Formal deduction of the Saint-Venant-Exner model including arbitrarily sloping sediment beds and associated energy

In this work we present a deduction of the Saint-Venant-Exner model through an asymptotic analysis of the Navier-Stokes equations. A multi-scale analysis is performed in order to take into account that the velocity of the sediment layer is smaller than the one of the fluid layer. This leads us to consider a shallow water type system for the fluid layer and a lubrication Reynolds equation for the sediment one. This deduction provides some improvements with respect to the classical Saint-Venant-Exner model: (i) the deduced model has an associated energy. Moreover, it allows us to explain why classical models do not have an associated energy and how to modify them in order to recover a model with this property. (ii) The model incorporates naturally a necessary modification that must be taken into account in order to be applied to arbitrarily sloping beds. Furthermore, we show that this modification is different of the ones considered classically, and that it coincides with a classical one only if the solution has a constant free surface. (iii) The deduced solid transport discharge naturally depends on the thickness of the moving sediment layer, what allows to ensure sediment mass conservation. Moreover, we include a simplified version of the model for the case of quasi-stationary regimes. Some of these simplified models correspond to the generalization of classical ones such as Meyer-Peter$\&$M\"uller and Ashida-Michiue models. Three numerical tests are presented to study the evolution of a dune for several definition of the repose angle, to see the influence of the proposed definition of the effective shear stress in comparison with the classical one, and by comparing with experimental data.Comment: 44 pages, sumbitted to Advances in Water Resources 17 july 201

Two-Dimensional Numerical Simulation of Bed-Load Transport of a Finite-Depth Sediment Layer: Applications to Channel Flushing

Numerical modeling of bed-load transport in shallow flows, particularly oriented toward environmental flows, is an active field of research. Nevertheless, other possible applications exist. In particular, bed-load transport phenomena are relevant in urban drainage systems, including sewers. However, few applications of coupled two-dimensional (2D) shallow-water and bed-load transport models can be found, and their transfer from environmental applications-usually river and floodplain-into sewer applications requires some adaptation. Unlike to river systems, where there is a thick layer of sediment that constitutes a movable riverbed, sewer systems have thin layers of sediment that need to be removed, thus exposing a rigid, nonerodible surface. This problem requires careful numerical treatment to avoid generating errors and instability in the simulation. This paper deals with a numerical approach to tackle this issue in an efficient way that allows large-scale studies to be performed and provides empirical evidence that the proposed approach is accurate and applicable for sewage and channel-flushing problems. (C) 2017 American Society of Civil Engineers

Fate of organic micropollutants in a karst aquifer system - Implications for sustainable raw water management

