Saturday 9 February 2019

Hydrogeologie - Wikipedia


Die Untersuchung der Verteilung und Bewegung von Grundwasser


In diesem Artikel geht es um die unterirdische Hydrologie. Für den Rest des hydrologischen Zyklus siehe Hydrologie.

Hydrogeologie ( hydro bedeutet Wasser und -Geologie bedeutet das Studium der Erde) Geologie, die sich mit der Verteilung und Bewegung von Grundwasser im Boden und Gestein der Erdkruste befasst (üblicherweise in Grundwasserleitern). Die Begriffe Grundwasserhydrologie Geohydrologie und Hydrogeologie werden oft austauschbar verwendet.

Die Grundwassertechnik, ein anderer Name für die Hydrogeologie, ist eine Branche, die sich mit der Grundwasserbewegung und dem Entwurf von Brunnen, Pumpen und Abläufen befasst Wasserqualität [2]

Brunnen sind für den Einsatz in Entwicklungsländern sowie für den Einsatz in Industrienationen an Orten konstruiert, die nicht an ein städtisches Wassersystem angeschlossen sind. Brunnen müssen so konzipiert und gewartet werden, dass die Integrität des Aquifers erhalten bleibt und verhindert wird, dass Verunreinigungen in das Grundwasser gelangen. Bei der Verwendung von Grundwasser kommt es zu Kontroversen, wenn deren Nutzung Auswirkungen auf Oberflächenwassersysteme hat oder wenn menschliche Aktivitäten die Integrität des lokalen Aquifersystems gefährden.




Einleitung [ edit ]


Die Hydrogeologie ist ein interdisziplinäres Subjekt; Es kann schwierig sein, die chemischen, physikalischen, biologischen und sogar rechtlichen Wechselwirkungen zwischen Boden, Wasser, Natur und Gesellschaft vollständig zu berücksichtigen. Die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Grundwasserbewegung und Geologie kann ziemlich komplex sein. Das Grundwasser folgt nicht immer der Oberflächentopographie. Das Grundwasser folgt Druckgradienten (Fluss von hohem zu niedrigem Druck), häufig durch Brüche und Leitungen in umlaufenden Bahnen. Die Berücksichtigung des Zusammenspiels der verschiedenen Facetten eines Mehrkomponentensystems erfordert häufig Kenntnisse in verschiedenen Bereichen sowohl auf experimenteller als auch auf theoretischer Ebene. Das Folgende ist eine traditionellere Einführung in die Methoden und Nomenklatur der gesättigten Hydrologie der Oberfläche.


Hydrogeologie in Bezug auf andere Gebiete [ edit ]



Die Hydrogeologie ist, wie oben erwähnt, ein Zweig der Geowissenschaften, der sich mit dem Fluss von Wasser durch Aquifere und andere flache poröse Medien beschäftigt (normalerweise weniger als 450 m unter der Landoberfläche). Der sehr flache Wasserfluss im Untergrund (die oberen 3 m) ist für die Bereiche Bodenkunde, Landwirtschaft und Tiefbau sowie für die Hydrogeologie relevant. Der allgemeine Fluss von Flüssigkeiten (Wasser, Kohlenwasserstoffe, geothermische Flüssigkeiten usw.) in tieferen Formationen ist auch ein Anliegen von Geologen, Geophysikern und Erdölgeologen. Grundwasser ist eine sich langsam bewegende, viskose Flüssigkeit (mit einer Reynolds-Zahl von weniger als eins); Viele der empirisch abgeleiteten Gesetze des Grundwasserflusses können in der Strömungsmechanik abwechselnd aus dem Sonderfall des Stokes-Flusses (Viskositäts- und Druckterme, aber kein Inertialterm) abgeleitet werden.

Die mathematischen Beziehungen, die zur Beschreibung des Wasserstroms durch poröse Medien verwendet werden, sind die Diffusions- und Laplace-Gleichungen, die in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Die konstante Grundwasserströmung (Laplace-Gleichung) wurde unter Verwendung elektrischer, elastischer und Wärmeleitungsanalogien simuliert. Die transiente Grundwasserströmung ist analog zur Diffusion von Wärme in einem Feststoff. Daher wurden einige Lösungen für hydrologische Probleme aus der Literatur zur Wärmeübertragung übernommen.

