf größere Skalen ausgerichtet (Skalierung). Meilenstein 3 umfasst die erfolgreiche Anwendung des Modells auf der Einzugsgebietsskala samt Validierung anhand umfangreicher Beobachtungsdaten (Hühnerwasser). Nach der Validierung wird das integrierte Modellsystem für Anwendungen mit hohen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessskalen eingesetzt. Das Ziel ist die Bereitstellung einer zuverlässigen und realistischen Grundlage in Bereichen wie Sturzfluten oder Bewässerung, um Schadenpotentiale oder den Bewässerungsbedarf zu beurteilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Ulrich Maniak; Dr.-Ing. Gerhard Riedel; Professor Dr. Hans Matthias Schöniger
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Phillip Kreye, bis 7/2019