German Title: Charakterisierung des Wasserflusses und des Stofftransportes in grob texturierten Materialien

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grob texturierte Materialien hinsichtlich ihrer hydraulischen Eigenschaften und ihrer Transporteigenschaften untersucht. Durch die Inversion eines Multi-Step Outflow Experiments konnten die hydraulischen Eigenschaften bestimmt werden. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde durch die Analyse der Differenzen zwischen gemessenen und simulierten Werten, der Konfidenzintervalle und Korrelationsmatrix der bestimmten Parameter und der -Flächen der modellierten Ausflussdaten bewertet. Für Feinsand und Grobsand zeigte das Modell die größten Abweichungen im Zustand hoher Wassersättigungen. Die weniger empfindlichen Parameter und können durch Inversion nicht gut bestimmt werden. Bimodale hydraulische Modelle ergaben eine bessere Anpassung an die Ausflusskurve des Mischmaterials aufgrund ihrer höheren Flexibilität. In einer abschließenden Diskussion werden die Abweichungen des Modells darauf zurückgeführt, dass die experimentellen Bedingungen nicht in der Lage sind, die Voraussetzungen des Prozessmodells, der Richards-Gleichung, zu erfüllen. Außerdem war die Parameterisierung der hydraulischen Eigenschaften ungeeignet. Durch stationäre Transportexperimente bei zwei verschiednen, konstanten Fließraten wurde der Stofftransport durch die grob strukturierten Materialien untersucht. Bei diesen Experimenten wurden asymmetrische Durchbruchskurven beobachtet. Das "hysteretische" Verhalten im Transportprozess sowie der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Wechselwirkung zwischen gelöstem Stoff und Matrix wurde ebenfalls untersucht und die beteiligten Modelle mit Hilfe berechneter Güteparameter der Simulationen beurteilt.

Translation of abstract (English)

In the present work, several coarse textured materials were investigated with respect to their hydraulic and transport properties. Hydraulic properties were estimated using a state-of-the-art method: the inversion of multi-step outflow experiments. The applicability of the adopted method is evaluated through analysis of the structure of the residuals, the parameter confidence interval and correlation matrix, and the surfaces for outflow. The model errors are larger at higher saturations than those at lower saturations for the fine sand and the coarse sand. The insensitive parameters like and cannot be determined correctly by inversion of the currently used experiments. With higher flexibility, bimodal hydraulic models yielded a better fit for the outflow for the mixed material. In a final discussion, the deviations of the model from the measurements were attributed to the experimental conditions that could not satisfy the assumptions of the process model, Richards equation, and the unsuitable parametric model for hydraulic properties. Through stationary breakthrough experiments at two distinct fluxes, solute transport through the coarse textured materials were investigated and asymmetric breakthrough curves were obtained. The "hysteresis" phenomenon in transport process and influence of the flow rate on the interaction between the solute and the matrix were analyzed and the models were evaluated with the calculated goodness-of-fit.