Simulation von Infiltrationsprozessen während der Versickerung von gereinigten Abwässern mit PCSiwaPro®

Robert Pinzinger1, Peter-Wolfgang Gräber1, Falk Händel1, Christian Engelmann1, Rudolf Liedl1, René Blankenburg2
1 Institut für Grundwasserwirtschaft, TU Dresden
2 Ingeniuerbüro für Grundwasser GmbH

P 9.14 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Die zentrale Entsorgung von gereinigten Abwässern ist oftmals in Regionen mit geringer Bevölkerungsdichte oder weitläufiger Bebauung nicht wirtschaftlich. Hier kann die dezentrale Aufbereitung und Entsorgung ein probates Mittel sein. Dies hängt jedoch auch von den Entsorgungsmöglichkeiten des anfallenden gereinigten Abwassers ab. Dies kann entweder in eine Vorflut eingegeben werden oder direkt zur Versickerung in den Untergrund gebracht werden. Letzteres bedarf jedoch der Bewertung der Versickerungsfähigkeit des Bodens und gleichzeitig der Bewertung der Aufenthaltszeiten des Wassers um schadhafte Veränderung der Grundwasserressourcen zu vermeiden. Für eine adäquate Planung müssen dabei geeignete Werkzeuge entwickelt werden.

Ein Beispiel für derartige Werkzeuge stellt die Software PCSiWaPro dar. Dabei handelt es sich um ein Simulationsprogramm, welches die Strömungs- und Stofftransportprozesse in der Bodenzone unter variabel gesättigten hydraulischen Bedingungen berechnen kann. Für die Strömung und den Wasserhaushalt wird die Richards‘-Gleichung verwendet und mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FE) für 2D-vertikal-ebene oder rotationssymmetrische Problemstellungen gelöst. Der Stofftransport wird durch Anwendung der Konvektions-Dispersions-Gleichung simuliert. Das Programm verfügt über eine Benutzeroberfläche mit Netzgenerator für Dreieckselemente, Randbedingungseditor und verschiedene Möglichkeiten zur Visualisierung der Modellergebnisse. Da insbesondere bei der Versickerung von Wasser auch atmosphärische Randbedingungen wie Niederschlag, Verdunstung und Transpiration einen wesentlichen Einfluss auf die Versickerungsleistung eines Bodens haben, ist ein Wettergenerator implementiert. Dieser generiert auf der Basis realer Klimazeitreihen des DWD zeitvariable Eingangsdaten für Randbedingungen in beliebiger Länge.

Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes wird das Simulationsprogramm aktuell weiter qualifiziert und für die Anwendung auf u.a. Versickerung von gereinigten Abwässern spezifiziert. Erste Arbeiten widmeten sich der Modifikation der Zeitschrittsteuerung zur Verbesserung der Rechenperformance. Es wurden SIMVAL2 und SIMVAL3, zwei Zeit-Integratoren von quadratischer und kubischer Konsistenz, neuentwickelt. Hiermit wurde in ausgewählten Benchmarks eine Beschleunigung der Rechendauer von bis zu 38% (SIMVAL2) und 42% (SIMVAL3) erreicht, wobei die Genauigkeit der Rechenergebnisse, die mit SIMVAL2 und SIMVAL3 berechnet wurden, mit der Genauigkeit der Ergebnisse, die mit dem bisherigen Zeitschrittverfahren berechnet wurden, vergleichbar ist. Weitere Arbeiten werden sich mit anderen noch zu testenden Zeitschrittverfahren befassen. Außerdem soll die Modellierung, die bisher auf lineare 2D-Elemente aufbaut, auf quadratische und kubische Elemente sowie auf 3D-Elemente erweitert werden. Auch sollen Möglichkeiten der Parallelisierung via GPU-Programming untersucht werden.