Traditionell wurde die Bewegung des Grundwassers getrennt von Oberflächenwasser, Klimatologie und sogar den chemischen und mikrobiologischen Aspekten der Hydrogeologie untersucht (die Prozesse sind nicht gekoppelt). Mit der Reifung der Hydrogeologie werden die starken Wechselwirkungen zwischen Grundwasser, Oberflächenwasser, Wasserchemie, Bodenfeuchtigkeit und sogar dem Klima klarer.

Kalifornien und Washington erfordern beide eine besondere Zertifizierung von Hydrogeologen, um der Öffentlichkeit professionelle Dienstleistungen anbieten zu können. 29 Staaten benötigen eine professionelle Zulassung für Geologen, um ihre Dienstleistungen der Öffentlichkeit anbieten zu können, wozu häufig Arbeiten auf den Gebieten der Entwicklung, Bewirtschaftung und / oder Sanierung von Grundwasserressourcen gehören. [3]

Zum Beispiel Ein Grund für das Ziehen oder Überziehen von Aquifer und das Pumpen von fossilem Wasser kann zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen. [4]


Definitionen und Materialeigenschaften [ edit


Eine der Hauptaufgaben a Ein Hydrogeologe führt typischerweise die Vorhersage des zukünftigen Verhaltens eines Aquifer-Systems durch, basierend auf der Analyse früherer und gegenwärtiger Beobachtungen. Einige hypothetische, aber charakteristische Fragen wären:


  • Kann der Aquifer eine weitere Unterteilung unterstützen?

  • Wird der Fluss austrocknen, wenn der Landwirt seine Bewässerung verdoppelt?

  • Sind die Chemikalien aus der Trockenreinigungsanlage durch den Aquifer zu meinem Brunnen gefahren und haben mich krank gemacht? [19659021WirddieAbwasserfahnediedasseptischeSystemmeinesNachbarnverlässtzumeinemTrinkwasserbrunnenfließenkönnen?

Die meisten dieser Fragen können durch Simulation des hydrologischen Systems (unter Verwendung numerischer Modelle oder analytischer Gleichungen) gelöst werden. Die genaue Simulation des Aquifersystems erfordert Kenntnisse über die Eigenschaften und Randbedingungen des Aquifers. Daher besteht eine häufige Aufgabe des Hydrogeologen darin, die Eigenschaften des Aquifers durch Aquifer-Tests zu bestimmen.

Zur weiteren Charakterisierung von Aquiferen und Aquitards werden im Folgenden einige primäre und abgeleitete physikalische Eigenschaften vorgestellt. Grundwasserleiter werden allgemein als entweder begrenzt oder unbeschränkt (Grundwasserleiter) eingestuft und entweder gesättigt oder ungesättigt; Die Art des Grundwasserleiters beeinflusst, welche Eigenschaften den Wasserfluss in diesem Medium steuern (z. B. hängt die Freisetzung von Wasser aus dem Speicher für eingeschlossene Grundwasserleiter mit der Lagerfähigkeit zusammen, während es mit dem spezifischen Ertrag für nicht begrenzte Grundwasserleiter zusammenhängt).


Aquifer [ edit ]


Typischer Aquifer-Querschnitt


Ein Aquifer ist eine Ansammlung von Wasser unter der Oberfläche, groß genug, um in einer Quelle oder einem Brunnen nützlich zu sein. Grundwasserleiter können uneingeschränkt sein, wenn die Oberseite des Grundwasserleiters durch den Wassertisch definiert ist, oder eingeschlossen, wo sich der Grundwasserleiter unter einem Bett befindet. [5]

Es gibt drei Aspekte, die die Natur bestimmen von Grundwasserleitern: Stratigraphie, Lithologie und geologische Formationen und Lagerstätten. Die Stratigraphie bezieht sich auf das Alter und die Geometrie der vielen Formationen, aus denen der Grundwasserleiter besteht. Die Lithologie bezieht sich auf die physikalischen Komponenten eines Aquifers, wie z. B. die Mineralzusammensetzung und die Korngröße. Die strukturellen Merkmale sind die Elemente, die aufgrund von Verformungen nach der Ablagerung entstehen, wie z. B. Brüche und Falten. Das Verständnis dieser Aspekte ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie ein Aquifer gebildet wird und wie er von Fachleuten für die Grundwassertechnik eingesetzt werden kann. [6]


