Vereinbarungen

Eine Grube ist zu Beginn der Flutungssimulation ein vollständig ungesättigter, 3-dimensionaler Bereich, der vollständig oder teilweise unterhalb der Geländeoberfläche liegt. Des Weiteren gilt:

 

• Die zu einer Grube gehörenden Knoten sind durch eine eindeutige Zonennummer gekennzeichnet (Datenart GRUB, Nummerierung > 0).

• Für alle FE-Netz-Knoten der betrachteten Grube, an denen ein Einstrom möglich ist, muss die Randbedingung "freie Aussickerung" (Datenart SICK) definiert sein. Sind zur Wasserhaltung des Grubenbauwerks Dränagen vorhanden, die in die Grube entwässern, können die entsprechenden Knoten mit der Randbedingung "Vorflutpotential und Leakage" zusätzlich mit dem Attribut zur Zonennummerierung der Grube (Datenart GRUB, s.o.) versehen werden.

• Zum Zeitpunkt t=t₀ befindet sich kein Wasser in der Grube (kein Anfangsvolumen).

• Für eine instationäre Berechnung liegt für die betrachtete Grube eine stetig steigende Kurve zur Beschreibung des Verhältnisses des eingestauten Volumens (m³/s) zur Einstauhöhe (m NN) vor.

 

 

Zeitlicher Verlauf des Einstaus einer Grube

Nach jedem Zeitschritt t = t_i wird der Volumenstrom bilanziert, der vom Zeitpunkt t = t₀ bis zum Zeitpunkt t = t_i in die Grube eingeströmt ist. Das Volumen setzt sich zusammen aus dem im betrachteten Zeitschritt t = t_i - t_i-1 eingeströmten Volumen an den Gruben-Knoten und dem bis zum Zeitpunkt t = t_i-1 eingestauten Volumen. Sind Dränagen an die Grube angeschlossen und gemäß der oben geschilderten Definition gekennzeichnet, wird die zugeströmte Menge aus der Dränage zu der Menge in der Grube hinzuaddiert.

Aus dem Volumen V(t_i) wird mit Hilfe der Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung die für den betrachteten Zeitpunkt resultierende Einstauhöhe h(V_i) abgeleitet.

 

 

 

Für jeden Knoten mit der Randbedingung "freie Aussickerung" kann nun über seine vertikale Lage z beurteilt werden, ob dieser noch oberhalb der freien Oberfläche h(V_i) liegt. Für einen Knoten, der unterhalb der freien Oberfläche liegt, wird die Randbedingung von "freie Sickerrandbedingung" in "festes Potential" oder wahlweise in "Vorflut mit Leakage" mit der Höhe h(V_i) geändert. Für alle weiteren Knoten mit der Randbedingung "festes Potential" bzw. "Vorflut mit Leakage" wird die Höhe auf h(V_i) aktualisiert.

Dieses Vorgehen garantiert, dass die durch die Randbedingung "freie Aussickerung" aus dem Modell entnommene Menge durch Definition von Festpotentialen oder Vorflutknoten vollständig wieder zugeführt wird und die Massenerhaltung im Modell somit gegeben bleibt.

Ob die Umänderung von "Sickerknoten" in "Festpotentialknoten" oder in die gedämpfte Randbedingung "Vorflutknoten" erfolgen soll, wird während der Strömungsberechnung festgelegt.

 

Bei Wahl der Vorflutrandbedingung ist die Eingabe eines Knoten-Leakagewertes (Attribut LEKN) erforderlich.

 

 

Überstau einer Grube

Gilt zu einem Zeitpunkt für alle Knoten einer Grube die Randbedingung "festes Potential", gilt die Grube als überflutet. In diesem Fall werden alle (Potential-) Randbedingungen "deaktiviert", so dass die Grube wie ein vollständig gesättigter Teilbereich des Aquifers in die Strömungsberechnung einfließt.

 

Absenkung des Wasserstandes einer Grube

Sinkt der Wasserstand in der Grube, werden umgekehrt zum Einstauvorgang die über der freien Oberfläche liegenden Knoten von der Randbedingung "festes Potential" zurück auf die Randbedingung "freie Aussickerung" gesetzt.

