The modelling of the processes of advection and dispersion-diffusion is the most crucial factor in solute transport simulations. It is generally appreciated that the first order upwind difference scheme gives rise to excessive numerical diffusion, whereas the conventional second order central difference scheme exhibits severe oscillations for advection dominated transport, especially in regions of high solute gradients or discontinuities. Higher order schemes have therefore become increasingly used for improved accuracy and for reducing grid scale oscillations. Two such schemes are the QUICK (Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics) and TOASOD (Third Order Advection Second Order Diffusion) schemes, which are similar in formulation but different in accuracy, with the two schemes being second and third order accurate in space respectively for finite difference models. These two schemes can be written in various finite difference forms for transient solute transport models, with the different representations having different numerical properties and computational efficiencies. Although these two schemes are advectively (or convectively) stable, it has been shown that the originally proposed explicit QUICK and TOASOD schemes become numerically unstable for the case of pure advection. The stability constraints have been established for each scheme representation based upon the von Neumann stability analysis. All the derived schemes have been tested for various initial solute distributions and for a number of continuous discharge cases, with both constant and time varying velocity fields. The 1-D QUICKEST (QUICK with Estimated Streaming Term) scheme is third order accurate both in time and space. It has been shown analytically and numerically that a previously derived quasi 2-D explicit QUICKEST scheme, with a reduced accuracy in time, is unstable for the case of pure advection. The modified 2-D explicit QUICKEST, ADI-TOASOD and ADI-QUICK schemes have been developed herein and proved to be numerically stable, with the bility sta- region of each derived 2-D scheme having also been established. All these derived 2-D schemesh ave been tested in a 2-D domain for various initial solute distributions with both uniform and rotational flow fields. They were further tested for a number of 2-D continuous discharge cases, with the corresponding exact solutions having also been derived herein. All the numerical tests in both the 1-D and 2-D cases were compared with the corresponding exact solutions and the results obtained using various other difference schemes, with the higher order schemes generally producing more accurate predictions, except for the characteristic based schemes which failed to conserve mass for the 2-D rotational flow tests. The ADI-TOASOD scheme has also been applied to two water quality studies in the U. K., simulating nitrate and faecal coliform distributions respectively, with the results showing a marked improvement in comparison with the results obtained by the second order central difference scheme. Details are also given of a refined numerical representation of flooding and drying of tidal flood plains for hydrodynamic modelling, with the results showing considerable improvements in comparison with a number of existing models and in good agreement with the field measured data in a natural harbour study.

Der Austausch zwischen Grundwasser und Kanalnetz kann in die Prozesse der Grundwasserinfiltration in Kanalnetze und der Abwasserexfiltration aus Kanalnetzen unterteilt werden. Generell entstehen durch die In- und Exfiltration (I/E) erhöhte Kosten der Abwasserentsorgung und eine Belastung für Boden, Grundwasser und Oberflächenwasser. Für Einschätzungen zur Dynamik und Quantität der In- und Exfiltration ist die Nutzung von Modellen sinnvoll, da zahlreiche Einflussfaktoren in die Betrachtungen einfließen können und dadurch eine komplexe Erfassung der Prozessmechanismen ermöglicht wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden physikalisch basierte Modelle zur Abbildung der In- und Exfiltrationsprozesse hinsichtlich erforderlicher Parameter und Randbedingungen analysiert und angewandt. Anhand detaillierter 3D-Modelle, kleintechnischer Versuche, Datenanalysen und statistischer Verfahren erfolgte die Modifizierung und Entwicklung von I/E-Modellen sowie die Parameteridentifikation zur Abbildung der In- und Exfiltration. Des Weiteren wurden die entwickelten Modellansätze mit einem hydrodynamischen Kanalnetzmodell verknüpft und großräumige Langzeitsimulationen durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen bezüglich der Infiltration von Grundwasser in das Kanalnetz, dass eine physikalisch basierte Prozessmodellierung einer Abstraktion bedarf, um die 3-Dimensionalität des Prozesses in einem 1D-Modell wieder zu geben und dadurch die Anbindung an ein Kanalnetzmodell zu ermöglichen. Anhand von Simulationsrechnungen wurde festgestellt, dass die quantitative Betrachtung der Infiltration auf Einzugsgebietsebene keine hydrodynamische Modellierung erfordert. Signifikante quantitative Änderungen der Grundwasserinfiltration aufgrund der Wasserstandsschwankungen in den Kanälen sind nur lokal oder temporär von Bedeutung. Die Grundwasserinfiltration kann jedoch deutliche Auswirkungen auf die Ergebnisse der hydrodynamischen Simulation haben. Anhand von Datenanalysen im Einzugsgebiet Dresden konnte des Weiteren ein signifikanter Zusammenhang zwischen Infiltrationsparametern und Kanalzustand ermittelt werden. Der Exfiltrationsprozess kann durch ein 1D-Modell gut abgebildet werden, wobei der Prozess der Bodenkolmation anhand eines zeit- und