Das grundsätzliche Verständnis von Karstgrundwasserleitern ist essentiell für das nachhaltige Management der Rohwasserqualität und letztendlich für sauberes Trinkwasser für bis zu 25 Prozent der Weltbevölkerung. Um dieses Verständnis zu verbessern, wird in der vorliegenden Arbeit das Speicher- und Attenuationspotential eines Karstgrundwasserleiters untersucht. Hierbei werden organische Spurenstoffe als Indikatoren für Transportpfade, Attenuation und Attenuationsprozessen eingesetzt. Als Voraussetzung für die Erfassung belastbarer Daten, wurden geeignete Stabilisierungsstrategien für organische Spurenstoffe in Wasserproben bewertet: Zugabe der Biozide (i) Kupfersulphat und (ii) Natriumazid zu Wasserproben nach der Probenahme und anschließende Lagerung der Proben in flüssiger Form sowie (iii) sofortige Festphasenextraktion (SPE), was zu einer Stabilisierung der Proben durch eine Reduktion des Wassergehaltes führt. Es wurden Fluss- und behandeltes Abwasser untersucht. Diese zeichnen sich üblicherweise durch ein hohes Potential für biologische Aktivität und demnach hohe Biotransformationsraten aus. Analysiert wurde der Einfluss der Lagerungstemperatur von 4 und 28° C für die Proben, die in flüssiger Form gelagert wurden und von 4, 20 und 40° C für die Lagerung der SPE-Kartuschen. Kühlen der Wasserproben allein reichte nicht aus, um die Proben für längere Zeit (> 24 h) zu stabilisieren. Die Zugabe von Kupfersulphat führte zu Problemen mit Azol- und Imidazol-ähnlichen Verbindungen. Natriumazid erwies sich als geeigneter Stabilisierungszusatz. Die besten Ergebnisse konnten für kühl gelagerte SPE-Kartuschen beobachtet werden. Im darauffolgenden Kapitel wird das Langzeitspeicherpotential von Karstgrundwasserleitern untersucht. Um eine nachhaltige Rohwasserqualität zu gewährleisten ist das Verständnis dieses Potentials essentiell. Die Transportdynamik der zwei Herbizide Metazachlor und Atrazin sowie dessen Abbauprodukt (Desethylatrazin) wurde an einer Karstquelle untersucht. Sogar 20 Jahre nach dessen Anwendungsverbot konnten Atrazin und dessen Abbauprodukt nahezu immer im Quellwasser in geringen Konzentrationen (wenige ng L‒1) nachgewiesen werden. Metazachlor dagegen tritt nur nach Niederschlagsereignissen auf und die beobachteten Konzentrationen sind deutlich höher. Ein Vergleich der Dynamik der zwei Herbizide mit der der anorganischen Kationen Ca2+, Mg2+ und der elektrischen Leitfähigkeit zeigte, dass Atrazin mit diesen Parametern korreliert. Aus dieser Beobachtung konnte abgeleitet werden, dass Atrazin innerhalb der Gesteinsmatrix vorliegt und die Rohwasserqualität für Jahrzehnte beeinflusst. Um das in-situ Attenuationspotential innerhalb des Röhrensystems eines Karstgrundwasserleiters zu identifizieren und das Risiko, das von organischen Spurenstoffen ausgeht, abzuschätzen, wurde ein Doppeltracer-Experiment durchgeführt: Der reaktive Stoff Coffein wurde als Markierungsstoff genutzt um das in-situ Attenuationspotential des untersuchten Grundwasserleiters zu bewerten. Aufgrund der niedrigen Bestimmungsgrenze konnten sehr geringe Mengen eingesetzt werden. Um ein Modell zu kalibrieren und die Attenuation des Coffeins zu visualisieren wurde der konservative Markierungsstoff Uranin simultan eingegeben. Diese Methodik wurde in einem gut charakterisierten Karstgrundwasserleiter in Baden-Württemberg getestet. Die Ergebnisse zeigten eine deutlich höhere Attenuationsrate als für einen Karstgrundwasserleiter erwartet wurde. Die Attenuation wurde als Prozess erster Ordnung beschrieben; die bestimmte Halbwertszeit betrug 104 h. Diese geringe Halbwertszeit deutet darauf hin, dass das generell angenommene geringe Attenuationspotential nicht gerechtfertigt ist. Der beobachtete Massenverlust des Coffeins zeigt auf, dass Coffein als reaktiver Markierungsstoff in hydraulisch hochdurchlässigen Systemen, wie Karstgrundwasserleitern, zur Untersuchung des in-situ Attenuationspotentials geeignet ist. Aufgrund der hohen Attenuationsrate des Coffeins, ist nicht mit einer Langzeitkontamination zu rechnen. In der Kombination mit einem konservativen Referenzmarkierungsstoff wird in diesem Kapitel eine ökonomische und ökologisch ungefährliche Methode zur Bestimmung des in-situ Attenuationspotentials vorgestellt. Aufgrund der Ergebnisse des Doppeltracer-Experiments wurde ein Multitracer-Experiment durchgeführt um das ermittelte Attenuationspotential zu verifizieren, dessen Übertragbarkeit auf andere Stoffe zu überprüfen und die Attenuationsprozesse zu spezifizieren. Als Referenzsubstanzen wurden Uranin, Acesulfam und Carbamazepin gemeinsam mit den reaktiven Markierungsstoffen Atenolol, Coffein, Cyclamat, Ibuprofen und Paracetamol in eine Doline eingegeben. Die Durchbruchskurven der reaktiven Markierungsstoffe wurden relativ zu den Referenzsubstanzen ausgewertet. Für keinen der Stoffe konnte eine signifikante Retardation beobachtet werden. Die ermittelten Halbwertszeiten betrugen 38 bis 1400 h (d. h. stabil innerhalb des Beobachtungszeitraums) in der folgenden Reihenfolge (von hoher zu keiner Attenuation absteigend sortiert): Paracetamol > Atenolol ≈ Ibuprofen > Coffein >> Cyclamat. Die Attenuationsraten stimmen generell mit denen aus anderen Studien, die andere Umweltkompartimente untersuchten, und den Ergebnissen des Doppeltracer-Experiments überein. Das Auftreten des Biotransformationsproduktes Atenololsäure diente dem Nachweis von in-situ Biotransformation innerhalb des Karstgrundwasserleitersystems

A Novel, Generic Approach To Simulate Bank Retreat In Alluvial River Channels

Despite the importance of bank erosion in rivers, most computational fluid dynamics (CFD) models have limited capacity to examine bank retreat and channel-floodplain interactions, as they lack bank stability algorithms and ignore vegetation effects. This research seeks to develop a numerical model to improve our understanding of key properties of bank material and vegetation cover with respect to lateral erosion in river meanders at intermediate spatial (5−10 meander bends) and temporal (2−3 years) scales. Following a comparison of six different morphodynamic models for three sinuous laboratory configurations, the CFD model TELEMAC-2D was chosen to receive a newly developed bank retreat module that respects geotechnical principles and integrates spatial analysis concepts. It was tested against morphological datasets from two contrasted river reaches, the semi-alluvial Medway Creek (Ontario) and alluvial St. François River (Quebec). Statistical analysis, combined with the use of machine learning algorithms, demonstrate that the coupled model is able to fit observed bank retreat location and extent. Some local disagreement with observations along Medway Creek seems associated with the heterogeneity of soil material and stratigraphy, and in vegetation cover present at the field site. The coupled model was also used to identify key geotechnical parameters and optimal parameter values for the studied reaches. An epistemological reflection on the purpose of modelling in fluvial geomorphology leads to the conclusion that the primary model strength lies in its ability to provide explanations on bank retreat mechanisms. Further research should seek to test more thoroughly morphodynamic modelling in complex geomorphological environments

