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ROCKFLOW - Numerische Simulation von Stroemung, Stoff- und Waermetransport im Festgestein

Fuer zahlreiche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Deponierung von Abfaellen, der Altlastensanierung, der Grundwassergewinnung und der Nutzung geothermischer Energie sind Modelluntersuchungen im Kluftgestein durchzufuehren. Dabei sind einerseits geringleitende Formationen fuer die Deponierung von Interesse, die eine wirksame geologische Barriere zur Isolierung von Schadstoffen bilden, andererseits geht es um die Bewirtschaftung von Aquiferen zur Grund- und Thermalwassergewinnung. Die Simulation von Stroemungs- und Transportprozessen in klueftig-poroesen Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern stellt spezifische Anforderungen an die modelltechnische Umsetzung, die aus der signifikanten Inhomogenitaet des klueftigen Untergrunds erwachsen. Zur numerischen Simulation solcher Vorgaenge ist das Finite-Elemente-Programmsystem ROCKFLOW entwickelt worden. Das Programm besteht aus einer Reihe von FE-Rechnenkernen (Kernels), welche die prozessspezifischen Differentialgleichungen mittels Galerkin-FEM approximieren. Diese Rechenkerne sind miteinander verknuepfbar (Models), so dass gekoppelte Prozesse (z.B. Tracertransport durch eine Gasstroemung) simuliert werden koennen. Physikalische Prozesse: Folgende physikalische Prozesse sind modellierbar: - Grundwasserstroemung (Sicker- und Kluftstroemung) - Gasstroemung (kompressible Fluide) - Mehrphasenstroemungen (Systeme aus in- und kompressiblen Fluiden) - nicht- (Forchheimer) und liniare Fliessgesetze (Darcy) - hydrodynamische Dispersion (Scheidegger-Ansatz) - Zerfallreaktionen - nicht- (Freundlich, Langmuir) und lineare Gleichgewichtssorption (Henry) - Dichtestroemungen. Numerik: ROCKFLOW ist ein Finite-Elemente-Simulator, wobei verschieden-dimensionale isoparametrische Elemente beliebig im Raum koppelbar sind. Auf der Basis der Methode der gewichteten Residuen wird eine zur prozessbeschreibenden Differentialgleichung aequivalente sog. 'schwache' Integralformulierung abgeleitet. Es stehen verschiedene Loeser zur Verfuegung (Gauss, BiCGSTAB, QMRCGSTAB), um die resultierenden albebraischen Gleichungssysteme zu loesen. Nichtlineare Probleme werden mit Picard- oder Newton-Verfahren behandelt. Gitteradaption: Ab der dritten Version stehen Methoden fuer eine problemangepasste Gitteradaption zur Verguegung. Der Algorithmus zur Gitteradaption basiert auf einem hierarischen Konzept zur Verfeinerung und Vergroeberung gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente. Diskretisierungsfehler koennen entweder mit heuristischen Indikatoren oder einem analytischem Estimator lokalisiert und quantifiziert werden.

Wie tief und wie weit kann die Verschmutzung aus stillgelegten Bergbaugebieten wandern? Erkenntnisse aus der Anwendung von magnetischen und elektromagnetischen Methoden

