Karst aquifers can be conceptualized as dual flow systems comprised of a low-conductive matrix with embedded high-conductive conduits / preferential flow zones. Discharge in conduits ranges from low-velocity laminar flow to high-velocity transitional and turbulent flow. Commonly employed continuum models do not account for the specific behavior of transitional and turbulent flow. In response to this limitation, enhancements have been made to MODFLOW, a commonly used groundwater flow model, by adding a discrete conduit network to the matrix continuum (hybrid model). The Conduit Flow Process (CFP) package is the latest realization of this model approach.
CFP Mode 1 (CFPM1) computes laminar and turbulent flow in discrete conduits that are coupled to the laminar continuum model. CFP Mode 2 (CFPM2) accounts for turbulent flow in preferential flow layers by adapting the continuum model. Therefore, laminar hydraulic conduc-tivities are converted into turbulent hydraulic conductivities. CFPM2 was further modified to consider steady turbulent pipe flow. Karst models based on CFPM2 require potentially less input data and computational efforts than karst models based on CFPM1. Furthermore, CFPM2 integrates more easily into MODFLOW versions including e.g. transport models. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrates that continuum models with turbulent flow representation and an additional flow barrier between conduits and matrix can represent karst systems similar to hybrid models.
For simulation of highly transient flow processes in karst conduit systems, i.e. during flood events, it is crucial to consider dynamics such as free-surface flow, wave propagation, and changes between pressurized and non-pressurized conduit flow. The coupled overland- and groundwater flow model MODBRANCH was therefore enhanced to consider unsteady and non-uniform flow processes in karst conduits. Flow in discrete conduits is simulated using the Saint-Venant-equations for free-surface flow. Contrary to overland flow, the cross sectional area of karst conduits is finite. Accordingly, both pressurized and non-pressurized flow may occur within conduits. To simulate pressurized flow, a hypothetical, narrow, open-top slot (Preissmann slot) is added to the conduit crown, which allows the use of the free-surface flow equations for fully filled conduits. Beyond this, the model features a variable time step to consider wave speed variations, for example due to the transition from free-surface to pressurized flow. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrate the significance of free-surface flow representation for variably filled conduits. / Karstgrundwasserleiter können als duale Fließsysteme konzeptionalisiert werden, bestehend aus einer geringdurchlässigen Matrix mit eingebundenen hochdurchlässigen Bereichen, z. B. Karströhren. Der Abfluss in den hochdurchlässigen Bereichen reicht von langsamer laminarer Strömung bis zu schneller turbulenter Strömung. Herkömmliche numerische Grundwasser-strömungsmodelle berücksichtigen nicht die spezifischen Eigenschaften von nicht-laminarer Strömung (Übergangsbereich laminar-turbulent bzw. turbulente Verhältnisse). Ein Ansatz um diese Einschränkung zu umgehen, ist die Erweiterung des laminaren Kontinuums um ein dis-kretes Röhrenmodell, das zustandsabhängig laminare und turbulente Strömung berücksichtigt (Hybridmodell). Eine aktuelle Umsetzung dieses Ansatzes ist Conduit Flow Process (CFP), ein Modul für das weitverbreitete Grundwasserströmungsmodell MODFLOW.
CFP Mode 1 (CFPM1) berechnet laminare und turbulente Strömung in diskreten, mit dem Kontinuummodell gekoppelten Röhren. CFP Mode 2 (CFPM2) berücksichtigt nicht-laminare Strömung in hochdurchlässigen Schichten mit einer angepassten hydraulischen Leitfähigkeit des Kontinuummodells. CFPM2 wurde weiter modifiziert, so dass auch turbulente Strömung in Karströhren berechnet werden kann. Dadurch kann möglicherweise der Parameterbedarf sowie der Rechenaufwand gegenüber Hybrid¬modellen reduziert werden. CFPM2 lässt sich einfach in vorhandene MODFLOW Modelle einbinden, z. B. zur Berechnung von Transportprozessen. Parameterstudien für ein idealisiertes Karsteinzugsgebiet zeigen, dass Kontinuummodelle bei Berücksichtigung der turbulenten Strömung sowie des zusätzlichen hydraulischen Widerstand zwischen Röhren und Matrix, Karstsysteme ähnlich wie Hybridmodelle darstellen.
Zur Simulation von instationären Prozessen in Karströhren, z. B. ausgeprägte Abflusssignale infolge pulsförmiger Grundwasserneubildung, ist es notwendig, dynamische Prozesse infolge Freispiegelabfluss, Wellenausbreitung sowie Wechsel zwischen Abfluss in teil- und vollgefüllten Röhren zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das numerische Modell MODBRANCH, welches ein diskretes Oberflächenwassermodell mit einem Kontinuummodell koppelt, so angepasst, dass instationäre und nichtgleichförmige Abflussprozesse in Karströhren berücksichtigt werden können. Der Abfluss in diskreten Röhren wird dabei mit den Saint-Venant-Gleichungen für Freispiegelabfluss berechnet. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern ist der für den Abfluss zur Verfügung stehende Querschnitt in Karströhren limitiert, so dass sowohl Freispiegel- als auch Druckabfluss innerhalb der Röhren auftreten kann. Druckabfluss wird mit Hilfe eines schmalen virtuellen Schlitzes an der Röhrenoberkante simuliert (Preissmann Schlitz), der auch im Fall vollgefüllter Röhren die Anwendung der Gleichungen für Freispiegelabfluss erlaubt. Durch die Verwendung eines variablen Zeitschrittes kann die geänderte Dynamik beim Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss berücksichtigt werden. Parameterstudien für idealisierte, synthetische Karsteinzugsgebiete demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von Freispiegelabfluss in teilgefüllter Röhren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:26751 |
| Date | 09 July 2012 |
| Creators | Reimann, Thomas |
| Contributors | Liedl, Rudolf, Bauer, Sebastian, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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