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Karl-Franz Busch; Ludwig Luckner; Klaus Tiemer:

Geohydraulik

1993. XIII, 497 Seiten, 238 Abbildungen, 50 Tabellen, 3. neubearb. Aufl.,Nachdr., 17x24cm, 1300 g
Language: Deutsch

(Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 3)

ISBN 978-3-443-01004-1, gebunden, price: 86.00 €

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geohydraulics hydrogeology

Contents

Text aus dem Prospekt top ↑

Seit dem Erscheinen der 1. und 2. Auflage in den Jahren 1972 und 1973 ist die «Geohydraulik» das Standardwerk der Hydraulik des unterirdischen Wassers im deutschen Sprachraum. Dennoch wurde die 3. Auflage völlig neu bearbeitet, um das Buch durch Integration von Neuem und Bewährtem auf den neuesten Stand zu bringen. Im Vergleich zu den früheren Auflagen ergeben sich wesentliche neue Akzente. Die Einordnung in die Reihe «Lehrbuch der Hydrogeologie» ermöglichte den Verzicht auf die einführenden Kapitel der 1. und 2. Auflage durch Bezugnahme auf die bereits vorliegenden Bände des Lehrbuchs. Auch das umfassende Kapitel der modelltechnischen Lösungsverfahren der unterirdischen Strömungsprobleme konnte infolge seines Bedeutungswandels erheblich gekürzt werden. Wesentlich größeren Raum nehmen hingegen die Fragen der mathematischen Modellbildung ein. Vor allem galt es, die Hydraulik nichtmischbarer Fluide im Untergrund sowie die hybriden analytisch-numerischen und die digitalen Lösungsmethoden geohydraulischer Problemstellungen und die Lösung umgekehrter Aufgaben in der nun vorliegenden 3. Auflage adäquat darzustellen.