potenzialabhängigen Modells implementiert werden kann. Ferner konnte durch die Verknüpfung mit Infiltrationsanalysen eine Ableitung der Schadensfläche erfolgen, die als Parameter in die Exfiltrationsmodellierung eingeht. Die hydrodynamischen Berechnungen zeigen, dass für die Exfiltrationsmodellierung eine möglichst exakte Berechnung der Wasserstände in Kanalnetzen essentiell ist. / The water exchange between groundwater and sewer system can be characterized by the processes of groundwater infiltration and sewerage exfiltration. Infiltration and exfiltration (I/E) cause an increase of the costs of sewerage management and a deterioration of soil, groundwater and the receiving surface water. In order to assess the dynamics and quantities of I/E, model applications can be used in order to include influencing factors and to afford a complex consideration of the process mechanisms. Within this work I/E-approaches were analyzed and modified in order to assess parameters and boundary conditions. The parameter identification and model development was realised according to the application of a detailed 3D-model, the realization of experiments, data analyses and the application of statistical methods. Furthermore the developed and modified approaches were coupled with a hydrodynamic sewer network model and long term simulations were performed. It was found that a physical based description of the infiltration process requires the implementation of the 3-dimensionality of the process. A hydrodynamic modelling of the sewer flow processes is not necessary to quantify infiltration rates on catchment scale, but the results of hydrodynamic modelling can be influenced significantly by groundwater infiltration. Furthermore data analyses of data of Dresden show a significant relationship between infiltration parameters and the condition class of the sewer pipes. The exfiltration process can be described by a 1D-model, whereat the processes of soil clogging are simulated by a time and potential based approach. Using the infiltration analyses it was possible to calculate the leak area, which is an important parameter of the exfiltration modelling. Hydrodynamic simulations show that the exfiltration modelling requires an accurate calculation of water levels in sewers.

The modelling of the processes of advection and dispersion-diffusion is the most crucial factor in solute transport simulations. It is generally appreciated that the first order upwind difference scheme gives rise to excessive numerical diffusion, whereas the conventional second order central difference scheme exhibits severe oscillations for advection dominated transport, especially in regions of high solute gradients or discontinuities. Higher order schemes have therefore become increasingly used for improved accuracy and for reducing grid scale oscillations. Two such schemes are the QUICK (Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics) and TOASOD (Third Order Advection Second Order Diffusion) schemes, which are similar in formulation but different in accuracy, with the two schemes being second and third order accurate in space respectively for finite difference models. These two schemes can be written in various finite difference forms for transient solute transport models, with the different representations having different numerical properties and computational efficiencies. Although these two schemes are advectively (or convectively) stable, it has been shown that the originally proposed explicit QUICK and TOASOD schemes become numerically unstable for the case of pure advection. The stability constraints have been established for each scheme representation based upon the von Neumann stability analysis. All the derived schemes have been tested for various initial solute distributions and for a number of continuous discharge cases, with both constant and time varying velocity fields. The 1-D QUICKEST (QUICK with Estimated Streaming Term) scheme is third order accurate both in time and space. It has been shown analytically and numerically that a previously derived quasi 2-D explicit QUICKEST scheme, with a reduced accuracy in time, is unstable for the case of pure advection. The modified 2-D explicit QUICKEST, ADI-TOASOD and ADI-QUICK schemes have been developed herein and proved to be numerically stable, with the bility sta- region of each derived 2-D scheme having also been established. All these derived 2-D schemesh ave been tested in a 2-D domain for various initial solute distributions with both uniform and rotational flow fields. They were further tested for a number of 2-D continuous discharge cases, with the corresponding exact solutions having also been derived herein. All the numerical tests in both the 1-D and 2-D cases were compared with the corresponding exact solutions and the results obtained using various other difference schemes, with the higher order schemes generally producing more accurate predictions, except for the characteristic based schemes which failed to conserve mass for the 2-D rotational flow tests. The ADI-TOASOD scheme has also been applied to two water quality studies in the U. K., simulating nitrate and faecal coliform distributions respectively, with the results showing a marked improvement in comparison with the results obtained by the second order central difference scheme. Details are also given of a refined numerical representation of flooding and drying of tidal flood plains for hydrodynamic modelling, with the results showing considerable improvements in comparison with a number of existing models and in good agreement with the field measured data in a natural harbour study.

Fine-grained sediment accumulation in the interstices of gravel beds is a key factor in degrading riverine habitats. However, interstitial deposits are highly dynamic and are not sufficiently understood. This work enhances the understanding of interstitial fine sediment deposition by investigating interstitial storage and ingress, flow, suspended sediment and gravel bed character. Furthermore, this work introduces a numerical suspended sediment deposition model with the power to predict patterns of interstitial ingress. The investigation of interstitial deposition were carried out on two levels. Both data orginating from flume experiments and from three locations of the River Culm, Devon, UK was collected. The experimental data showed the significant influence of small scale variations in flow and bed character and their influence on interstitial ingress. The field investigation showed clear differences in interstitial fine-grained sediment for the different river reaches and an overall higher interstitial ingress compared to recent published data. The numerical model development was realised in a two-step approach. First, the model was coded and calibrated for the flume scale processes and, second, an upscaled reach scale model was devolped for the field data. This reach scale suspended sediment deposition model included flow information, for which depthaveraged two dimensional hydrodynamic models were developed with the software Delft3D. The overall explanatory power of the model at this state is not satisfactory with regards to local deposition distribution. A separate chapter discusses the possible causes and implications of this short coming for further research from a data aquisition and modelling perspective.

Thesis (MScEng (Civil Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: In this research a Real-Time hydrodynamic optimisation model of the Orange-Fish-Sundays River (OFS) system which uses real-time data in order to forecast release hydrographs, is evaluated. The OFS system stretches over three catchment areas in the Eastern Cape namely Great Fish, Little Fish and Sundays Rivers. The OFS supplies water from the Orange River through a 800 km system of canals, tunnels, dams and rivers to registered water users in this area. In order to cope with increasing pressures on water saving, water demand, water quality and dam safety, the Department of Water Affairs implemented this Orange Fish Sundays-Real Time (OFS-RT) system to calculate the optimal water flow, by running customised Danish Hydraulic Institute (DHI) MIKE11 software. The system utilizes an optimisation module that evaluates the simulated outcome at seven water release structures (dams, weirs and tunnels). Then during the optimisation process performs more adjustments to reach the objectives of the system to obtain the forecast release hydrographs. This OFS-RT model aims at target based objectives, using: (i) Hydras real-time field data of dam water levels, river flows and water quality from the area sent to the control office main computer at four hourly intervals via SMS and (ii) abstractors weekly water requests. This system takes irrigation and domestic demand into account as well as water quality, evaporation, rainfall, dam levels, dam safety, instream flow requirements and tributary flow. In order to manage the water flows through the OFS system the OFS-RT model forecasts the release hydrographs and uploads the predictions to a website to smooth operational procedures. The target outcomes were tested and evaluated during this research and it was found that the OFS- RT model succeeded in delivering release forecasts for the seven control structures to manage the OFS system. This research proved that management of river systems by using a real-time hydrodynamic model with optimisation is a useful tool for the optimal utilisation of water resources. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie navoring is die evaluering van „n intydse hidrodinamiese optimiseringsmodel van die Oranje-Vis-Sondagsrivier (OVS) stelsel wat intydse data ontvang en loslatings hidrograwe verskaf. Die OVS stelsel strek oor drie opvangsgebiede in die Oos-Kaap: naamlik die Groot Vis-, Klein Vis- en Sondagsriviere en voorsien water vanuit die Oranjerivier deur „n 800 km stelsel van kanale, tonnels, damme en riviere, aan geregistreerde waterverbruikers in die gebied. Ten einde te voldoen aan die eise van waterbesparings, stygende vraag na water, die verskaffing van goeie water gehalte en damveiligheid, het die Departement van Waterwese „n intydse rekenaar model (OVS-IT) geïmplimenteer om die optimale watervloei deur middel van die aangepaste MIKE11 sagteware van die Danish Hydraulic Institute (DHI) te bereken. Hierdie stelsel maak gebruik van „n optimisering module wat die gesimuleerde uitkomste van verstellings aan sewe waterloslatingstrukture evalueer. Met optimisering word die verlangde hidrograaf deur verder aanpassings verkry. Data wat nodig is om die OVS-IT model se doel te bereik is: (i) Hydras intydse velddata van damwatervlakke, riviervloeie en water gehalte van die gebied ontvang deur die beheerkantoor se hoofrekenaar via SMS elke vier ure, en (ii) water verbruikers se weeklikse wateraanvrae Die stelsel neem die besproeiing en huishoudelike aanvraag in ag, sowel as soutgehalte, verdamping, reënval, damvlakke, dam veiligheid, stroom vloei vereistes en sytak byvloei. Die OVS se watervloei word beheer deur voorspelde loslatings hidrograwe, opgesom op „n webwerf wat die uitvoer prosedures aandui. Die intydse hidrodinamiese model met optimisering het volgens hierdie navorsing daarin geslaag om vir die beheer van die OVS stelsel, die loslatings van sewe beheerstrukture akkuraat te voorspel en bevind dat die model „n waardevolle instrument is vir die optimale bestuur van waterhulpbronne.

For centuries in the future, the climate on Earth will be affected by the global warming.Effects as melting ices, increasing sea levels and extreme weather, are all consequencesof the high amount of carbon dioxide (CO2), that we humans have caused. In Sweden,can climate effects like higher temperatures, longer vegetation periods and greaterseasonal variations in water fluxes, be expected. Due to climate changes and anincreasing population, the drinking water production in Uppsala will be affected. Interms of securing the drinking water production in the future, Uppsala Vatten och Avfall AB are investigating the possibility to use the Ekoln basin in lake Mälaren, as acomplementary raw water catchment area. In order to keep a secure drinking water production, in regard to quantity and quality, itis of interest to investigate how fluxes and water quality will be affected in the future.The annual pattern of water mixing, with summer- and winter stratification, and overturnduring spring and autumn, is something that significantly affects the water quality in theSwedish lakes. With the aim to study how the annual pattern of water mixing in theEkoln basin, might change due to future climate changes, hydrodynamic modelling wasperformed on a model area consisting of the Ekoln basin with adjacently bays. A hydrodynamic (3D) transport model of type MIKE 3 Flow Model FM, created byTyréns AB for simulating transport of pollutions, was calibrated and adapted to simulatetemperature profiles in the model area. To be able to study the annual pattern of watermixing, the model was also adapted to simulate a period of a year. Three scenarios weresimulated, one reference year and two future scenarios, where the future scenarios werebased on the climate scenarios RCP4.5 and RCP8.5 in year 2050. The calibration of the model was successful, and the calculation time was reduced byadapting the mesh. Results from the three scenarios, showed that the period with summerstratification might become nine days longer by RCP4.5 in year 2050, compared to thereference scenario. Simulation of RCP8.5 during the same time period, did not showany changes. By RCP8.5 it is possible that water temperatures in the epilimnion, areincreasing and that there will be no winter stratification. The temperature in the surfacewater are affected by the air temperature, in future studies it is in interest to investigatehow stratification and cirkulation will be affected by changes in wind speed and winddirection, how different types of wind data effect the results, it is also in interest to studychanges during a time period longer than one year. / Den globala uppvärmningen kommer att påverka Jordens klimat i många sekel framöver.Effekter som smältande isar, stigande havsnivåer och extremare väder, är allakonsekvenser av de enorma utsläpp koldioxid (CO2), som vi människor orsakat. ISverige kan vi i framtiden vänta oss varmare temperaturer, längre vegetationsperioderoch