Der Bergbau ist seit dem Altertum bekannt und liefert Edelmetalle, Kohle, Mineralien und Gesteine, die wirtschaftlich und industriell genutzt werden, sowie Baumaterialien. Trotz vieler positiver Auswirkungen auf die Menschheit hat der Bergbau eine der schädlichsten Auswirkungen auf die Umwelt. Bei dem Problem der Umweltverschmutzung durch den Bergbau handelt es sich in vielen Fällen um den Akkumulationseffekt von jahrzehntelangen oder sogar jahrhundertelangen Aktivitäten an bestimmten Orten. Das Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojekts ist es, magnetische Parameter zu ermitteln, die Veränderungen in der Ausbreitung der Verschmutzung in Böden in der Umgebung von Bergbauabfällen steuern, die nach der Schließung des Bergbaus jahrelang verlassen wurden. Dies geschieht durch den Vergleich von vier historischen Bergbaugebieten in Polen und Deutschland. Das Projekt befasst sich mit der Verteilung von Schwermetallen (HM), die aus Abraumhalden in die nähere Umgebung sickern. Es ist bekannt, dass viele große Verschmutzungsquellen wie Kraftwerke, Schmelzwerke und Bergbaubetriebe neben schädlichen HM auch eisenhaltige magnetische Mineralien wie Magnetit und Maghemit freisetzen. Daher bietet das vorgeschlagene Projekt einen neuen, interdisziplinären und bisher ungenutzten Ansatz zur Untersuchung der vertikalen und horizontalen Verteilung von HMs, die mit magnetischen Partikeln assoziiert sind, unter Verwendung von zwei sich ergänzenden Methoden: die Anisotropie der ferromagnetischen Suszeptibilität, die die bevorzugte Ausrichtung der magnetischen Körner und damit die Richtung der HMs-Migration anzeigt, und die Methode der Bodenleitfähigkeit (GCM-EM), die ein Maß für die Fähigkeit des Wassers ist, den elektrischen Fluss durch gelöste Ionen (einschließlich HMs) aufzuzeichnen. Dazu werden in-situ-Messungen der magnetischen Suszeptibilität, des vertikalen Gradienten des Magnetfeldes und der GCM-EM sowie eine detaillierte Beprobung von Bodenprofilen für Anisotropieanalysen durchgeführt. Der Gehalt an HMs wird durch magnetische Parameter abgeschätzt, die proportional zur Konzentration der magnetischen Partikel sind, die mit HMs assoziiert sind. Diese Untersuchungen werden durch geochemische und statistische Standardanalysen unterstützt Das erwartete Ergebnis des Projekts ist die Bestimmung der Schadstoffausbreitungswege und -senken. Die räumliche Verteilung der HM-Belastung ist in hohem Maße fallabhängig und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst; daher werden die lokale Topographie, die klimatischen und meteorologischen Bedingungen, der Boden und die Vegetation sowie die menschlichen Aktivitäten im Rahmen des Projekts sorgfältig geprüft. Darüber hinaus wird das Projekt das Verständnis der vom Menschen verursachten Bodenbildungsprozesse und der Ausbreitung der Metallverschmutzung verbessern und gleichzeitig eine neue Methode zur Verfolgung der Kontamination entwickeln. Außerdem wird es die potenziellen Umweltauswirkungen historischer Bergbauabfälle bewerten.

CO2 Mofetten - Überwachung natürlicher CO2 Emissionen unter Verwendung eines Netzwerks aus low-cost Sensoren

