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.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

State-dependent volume isotope shifts of low-lying states of group-IIa and -IIb elements

Results of relativistic multiconfiguration Dirac-Fock calculations with an extended nucleus are used to analyze the volume isotope shifts of the resonance transitions in the group-IIa and -IIb elements as well as in Yb. This is done together with a review of the isotope shift theory, including a critical evaluation and comparison of the semiempirical calculation of volume isotope shifts commonly used today. Electronic factors F_i, proportional to differences of electronic densities over the nuclear volume, are discussed within various approximations and compared with experimental results.

The role of ligneous vegetation for livestock nutrition in the sub-Sahelian and Sudanian zones of West Africa: Potential effects of climate change

Climate change and variability in sub-Saharan West Africa is expected to have negative consequences for crop and livestock farming due to the strong dependence of these sectors on rainfall and natural resources, and the low adaptive capacity of crops farmers, agro-pastoralist and pastoralists in the region. The objective of this PhD research was to investigate the anticipated impacts of expected future climate change and variability on nutrition and grazing management of livestock in the prevailing extensive agro-pastoral and pastoral systems of the Sahelian and Sudanian zones of Burkina Faso. To achieve this, three studies were undertaken in selected village territories (100 km² each) in the southern Sahelian (Taffogo), northern Sudanian (Nobere, Safane) and southern Sudanian (Sokouraba) zone of the country during 2009 and 2010. The choice of two villages in the northern Sudanian zone was guided by the dichotomy between intense agricultural land use and high population density near Safane, and lower agricultural land use in the tampon zone between the village of Nobere and the National Park Kaboré Tambi of Pô. Using global positioning and geographical information systems tools, the spatio-temporal variation in the use of grazing areas by cattle, sheep and goats, and in their foraging behaviour in the four villages was assessed by monitoring three herds each per species during a one-year cycle (Chapter 2). Maximum itinerary lengths (km/d) were observed in the hot dry season (March-May); they were longer for sheep (18.8) and cattle (17.4) than for goats (10.5, p<0.05). Daily total grazing time spent on pasture ranged from 6 - 11 h with cattle staying longer on pasture than small ruminants (p<0.05). Feeding time accounted for 52% - 72% of daily time on pasture, irrespective of species. Herds spent longer time on pasture and walked farther distances in the southern Sahelian than the two Sudanian zones (p<0.01), while daily feeding time was longer in the southern Sudanian than in the other two zones (p>0.05). Proportional time spent resting decreased from the rainy (June - October) to the cool (November - February) and hot dry season (p<0.05), while in parallel the proportion of walking time increased. Feeding time of all species was to a significantly high proportion spent on wooded land (tree crown cover 5-10%, or shrub cover >10%) in the southern Sahelian zone, and on forest land (tree crown cover >10%) in the two Sudanian zones, irrespective of season. It is concluded that with the expansion of cropland in the whole region, remaining islands of wooded land, including also fields fallowed for three or more years with their considerable shrub cover, are particularly valuable pasturing areas for ruminant stock. Measures must be taken that counteract the shrinking of wooded land and forests across the whole region, including also active protection and (re)establishment of drought-tolerant fodder trees. Observation of the selection behaviour of the above herds of cattle and small ruminant as far as browse species were concerned, and interviews with 75 of Fulani livestock keepers on use of browse as feed by their ruminant stock and as remedies for animal disease treatment was undertaken (Chapter 3) in order to evaluate the consequence of climate change for the contribution of browse to livestock nutrition and animal health in the extensive grazing-based livestock systems. The results indicated that grazing cattle and small ruminants do make considerable use of browse species on pasture across the studied agro-ecological zones. Goats spent more time (p<0.01) feeding on browse species than sheep and cattle, which spent a low to moderate proportion of their feeding time on browsing in any of the study sites. As far as the agro-ecological zones were concerned, the contribution of browse species to livestock nutrition was more important in the southern Sahelian and northern Sudanian zone than the southern Sudanian zone, and this contribution is higher during the cold and hot dry season than during the rainy season. A total of 75 browse species were selected on pasture year around, whereby cattle strongly preferred Afzelia africana, Pterocarpus erinaceus and Piliostigma sp., while sheep and goats primarily fed on Balanites aegyptiaca, Ziziphus mauritiana and Acacia sp. Crude protein concentration (in DM) of pods or fruits of the most important browse species selected by goats, sheep and cattle ranged from 7% to 13% for pods, and from 10% to 18% for foliage. The concentration of digestible organic matter of preferred browse species mostly ranged from 40% to 60%, and the concentrations of total phenols, condensed tannins and acid detergent lignin were low. Linear regression analyses showed that browse preference on pasture is strongly related to its contents (% of DM) of CP, ADF, NDF and OM digestibility. Interviewed livestock keepers reported that browse species are increasingly use by their grazing animals, while for animal health care use of tree- and shrub-based remedies decreased over the last two decades. It is concluded that due to climate change with expected negative impact on the productivity of the herbaceous layer of communal pastures browse fodder will gain in importance for animal nutrition. Therefore re-establishment and dissemination of locally adapted browse species preferred by ruminants is needed to increase the nutritional situation of ruminant stock in the region and contribute to species diversity and soil fertility restoration in degraded pasture areas. In Chapter 4 a combination of household surveys and participatory research approaches was used in the four villages, and additionally in the village of Zogoré (southern Sahelian zone) and of Karangasso Vigué (northern Sudanian zone) to investigate pastoralists’ (n= 76) and agro-pastoralists’ (n= 83) perception of climate change, and their adaptation strategies in crop and livestock production at farm level. Across the three agro-ecological zones, the majority of the interviewees perceived an increase in maximum day temperatures and decrease of total annual rainfall over the last two decades. Perceptions of change in climate patterns were in line with meteorological data for increased temperatures while for total rainfall farmers’ views contrasted the rainfall records which showed a slight increase of precipitation. According to all interviewees climate change and variability have negative impacts on their crop and animal husbandry, and most of them already adopted some coping and adaptation strategies at farm level to secure their livelihoods and reduce negative impacts on their farming system. Although these strategies are valuable and can help crop and livestock farmers to cope with the recurrent droughts and climate variability, they are not effective against expected extreme climate events. Governmental and non-governmental organisations should develop effective policies and strategies at local, regional and national level to support farmers in their endeavours to cope with climate change phenomena; measures should be site-specific and take into account farmers’ experiences and strategies already in place.