flöden med stora säsongsvariationer. I Uppsala kommer de framtidaklimatförändringarna i samverkan med en växande befolkning att påverka stadensdricksvattenproduktion. Uppsala Vatten och avfall AB undersöker idag möjligheten tillatt använda Mälarbassängen Ekoln som kompletterande råvattentäkt. För att säkerställa en säker dricksvattenproduktion, både utifrån den kvantitet ochkvalitet som krävs, är det av intresse att veta hur flöden och vattenkvalitet i Ekoln kankomma att utvecklas i framtiden. Något som i stor grad påverkar vattenkvaliteten i våraSvenska sjöar, är den årstidsbundna cirkulationen, med vinter- och sommarstagnation,samt vår- och höstcirkulation. För att undersöka hur den årstidsbundna cirkulationen iEkoln kan komma att förändras med framtida klimat, utfördes hydrodynamiskmodellering för sjön med intilliggande vikar. En bestående tredimensionell spridningsmodell av typ MIKE 3 Flow Model FM, skapadför att simulera spridning av avloppsvatten i Ekoln, erhölls från Tyréns AB. Modellenkalibrerades och anpassades för att simulera temperaturprofiler i sjön. För att täcka inbeteendet för den årstidsbundna cirkulationen anpassades modellen till att simulera etthelt år. Modellen kördes för ett referensår, samt för de två strålningsdrivningsscenariernaRCP4.5 och RCP8.5 vid år 2050. Kalibrering av modellen var lyckad och beräkningstiden förkortades genom anpassningav beräkningsnätet. Resultat från simuleringar visade på att sommarstagnation kanförekomma nio dagar längre vid RCP4.5 för år 2050, än under referensåret. Ingenförändring förväntas vid RCP8.5 under samma tidsperiod. Vid RCP8.5 förväntas dockvattentemperaturer i epilimnion att stiga och vinterstagnation förekommer ej.Temperaturer i vattenmassans övre skikt påverkas i hög grad av lufttemperatur och vidfortsatta studier är det även av intresse att undersöka hur skiktning och cirkulationpåverkas av förändrade vindförhållanden, hur olika drivdata för vindförhållandenpåverkar resultatet samt att undersöka en tidsperiod som är längre än ett år.

Lobjet du présent travail est létude expérimentale et théorique de lhydrodynamique des écoulements dans des colonnes à garnissage et, plus particulièrement, lanalyse par tomographie à rayons X de la distribution spatiale des phases liquide et solide dans des lits fixes parcourus par un écoulement de liquide. La distribution des phases est observée à différents niveaux, depuis léchelle locale jusquà léchelle de la colonne dans son ensemble. Lintroduction permet tout dabord de rappeler les principales applications industrielles des colonnes à garnissage, ainsi que les caractéristiques particulières associées à chacune dentre elles. Lhydrodynamique des écoulements dans ce type dappareils résulte de phénomènes extrêmement complexes, intervenant à une échelle très petite. Cet état de choses a poussé les chercheurs à développer des modèles de plus en plus détaillés, dont la validation requiert une connaissance de plus en plus fine de la répartition des phases au sein des lits fixes. Lobtention de mesures à une échelle très locale savère donc indispensable. Après un bref rappel des différentes techniques de mesure plus ou moins locales qui ont été appliquées, dans le passé, à létude des écoulements dans des colonnes à garnissage, lensemble des techniques tomographiques, ainsi que leurs principaux champs dapplication sont présentés. Parmi ces applications, la tomographie à rayons X semble particulièrement bien adaptée, car elle permet daccéder à une cartographie complète de la distribution spatiale des différentes phases présentes dans une colonne à garnissage de relativement grandes dimensions. Le chapitre I présente en détail les bases de la technique expérimentale utilisée. La tomographie consiste à reconstruire limage dune section droite dun objet à partir de données de transmission, obtenues en illuminant cet objet sous un grand nombre dangles différents. Lalgorithme permettant de reconstruire les images à partir des données de projection est lalgorithme de rétro-projection filtrée, adapté à la géométrie du dispositif de radiographie (faisceau plan angulaire et détecteurs colinéaires équidistants). Cet algorithme, qui est le plus utilisé en pratique, a dû être modifié pour tenir compte dimperfections géométriques existant au niveau du dispositif de mesure. Le chapitre II décrit linstallation expérimentale, qui comprend le tomographe à