Hydraulikkopf [ edit



Unterschiede im Hydraulikkopf () ] h ) bewirkt, dass sich Wasser von einem Ort zum anderen bewegt; Wasser fließt von Orten mit hohem h zu Orten mit niedrigem h. Der Hydraulikkopf besteht aus einem Druckkopf ( ψ ) und einem Elevationskopf ( z ). Der Kopfgradient ist die Änderung des hydraulischen Kopfes pro Strömungsweglänge und erscheint im Gesetz von Darcy als proportional zur Entladung.

Der hydraulische Druckkopf ist eine direkt messbare Eigenschaft, die einen beliebigen Wert annehmen kann (aufgrund des willkürlichen Datums, an dem z beteiligt ist); [1945 kann mit einem Druckwandler gemessen werden (dieser Wert kann negativ sein, z. B. Sog, ist aber in gesättigten Aquiferen positiv) und z kann relativ zu einem vermessenen Datum gemessen werden ( normalerweise die Oberseite des Schachtgehäuses). Üblicherweise wird in Bohrlöchern, die auf unbeschränkte Aquifere tippen, der Wasserstand in einem Bohrloch als Stellvertreter für den Hydraulikkopf verwendet, vorausgesetzt, es gibt keinen vertikalen Druckgradienten. Häufig werden nur Änderungen in der hydraulischen Druckhöhe durch die Zeit benötigt, so dass der konstante Elevationskopf-Term weggelassen werden kann ( Δh = Δψ ).

Eine Aufzeichnung der hydraulischen Druckhöhe durch die Zeit an einem Bohrloch ist eine Flusslinie oder die Änderungen, die während des Pumpens eines Bohrlochs in einem Test aufgezeichnet wurden, werden als Absenkung bezeichnet.


Porosität [ edit ]



Porosity ( n ) ist ein direkt messbares Grundwasserleitergrundstück; es ist ein Bruch zwischen 0 und 1, der den Porenraum zwischen nicht verfestigten Bodenteilchen oder innerhalb eines gebrochenen Gesteins angibt. Normalerweise bewegt sich der Großteil des Grundwassers (und alles, was darin gelöst ist) durch die zum Fließen verfügbare Porosität (manchmal als effektive Porosität bezeichnet). Permeabilität ist Ausdruck der Verbundenheit der Poren. Zum Beispiel kann eine ungebrochene Gesteinsformation eine hohe Porosität haben (sie hat viele Löcher zwischen ihren konstituierenden Körnern), aber eine geringe Permeabilität (19459009) (keine der Poren sind verbunden). Ein Beispiel für dieses Phänomen ist Bimsstein, der im unversehrten Zustand einen schlechten Aquifer bilden kann.

Die Porosität beeinflusst die Verteilung der Druckwasserhöhe in einem Grundwasserleiter nicht direkt, hat jedoch einen sehr starken Einfluss auf die Migration gelöster Verunreinigungen, da sie die Strömungsgeschwindigkeiten des Grundwassers durch eine umgekehrt proportionale Beziehung beeinflusst.


Wassergehalt [ edit ]



Der Wassergehalt ( θ ) ist auch eine direkt messbare Eigenschaft; es ist der Bruchteil des gesamten Gesteins, der mit flüssigem Wasser gefüllt ist. Dies ist auch ein Bruch zwischen 0 und 1, muss aber auch kleiner oder gleich der Gesamtporosität sein.

Der Wassergehalt ist in der Vadosezonen-Hydrologie sehr wichtig, wo die hydraulische Leitfähigkeit eine stark nichtlineare Funktion des Wassergehalts ist. Dies erschwert die Lösung der Gleichung der ungesättigten Grundwasserströmung.


