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A robust high-resolution hydrodynamic numerical model for surface water flow and transport processes within a flexible software framework

Simons, Franz

In water resources management computer simulations and numerical methods have become a more and more important tool for supporting decisions. They enable the understanding of complex relationships in the hydrological cycle and predictions about future development. This thesis describes the development of a numerical modeling software which allows the integrated simulation of surface water flow and transport processes as well as their interactions. To make use of the improvements in the methods to survey high-resolution topography information and to capture small-scale processes, numerical methods were developed which allow a robust and highly detailed simulation of surface water flow and transport processes in urban and natural environments. A robust numerical scheme for the solution of the shallow water equations based on the finite volume method was implemented, which can handle complex flow conditions, e. g. small water depths, wetting/drying and varying flow conditions including sub- and supercritical flows, hydraulic jumps and sharp water level gradients. In addition, the shallow water equations were augmented by the transport of contaminants and sediments and an infiltration model based on the Green-Ampt equation. A numerical framework was developed which provides the fundamental infrastructure for explicit high-order finite volume schemes, robust numerical methods and a flexible codebase which allows simple extension by new processes and numerical schemes. By means of several verification tests and case studies involving channel flow, rainfall-runoff, tracer transport, infiltration and sediment transport, the suitability of the software framework and the developed numerical schemes was demonstrated.
In der Wasserwirtschaft sind Computersimulationen und numerische Methoden zu einem immer wichtigeren Werkzeug zur Entscheidungsunterstützung geworden. Sie ermöglichen es, komplexe Zusammenhänge im Wasserkreislauf zu verstehen und Vorhersagen über die zukünftige Entwicklung zu treffen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer numerischen Modellierungssoftware, die die integrierte Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in Oberflächengewässern ermöglicht. Um auch kleinskalige Prozesse abzubilden und die Verbesserungen der Methoden zur Erfassung hochauflösender Geländemodelle nutzen zu können, wurden numerische Methoden entwickelt, die eine robuste und hochdetaillierte Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in urbanen und natürlichen Gebieten ermöglichen. Es wurde ein robustes numerisches Verfahren zur Lösung der Flachwassergleichungen auf Basis der Finite-Volumen-Methode implementiert, das komplexe Strömungsbedingungen (z. B. kleine Wassertiefen, Benetzen und Trockenfallen, schießenden und strömenden Abfluss, Wechselsprünge und steile Wasserstandsgradienten) beherrscht. Zusätzlich wurden die Flachwassergleichungen um den Transport von Schadstoffen und Sedimenten und ein Infiltrationsmodell auf Basis der Green-Ampt-Gleichung ergänzt. Es wurde ein numerisches Software-Framework entwickelt, das den grundlegenden Rahmen für explizite Finite-Volumen-Verfahren höherer Ordnung und robuste numerische Methoden zur Verfügung stellt. Das Softwarekonzept erlaubt eine einfache Erweiterung um weitere Prozesse und numerische Verfahren. Anhand mehrerer Validierungsrechnungen und Fallstudien, die sich mit Gerinneströmung, Niederschlags-Abfluss-Modellierung, Tracertransport, Infiltration und Sedimenttransport befassen, konnte die Eignung des Software-Frameworks und der entwickelten numerischen Verfahren nachgewiesen werden.
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