Im beantragten Forschungsvorhaben wird der natürliche Austritt von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Mofetten im Eyachtal zwischen Horb und Rottenburg untersucht. CO2 kann sich in der bodennahen Atmosphäre ansammeln und in entsprechender Konzentration für Mensch und Tier gefährlich werden. Die im Eyachtal austretenden Mengen wurden bislang nicht zuverlässig quantifiziert. Darüber hinaus ist CO2 ein Treibhausgas und steht im Zusammenhang mit dem weltweiten Klimawandel. Ähnliche und auch größere Quellgebiete existieren an verschiedenen Orten der Welt. Der quantitative Einfluss dieser natürlichen geologischen Gasquellen auf den Gashaushalt der Erde ist unbekannt, da auch die Menge des ausströmenden CO2 nicht bekannt ist.Ziel des Vorhabens ist die Überwachung der natürlichen CO2 Austrittsquellen sowie der umgebenden Atmosphäre im Eyachtal. Die Messdaten dienen der Bilanzierung der Austrittsmengen sowie die Ermittlung der horizontalen und vertikalen Flüsse im Versuchsgebiet. Hierbei wird auch die zeitliche Veränderung dieser Austritte erfasst.Zu diesem Zweck soll ein mikro-meteorologisches Messsystem (Eddy-Covariance Station) in Kombination mit einem verteilten Netzwerk aus vielen kostengünstigen CO2 Sensoren installiert werden. Ein solches Netzwerk kann die inhomogene Verteilung der Austritte sowohl zeitlich als auch räumlich erfassen. Die Verwendung von kostengünstigen Sensoren erlaubt den Betrieb einer größeren Anzahl von Sensoren und damit verbunden eine größere räumliche Abdeckung.In den letzten Jahren hat die Arbeitsgruppe Umweltphysik der Universität Tübingen eine neue Methode entwickelt, CO2 mit günstigen Sensoren in Bodennähe zu messen. Ein Nachteil der kostengünstigen Sensoren liegt in der (im Vergleich zu hochwertigen Sensoren) geringeren absoluten Messgenauigkeit. Die EC Station dient daher als Referenz, um die erreichbare Genauigkeit und Langzeitstabilität des Sensornetzes zu bewerten, die günstigen Sensoren zu kalibrieren und den turbulenten Transport des CO2 zumindest an einer Stelle direkt zu messen. Für ein vollständiges Netzwerk müssen die CO2 Sensoren noch mit geeigneten Feuchte- und Temperatursensoren ergänzt werden. Die entsprechende Hardware muss beschafft und schrittweise aufgebaut werden.Im Projekt soll ein Netzwerk aus z.B. 64 Sensoren aufgebaut werden, das die räumliche und zeitliche Verteilung des CO2 im Untersuchungsgebiet experimentell bestimmt. Die Beschaffung der Geräte ist bereits von der Alfred-Teufel Stiftung finanziert. Die Messungen werden über eine Datenbank mit Internet Schnittstelle auch der wissenschaftlichen Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.Das Vorhaben gliedert sich in zwei Projektphasen von je drei Jahren Dauer, beantragt wird die erste Phase. In der 2. Phase ist die numerische Simulation der CO2 Ausbreitung und die Übertragung der Methode auf andere Regionen vorgesehen.

Verhalten von Schadstoffen in geologischen Systemen (Boden und Grundwasser)

Ziele: 1. Bestimmung effektiver Transportparameter wie Dispersion und hydraulische Leitfaehigkeit aus kleinskaligeren Modellen. 2. Identifikation charakteristischer Parameter zur Beschreibung von Adsorption und Desorption loeslicher Substanzen am bzw. vom Sediment. 3. Rekonstruktion von Fliesswegen und Transportgroessen aus geophysikalischen Messungen. 4. Analyse der Transportprozesse in Batch- und Saeulenversuchen (im Labor) und im Feldmassstab (Versuchsgelaende mit 72 Grundwassermessstellen). 5. Entwicklung von Softwarepaketen zur Simulation des Verhaltens von Schadstoffen in Grundwasserleitern, die sowohl fuer UNIX Umgebungen als auch fuer die Parallelrechner des Forschungszentrums verfuegbar sind. Auf Grund ihrer komplementaeren Eigenschaften kommen hierbei sowohl 'Finite Elemente (FE)' als auch 'Partide-Tracking' zum Einsatz.

Temperaturanomalien durch aufsteigendes Tiefengrundwasser

Es werden die durch natuerlich aufsteigendes Tiefengrundwasser entstandenen Temperaturanomalien untersucht. Ziel ist es, neben der reinen Ausmessung dieser Anomalien als Indiz fuer Aufstiegswege, aus der Beobachtung der Temperaturangleichungen an das normale Grundwasser Angaben zur Waermeleitfaehigkeit des Grundwasserleiters und zur thermischen Dispersion zu erhalten. Eine besondere Beachtung gilt der Veraenderung dieser Anomalien als Folge sehr grosser Grundwasserentnahmen (Bergbausuempfung). Gemessen werden hauptsaechlich Temperaturprofile in tiefen Grundwassermesstellen und Brunnen.