Hydraulische Leitfähigkeit [ edit ]



Hydraulische Leitfähigkeit ( K ) und Durchlässigkeit ( T ) sind indirekte Aquifer-Eigenschaften (sie können nicht sein) direkt gemessen). T ist der K integriert über die vertikale Dicke ( b ) des Grundwasserleiters ( T = Kb K K ) ] ist über die gesamte Dicke konstant). Diese Eigenschaften sind ein Maß für die Fähigkeit eines Aquifers, Wasser zu übertragen. Die intrinsische Permeabilität ( κ ) ist eine sekundäre Mediumseigenschaft, die nicht von der Viskosität und Dichte der Flüssigkeit abhängt ( K und T sind wasserspezifisch). es wird mehr in der Erdölindustrie verwendet.


Spezifische Lagerung und spezifischer Ertrag [ edit ]



Spezifische Lagerung ( S s ) und deren Tiefenintegration, Speicherfähigkeit () S = S s b ) sind indirekte Grundwasserleiter-Eigenschaften (sie können nicht direkt gemessen werden); Sie geben die Menge an Grundwasser an, die aus der Lagerung aufgrund einer Druckentlastung eines eingeschlossenen Grundwasserleiters freigesetzt wird. Sie sind Brüche zwischen 0 und 1.

Der spezifische Ertrag ( S y ) ist ebenfalls ein Verhältnis zwischen 0 und 1 ( S y ≤ Porosität) und gibt die Menge an freigesetztem Wasser an Entwässerung durch Absenken des Grundwasserspiegels in einem nicht begrenzten Aquifer. Der Wert für die spezifische Ausbeute ist niedriger als der Wert für die Porosität, da etwas Wasser auch nach der Drainage aufgrund intermolekularer Kräfte im Medium verbleibt. Häufig wird die Porosität oder effektive Porosität als obere Grenze für die spezifische Ausbeute verwendet. Typischerweise ist S y um Größenordnungen größer als S s .


Schadstofftransporteigenschaften [ edit ]


Oft sind wir daran interessiert, wie das bewegte Grundwasser gelöste Schadstoffe (das Unterfeld der Schadstoffhydrogeologie) in der Umgebung transportiert. Die Verunreinigungen können künstlich hergestellt sein (z. B. Erdölprodukte, Nitrat, Chrom oder Radionuklide) oder natürlich vorkommen (z. B. Arsen, Salzgehalt). Auf der Grundlage der oben diskutierten anderen hydrologischen Eigenschaften müssen Sie nicht nur wissen, wo das Grundwasser fließt, sondern auch weitere Eigenschaften des Aquifers, die sich darauf auswirken, wie sich gelöste Schadstoffe im Grundwasser bewegen.


Transport und Verbleib von Schadstoffen im Grundwasser

Hydrodynamische Dispersion [ edit ]


Hydrodynamische Dispersivität (α L α T T ) ist ein empirischer Faktor, der quantifiziert, wie viele Schadstoffe von dem Pfad des Grundwassers abkommen, das ihn befördert. Einige der Verunreinigungen befinden sich hinter dem mittleren Grundwasser "oder" voraus ", was zu einer longitudinalen Dispersivität führt (α L ), und einige werden" an den Seiten "des reinen advektiven Grundwasserstroms liegen. was zu einer Querdispersivität führt (α T ). Die Dispersion im Grundwasser entsteht, weil jedes Wasser- "Teilchen", das über ein Bodenteilchen hinausgeht, sich entscheiden muss, ob es links oder rechts oder oben oder unten geht, so dass sich die Wasser- "Teilchen" (und ihr gelöster Stoff) allmählich in alle Richtungen ausbreiten um den mittleren Weg. Dies ist der "mikroskopische" Mechanismus auf der Skala der Bodenteilchen. Wichtiger können auf weite Entfernungen die makroskopischen Inhomogenitäten des Aquifers sein, die Bereiche mit größerer oder kleinerer Permeabilität haben können, so dass etwas Wasser einen bevorzugten Weg in eine Richtung finden kann, andere in eine andere Richtung, so dass die Verunreinigung auftritt kann völlig unregelmäßig ausgebreitet werden, wie in einem (dreidimensionalen) Delta eines Flusses.

