Gossel Wolfgang, Dr. rer. nat.

Schnittstellen bei der Kopplung von Modellierungssystemen der Hydrogeologie

Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 06.02.2008

Abstract
Die Modellierungskonzepte, auf denen die in der Arbeit betrachteten geologischen, hydro- und umweltgeologischen sowie hydrologischen Modelle basieren, können zunächst in statische und dynamische Konzepte entsprechend ihrer Zeitabhängigkeit gegliedert werden. Beide Modellierungskonzepte arbeiten mit verschiedenen Methoden, deren Einsatz entscheidend von den Zielen und in untergeordnetem Maße von den Datengrundlagen des Modells abhängt. Die Einsatzgebiete und Verwendungsmöglichkeiten der Modellierungsmethoden in Modellierungssystemen haben sich über die Zeit gewandelt, sodass heute bei den statischen Konzepten statistische und deskriptive Methoden und bei den dynamischen Konzepten numerische Methoden bevorzugt eingesetzt werden. Da die beschriebenen Modellierungskonzepte Grundlage der Modellierungen und Modellkopplungen sind, ergibt sich die Möglichkeit, unter dem Aspekt der Konzepte die Kopplungsmethoden systematisch zu beschreiben. In den Modellbeispielen Untere Mulde/Fuhne, Nubisches Aquifer System und Subrosions-Talraum Unterwerra wurden verschiedene Konzepte umgesetzt und die eingesetzten Methoden kurz beschrieben. Vor- und Nachteile der Modellierungsmethoden werde hier an praktischen Beispielen nachvollzogen.
Die hier betrachteten Modellierungssysteme der Hydrogeologie stammen insbesondere aus den Bereichen Geologie, Sickerwassermodellierung, ungesättigte Zone und Strömungsmodellierungen der gesättigten Zone. Transportmodellierungen, hydrologische und umweltgeologische Modellierungssysteme werden nur am Rande betrachtet. Verfügbare Datenquellen und Eingangsdaten der Modellierungssysteme müssen aufeinander abgestimmt werden, was durch die Vielzahl der Modellierungssysteme erleichtert wird. Unter den Modellierungsmethoden werden bevorzugt deterministische Arbeitsweisen dargestellt, da bei ihnen Verhaltens- und Strukturgültigkeit in der Regel gewährleistet sind. Für Kopplungen von Modellierungssystemen ist es von besonderer Bedeutung, welche Methoden bevorzugt eingesetzt werden, da sich insbesondere statistische Methoden flexibler in Kopplungen einsetzen lassen als konstruktive Methoden.
In den Modellbeispielen wurden je nach Modellierungsaufgabe verschiedene Modellierungssysteme eingesetzt. Bei den geologischen Modellierungssystemen sind die auf statistischen und deskriptiven Methoden aufbauenden Systeme bevorzugt worden, bei den Sickerwassermodellierungen empirische Methoden. Für die nur in einem Fall für spezielle Bereiche getrennt zu modellierende ungesättigte Zone wurde der Einsatz von empirischen und numerischen Verfahren getestet. In der gesättigten Zone dominieren deterministische numerische Verfahren sowohl für die Strömungs- als auch für die Transportmodellierung. Hydrologische Modelldaten sind ausschließlich über statistische Modellierungen berücksichtigt worden.
Schnittstellen für die Verknüpfung von Modellierungssystemen, die bei der Lösung komplexer Zielstellungen notwendig werden können, können systematisiert werden und erlauben in dieser Kategorisierung Bewertungen ihrer Einsatzmöglichkeiten. Die Kopplung mehrerer Modellierungssysteme wirkt sich in vielen Fällen durch Instabilitäten aus. Je enger die Kopplung und je komplexer die verknüpften Parameter oder Randbedingungen sind, desto höher wird meist der Aufwand zur Stabilisierung der gekoppelten Modelle. Besonders deutlich wird dies an den Modellbeispielen Untere Mulde/Fuhne und Nubisches Aquifer System. Horizontale wie vertikale Modellkopplungen sind hiervon gleichermaßen betroffen.
Der Vergleich zwischen Modellen mit gekoppelten Modellierungssystemen und der Realität wird durch die Art der Modellkopplungen, z.B. sequentielle Kopplungen, periodisch-synchrone Kopplungen oder integrierte Kopplungen, entscheidend beeinflusst. Bestimmte Arten der Modellkopplungen lassen nur in sehr reduziertem Ausmaß Kalibrierungen und Sensitivitätsanalysen sowie Fehlerbetrachtungen zu.
Prognostische Berechnungen werden mit gekoppelten Modellen zwar oft instabiler und die Zahl der zu berücksichtigenden Randbedingungen und Parametern steigt. Aber der Ersatz insbesondere von statistisch definierten Randbedingungen durch deterministische Modelle steigert die Zuverlässigkeit der prognostischen Modellrechnungen.

