Übersicht	EDV-Methoden in den Geowissenschaften

Einstieg in Visual Modflow M. Schulz, Ch. Lindenbeck & H. Ulmer Inhalt dieser Seite Was ist (Visual) MODFLOW ? Erläuterung der Terminologie Programmstart Modellkonfiguration Hilfestellung zur Eingabe Aufgaben Modflow Links im Netz Was ist (Visual) MODFLOW ? Mit dem Programm MODFLOW (McDonald & Harbaugh 1988) kann der Grundwasserfluss in einem Modellgebiet simuliert werden. Es umfasst Algorithmen zur Lösung der Strömungsgleichung auf der Basis der Finite-Differenzen-Methode. Grundwassermodelle können helfen eine geplante Änderung in einem Grundwasserregime vorherzusagen und die den Grundwasserfluss kontrollierenden Parameter zu verstehen. Visual MODFLOW ist eine graphische Benutzeroberfläche zur Erstellung, Bearbeitung und Ausgabe von Strömungs- und Transportmodellen. Die Menüstruktur (schematisch). Erläuterung einiger Fachtermini

Deutsch	Englisch	Erklärung
Aquifer/Aquitard		Grundwasserleiter/Grundwasserstauer
Brunnen	Wells
Diskretisierung	Discretizing	Unterteilung des Modellgebietes in Zellen (Rechtecke, Dreiecke)
Durchlässigkeitsbeiwert, kf-Wert	Conductivity	Gesteinsspezifischer Durchlässigkeitswert
Festpotential	Constant Head	Fest vorgegebene Grundwasserhöhe, z.B. bei einem See
Filterstrecke	Screen	Bereich bei einem Brunnen oder einer Messstelle, deren Rohre durch feine Schlitze den Wassereintritt ermöglichen
Finite-Differenzen (FD) / Finite Elemente (FE)		Methoden zur Lösung der Strömungsgleichung. Diskretisierung bei FD durch rechteckige Zellen, bei FE durch Dreiecke.
Gitternetz	Grid	Darstellung der Diskretisierung
Grundwasserneubildung	Recharge	Durch Niederschlag und Versickerung dem Grundwasser frisch zugeführtes Wasser.
Permeabilität	Conductance	Leitungsfähigkeit des Flussbettes
Randbedingung	Boundary Condition	Eigenschaft des Modellrandes - Festpotential - Zu- u. Abfluss
Speicherkoeffizient	Storage Coefficient	Die Wassermenge, die ein Aquifer pro Einheitsvolumen gespeicherten Wassers freigibt, bei Absenkung der Grundwasseroberfläche.
Stationär	Steady State	Gleichgewichtszustand, bei dem sich Grundwasserhöhen nicht verändern.
Instationär	Transient	Betrachtung der zeitlichen Veränderung der Grundwasserhöhen
Strömungsmodell		Beschreibt die Wasser- od. Fluidbewegung im Untergrund
Transportmodell		Verfrachtung und Vermischung von im Wasser gelösten Stoffen (Grundlage ist ein Strömungsmodell)
ungespannt	unconfined	Entspricht die Grundwasseroberfläche der Grundwasserdruckfläche so spricht man von einem ungespannten oder freien Aquifer.
gespannt	confined	Liegt die Grundwasseroberfläche tiefer als die Grundwasserdruckfläche, nennt man diese Verhältnisse gespannt (z.B. durch einen den Aquifer überlagernden Aquitard).

Programmstart Starten des Programms unter Start ->Programme-> VisualModflow 2.8.2 -> VisualModflow 2.8.2 Verwenden Sie nur kurze, einfache Dateinamen (max. 7 Zeichen, keine Umlaute, Leerzeichen und nie modflow als Name.

