Food packaging should ensure the safety and quality of food, minimize spoilage and provide an easy way of storing and handling it. Barrier coatings are generally used to meet the demands placed on fibre-based food packages, as these have the ability to regulate the amount of gases that can enter them. Some gases are detrimental to food quality: oxygen, for example, initiates lipid oxidation in fatty foods. Using both experimental data and computer modelling, this thesis explains some aspects of how the structure of barrier coatings influences the mass transport of oxygen with the aim of obtaining essential knowledge that can be used to optimize the performance of barriers. Barrier coatings are produced from polyvinyl alcohol and kaolin blends that are coated onto a polymeric support. The chemical and physical structures of these barriers were characterized according to their influence on permeability in various climates. At a low concentration of kaolin, the crystallinity of polyvinyl alcohol decreased; in the thinner films, the kaolin particles were orientated in the basal plane of the barrier coating. The experimental results indicated a complex interplay between the polymer and the filler with respect to permeability. A computer model for permeability incorporating theories for the filled polymeric layer to include the polymer crystallinity, addition of filler, filler aspect ratio and surrounding moisture was developed. The model shows that mass transport was affected by the aspect ratio of the clay in combination with the clay concentration, as well as the polymer crystallinity. The combined model agreed with the experiments, showing that it is possible to combine different theories into one model that can be used to predict the mass transport. Four barrier coatings: polyethylene, ethylene vinyl alcohol + kaolin, latex + kaolin and starch were evaluated using the parameters of greenhouse gas emissions and product costs. After the production of the barrier material, the coating process and the end-of-life handling scenarios were analysed, it emerged that starch had the lowest environmental impact and latex + kaolin had the highest. / Food packaging is required to secure the safety and quality of food, as well as minimize spoilage and simplify handling. Barrier coatings are generally used to meet the demands placed on fibre-based food packages, as these have the ability to regulate the amount of gases that can enter them. Some gases are detrimental to food quality: oxygen, for example, initiates lipid oxidation in fatty foods. This thesis focuses on the mass transport of oxygen in order to gain deeper knowledge of, and thereby optimise, the performance of barrier coatings. This experimental study, together with computer modelling, characterized the structure of barrier materials with respect to the mass transport process. The performance of the barriers was evaluated based on the parameters of environmental impact and product costs. As the long-term aim is to use non-petroleum-based barrier coatings for packaging, these should be evaluated by assessing the properties of the material in question, its functionality and its environmental impact to provide more insight into which materials are desirable as well as to develop technology. The results from this study indicate that several parameters (the orientation, concentration and aspect ratio of the clay and the polymer crystallinity) influence the properties of a barrier. Using this knowledge, researchers and food packaging engineers can work toward improving and customising renewable barriers. / VIPP

In this thesis, the main objects of study are probability measures on the isomorphism classes of countable, connected rooted graphs. An important class of such measures is formed by unimodular measures, which satisfy a certain equation, sometimes referred to as the intrinsic mass transport principle. The so-called law of a finite graph is an example of a unimodular measure. We say that a measure is sustained by a countable graph if the set of rooted connected components of the graph has full measure. We demonstrate several new results involving sustained unimodular measures, and provide thorough arguments for known ones. In particular, we give a criterion for unimodularity on connected graphs, deduce that connected graphs sustain at most one unimodular measure, and prove that unimodular measures sustained by disconnected graphs are convex combinations. Furthermore, we discuss weak limits of laws of finite graphs, and construct counterexamples to seemingly reasonable conjectures.

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

With the advent of microelectronics and micromechanical systems, the benefits of miniaturized technology became evident. With the discovery of carbon nanotubes by Iijima in 1991, a material has been found that offers superior porperties such as high tensile strength, excellent electrical and heat conductivity while being lightweight, flexible and tunable by the specific atomic arrangement in its structure. The first part of this thesis deals with a new synthesis approach, which combines the known routes of chemical vapour deposition and laser ablation. The results concerning diameter and yield fit well within an established model for the nucleation and growth of carbon nanotubes and extend it by considering a larger parameter space. Furthermore, conventional laser ablation has been used to synthesize C-13 augmented carbon nanotubes, whose diameters depend among the usual synthesis parameters also on the C-13 content, an influence which is in line with the changed thermal conductivities of isotope mixtures. Manipulation of carbon nanotubes inside a transmission electron microscope forms the second part of this thesis. With the help of an in-situ nanomanipulator, several experiments involving the mechanical and electrical properties of carbon nanotubes have been performed. Two-probe resistances of individual nanotubes have been measured and the observation of individual shell failures allowed for the determination of current limits per carbon shell. With the help of electrical current, a nanotube was modified in its electrical characteristics by reshaping its structure. By application of DC-currents or square current pulses, the filling of iron- or cementite-filled multi-wall carbon nanotubes has been found to move in a polarity-defined direction guided by the nanotube walls. Depending on the current, nanotube shape, and composition of the filling different regimes of material transport have been identified, including the reworking of the inner nanotube shells. The application of a high driving current leads to a complete reworking of the host nanotube and the current-induced growth of carbonaceous nanostructures of changed morphology. Utilizing the obtained results, a transport mechanism involving momentum transfer from the electron wind to the filling atoms and a solid filling core during transport is developed and discussed. Finally, measurements of mechanical properties using electrically induced resonant or non-resonant vibrations inside the transmission electron microscope have been observed and important mechanical parameters have been determined with the help of a modified Euler-Bernoulli-beam approach. / Mit dem Aufkommen von Mikroelektronik und mikromechanischen Systemen wurden die Vorteile miniaturisierter Geräte augenscheinlich. Mit der Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Iijima 1991 wurde ein Material gefunden, welches überlegene Eigenschaften wie hohe Festigkeit, exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit zeigt, während es zeitgleich leicht und flexibel ist. Diese Eigentschaften können durch eine Änderung der spezifischen atomaren Anordnung in der Nanoröhrenhülle beeinflusst werden. Der erste Teil dieser Dissertationsschrift behandelt einen neuartigen Syntheseansatz, welche die bekannten Syntheserouten der chemischen Gasphasenabscheidung und Laserablation kombiniert. Die Ergebnisse bezüglich des Durchmessers und der Ausbeute lassen sich gut mit einem etablierten Modell der Nukleation und des Wachstums von Kohlenstoff-Nanoröhren beschreiben - sie erweitern es, indem sie einen größeren Parameterraum berücksichtigen. Des Weiteren wurde konventionelle Laserablation benutzt, um C-13 angereicherte Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen, deren Durchmesser nicht nur von den üblichen Parametern, sondern auch vom C-13 Anteil abhängt. Diese Abhängigkeit geht mit der veränderten thermischen Leitfähigkeit von Isotopenmischungen einher. Die Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhren in einem Transmission-Elektronenmikroskop formt den zweiten Teil der Dissertationschrift. Mit Hilfe eines in-situ Manipulators wurden vielfältige Experimente durchgeführt, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren zu bestimmen. Zweipunktmessungen des Widerstands einzelner Nanoröhren und die Beobachtung des Versagens einzelner Kohlenstoffschichten erlaubte die Bestimmung der Stromtragfähigkeit einzelner Hüllen. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes konnte eine Nanoröhre durch die veränderung der Struktur in ihren elektrischen Eigenschaften verändert werden. Unter Verwendung dauerhaften oder gepulsten Gleichstroms konnte die Eisen- oder Zementit-Füllung der Kohlenstoff-Nanoröhren in eine polaritätsabhängige Richtung bewegt werden. Die Füllung wurde dabei durch die Wände der Nanoröhre geführt. Abhängig von Strom, Form der Nanoröhre und Zusammensetzung der Füllung ließen sich verschiedene Bereiche des Materialtransports identifizieren, u.a. das Umarbeiten einiger innerer Kohlenstoffschichten. Ein hoher Strom hingegen bewirkt eine Umarbeitung der kompletten Nanoröhre und strominduziertes Wachstum von Kohlenstoff-Nanostrukturen mit veränderter Morphologie. Mit Hilfe der gewonnenen Resultate wurde ein Transportmodell entwickelt, welches den Impulstransfer von Elektronen an Füllungsatome sowie einen festen Füllungskern während des Transports diskutiert. Messungen der mechanischen Eigenschaften, welche mit Hilfe von resonanter oder nicht-resonanter elektrischer Anregung von Schwingungen im Transmissions-Elektronenmikroskop durchgeführt wurden bilden den Abschluss der Arbeit. Durch die Beobachtungen konnten mit einem modifizierten Euler-Bernoulli-Balkenmodell wichtige mechanische Eigenschaften bestimmt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

With the advent of microelectronics and micromechanical systems, the benefits of miniaturized technology became evident. With the discovery of carbon nanotubes by Iijima in 1991, a material has been found that offers superior porperties such as high tensile strength, excellent electrical and heat conductivity while being lightweight, flexible and tunable by the specific atomic arrangement in its structure. The first part of this thesis deals with a new synthesis approach, which combines the known routes of chemical vapour deposition and laser ablation. The results concerning diameter and yield fit well within an established model for the nucleation and growth of carbon nanotubes and extend it by considering a larger parameter space. Furthermore, conventional laser ablation has been used to synthesize C-13 augmented carbon nanotubes, whose diameters depend among the usual synthesis parameters also on the C-13 content, an influence which is in line with the changed thermal conductivities of isotope mixtures. Manipulation of carbon nanotubes inside a transmission electron microscope forms the second part of this thesis. With the help of an in-situ nanomanipulator, several experiments