Methode zur indirekten Bestimmung von Bodenparametern für die numerische Simulation von Deichen und Erddämmen

Einer der wichtigsten Schritte bei der numerischen Simulation eines hydrogeologischen Systems ist die genaue Festlegung von Anfangs- und Randbedingungen des aufzubauenden Modells. Je besser diese das gesamte Modell charakterisieren, desto effizienter erfolgt die Berechnung und genauer ist das Simulationsergebnis. Eine große Bedeutung kommt dabei den hydraulischen Eigenschaften von Böden zu. Im Falle der ungesättigten Bodenzone werden diese durch die Saugspannungs-Sättigungskurve, insbesondere die Beziehungen zwischen volumetrischem Wassergehalt und Matrixpotenzial sowie zwischen Saugspannung und ungesättigter hydraulischer Leitfähigkeit, beschrieben. Eine Parametrisierung der ermittelten Saugspannungs-Sättigungskurve erfolgt über empirische Modelle, wie z.B.  nach van Genuchten.

Standardmäßig werden Messgeräte wie das HYPROP-System verwendet, um die Saugspannungs-Sättigungskurve des Bodens zu bestimmen. Die so ermittelten Retentionsparameter geben jedoch nur punktuell Auskunft über die hydraulischen Eigenschaften des ungesättigten Bodens. Insbesondere bei Labor- und Felduntersuchungen treten häufig Inhomogenitäten in dem ungesättigten Bodenkörper auf, die durch die Variabilität oder die unterschiedliche Verdichtung des Bodens bedingt sind. Daher führt die punktuelle Bestimmung der Saugspannungs-Sättigungskurve häufig zu einer unzureichenden Charakterisierung des Bodens bzw. zu einer Über- oder Unterschätzung der Parameter, die das Verhältnis zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt beschreiben. Diese Parameterunsicherheit führt zunächst zu einer schlechteren Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Daten und in der Folge zu einem höheren Kalibrierungsaufwand.

Günstiger ist es daher, diese Bodenparameter direkt aus dem realen Bodenkörper zu identifizieren und mögliche Unsicherheiten durch die Verwendung globaler Informationen über die Bodenparameter des Systems zu vermeiden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen eines Experimentes zur Durchströmung von Deichen anhand von zwei unterschiedlichen Bodenmaterialien untersucht, wie sich punktuell und global ermittelte Bodenparameter unterscheiden und wie diese die Simulation des Systems beeinflussen.

Beim Vergleich der Simulationsergebnisse der numerischen Modelle konnte eine bessere Übereinstimmung von gemessenen und simulierten Wassergehalten und Druckhöhen bei Verwendung der identifizierten Bodenparameter aus dem simulierten System beobachtet werden. Bei einer sich anschließenden Kalibrierung des Modells konnte für diesen Fall auch eine höhere rechnerische Effizienz sowie eine höhere Übereinstimmung zwischen Simulation und Messwerten nachgewiesen werden.