Modellkonfiguration Modell abgewandelt und ergänzt nach Kinzelbach & Rausch (1995:145ff). Erzeugen Sie ein finites Differenzennetz eines Modellgebiets mit Visual Modflow. Das Gebiet soll eine Nord-Süd Erstreckung von 600 m und eine West-Ost Erstreckung von 1000 m haben. Diskretisieren Sie mit 50 m x 50 m großen Zellen. Der Aquifer soll eine Mächtigkeit von 20 m haben (1 Layer, 0 - 20 m). Für die Aquiferränder sollen folgende Annahmen getroffen werden: Nord- und Südrand sind undurchlässig. Konstante Piezometerhöhen (constant head) gelten für den Westrand (10 m) und für den Ostrand (1 m). Der Aquifer ist gespannt (confined) und isotrop. Die Durchlässigkeiten werden zunächst für das gesamte Modellgebiet mit Kf=0.001 m/s in x- und y-Richtung und mit Kf=0.0001 m/s für die Vertikale angegeben. Speicherkoeffizienten und Porositäten entnehmen Sie bitte der Grafik unten.

Hilfestellung zur Eingabe: Durchlässigkeiten, Speicherkoeffizienten und Porositäten zunächst für das gesamte Modellgebiet einheitlich angeben.

Konstante Piezometerhöhe des westlichen Modellrandes (10 m) festlegen: Linke Maustaste in Startzelle, rechte Maustaste in letzer Zelle der Linie klicken.

Konstante Piezometerhöhe des östlichen Modellrandes (1 m) festlegen. Starten Sie nun einen ersten Rechenlauf und sehen Sie sich die Geschwindigkeiten und Fliesspfade an (s.u. Aufgabe 1). Ändern Sie erst nachdem Sie ihre Beobachtungen schriftlich festgehalten haben die Durchlässigkeit der Kernzone. Welche Änderungen erwarten Sie?

Durchlässigkeit der Kernzone um den Faktor 10 erhöhen (s.u. Aufgabe 2).

Durchlässigkeit der Kernzone um den Faktor 10 erniedrigen (s.u. Aufgabe 3). Position der Bohrung und der Partikel am Westrand (s.u. Aufgabe 4).

Aufgaben zur Modellierung von Durchlässigkeitsunterschieden Aufgabe 1: Starten Sie einen Rechenlauf für den homogenen Aquifer (ohne Kernzone) und betrachten Sie das Ergebnis (Velocity). Beschreiben Sie ihre Beobachtungen. Aufgabe 2: Von Zelle 8,8 (column, row) bis Zelle 15,5 soll eine gut durchlässige Zone modelliert werden (Kf = 0.01). Column und Row werden links unten angezeigt, wenn Sie den Cursor im Modellgebiet bewegen. Ändern Sie den Kf-Wert für die 400 m x 200 m große Zone und führen Sie die Modellierung durch. Interpretieren Sie das Ergebnis anhand der dargestellten Piezometerhöhen und des Geschwindigkeitsfeldes. Aufgabe 3: Verschlechtern Sie die Durchlässigkeit der Kernzone auf ein Zehntel des umgebenen Aquifers (Kf=0.0001). Erzeugen Sie eine Ausgabe wie unter Aufgabe 2. Interpretieren Sie das Ergebnis anhand der dargestellten Piezometerhöhen und des Geschwindigkeitsfeldes. Aufgabe 4: Fügen Sie am Westrand des Modellgebiets je Zelle einen Partikel in den Aquifer ein. Setzen Sie in der Kernzone eine Bohrung mit einer Filterstrecke die über die gesamte Aquifermächtigkeit reicht. Experimentieren Sie mit der Entnahmerate und beschreiben Sie die Ergebnisse. Stimmen Sie die Pumpleistung so ab, dass zwei der Partikel (Schadstoffquelle in row 6 und 7) gerade mit der Bohrung gefasst werden können (auch ModPath-Modul anklicken). Geben Sie die ermittelte minimale Pumpleistung in Kubikmeter pro Tag und die Position ihres Brunnens an (x, y-Koordinaten stehen neben dem "Well Name" im Brunnen-Eingabefenster). Ihre Interpretationen bitte nur als Text (keine Abbildungen) in Form einer Ascii-Datei (Nachname.txt) unter Ilias hochladen.

Beispiel: So könnte die Geschwindigkeitsverteilung (bei welchen Durchlässigkeiten?) aussehen.

Modflow Links und Quellenangaben Modflow Dokumentationen: Auf den USGS Ground-Water Software Seiten. Kinzelbach, W. & Rausch, R. (1995): Grundwassermodellierung: eine Einführung mit Übungen. Bornträger, Berlin, 283.

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