Die Dispersivität ist tatsächlich ein Faktor, der unseren Mangel an Informationen über das System, das wir simulieren, darstellt. Es gibt viele kleine Details über den Grundwasserleiter, die gemittelt werden, wenn ein makroskopischer Ansatz verwendet wird (z. B. winzige Schüttungen aus Kies und Ton in Sandwasserleitern). Sie manifestieren sich als scheinbare Dispersion (19459009). Aus diesem Grund wird behauptet, dass α häufig von der Länge des Problems abhängig ist - die Dispersivität, die für den Transport durch 1 m 3 des Grundwasserleiters gefunden wird, unterscheidet sich von der für den Transport durch 1 cm 3 des gleichen Aquifer-Materials. [7]


Molekulare Diffusion [ edit ]


Die Diffusion ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das Einstein als Brownsche Bewegung bezeichnet, das die zufällige thermische Bewegung von Molekülen beschreibt und kleine Partikel in Gasen und Flüssigkeiten. Dies ist ein wichtiges Phänomen für kleine Entfernungen (es ist wesentlich für das Erreichen thermodynamischer Gleichgewichte), aber da die Zeit, die erforderlich ist, um eine Entfernung durch Diffusion zu überwinden, proportional zum Quadrat der Entfernung selbst ist, ist es für das Verteilen eines gelösten Stoffes unwirksam makroskopische Entfernungen. Der Diffusionskoeffizient D ist in der Regel ziemlich klein, und seine Wirkung kann oft als vernachlässigbar angesehen werden (es sei denn, die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers ist extrem niedrig, da sie in Tonwasserdickern vorkommen).

Es ist wichtig, Diffusion nicht mit Dispersion zu verwechseln, da erstere ein physikalisches Phänomen ist und letztere ein empirischer Faktor ist, der in eine ähnliche Form wie Diffusion gebracht wird, da wir bereits wissen, wie man dieses Problem löst.


Verzögerung durch Adsorption [ edit ]


Der Verzögerungsfaktor ist ein weiteres sehr wichtiges Merkmal, das die Bewegung des Schadstoffs von der durchschnittlichen Grundwasserbewegung ablenken lässt. Es ist analog zum Retardationsfaktor der Chromatographie. Im Gegensatz zu Diffusion und Dispersion, bei der die Verunreinigung einfach verteilt wird, ändert der Verzögerungsfaktor seine globale Durchschnittsgeschwindigkeit so dass er viel langsamer als die von Wasser sein kann. Dies ist auf einen chemisch-physikalischen Effekt zurückzuführen: Die Adsorption an den Boden, die die Verunreinigung zurückhält und nicht fortschreitet, bis die dem chemischen Adsorptionsgleichgewicht entsprechende Menge adsorbiert wurde. Dieser Effekt ist besonders wichtig für weniger lösliche Verunreinigungen, die sich sogar hunderte oder tausende Male langsamer bewegen können als Wasser. Dieses Phänomen bewirkt, dass nur löslichere Spezies große Entfernungen zurücklegen können. Der Verzögerungsfaktor hängt von der chemischen Natur des Schadstoffs und des Aquifers ab.


Geschichte und Entwicklung [ edit ]


Henry Darcy, dessen Arbeit die Grundlagen der quantitativen Hydrogeologie legte

Henry Darcy: 19. Jahrhundert ]]


Henry Darcy war ein französischer Wissenschaftler, der Fortschritte im Fluss von Flüssigkeiten durch poröse Materialien machte. Er führte Experimente durch, die die Bewegung von Flüssigkeiten durch Sandkolonnen untersuchten. Diese Experimente führten zur Bestimmung des Darcy'schen Gesetzes, das den Flüssigkeitsstrom durch ein Medium mit hoher Porosität beschreibt. Darcys Werk gilt als Beginn der quantitativen Hydrogeologie. [8]