involving the mechanical and electrical properties of carbon nanotubes have been performed. Two-probe resistances of individual nanotubes have been measured and the observation of individual shell failures allowed for the determination of current limits per carbon shell. With the help of electrical current, a nanotube was modified in its electrical characteristics by reshaping its structure. By application of DC-currents or square current pulses, the filling of iron- or cementite-filled multi-wall carbon nanotubes has been found to move in a polarity-defined direction guided by the nanotube walls. Depending on the current, nanotube shape, and composition of the filling different regimes of material transport have been identified, including the reworking of the inner nanotube shells. The application of a high driving current leads to a complete reworking of the host nanotube and the current-induced growth of carbonaceous nanostructures of changed morphology. Utilizing the obtained results, a transport mechanism involving momentum transfer from the electron wind to the filling atoms and a solid filling core during transport is developed and discussed. Finally, measurements of mechanical properties using electrically induced resonant or non-resonant vibrations inside the transmission electron microscope have been observed and important mechanical parameters have been determined with the help of a modified Euler-Bernoulli-beam approach. / Mit dem Aufkommen von Mikroelektronik und mikromechanischen Systemen wurden die Vorteile miniaturisierter Geräte augenscheinlich. Mit der Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Iijima 1991 wurde ein Material gefunden, welches überlegene Eigenschaften wie hohe Festigkeit, exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit zeigt, während es zeitgleich leicht und flexibel ist. Diese Eigentschaften können durch eine Änderung der spezifischen atomaren Anordnung in der Nanoröhrenhülle beeinflusst werden. Der erste Teil dieser Dissertationsschrift behandelt einen neuartigen Syntheseansatz, welche die bekannten Syntheserouten der chemischen Gasphasenabscheidung und Laserablation kombiniert. Die Ergebnisse bezüglich des Durchmessers und der Ausbeute lassen sich gut mit einem etablierten Modell der Nukleation und des Wachstums von Kohlenstoff-Nanoröhren beschreiben - sie erweitern es, indem sie einen größeren Parameterraum berücksichtigen. Des Weiteren wurde konventionelle Laserablation benutzt, um C-13 angereicherte Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen, deren Durchmesser nicht nur von den üblichen Parametern, sondern auch vom C-13 Anteil abhängt. Diese Abhängigkeit geht mit der veränderten thermischen Leitfähigkeit von Isotopenmischungen einher. Die Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhren in einem Transmission-Elektronenmikroskop formt den zweiten Teil der Dissertationschrift. Mit Hilfe eines in-situ Manipulators wurden vielfältige Experimente durchgeführt, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren zu bestimmen. Zweipunktmessungen des Widerstands einzelner Nanoröhren und die Beobachtung des Versagens einzelner Kohlenstoffschichten erlaubte die Bestimmung der Stromtragfähigkeit einzelner Hüllen. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes konnte eine Nanoröhre durch die veränderung der Struktur in ihren elektrischen Eigenschaften verändert werden. Unter Verwendung dauerhaften oder gepulsten Gleichstroms konnte die Eisen- oder Zementit-Füllung der Kohlenstoff-Nanoröhren in eine polaritätsabhängige Richtung bewegt werden. Die Füllung wurde dabei durch die Wände der Nanoröhre geführt. Abhängig von Strom, Form der Nanoröhre und Zusammensetzung der Füllung ließen sich verschiedene Bereiche des Materialtransports identifizieren, u.a. das Umarbeiten einiger innerer Kohlenstoffschichten. Ein hoher Strom hingegen bewirkt eine Umarbeitung der kompletten Nanoröhre und strominduziertes Wachstum von Kohlenstoff-Nanostrukturen mit veränderter Morphologie. Mit Hilfe der gewonnenen Resultate wurde ein Transportmodell entwickelt, welches den Impulstransfer von Elektronen an Füllungsatome sowie einen festen Füllungskern während des Transports diskutiert. Messungen der mechanischen Eigenschaften, welche mit Hilfe von resonanter oder nicht-resonanter elektrischer Anregung von Schwingungen im Transmissions-Elektronenmikroskop durchgeführt wurden bilden den Abschluss der Arbeit. Durch die Beobachtungen konnten mit einem modifizierten Euler-Bernoulli-Balkenmodell wichtige mechanische Eigenschaften bestimmt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.:Abstract Zusammenfassung Nomenclature List of Figures List of Tables I Background and Fundamentals 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Structure of the Thesis 1.3 Variable-Density Flow in Literature 2 Theory and Methods 2.1 Governing Equations 2.2 Fluid Properties 2.3 Modelling and Visualization Tools 3 Benchmarks 3.1 Steady-state Unconfined Groundwater Table 3.2 Theis Transient Pumping Test 3.3 Transient Saltwater Intrusion 3.4 Development of a Freshwater Lens II Applications 4 Extended Inverse Distance Weighting Interpolation 4.1 Motivation 4.2 Extension of IDW Method 4.3 Artificial Test and Regional Scale Application 4.4 Summary and Conclusions 5 Modelling Transient Saltwater Intrusion 5.1 Background and Motivation 5.2 Methods and Model Setup 5.3 Simulation Results and Discussion 5.4 Summary, Conclusion and Outlook 6 Gelation of a Dense Fluid 6.1 Motivation 6.2 Methods and Model Setup 6.3 Results and Conclusions 7 Delineating Double-Diffusive Rayleigh Regimes 7.1 Background and Motivation 7.2 Methods and Model Setup 7.3 Results 7.4 Conclusions and Outlook III Summary and Conclusions 8 Important Achievements 9 Conclusions and Outlook Bibliography Publications Acknowledgements Appendix