rayons X, la colonne à garnissage et leurs éléments périphériques respectifs. Le tomographe consiste en un dispositif de radiographie (source de rayons X et détecteur linéaire) fixé sur un manipulateur. Le pilotage de linstallation, ainsi que lacquisition des données expérimentales sont réalisés grâce à un pupitre de commande et à un P.C. Le dispositif de tomographie permet de réaliser des images de sections droites dune colonne à garnissage, irriguée grâce à un dispositif dalimentation et dévacuation des fluides. Après une description relativement détaillée de tous ces éléments, le mode opératoire suivi pour la réalisation des différentes mesures expérimentales est présenté. Dans les chapitres III à V sont regroupés les différents résultats expérimentaux, ainsi que les discussions et commentaires sy rapportant. Le chapitre III présente les différents essais réalisés en vue de valider le dispositif de tomographie. Dans ce but, des objets de forme et de taille connues ont été radiographiés. La confrontation des images reconstruites et des objets originaux permet deffectuer cette validation, mais également dapprécier la résolution de la technique tomographique de mesure. Le chapitre IV expose les résultats obtenus sur base des images de sections droites de la colonne sèche. Dans un premier temps, les différentes opérations effectuées sur les images, après leur reconstruction, sont décrites. Ces opérations ont pour but de donner une signification physique réelle aux valeurs des pixels composant les images, mais également daméliorer la représentation graphique de ces dernières. Une des premières grandeurs calculées sur les sections reconstruites est la fraction de vide de lempilage. Les valeurs de porosité ainsi calculées sont comparées à dautres valeurs obtenues expérimentalement, ainsi quaux valeurs annoncées par les fabricants dempilages. Une dimension caractéristique, propre à chacun des types dempilage, est ensuite calculée grâce à lapplication de différentes méthodes comme lanalyse de lentropie de configuration, lanalyse de la distribution de la fraction de solide ou encore lanalyse de la fonction dautocorrélation. La dimension caractéristique ainsi déterminée permet daccéder à la taille des cellules élémentaires susceptibles de représenter la morphologie de la phase solide dans le cadre dune modélisation des phénomènes hydrodynamiques intervenant au sein du lit fixe. Après une brève conclusion récapitulative, la dernière partie du chapitre IV est consacrée à la visualisation des différentes échelles caractéristiques présentes dans les images analysées. Le chapitre V décrit les résultats obtenus sur base des images de sections droites de la colonne irriguée. Dans un premier temps, les images obtenues sur des sections irriguées font lobjet dune analyse purement qualitative. Cette analyse permet dobserver linfluence exercée par le distributeur de liquide sur la distribution du liquide au sein de sections droites situées à différentes hauteurs au sein de la colonne, pour différentes valeurs du débit de liquide. Elle permet également dobserver la corrélation existant entre les distributions des phases liquide et solide au sein de la colonne. Ensuite, les valeurs globales de la rétention de liquide calculées sur base des valeurs des pixels composant les images reconstruites sont confrontées à des valeurs de rétention obtenues par dautres méthodes, expérimentales ou théoriques, afin de valider les résultats obtenus par tomographie. Dans ce but, des comparaisons sont effectuées avec des résultats expérimentaux présentés dans la littérature, avec des valeurs de rétentions mesurées par essais de traceur, ainsi quavec des valeurs calculées grâce à des corrélations proposées dans la littérature et plus particulièrement grâce à la corrélation issue dun modèle découlement en canaux. Un modèle hydrodynamique basé sur une approche probabiliste est ensuite utilisé pour modéliser lhydrodynamique au sein de la colonne à garnissage. Cette approche permet non seulement de rendre compte de lévolution des valeurs globales de la rétention de liquide, mais également de modéliser la distribution des valeurs locales de la vitesse du liquide dans les différentes sections de la colonne à garnissage. Pour terminer, la conclusion résume lensemble des résultats issus de la présente étude, avant de lancer quelques pistes pour des travaux de recherche à venir.

