Strömungen im Grundwasser

Als Sickerströmung oder Sickerfluss bezeichnet man die Strömung eines oder mehrerer Fluide (Phasen) durch ein poröses Medium.

Solche Medien sind z. B. der Erdboden, Sand o. ä. (Aquifer des Grundwassers, aber auch anderer Flüssigkeiten (Erdöle), das Durchwandern von Filtermedien

Charakteristisch für einen Sickerfluss ist, dass das Strömungsverhalten der beteiligten Fluide hauptsächlich durch deren Oberflächenspannung bestimmt wird. Die Effekte der Oberflächenspannung kommen durch die feinen Poren des Mediums zum Tragen. Die Gleichungen von Sickerflüssen lassen sich durch vereinfachte Annahmen aus den Navier-Stokes-Gleichungen herleiten. Bei den Navier-Stokes-Gleichungen werden Transport- und Strömungsverhalten von Fluiden modelliert, wohingegen die Oberflächenspannung nur am Rand des betrachteten Gebiets Einfluss erhält.

Theoretisch könnten Sickerflüsse auch durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben werden. Im Allgemeinen ist der Porenverlauf des Mediums (z. B. des Erdbodens) allerdings unbekannt. Außerdem berücksichtigt man bei Sickerflüssen Adsorptions- und Einlagerungseffekte in den Poren (Kapillaren) des Mediums. Zudem wäre eine komplette Berechnung des Strömungsverhaltens der Fluide in einem komplexen Aufbau eines porösen Mediums sehr aufwändig. Bei Sickerflüssen hingegen wird die Porenstruktur des Mediums z. B. durch Durchlässigkeits- und Affinitätskonstanten beschrieben. Damit wird eine näherungsweise Beschreibung des Strömungsverhaltens ermöglicht.

Sickerflüsse können durch partielle Differentialgleichungen beschrieben werden. Das bekannteste Modell hierfür ist die Richards-Gleichung, die einen Sickerfluss einer Luft-Flüssigkeits-Mischung im porösen Medium beschreibt. Durch Kopplung mehrerer Richards-Gleichungen können weitere Phasen (d. h. Fluide) dem Sickerfluss-Modell hinzugefügt werden. Damit ist z. B. die Ausbreitung eines Öl-Wasser-Gemisches im Erdboden beschreibbar.

Eine Anwendung des Sickerfluss-Modells ist die Modellierung von Grundwasser, etwa die Ausbreitung von Kontaminationen im Erdboden. Insbesondere lassen sich durch geeignete Wahl der Randbedingungen der beschreibenden partiellen Differentialgleichungen Lösungen zur Beseitigung von derartigen Kontaminationen ermitteln.

Siehe auch

Grundwasser, Porenwasser, Kapillarer Krümmungsdruck, Sickerlinie (Grenze zwischen durchsickertem und nicht durchsickertem Teil des porösen Mediums)