In the proposed study methods of geological, hydro- and environmental geological as well as hydrological modeling systems and the possibilities of their coupling are systematically examined.
The modeling concepts can be distinguished into static and dynamic concepts according to their time dependency. Both modeling concepts work with several methods that can be applied specifically to the objectives of the model and the data on which the model is based.
The possibilities and strategies of the application of modeling methods have been changing in the last decades so that today statistical and descriptive methods are used in static concepts and numerical methods are preferred in dynamical concepts.
The methods of coupling models are described systematically based on the concepts and modeling systems. Different concepts were used to model the case studies "Subrosions-Talraum Unterwerra", "Untere Mulde/Fuhne" (both in Germany) and the Nubian Aquifer System (Egypt and parts of Libya, Chad and Sudan). The methods are described briefly to demonstrate their advantages and disadvantages.
The hydrogeological modeling systems in the focus of this study concern particularly the geology, soil water and the flow in the unsaturated and the saturated zone. Transport modeling in the saturated zone, hydrological modeling and environmental geological models are considered only marginally. The sources and needs of data have to be considered according to the objectives of the model and the needs of the different modeling systems. The coordination of both demands is enhanced by a high diversity of modeling systems, so that it is possible within some limits to choose a suitable modeling system. Deterministic modeling methods are preferred because behavioural and structural validity are guaranteed. For the coupling of modeling systems it is most important, which modeling methods are used in the coupled systems, e.g. statistical methods are more flexible in geological modeling than constructive methods.
In the case studies different modeling systems according to the main tasks were used. For the geological models statistical and descriptive methods were preferred, for the soil water models empirical methods. The unsaturated zone was modeled only in the area Untere Mulde/Fuhne and in this case empirical and numerical methods were used. In the saturated zone the investigation areas were modeled with numerical methods for groundwater flow and transport. For the hydrological models only statistical methods were applied.
The interfaces for the coupling of modeling systems can be considered systematically and thus allow an evaluation. The most striking feature in coupling of modeling systems is their possibly instable behaviour. The tighter and the more complex the coupling is the higher will be in most cases the effort that is necessary to stabilize the coupled models. This can be demonstrated best with the case studies of the Nubian Aquifer System and the Untere Mulde/Fuhne. Horizontal and vertical coupling are affected in the same way.
Also the comparison of models with coupled modeling systems and the reality (calibration, validation and sensitivity analysis) is influenced by the kind of coupling. Some kinds of coupling reduce the possibilities of calibration, sensitivity and error analysis.
Prognostic modeling with coupled models will be more instable in most cases and the number of boundary conditions and parameters will increase but the reliability will increase according to the deterministic definitions.

Keywords:
Hydrogeologische Modellierung, Grundwassermodellierung, Systematik Grundwassermodellierung, Modellierungssysteme, Nubisches Aquifer System, Untere Mulde/Fuhne, Bitterfeld, Schnittstellen Grundwassermodellierung, Modellkopplungen, Konzeptionelles Modell

Hydrogeological modeling, Groundwater modeling, Systematic in groundwater modelling, Modeling systems, Nubian Aquifer System, Untere Mulde/Fuhne, Bitterfeld, Interfaces groundwater modeling, Coupled hydrological modeling, Conceptual modeling

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Zusammenfassung, Summary, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis (2, I-XII)
1 Einführung und begriffliche Grundlagen von Umweltmodellen (1-12)
2 Modellierungskonzept und methodische Konzepte (13-36)
3 Modellierungssysteme (37-92)
4 Interaktionen von hydrogeologischen Modellierungssystemen (93-118)
5 Vergleiche zwischen gekoppelten Modellen und der Realität (119-130)
6 Prognoserechnungen mit gekoppelten Modellen (131-133)
7 Ausblick auf künftige Entwicklungen (134-136)
8 Literatur (137-150)