Flood polders are part of the flood risk management strategy for many lowland rivers. They are used for the controlled storage of flood water so as to lower peak discharges of large floods. Consequently, the flood hazard in adjacent and downstream river reaches is decreased in the case of flood polder utilisation. Flood polders are usually dry storage reservoirs that are typically characterised by agricultural activities or other land use of low economic and ecological vulnerability. The objective of this thesis is to analyse hydraulic, environmental and economic impacts of the utilisation of flood polders in order to draw conclusions for their management. For this purpose, hydrodynamic and water quality modelling as well as an economic vulnerability assessment are employed in two study areas on the Middle Elbe River in Germany. One study area is an existing flood polder system on the tributary Havel, which was put into operation during the Elbe flood in summer 2002. The second study area is a planned flood polder, which is currently in the early planning stages. Furthermore, numerical models of different spatial dimensionality, ranging from zero- to two-dimensional, are applied in order to evaluate their suitability for hydrodynamic and water quality simulations of flood polders in regard to performance and modelling effort. The thesis concludes with overall recommendations on the management of flood polders, including operational schemes and land use. In view of future changes in flood frequency and further increasing values of private and public assets in flood-prone areas, flood polders may be effective and flexible technical flood protection measures that contribute to a successful flood risk management for large lowland rivers. / Flutpolder werden zum gezielten Rückhalt von Wasser eingesetzt, um Spitzenabflüsse von großen Hochwassern zu senken. Dadurch wird im Falle des Flutpoldereinsatzes die Hochwassergefährdung für flussab gelegene Flussabschnitte verringert. Flutpolder sind meist trockene Staubecken, die typischerweise durch landwirtschaftliche Nutzung gekennzeichnet sind. Ziel der Dissertation ist die Analyse von hydraulischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Einsatzes von Flutpoldern, um daraus Schlussfolgerungen für ihre Bewirtschaftung zu ziehen. Dazu werden numerische Modelle zur Simulation der Hydrodynamik und Wassergüte sowie ein landwirtschaftliches Schadenmodell gemeinsam in einem integrativen Ansatz eingesetzt. Ein Untersuchungsgebiet ist ein existierendes Flutpoldersystem am Nebenfluss Havel, welches während der Elbeflut im Sommer 2002 zum Einsatz kam. Das zweite Untersuchungsgebiet ist ein geplanter Flutpolder, welcher sich bisher noch in einem frühen Planungsstadium befindet. Darüber hinaus werden numerische Modelle verschiedener räumlicher Dimensionalität von null- bis zwei-dimensional angewandt, um ihre Eignung für hydrodynamische und Wassergütesimulationen von Flutpoldern hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und des Modellierungsaufwands zu bewerten. Die Dissertation schließt mit übergreifenden Empfehlungen zur Bewirtschaftung von Flutpoldern einschließlich Kontrollstrategien und Landnutzung ab. Im Hinblick auf zukünftige Änderungen in der Auftretenshäufigkeit von Hochwassern und weiterhin ansteigenden Werten von privatem und öffentlichem Vermögen in überflutungsgefährdeten Gebieten stellen Flutpolder ein effektive und flexible Maßnahmen des technischen Hochwasserschutzes dar, welche zu einem erfolgreichen Hochwasserrisikomanagement großer Tieflandflüsse beitragen.