Urban Resistom

The proposed project is a research cooperation between the TU Dresden’s chair of Urban Water Management and the chair of Hydrobiology. The project aims to detect and quantify the contribution of a city’s sewer system on the spread, dynamics and seasonality of antibiotics and antibiotic resistance genes within an urbanized water body. Antibiotic resistance represents a high risk to human health as well as the public health system, due to their presence in, or acquisition by, pathogenic and/or opportunistic bacteria occurring in the environment. One among other emission sources of resistant strains into the environment is the sewer network, which should be exemplary investigated at our study site, the Lockwitzbach catchment within the city of Dresden. Six monitoring stations are already in operation there, equipped with online sensors for water quantity. Four out of six are recording water quality, including auto samplers. Two of the stations are dedicated to river monitoring, four further stations were mounted within the sewer system at rain water outlets and at a combined sewer overflow (CSO) structures, draining into Lockwitzbach. This monitoring network will be used and enhanced for the detection and sampling of specific contributions from the urban drainage network on the presence and dispersion of antibiotic resistances. Event-based and seasonal sampling campaigns coupled with analysis on chemical and microbiological parameters should be performed on water and biofilm samples to detect contribution patterns from the sewer outlets together with seasonal trends in composition and presence of antibiotic resistance in the bacterial community. Furthermore, emission pathways and the remaining of heavy metals from the sewer network, that also select for antibiotic co-resistancence, will be under examination. A particle transport model for the sewer catchment will be coupled with a hydraulic model for stream and sewer network and calibrated to predict gained water quality parameters as well as antibiotic resistant gene discharge patterns. Different treatment methods will be implemented in the model and evaluated. These results will yield valuable information on possible emission scenarios and pathways, as well as their importance on the spread of antibiotic resistance in the aquatic environment.

Optimierung der Behandlung von Abwasser durch Untersuchung des Zusammenhanges zwischen der Flockungsgeschwindigkeit und der elektrischen Ladung der Schwebestoffe

Es soll versucht werden, die Zugabe von Dispersionsmitteln und Tensiden am Entstehungsort der Abwaesser so zu optimieren, dass die Faellung bei der Abwasserreinigung moeglichst erleichtert wird und der Gesamtbedarf an Hilfsstoffen (Dispersions- und Flockungsmittel) moeglichst gering gehalten wird.

Modellierung von Lüftungsraten und Luftströmungsmustern von freibelüfteten Schweineställe mit Außenauslauf

Freigelüftete Schweineställe mit Ausläufen (NVPBOYs) werden weltweit mit zunehmendem Interesse verfolgt. Der Luftwechsel zwischen Außen- und Innenbereich von NVPBOY ist kaum verstanden, weshalb Emissionen und die Ausbreitung von Aerosolen derzeit nicht abgeschätzt werden können. Ziel des Antrags ist es, grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich des Einflusses von Öffnungsgröße, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, Lebendmasse und dem Aufenthaltsort der Schweine im Stall auf die Lüftungsrate und die Innenraumströmungsmuster von NVPBOYs zu erhalten. Im Projekt wird die Drei-Säulen-Modell-Methode, bestehend aus Windkanalexperimenten, On-Farm-Messungen und numerischer Strömungsdynamik, genutzt. Zur Modellierung der Lüftungsrate der NVPBOYs wird die Response-Surface Methode eingesetzt. Das Projekt wird grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Lüftungsrate, Innenraumströmungen und ihren Einflussfaktoren bei NVPBOYs liefern. Dies ermöglicht eine genaue Quantifizierung der Lüftungsrate in Abhängigkeit von baulichen und klimatischen Randbedingungen sowie dem Tierverhalten. Die erwarteten Forschungsergebnisse sind eine Grundlage für die Sicherstellung eines guten Stallklimas, für die Abschätzung der Emissionen und für das Verständnis des Gas- und Aerosoltransports für die Schweine unter verschiedenen Randbedingungen.

