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Implementierung von Kanalnetzstrukturen in Wärmetransportmodelle
Nach Prognosen der Vereinten Nationen werden bis zur Mitte dieses Jahrhunderts mehr als zwei Drittel der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten leben. Die rasche Verstädterung geht mit negativen Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Grundwasser in Städten einher, wobei sich sowohl die Menge als auch die Qualität verschlechtern. Geeignete Bewirtschaftungsstrategien sind erforderlich, um die Widerstandsfähigkeit der Städte und ihrer Ökosysteme zu erhöhen. Hochentwickelte numerische Modelle zur Simulation des Wasserflusses sowie des Stoff- und Wärmetransports im Untergrund sind leistungsfähige und bewährte Instrumente, die die Entscheidungsfindung und Planung und damit die nachhaltige Nutzung der unterirdischen Ressourcen unterstützen. Neben der Quantifizierung der für die Entnahme verfügbaren Wassermengen ist das Verständnis des aktuellen thermischen Zustands der Untergrund- und Grundwasserressourcen sowie potenzieller Veränderungen angesichts des fortschreitenden Klimawandels und der Urbanisierung von wesentlicher Bedeutung. Modelle, die für diese sehr spezifische Aufgabe entwickelt wurden, sollten zumindest alle wichtigen Objekte (z. B. Tiefgaragen, Tunnel, Kanalnetze) umfassen, die thermisch zum Wärmeregime des Grundwassers beitragen. Beispielsweise kann der Wärmeaustausch zwischen dem Untergrund und der Kanalisation (die vergleichsweise warme, unbehandelte Abwässer aus Haushalten und Industrie zu den Kläranlagen leitet) erheblich zum so genannten städtischen Wärmeinseleffekt beitragen, wie er besonders in dicht besiedelten Gebieten zu beobachten ist, und sollte daher in Grundwassermanagementmodellen berücksichtigt werden. Vollständige 3D-Implementierungen aller unterirdischen Objekte, insbesondere von Kanalisationsnetzen mit Hunderten von Kilometern an Rohren, kommen bei der Anwendung solcher numerischen Modelle jedoch in der Regel nicht in Frage, da dies mit einem hohen Rechenaufwand (aufgrund lokaler Verfeinerungen der Modellnetze) und höchstwahrscheinlich auch mit zunehmenden numerischen Instabilitäten solcher Simulationen verbunden wäre. 25 Um diese Einschränkung zu überwinden, liegt der Schwerpunkt unserer aktuellen Forschung auf der Bewertung der Eignung eines adaptiven Ansatzes (Abbildung). Unsere Methode basiert darauf, die zu erwartenden thermischen Austauschraten zwischen z.B. Kanalrohren und ihrer Umgebung in vereinfachter Form quantitativ auf die Elemente eines bestehenden Modellnetzes zu übertragen. Dazu werden die zu implementierenden thermischen Wechselwirkungen auf mehreren Komplexitätsebenen (z.B. mehrere Rohrgrössen und -formen) und auf mehreren Skalen numerisch untersucht.