Oscar Edward Meinzer: 20. Jahrhundert [ edit


Oscar Edward Meinzer war ein US-amerikanischer Wissenschaftler, der oft als "Vater" bezeichnet wird der modernen Grundwasserhydrologie ". Er vereinheitlichte Schlüsselbegriffe im Feld und bestimmte Grundsätze hinsichtlich des Auftretens, der Bewegung und der Entlassung. Er hat bewiesen, dass der Wasserstrom Darcys Gesetz befolgt. Er schlug auch den Einsatz geophysikalischer Methoden und Schreiber für Brunnen vor und schlug Pumpversuche vor, um quantitative Informationen über die Eigenschaften von Grundwasserleitern zu sammeln. Meinzer hob außerdem hervor, wie wichtig es ist, die Geochemie des Wassers zu studieren, sowie die Auswirkungen hoher Salzgehalte in Aquiferen. [9]


Gleichungen [


Darcy's Law edit ]



Das Gesetz von Darcy ist eine konstitutive Gleichung, die von Henry Darcy im Jahr 1856 empirisch abgeleitet wurde und die besagt, dass die Menge des Grundwassers, das durch einen bestimmten Teil des Grundwasserleiters abfließt, proportional zur Strömungsquerschnittsfläche ist der hydraulische Gradient und die hydraulische Leitfähigkeit.


Grundwasserströmungsgleichung [ edit ]



Geometrie eines teilweise durchdringenden Brunnenentwässerungssystems in einem anisotropen geschichteten Aquifer

Die Grundwasserströmungsgleichung beschreibt dies in ihrer allgemeinsten Form Bewegung von Grundwasser in einem porösen Medium (Aquifere und Aquitards). Es ist in der Mathematik als Diffusionsgleichung bekannt und hat viele Analoge auf anderen Gebieten. Viele Lösungen für Grundwasserströmungsprobleme wurden von bestehenden Wärmeübertragungslösungen übernommen oder angepasst.

Sie wird oft von einer physikalischen Basis abgeleitet, wobei das Gesetz von Darcy und eine Massenerhaltung für ein kleines Kontrollvolumen verwendet werden. Die Gleichung wird häufig verwendet, um den Fluss in Wells, die radiale Symmetrie haben, vorherzusagen. Daher wird die Flussgleichung normalerweise in polaren oder zylindrischen Koordinaten gelöst.

Die Theis-Gleichung ist eine der am häufigsten verwendeten und grundlegenden Lösungen für die Grundwasserströmungsgleichung; Es kann verwendet werden, um die vorübergehende Entwicklung des Druckkopfes aufgrund der Auswirkungen des Pumpens eines oder mehrerer Pumpschächte vorherzusagen.

Die Thiem-Gleichung ist eine Lösung der Gleichgewichtsströmungsgleichung (Laplace-Gleichung) für den Fluss in einen Brunnen. Wenn keine großen Wasserquellen in der Nähe sind (ein Fluss oder ein See), wird der tatsächliche stationäre Zustand in der Realität selten erreicht.

Beide obigen Gleichungen werden in Aquifer-Tests (Pumpentests) verwendet.

Die Hooghoudt-Gleichung ist eine Grundwasserströmungsgleichung, die auf die unterirdische Entwässerung durch Rohre, Fliesenabflüsse oder Gräben angewendet wird. [10] Eine alternative Methode zur unterirdischen Entwässerung ist die Entwässerung von Brunnen, für die auch Grundwasserströmungsgleichungen verfügbar sind. [11]


Berechnung des Grundwassers flow [ edit ]


Relative Grundwasserlaufzeiten.

Verwendung der Grundwasserströmungsgleichung zum Schätzen der Verteilung von Hydraulikköpfen.
oder Richtung und Geschwindigkeit der Grundwasserströmung muss diese partielle Differentialgleichung (PDE) gelöst werden. Die gebräuchlichsten Mittel zur analytischen Lösung der Diffusionsgleichung in der Literatur zur Hydrogeologie sind:


Unabhängig von der Methode, mit der wir die Grundwasserströmungsgleichung lösen, brauchen wir beide Ausgangsbedingungen
(Köpfe zur Zeit ( t ) = 0) und Randbedingungen (entweder die physischen
Grenzen der Domäne oder eine Annäherung der Domäne darüber hinaus
Punkt). Oft werden die Anfangsbedingungen an einen Übergang angelegt
Simulation, durch eine entsprechende stationäre Simulation (wo die Zeit
Ableitung in der Grundwasserströmungsgleichung wird auf 0 gesetzt.

