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DiaTrans [Elektronische Ressource] : a multi-component model for density-driven flow, transport and biogeochemical reaction processes in the subsurface / vorgelegt von Mirko Schankat

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DiaTrans – A Multi-Component Model forDensity-Driven Flow, Transport andBiogeochemical Reaction Processesin the Subsurfacevorgelegt vonDipl.-Ing. MIRKO SCHANKAT, M.Sc.aus Werne, Deutschlandvon der Fakultät VI Planen Bauen Umweltder Technischen Universität Berlinzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der IngenieurwissenschaftenDr.-Ing.genehmigte DissertationPromotionsausschuss:Vorsitzender: Prof. Dr. Uwe TrögerGutachter: Prof. Dr.-Ing. Reinhard HinkelmannProf. Dr. Michael Schlüter (AWI Bremerhaven)Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 6. Mai 2009Berlin 2009D83AbstractThe investigation of the transition zone between subsurface sediments and the watercolumn, inadditiontoanenhancedunderstandingoftheunderlyingprocesses, becomesmore and more important when dealing with ecological questions not only in coastalareas.Therefore, DiaTrans (diagenetic transport), a one-phase/multi-component model tosimulate multi-dimensional fully coupled density-driven flow, transport and biogeo-chemical reaction processes in the subsurface underlying a seawater column, includ-ing bioturbation and bioirrigation, is presented. The components include water andan arbitrary number of dissolved constituents such as chloride, methane, sulphateor oxygen. The governing equations are discretized using a Finite-Volume-Method(FVM) on two-dimensional rectangular structured grids in an object-oriented frame-work. Afully-upwindingtechniqueisemployedfortheadvectivefluxes.

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Published 01 January 2009
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Language English
Document size 18 MB