Aerosolbiophysik der menschlichen Lunge

Die Auswirkung des Kraftwerkes Freudenau auf die Amphibienfauna im Bereich der Klosterneuburger Au soll dokumentiert werden.

Modellierung der Freisetzung, Dispersion und des Verbleibs von nanopartikulärem Titandioxid aus Sonnenschutzmitteln in Badeseen

Titandioxid-Nanopartikel (n-TiO2) stellen aufgrund ihrer Persistenz und vermehrten Freisetzung aus Sonnenschutzmitteln ein zunehmendes Risiko für aquatische Ökosysteme dar. Ihre Auswirkungen sind jedoch nach wie vor schwer abzuschätzen, da einerseits erst kürzlich Analysemethoden zur Bestimmung ihrer Konzentration in Umweltmedien entwickelt wurden. Andererseits ist ihr Verbleib in aquatischen Systemen nur unzureichend erforscht. Insbesondere die Verteilung zwischen der Wasseroberfläche (SML), Wassersäule, Sedimenten, Pflanzen und Plankton hängt von Prozessen ab, die einzeln in Laborexperimenten untersucht, aber selten unter Umweltbedingungen bewertet wurden. Darüber hinaus wurde die Rolle des Windes bei der Dispersion von Nanopartikeln in der SML bisher nicht untersucht, obwohl Winddrift wahrscheinlich wesentlich zur räumlichen Dispersion von hydrophobem n-TiO2 beiträgt. In diesem Projekt untersuchen wir die Verteilung von n-TiO2 in einem typischen Badesee mittels Feldmessungen, Laborexperimenten und eines reaktiven Transportmodells. Wir werden den Eintrag von Sonnenschutzmitteln anhand von Umfragen und Proben unter den Badegästen quantifizieren und die Abwaschrate von Sonnenschutzmitteln von der Haut unter Feldbedingungen bestimmen. Die Menge an n-TiO2 in der Wasserphase, an der Wasseroberfläche (hydrophobe Filme) und in aquatischen Organismen wird mit einer neu entwickelten Methode bestimmt, die auf Spurenelementen beruht, um den natürlichen TiO2-Hintergrund zu korrigieren. Es wird eine Probenahmekampagne mit hoher Messfrequenz durchgeführt, um empirische Daten über die Ausbreitungsrate aufgrund von Konvektion und Winddrift zu erhalten. Die Akkumulation von anthropogenen n-TiO2 im Sediment wird ebenfalls durch Messungen der Konzentration vor und nach der Badesaison bestimmt. Die gewonnenen Daten werden für die Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Verteilungsmodellen verwendet, die die räumliche Ausbreitung zusammen mit den Eigenschaften der Nanopartikeln und der Wasserchemie berücksichtigen. Zur Bestimmung der für das Modell erforderlichen Parameter werden Laborexperimente durchgeführt. Die Haftungseffizienz wird mit n-TiO2 bestimmt, dass aus Sonnenschutzmitteln extrahiert und auf natürliche Weise in Seewasser aufgebracht wurde. Surrogate für natürliche Kolloide werden auf der Grundlage einer detaillierten Untersuchung im Untersuchungssee ausgewählt und als Heteroaggregationspartner in den Laborexperimenten verwendet. Um den Einfluss des Windes auf die SML zu parametrisieren, werden Mesokosmen-Experimente durchgeführt, um die Stabilität von Sonnencreme-SML unter kontrollierten aero- und hydrodynamischen Bedingungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse werden es erstmalig ermöglichen, die wichtigsten Prozesse zu bestimmen, die für den Verbleib von n-TiO2 aus Sonnenschutzmitteln in Badegewässern relevant sind, und die zukünftige ökologische Risikobewertung anorganischer UV-Filter in Sonnenschutzmitteln ermöglichen.

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