Inhaltsverzeichnis top ↑

Einführung in die Geohydraulik 1
1 Grundlagen der geohydraulischen Zustands- und
Prozeßbeschreibung 7
1.1 Der Untergrund als Mehrphasensystem 7
1.1.1 Charakterisierung von Mehrstoffsystemen 7
1.1.2 Hydraulische Eigenschaften fluider Phasen 10
1.1.2.1 Grundlagen 10
1.1.2.2 Eigenschaften des Wassers 11
1.1.2.3 Eigenschaften der Luft 18
1.1.3 Hydraulische Eigenschaften poröser Medien 20
1.1.3.1 Hohlraumgehalt 20
1.1.3.2 Porenkanalgeometrie im Lockergestein 27
1.1.3.3 Durchlässigkeit poröser Medien 34
1.1.3.4 Verformbarkeit poröser Medien 45
1.2 Der Grundfall der Mehrphasenhydraulik und seine Erweiterung 49
1.2.1 Kapillardruckkonzept 50
1.2.2 Mobilitätsbereiche und Zustandsgleichung 53
1.2.2.1 Mobilitätsbereiche 53
1.2.2.2 Zustandsgleichung 56
1.2.3 Durchlässigkeit 64
1.2.4 Erweiterung des Grundfalls der Mehrphasenhydraulik 68
1.3 Verformungsbeständigkeit der Lockergesteine 72
1.3.1 Verformung nichtbindigen Lockergesteine 72
1.3.1.1 Suffosion 73
1.3.1.2 Kolmation 78
1.3.1.3 Erosion 80
1.3.1.4 Hydraulischer Grund- und Kontaktbruch 86
1.3.1.5 Berechnungsbeispiel 87
1.3.2 Beständigkeit bindiger Locker- und Festgesteine 89
1.3.2.1 Verhalten bindiger Erdstoffe gegenüber Wasser 90
1.3.2.2 Kontakterosion 90
1.3.2.3 Beständigkeit der Festgesteine 93
2. Mathematische Modellbildung 94
2.1 Grundbegriffe der Modellierung 94
2.1.1 Zielstellung und Formen der Modellierung 94
2.1.2 Klassifikation mathematischer Modelle 97
2.1.3 Aufbau systembeschreibender Modelle 100
2.2 Das dynamische Grundgesetz der Geohydraulik 101
2.2.1 Das DARCY-Gesetz - eine Sonderform des NEWTONschen Grundgesetzes
bzw. des Impulssatzes 101
2.2.2 Das dynamische Grundgesetz der Planfiltration 107
2.2.2.1 Integralversion des DARCY-Gesetzes mit DUPUIT-Annahmen 107
2.2.2.2 Integralversion des DARCY-Gesetzes mit GIRINSKIJ-Potential 111
2.3 Die Bilanzgleichungen der Geohydraulik 115
2.3.1 Bilanzgleichung im Inneren des Strömungsfeldes 116
2.3.2 Bilanzgleichung an der freien Oberfläche 119
2.3.3 Bilanzgleichung der Planfiltration 121
2.4 Vervollständigung des mathematischen Modells 122
2.4.1 Räumliche Strömungsvorgänge 122
2.4.1.1 Aufstellung der Strömungsgleichung 122
2.4.1.2 Festlegung der Randbedingungen 124
2.4.1.3 Bedingungen auf Teilgebietsgrenzen 129
2.4.2 Horizontal-ebene Strömungsvorgänge 130
2.4.2.1 Aufstellung der Strömungsgleichung 130
2.4.2.2 Festlegung der Randbedingungen 138
2.4.2.3 Bedingungen auf Teilgebietsgrenzen 142
2.4.3 Vertikal-ebene Strömungsvorgänge 143
2.4.3.1 Aufstellung der Strömungsgleichung 144
2.4.3.2 Festlegung der Randbedingungen 145
2.4.3.3 Bedingungen auf Teilgebietsgrenzen 146
2.4.4 Vertikale Wasserbewegung in der wasser-ungesättigten Zone 148
2.4.4.1 Aufstellung der Strömungsgleichung 148
2.4.4.2 Festlegung der Anfangs- und Randbedingungen 150
2.4.4.3 Bedingungen auf Teilgebietsgrenzen 152
2.4.5 Gasströmung 152
2.4.6 Geohydraulisch bewirkte elastoplastische Verformung poröser
Medien 153
2.5 Modelladäquate Schematisierung der realen Bedingungen 156
2.5.1 Allgemeine Grundsätze 157
2.5.2 Hydrogeologisches Modell 157
2.5.3 Technisch-technologisches Modell 163
2.6 Mathematische Hilfsmittel der Geohydraulik 166
2.6.1 Integration gewöhnlicher Differentialgleichungen 166
2.6.1.1 Geschlossen integrierbare DGL 166
2.6.1.2 Substitution der Variablen 168
2.6.1.3 Separationsansatz 169
2.6.2 Integraltransformationen 170
2.6.2.1 Die Integralsätze von GAUSS und GREEN 170
2.6.2.2 Die finiten FOURIER-Transformationen 171
2.6.2.3 Die LAPLACE-Transformation 172
2.6.3 Superposition der Grundlösungen 176
2.6.4 Spezielle Lösungsverfahren ebener Potentialströmungen 177
2.6.4.1 Konforme Abbildungen 177
2.6.4.2 Hodographenverfahren 179
2.6.4.3 Graphische Netzkonstruktion 180
3. Analytische Lösungsverfahren 184
3.1 Berechnung der Grabenanströmung 185
3.1.1 Stationäre Grabenanströmung 186
3.1.1.1 Homogener Grundwasserleiter mit horizontaler Sohle 186
3.1.1.2 Geschichteter Grundwasserleiter mit horizontaler Sohle 193