Aus den Mängeln bisher verwendeter Modelle zur Abbildung des Wellenablaufes zu Prognosezwecken im Hochwasserfall wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Schnelligkeit und Robustheit künstlicher neuronaler Netze mit der Zuverlässigkeit hydrodynamisch-numerischer Modellierung verbindet. Ein eindimensionales hydrodynamisches Modell beinhaltet die genaue Kenntnis der Geometrie des Flußlaufes und der Vorländer und berücksichtigt die physikalischen Prozesse des Wellenablaufes. Mit diesem deterministischen Modell ist eine Grundlage für umfangreiche Szenarienrechnungen zur Erstellung einer Datenbasis geschaffen, die die weite Spanne theoretisch möglicher Hochwasserereignisse abdeckt. Mit dieser Datenbasis können dann künstliche neuronale Netze trainiert werden, die auch im Bereich extremer Hochwasserereignisse zuverlässige Prognosen liefern. In dieser Arbeit werden mit Multilayer-Feedforward-Netzen und selbstorganisierenden Merkmalskarten zwei Netztypen als Vertreter überwacht und unüberwacht lernender neuronaler Netze auf ihre diesbezügliche Eignung untersucht und beurteilt. Desweiteren wurde die Methodik auf die Einbeziehung von Merkmalen für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse im unbeobachteten Zwischengebiet zur Berücksichtigung lateraler Zuflüsse entlang der modellierten Fließstrecken erweitert. Die Datenbasis wurde hierfür mit einem Niederschlags-Abfluß-Modell erstellt. Ein Hauptschwerpunkt liegt in der Überführung der Eingangsdaten in charakteristische Merkmale zur Abbildung der Zielgrößen, in diesem Falle des Durchflusses und Wasserstandes am Zielpegel. So dienen die deterministischen Modelle nicht nur zur Erstellung einer verläßlichen Datenbasis für das Training der Netze, sondern ermöglichen – sowohl für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse, als auch für die hydrodynamischen Prozesse – Analysen betreffs der Sensitivität der Modellergebnisse infolge von Änderungen der Inputdaten. Mit Hilfe dieser Analysen werden wichtige Informationen zur Findung der relevanten Merkmale erlangt. Ein Schlüssel für die erfolgreiche Eingliederung der Niederschlags-Abfluß-Prozesse in das Prognosenetz ist die Einführung eines einzigen Zustandsmerkmals, welches die gesamte meteorologische Vorgeschichte des Ereignisses zur Charakterisierung des Gebietszustandes vereinigt. Die entwickelte Methodik wurde anhand des Einzugsgebietes der Freiberger Mulde erfolgreich getestet.

Aus den Mängeln bisher verwendeter Modelle zur Abbildung des Wellenablaufes zu Prognosezwecken im Hochwasserfall wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Schnelligkeit und Robustheit künstlicher neuronaler Netze mit der Zuverlässigkeit hydrodynamisch-numerischer Modellierung verbindet. Ein eindimensionales hydrodynamisches Modell beinhaltet die genaue Kenntnis der Geometrie des Flußlaufes und der Vorländer und berücksichtigt die physikalischen Prozesse des Wellenablaufes. Mit diesem deterministischen Modell ist eine Grundlage für umfangreiche Szenarienrechnungen zur Erstellung einer Datenbasis geschaffen, die die weite Spanne theoretisch möglicher Hochwasserereignisse abdeckt. Mit dieser Datenbasis können dann künstliche neuronale Netze trainiert werden, die auch im Bereich extremer Hochwasserereignisse zuverlässige Prognosen liefern. In dieser Arbeit werden mit Multilayer-Feedforward-Netzen und selbstorganisierenden Merkmalskarten zwei Netztypen als Vertreter überwacht und unüberwacht lernender neuronaler Netze auf ihre diesbezügliche Eignung untersucht und beurteilt. Desweiteren wurde die Methodik auf die Einbeziehung von Merkmalen für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse im unbeobachteten Zwischengebiet zur Berücksichtigung lateraler Zuflüsse entlang der modellierten Fließstrecken erweitert. Die Datenbasis wurde hierfür mit einem Niederschlags-Abfluß-Modell erstellt. Ein Hauptschwerpunkt liegt in der Überführung der Eingangsdaten in charakteristische Merkmale zur Abbildung der Zielgrößen, in diesem Falle des Durchflusses und Wasserstandes am Zielpegel. So dienen die deterministischen Modelle nicht nur zur Erstellung einer verläßlichen Datenbasis für das Training der Netze, sondern ermöglichen – sowohl für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse, als auch für die hydrodynamischen Prozesse – Analysen betreffs der Sensitivität der Modellergebnisse infolge von Änderungen der Inputdaten. Mit Hilfe dieser Analysen werden wichtige Informationen zur Findung der relevanten Merkmale erlangt. Ein Schlüssel für die erfolgreiche Eingliederung der Niederschlags-Abfluß-Prozesse in das Prognosenetz ist die Einführung eines einzigen Zustandsmerkmals, welches die gesamte meteorologische Vorgeschichte des Ereignisses zur Charakterisierung des Gebietszustandes vereinigt. Die entwickelte Methodik wurde anhand des Einzugsgebietes der Freiberger Mulde erfolgreich getestet.