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DiaTrans – A Multi-Component Model for
Density-Driven Flow, Transport and
Biogeochemical Reaction Processes
in the Subsurface
vorgelegt von
Dipl.-Ing. MIRKO SCHANKAT, M.Sc.
aus Werne, Deutschland
von der Fakultät VI Planen Bauen Umwelt
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Uwe Tröger
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann
Prof. Dr. Michael Schlüter (AWI Bremerhaven)
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 6. Mai 2009
Berlin 2009
D83Abstract
The investigation of the transition zone between subsurface sediments and the water
column, inadditiontoanenhancedunderstandingoftheunderlyingprocesses, becomes
more and more important when dealing with ecological questions not only in coastal
areas.
Therefore, DiaTrans (diagenetic transport), a one-phase/multi-component model to
simulate multi-dimensional fully coupled density-driven flow, transport and biogeo-
chemical reaction processes in the subsurface underlying a seawater column, includ-
ing bioturbation and bioirrigation, is presented. The components include water and
an arbitrary number of dissolved constituents such as chloride, methane, sulphate
or oxygen. The governing equations are discretized using a Finite-Volume-Method
(FVM) on two-dimensional rectangular structured grids in an object-oriented frame-
work. Afully-upwindingtechniqueisemployedfortheadvectivefluxes. Thesparseand
non-symmetric system of highly non-linear equations is solved, utilizing the Newton-
Raphson method with an inner linear preconditioned BiCGSTAB solver.
This implicit fully-coupled formulation of physical and biogeochemical processes, which
hascertainadvantages, isanewapproachnotonlyinnear-shoresediments, asgenerally
decoupled methods are employed. The model accounts for different domain sizes and
grid resolutions, unsteady conditions to simulate tidal cycles and variable physical
parameters such as permeabilities and porosities which are important to cope with
lateral heterogeneities.
Typical benchmark tests have been carried out to verify DiaTrans’ capability to model
flow, transport and reaction processes in the subsurface. These include the Henry
problem and the salt dome problem for density-driven flow and transport as well as an
example for standard diagenetic biogeochemical reaction processes.
iAbstract
As natural test cases for the numerical modeling different application examples are
presented. First, the physical processes at sand boils, which account for submarine
groundwater discharges at a site in the Wadden Sea of Cuxhaven, North Sea, Germany
are investigated and the simulation results are compared to field measurements which
have been carried out by the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research
(AWI), Bremerhaven, Germany. Second, reaction influenced methane concentration
profiles at so-called vent and partial vent sites in Eckernförde Bay, Baltic Sea, Germany
are simulated with a special focus on the effects of bioturbation and bioirrigation.
For both applications, rather good matches are observed between model results and
field data. The last application example deals with qualitative statements about the
interaction processes at the sediment-water interface where the influence of surface
water velocities on the fate of methane in the water column is investigated, considering
biogeochemical reaction processes such as methane re-oxidation by oxygen and sulfate.
Because of its object-oriented nature, the model can easily be extended to additional
physical processes, more complex biogeochemical reaction processes or enhanced nu-
merics in the future. DiaTrans is considered as a sophisticated model for multi-
dimensional density-driven flow, transport and biogeochemical reaction processes in
porous media for both small and larger scale problems.
iiKurzfassung
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Verbesserung des Prozessverständnisses für
den Interaktionsbereich Untergrund und freier Wassersäule und darauf aufbauend in ei-
ner verbesserten Quantifizierung von Stoffflüssen, welche beispielsweise für ökologische
Fragestellungen in Küstengebieten erforderlich ist.
Dazu wurde DiaTrans (diagenetic transport), ein mehrdimensionales, voll gekop-
peltes Ein-Phasen/Mehr-Komponenten-Modell zur Simulation von dichtegetriebenen
Strömungs-,Transport-undbiogeochemischenReaktionsprozessenimUntergrund,ent-
wickelt. Auch typische küstennahe Prozesse wie Bioturbation und Bioirrigation werden
darin explizit berücksichtigt. Neben der Hauptkomponente Wasser kann eine belie-
bige Anzahl gelöster Substanzen, wie z.B. Chlorid, Sulfat, Methan oder Sauerstoff,
betrachtet werden. Mit Hilfe eines objektorientierten Ansatzes werden die Bilanzglei-
chungen mit einer Finiten-Volumen Methode (FVM) auf zweidimensionalen struktu-
rierten Rechteckgittern diskretisiert, wobei eine Fully-Upwind-Methode für die advek-
tiven Flussterme verwendet wird. Das daraus resultierende unsymmetrische System
aus stark nichtlinearen Gleichungen wird mit einem Newton-Raphson Verfahren mit
innerem linearen BiCGSTAB-Gleichungslöser berechnet.
Diese implizite und vollständige Kopplung von Strömungs-, Transport- und Reakti-
onsprozessen stellt einen neuen Ansatz auf diesem Gebiet der Forschung dar. Das
Modell berücksichtigt neben verschiedenen Gebietsgrößen und Netzauflösungen auch
instationäre Bedingungen zur Simulation von Tidezyklen. Physikalische Parameter wie
Durchlässigkeiten und Porositäten sind frei wählbar, um auch lokale Heterogenitäten
berücksichtigen zu können.
Um die Leistungsfähigkeit von DiaTrans auf dem Gebiet der dichtegetriebenen Strö-
mungs-, Transport- und Reaktionssimulation zu gewährleisten, wurde das Modell mit
iiiKurzfassung
typischen Benchmark-Tests verifiziert. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des
Modells werden anhand von praxisrelevanten Fragestellungen aufgezeigt.
Zum einen werden die physikalischen Prozesse an submarinen Grundwasseraustritts-
stellen im Sahlenburger Watt, Nordsee, untersucht und die Simulationsergebnisse mit
FeldmessungendesAlfred-Wegener-InstitutsfürPolarundMeeresforschung(AWI)ver-
glichen. Zum anderen wird der Einfluss der Reaktionskinetik auf Methankonzentrati-
onsprofile an submarinen Grundwasseraustrittsstellen in der Ostsee simuliert, wobei
ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss der Bioturbation und Bioirrigation liegt. Für
beideAnwendungsbeispielekonntenguteÜbereinstimmungenzwischenSimulationund
Naturmessungen erzielt werden. Darüber hinaus können mit DiaTrans qualitative Aus-
sagen über die Vermischungsprozesse von gelösten Substanzen im Interaktionsbereich
von Untergrund und freier Wassersäule getroffen werden. Dieser Ansatz wird anhand
von Methan, mit expliziter Berücksichtigung der Oxidationsprozesse durch Sauerstoff
und Sulfat, erläutert.
Durch seine objektorientierte Struktur kann DiaTrans in der Zukunft um weitere phy-
sikalische Prozesse, komplexere Reaktionsprozesse oder um numerische Verfahren in
einfacher Weise erweitert werden. DiaTrans genügt hohen Ansprüchen auf dem Gebiet
der Simulation von dichtegetriebenen Strömungs-, Transport und Reaktionsprozessen
in Sedimenten und porösen Medien sowohl auf kleinen als auch auf größeren räumlichen
Skalen.
ivAcknowledgements
Thisdissertationsummarizesthreeyearsofmyworkinthefieldofnumericalsimulation
in subsurface flow at the Chair of Water Resources Management and Modeling of
Hydrosystems, Department of Civil Engineering, Technische Universität Berlin and at
the Section of Marine Geochemistry, Alfred Wegener Institute for Polar and Marine
Research, Bremerhaven.
I would like to thank most specially Professor Reinhard Hinkelmann and Professor
Michael Schlüter for giving me the opportunity to work on this project, their perma-
nent support, great freedom in carrying out my work, and, finally, for acting as main
advisors.
The discussions with my colleagues in Berlin contributed to a big extent to the progress
of this work. Their helpfulness, qualifications and collaboration as well as the long-
standing good working atmosphere will always remain in my mind.
I specially want to thank my colleague Leopold Stadler for his excellent suggestions,
help and support, particularly at the beginning of my work in Berlin.
I also want to thank Vikramjeet Singh Notay and Andy-David Jablonski, who were
my Master’s and Diploma students and who contributed well to this work.
Also many thanks to my parents Brigitte and Günter for their support throughout my
academic career.
Finally, I especially thank my wife Kathleen for her understanding and support, partic-
ularly in the last few months, when I was occupied too much with finalizing my thesis.
Kathleen - you made me a better person and you still do.
Berlin, 2009 - Mirko Schankat
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