Im Falle des Absenkens des Wasserstandes nach einem Überstau der Grube werden in dem Moment, in dem die Wassermenge aufgrund der Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung nicht mehr die Grube ausfüllt, alle Gruben-Knoten je nach ihrer vertikalen Lage zurück auf die Randbedingung "festes Potential" (unterhalb) bzw. "freie Aussickerung" (oberhalb der freien Oberfläche) gesetzt.

 

Begrenzung des Stauziels

Wird für eine Grube ein maximales Stauziel definiert, so wird ab dem Erreichen dieser Höhe dasjenige Volumen aus dem Modell entnommen, das für jeden Zeitschritt das Einhalten des Einstauzieles gewährleistet. Die Berechnung der zu sümpfenden Menge wird mit Hilfe der Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung durchgeführt. Das Stauziel muss somit innerhalb des Wertebereiches der Funktion liegen.

Eine zeitliche Veränderung des Stauzieles ist über den üblichen Weg mit Hilfe der instationären Eingabedatei möglich. Die Datenart wird mit HMAX beschrieben, die Werte sind auf die Zonennummer der jeweiligen Grube zu beziehen.

 

Wasserzugabe von außerhalb des Modells

Sollen während der Flutungsphase Wässer von außerhalb des Modells in die Grube eingeleitet werden, so können diese als Volumenstrom definiert werden. Wurde für einen Zeitschritt eine solche Menge definiert, wird diese bei der Berechnung der Einstauhöhe mit Hilfe der Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung eingerechnet. Dabei gilt eine mathematisch positive Menge als Zugabemenge in die Grube, eine negative als Entnahme von Flutungswasser.

 

Eine zeitliche Veränderung der Zugabemengen ist über den üblichen Weg mit Hilfe der instationären Eingabedatei möglich. Die Datenart wird mit MENG beschrieben, Werte sind auf die Zonennummer der jeweiligen Grube zu beziehen.

 

Definition der Flutungsparameter in SPRING

Für die Durchführung einer Flutungssimulation nach dem oben beschriebenen Verfahren ist zunächst allen FE-Netz-Knoten, die eine Grube beschreiben, eine eindeutige Nummer auf die Datenart GRUB zuzuweisen. Diese Nummer wird im weiteren Vorgehen als Zonennummer (X) der Grube verwendet.

Wurden Knoten als Grube gekennzeichnet, können über den Menüpunkt Attribute Extras Flutungsparameter die erweiterten Flutungsparameter "Stauziel" und "Zugabemenge" definiert werden. Soll ein gesetzter Parameter gelöscht werden, ist der Eintrag im entsprechenden Feld zu löschen (Feld bleibt leer).

 

 

Definition der Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung für eine instationäre Berechnung

Bei einer instationären Berechnung muss für jede Grube eine stetige Funktion definiert werden, die die Abhängigkeit zwischen eingestautem Volumen und dem Wasserstand in der Grube beschreibt. Dies ist die Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung einer Grube:

 

 

Die Funktion sollte über das gesamte Intervall des Einstauvorgangs, d.h. für alle in der Simulation auftretenden Werte für Volumen und Höhe, definiert sein.

Für die Flutungsberechnung ist die Einstauvolumen-Einstauhöhe-Beziehung für jede Grube im Format CSV (Trennzeichen getrennt) in einer Datei mit der Bezeichnung "grubeX.hv" im Arbeitsverzeichnis bereitzustellen, wobei X die Zonennummer darstellt. Die Datei wird vom Berechnungsmodul automatisch gelesen. Die erste Spalte enthält die Einstauhöhe, die zweite Spalte enthält das Einstauvolumen:

 

10.0,0.0

15.0,234900.0

30.0,511600.0

35.0,602800.0

50.0,783000.0

 

Ergebnisse

Neben den bekannten Ergebnissen (Potentiale, Freie Oberfläche, Ganglinien, usw.) aus der instationären Strömungsberechnung wird bei der Flutungssimulation für jede Grube eine Volumenganglinie erzeugt, die für jeden Zeitschritt das aktuelle Einstauvolumen beschreibt und bei Definition des Stauziels eine Volumenganglinie, die die zu sümpfende Menge beschreibt. Darüber hinaus werden die Mengen für die einzelnen Randbedingungsarten für jeden Zeitschritt gespeichert. Die Datei wird mit der Bezeichnung "gruben.csv" im Arbeitsverzeichnis erzeugt.

 

Beispiel einer Realisierung in SPRING