Report / Institute für Physik

The 2014 Report of the Physics Institutes of the Universität Leipzig presents a hopefully interesting overview of our research activities in the past year. It is also testimony of our scientific interaction with colleagues and partners worldwide. We are grateful to our guests for enriching our academic year with their contributions in the colloquium and within the work groups. The open full professorship in the Institute for Experimental Physics I has been filled with an outstanding candidate. We could attract Prof. Ralf Seidel from the University of Münster. He is an expert in molecular biophysics that complements the existing strength in cellular biophysics. Prof. Hollands could fill all positions of his ERC Starting Grant, so that the work on the project \"Quantum Fields and Curvature – Novel Constructive Approach via Operator Product Expansion\" is now running at full pace. Within the Horizon 2020 project LOMID \"Large Cost-effective OLED Microdisplays and their Applications\" (2015-2017) with eight European partners including industry the semiconductor physics group contributes with transparent oxide devices. A joint laboratory for single ion implantation was established between the Leibniz-Institute for Surface Modification (IOM) and the university under the guidance of Profs. Rauschenbach and Meijer. The EU IRSES Network DIONICOS \"Dynamics of and in Complex Systems\", a consortium of 6 European and 12 non-European partners, including sites in England, France and Germany as well as in Russia, Ukraine, India, the United States and Venezuela, started in February 2014. In the next four years the Leipzig node headed by Prof. Janke will profit from the numerous international contacts this network provides. With a joint project, Prof. Kroy and Prof. Cichos participate in the newly established priority research programme SPP 1726 \"Microswimmers\", which started with a kick-off workshop in October 2014. In 2014 the International Graduate College \"Statistical Physics of Complex Systems\" run by the computational physics group has commenced its third 3-years granting period funded by Deutsch-Französische Hochschule (DFH-UFA). Besides the main partner Université de Lorraine in Nancy, France, now also Coventry University, UK, and the Institute for Condensed Matter Physis of the National Academy of Sciences of Ukraine in Lviv, Ukraine, participate as associated partners. During the last week of September the TCO2014 conference \"Transparent Conductive Oxides – Fundamentals and Applications\" took place in honor of the 100th anniversary of the death of Prof. Dr. KarlW. Bädeker. In 1907 Karl Bädeker had discovered transparent conductive materials and oxides in Leipzig. About a hundred participants joined for many invited talks from international experts, intense discussion and new cooperations. At the end of November the by now traditional 15th nternational Workshop on Recent Developments in Computational Physics \"CompPhys14\" organized by Prof. Janke took place in Leipzig. Around 60 scientists from over 10 different countries exchanged ideas and discussed recent progress in several fields of computational physics. Work has successfully continued in the Centers of Excellence (Sonderforschungsbereiche) SFB 762 \"Functionality ofOxide Interfaces\" and SFB TRR 102 \"Polymers under Multiple Constraints: Restricted and Controlled Molecular Order and Mobility\" (just renewed for 2015-2019). Our activities and success are only possible with the generous support fromvarious funding agencies for which we are very grateful and which is individually acknowledged in the brief reports

Auf den Spuren später Wildbeuter

Das Bild der Neolithisierung Mitteleuropas hat in den letzten Jahren durch neue Ergebnisse, aber auch neue Interpretationsansätze eine Differenzierung erfahren. Das traditionelle territoriale Kulturverständnis behindert die Wahrnehmung unscharfer Übergangszonen und räumlicher Verzahnungen von Kulturen mit unterschiedlicher Lebens- und Wirtschaftsweise. Mit einem regionalen Fokus auf dem nordostdeutschen Raum greift der Band die Diskussion um die sich immer deutlicher abzeichnende regionale Parallelität von Gruppen mit wildbeuterischer und bäuerlicher Subsistenz auf. Dabei verfolgen die AutorInnen unterschiedliche disziplinäre Perspektiven, die von der materiellen Kultur (Keramik und Lithik) über die Archäobotanik bis zur Palaeogenetik und Rekonstruktion von Ernährung durch die Analyse stabiler Isotopen reicht. Neben regionalen Studien sind auch Ansätze mit methodischem Schwerpunkt und großräumigen Skalen vertreten. Der Band geht aus einem 2014 veranstalteten Workshop hervor. Die zwölf hier abgedruckten Beiträge wurden für die Publikation aktualisiert