3.1.1.3 "Undichter" Grundwasserleiter (leaky aquifer) 197
3.1.1.4 Grundwasserleiter mit geneigter Sohle 204
3.1.1.5 Grundlagen der Fragmentmethode 209
3.1.2 Nichtstationäre Grabenanströmung 215
3.1.2.1 Standardisierung des mathematischen Modells 215
3.1.2.2 Endlich ausgedehnter Grundwasserleiter 218
3.1.2.3 Unendlich ausgedehnter Grundwasserleiter 221
3.1.2.4 Weitere Anwendungen der LAPLACE-Transformation 225
3.2 Berechnung der Brunnenanströmung 226
3.2.1 Stationäre Brunnenanströmung 228
3.2.1.1 Eindimensionale rotationssymmetrische Strömung 228
3.2.1.2 Brunnen als Quellen/Senken im horizontal-ebenen
Grundwasserströmungsfeld 237
3.2.2 Nichtstationäre Brunnenanströmung 249
3.2.2.1 Unendlich ausgedehntes Strömungsfeld 249
3.2.2.2 Berücksichtigungäußerer Randbedingungen 258
3.2.3 Räumliches Strömungsfeld 266
3.2.3.1 Strömungsverhältnisse im Brunnenfilter 266
3.2.3.2 Lage der freien Grundwasseroberfläche 269
3.2.3.3 Potentialtheoretische Berechnung der Brunnenergiebigkeit 278
3.2.4 Brunnenreihen und Brunnengruppen 287
3.2.4.1 Zeitliche Superposition 287
3.2.4.2 Gruppen einzelbewirtschafteter Brunnen 289
3.2.4.3 Brunnenreihen mit gleichmäßig verteilter Förderung 293
3.2.4.4 Berechnung von Brunnengalerien mit Heberleitungen 296
3.3 Berechnung vertikal-ebener Strömungen 300
3.3.1 Versickerung aus Kanälen und Gräben 300
3.3.2 Durchsicherung von Erddämmen 302
3.3.3 Unterströmung von Staubauwerken 306
3.3.3.1 Staubauwerke mit Flachgründung 306
3.3.3.2 Staubauwerk mit einer Dichtungswand 310
3.3.3.3 Staubauwerk mit mehreren Dichtungswänden und unsymmetrischer
Gründung 313
3.3.4 Ableitung von Fragmentgleichungen 317
4. Analoge und digitale Lösungsverfahren 321
4.1 Analoge Modellierung 321
4.1.1 Physikalisch ähnliche Modellversuche 323
4.1.1.1 Grundlagen der Modellierung 323
4.1.1.2 Modelltypen und Modellierungspraxis 324
4.1.2 Spaltmodellversuche 327
4.1.2.1 Grundlagen der Modellierung 327
4.1.2.2 Modelltypen und Modellierungspraxis 331
4.1.3 Elektroanaloge Kontinuummodellversuche 334
4.1.3.1 Grundlagen der Modellierung 334
4.1.3.2 Modelltypen und Modellierungspraxis 336
4.1.4 Hydraulische und elektrische Netzwerkssimulation 343
4.1.4.1 Grundlagen der Modellierung 343
4.1.4.2 Modelltypen und Modellierungspraxis 356
4.1.5 Spezielle Analogiemodelle 359
4.2 Digitale Simulation 360
4.2.1 Einführung 360
4.2.2 Formulierung ortsdiskreter mathematischer Modelle 361
4.2.2.1 Physikalische Verfahren 362
4.2.2.2 Finite-Differenzen-Verfahren 367
4.2.2.3 Finite-Elemente-Methode 375
4.2.2.4 Realisierung von singulären Quellen/Senken
in horizontal-ebenen Netzmodellen 387
4.2.3 Bildung zeitdiskreter Modelle 396
4.2.3.1 Zeitdiskretisierung 396
4.2.3.2 Fehler- und Aufwandsanalyse 402
4.2.3.3 Beispiele zeitdiskreter Modelle 405
4.2.4 Analytisch-numerische Lösungsverfahren 416
4.2.4.1 Separation singulärer Quellen/Senken 417
4.2.4.2 Randelementemethode 421
5. Lösung umgekehrter Aufgaben 432
5.1 Allgemeine Grundlagen 432
5.1.1 Bildung des MPM 432
5.1.2 Analyse des MPM 435
5.1.3 Überprüfung des MPM und Sensitivitätsanalyse 436
5.1.4 Bildung des PIM und seine Analyse 436
5.1.5 Parameteridentifikation und Parameterprüfung 438
5.1.6 Parameterinterpretation 438
5.1.7 Planung des meßtechnisch zu erfassenden Prozesses 439
5.2 Pumpversuchsauswertung 440
5.2.1 Parameterermittlung 441
5.2.2 Straight-Line-Verfahren 444
5.2.2.1 Einzelbrunnen bei konstanter Förderleistung oder Absenkung 445
5.2.2.2 Einzelbrunnen bei veränderlicher Förderleistung 449
5.2.2.3 Gruppenpumpversuche 453
5.2.3 Type-Curve-Verfahren 454
5.2.3.1 Grundlagen 455
5.2.3.2 Nutzung analytischer Lösungen 456
5.2.3.3 Nutzung numerischer Lösungen 460
5.2.4 Verfahren zur Minimierung von Gütefunktionen 463
5.2.4.1 Grundlagen 463
5.2.4.2 Demonstrationsbeispiel 466
5.3 Identifikation verteilter Parameter 469
5.3.1 Analyse der Aufgabenstellung 469
5.3.2 Parameteridentifikation mit numerischen Modellen 476
Literaturverzeichnis 481
Stichwortverzeichnis 491