Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.

Agricultural, architectural and archaeological evidence for the role and ecological adaptation of a scattered mountain oasis in Oman

The recent discovery of the monumental 5000 years old tower tombs on top of the up to 1850 m high Shir plateau has raised numerous questions about the economic and infrastructural basis of the agro-pastoral-piscicultural society which likely has constructed them. The scattered oasis settlement of Maqta, situated just below the towers in a rugged desert environment has therefore been studied from 2001 to 2003 to understand its prehistoric and present role along the ancient trade route which connected the inner-Omani Sharqiya across the southern Hajar mountains with the ocean port of Tiwi. Maqta consists of a central area with 59 buildings and 12 scattered temporary settlements comprising a total of about 200 semi-nomadic inhabitants and next to 900 sheep and goats. The 22 small springs with a flow rate between 5 and 1212-l h^-1 are watering 16 terrace systems totaling 4.5 ha of which 2.9 ha are planted to date palms (Phoenix dactylifera L.), 0.4 ha to wheat landraces (Triticum durum and Triticum aestivum) during the cooler winter months, 0.4 are left fallow and 0.8 h are abandoned. During a pronounced drought period from 2001 to 2003, the springs’ flow rate declined between 38% and 72%. Most of the recent buildings of the central housing area were found empty or used as temporary stores by the agro-pastoral population watching their flocks on the surrounding dry mountains. There is no indication that there ever was a settlement older than the present one. A number of Hafit (3100–2700 BC) and Umm an-Nar (2700–2000 BC) tombs just above the central housing area and further along one of the trade routes to the coast are the only indication of an old pastoral landuse in Maqta territory where oasis agriculture may have entered only well after 1000 AD. With this little evidence of existence during the 3rd millennium BC, Maqta is unlikely to have played any major role favouring the construction of the nearby monumental Shir tower tombs other than providing water for herders and their flocks, early migrant traders or tower tomb constructors.