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Band/volume 12: HAUNS M. (2000): Modelling tracer and particle transport under turbulent flow conditions in karst conduit structures

A computational fluid dynamics model (CFD) is used to calculate flow in example-types of karst conduit geometries on a decametric scale. Simulations of tracer experiments show the influence of conduit geometry on the tracer breakthrough curve (BTC) on this scale. Tailing of the falling limb of the curve can be observed and is due to tracer captured in stagnant water. A new BTC fitting and interpretation method is developed. It is based on an analytical solution of the transport equation and allows the quantification of the tailing. The results of the numerical simulations are confirmed by laboratory tracer experiments and field tests. The numerical flow solutions are also used to predict deposition rates of suspended colloids and particles in a karst aquifer.

Deutsche Zusammenfassung: 

Der Schutz der Grundwasservorkommen in Karstgebieten ist ein wichtiges Thema in vielen Regionen der Schweiz und in anderen Ländern. Karstaquifere haben Grundwasserfluss einerseits in der wenig durchlässigen Gesteinsmatrix, andererseits in hochdurchlässigen Klüften und Höhlen. Der Abfluss in diesem hochdurchlässigen Leitungsnetz beeinflusst sowohl die Durchgangskurven von Experimenten mit löslichen Tracern als auch das Sedimentationsverhalten suspendierter Partikel.
Kleinskalige Tracerversuche in Höhlenflüssen zeigen ein merkliches Tailing im abfallenden Ast der Durchgangskurve. Dies führt zu der Feststellung, dass ein lineares Darcy-Modell nicht geeignet ist zur Beschreibung der Fließprozesse in einem Karstkluftnetzwerk. In der vorliegenden Arbeit werden diese Fließprozesse mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen, des k-E Turbulenzmodells und der Methode der finiten Volumen beschrieben.
Um diesen Ansatz anwenden zu können, wird ein detailliertes konzeptionelles Modell für Karstkluftnetzwerke benötigt. Zu diesem Zweck wurde die Höhle von Milandre (Ajoie, Schweiz) näher untersucht. Die Gerinneform von Höhlenflüssen ist charakterisiert durch einen Wechsel von schießendem und strömendem Abfluss (drop-pool oder riffle-pool sequence). Die auftretenden Gerinnegeometrien können durch einige Grundtypen (exampletypes) beschrieben werden. Für die physikalischen Prozesse, die hier untersucht werden, sind Geometrien mit hohem Anteil an stehendem Wasser am interessantesten.
Die Strömung in den Gerinneform-Grundtypen wird mittels eines numerischen Strömungsmodells (CFD-Modell) berechnet. Die Länge der berechneten Geometrien liegt im Meter- bis Dekameterbereich. Das Strömungsmodell ist dreidimensional. Freie Oberflächen und schießender Abfluss können mittels eines Zweiphasenansatzes für Wasser und Luft berechnet werden. Bei ebener Wasseroberfläche mit apriori bekannter Position, wie sie bei strömendem Abfluss und Geometriegröße im Meterbereich vorliegt, wird die "rigid-lid"-Näherung angewandt. Dies erlaubt die Berechnung des Tracerdurchgangs auf einem zeitlich konstanten Geschwindigkeitsfeld und somit eine große Ersparnis an Rechenaufwand. Mit der erreichten räumlichen Diskretisierung werden Kehrströmungen verschiedener Größe aufgelöst, nicht jedoch die Wirbelstraße zwischen Kehrwasser und Hauptströmung. Die Visualisierungsplattform ZoomIn, die am Institut für Informatik der Universität Neuchatel entwickelt wurde, erlaubt die graphische Darstellung komplexer Strömungsmuster.
Eine neue Methode zur Anpassung und Interpretation der Tracerdurchgangskurven wurde entwickelt. Diese Methode geht von einer analytischen Lösung der Transportgleichung aus und erlaubt die Quantifizierung des Tailings.
Um Tracerversuche im Gerinne unter Laborbedingungen durchführen zu können, wurde ein Labormodell (durchströmtes Bassin) gebaut. Die durchgeführten Versuche bestätigen die Hypothese, dass das beobachtete Tailing durch Kehrströmungen hervorgerufen wird. Der Vergleich des Labormodells mit dem numerischen Strömungsmodell zeigt einige Unterschiede bei der Form der Tracerwolke, die vermutlich auf die beschränkte Auflösung des Turbulenzmodells zurückzuführen sind.
Mit Hilfe von Transferfunktionen können die Ergebnisse des numerischen Modells zu mesoskaligen Szenarios extrapoliert werden.
Die Sedimentation suspendierter Partikel wird mittels der Scherkräfte am Grund berechnet. Die Sedimentationsraten in einem Becken hängen von der räumlichen Verteilung der Scherkräfte ab, welche im numerischen Strömungsmodell berechnet sind.
Der Vergleich zwischen numerischer Modellierung und Experiment zeigt sowohl für den Tracertransport als auch für die Sedimentation suspendierter Partikel ermutigende Ergebnisse.

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