Es gibt zwei große Kategorien, wie die PDE gelöst werden würde. entweder
Analysemethoden, numerische Methoden oder irgendetwas dazwischen. Typischerweise lösen analytische Verfahren die Grundwasserströmungsgleichung unter vereinfachten Bedingungen exakt während numerische Verfahren sie unter allgemeineren Bedingungen zu einer Annäherung von lösen.


Analysemethoden [ edit ]


Analysemethoden verwenden normalerweise die Struktur der Mathematik, um zu einer einfachen, eleganten Lösung zu gelangen, aber die erforderliche Herleitung für alle außer den einfachsten Domänengeometrien kann sein ziemlich komplex (mit nicht standardmäßigen Koordinaten, konformes Mapping usw.). Analyselösungen sind in der Regel auch eine einfache Gleichung, die auf Basis einiger grundlegender Parameter eine schnelle Antwort liefert. Die Theis-Gleichung ist eine sehr einfache (aber dennoch sehr nützliche) analytische Lösung für die Grundwasserströmungsgleichung, die normalerweise zur Analyse der Ergebnisse eines Aquifer-Tests oder eines Slug-Tests verwendet wird.


Numerische Methoden [ edit ]


Das Thema der numerischen Methoden ist recht groß und für die meisten Bereiche der Ingenieurwissenschaften und der Wissenschaft im Allgemeinen von Nutzen. Numerische Methoden gibt es schon viel länger als Computer (in den 1920er Jahren entwickelte Richardson einige der heute noch verwendeten endlichen Differenzierungsschemata, die jedoch von Hand mit Papier und Bleistift und mit menschlichen "Taschenrechnern" berechnet wurden), sind jedoch geworden sehr wichtig durch die Verfügbarkeit schneller und günstiger PCs. Ein kurzer Überblick über die wichtigsten in der Hydrogeologie verwendeten numerischen Methoden und einige der grundlegendsten Prinzipien sind unten aufgeführt und werden im Artikel über Grundwassermodelle näher erläutert.

Es gibt zwei große Kategorien numerischer Methoden: gerasterte oder diskretisierte Methoden und nicht gerasterte oder netzfreie Methoden. Bei der gemeinsamen Finite-Differenz-Methode und der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird die Domäne vollständig gerastert ("schneiden" in ein Gitter oder ein Netz aus kleinen Elementen). Die analytische Elementmethode (AEM) und die Grenzintegralgleichungsmethode (BIEM - manchmal auch als BEM oder Boundary Element Method bezeichnet) werden nur an Grenzen oder entlang von Flusselementen (Liniensenken, Flächenquellen usw.) diskretisiert Domain ist Mesh-frei.


Allgemeine Eigenschaften von Rasterverfahren [ edit ]


Rasterverfahren wie Finite-Differenzen- und Finite-Elemente-Methoden lösen die Grundwasserströmungsgleichung durch Aufteilen des Problembereichs (Domäne) in viele kleine Elemente ( Quadrate, Rechtecke, Dreiecke, Blöcke, Tetraeder usw.) und Lösen der Fließgleichung für jedes Element (alle Materialeigenschaften werden als konstant oder möglicherweise linear innerhalb eines Elements bezeichnet) und verbinden dann alle Elemente unter Verwendung der Massenerhaltung über die Grenzen hinweg zwischen den Elementen (ähnlich dem Divergenzsatz). Dies führt zu einem System, das sich der Grundwasserströmungsgleichung insgesamt annähert, aber genau mit den Randbedingungen übereinstimmt (der Kopf oder Fluss wird in den Elementen angegeben, die die Grenzen schneiden).

Finite Differenzen sind eine Möglichkeit, fortlaufende Differentialoperatoren unter Verwendung diskreter Intervalle darzustellen ( Δx und Δt ), und die Methoden der endlichen Differenz basieren auf diesen (sie basieren auf einem Taylor Serie). Beispielsweise wird die Zeitableitung erster Ordnung häufig unter Verwendung der folgenden endlichen Vorwärtsdifferenz angenähert, wobei die Indizes einen diskreten Zeitort angeben.