Im Süden Australiens führt die Landwirtschaft am Murray-Darling-Fluss seit Jahren zu steigenden Salzkonzentrationen. Um das Flusswasser zu schützen, wird ein Teil des salzhaltigen Wassers in spezielle Becken geleitet und in den Untergrund eingespeist. Das entlastet die Gewässer kurzfristig, erhöht aber langfristig den Salzgehalt im Boden.

Forschende der TU Wien haben nun ein Rechenmodell entwickelt, das die Ausbreitung von Flüssigkeiten in porösem Material und andere Phänomene berechnen kann. Mit der Simulation lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Diffusion und Dichteunterschieden im porösen Boden analysieren. Darüber hinaus ermöglicht das Modell eine präzisere Prognose der langfristigen Entwicklung von Salzgehalten im Grundwasser.

Modellierung von Diffusion, Strömung und Dispersion

„Wenn sich Flüssigkeiten miteinander mischen, dann kommt es zur Diffusion. Wenn man etwa einen Tropfen Tinte in einem Glas Wasser platziert, dann werden sich die Tintenpartikel langsam ausbreiten, einfach aufgrund der zufälligen Bewegung der Teilchen“, so Dr. Marco De Paoli vom Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Wien.

Mit dem neuen Computermodell lassen sich laut den Forschenden die verschiedenen Effekte – Diffusion, Dichteunterschiede und Strömung – in einem System zusammenführen und realitätsnah berechnen. Das Modell bildet die Struktur des porösen Bodens präzise ab und erlaubt Simulationen mit hoher räumlicher Auflösung auf Supercomputern. Dadurch können auch kleinräumige Instabilitäten und Musterbildungen sichtbar gemacht werden.

„All diese Effekte sind schon lange bekannt, aber wir haben es nun geschafft, sie in ein Computermodell zu integrieren, das es nun erstmals erlaubt, komplizierte Situationen wie die in Südaustralien mit Hilfe von Supercomputern zuverlässig zu berechnen“, sagte Marco De Paoli.

Fingerstrukturen und Dichteunterschiede

Ein zentrales Ergebnis der Simulationen sind die sogenannten Fingerstrukturen. Das sind Bereiche, in denen salzhaltiges Wasser aufgrund seiner erhöhten Dichte nach unten sinkt und sich tief im Boden ausbreitet.

„Das ist ein instabiler Zustand. Wenn irgendwo durch Zufall das salzigere Wasser ein bisschen weiter nach unten dringt, dann wird dieses Ungleichgewicht von der Schwerkraft verstärkt. Das Wasser beginnt an dieser Stelle, nach unten zu strömen, und bildet fingerartige Strukturen aus, die parallel zueinander tief in den Boden ragen und die Ausbreitung von Salz noch verstärken“, erklärte Marco De Paoli.

Anwendung in Umwelt- und Energietechnik

Das in Zusammenarbeit mit der Universität Twente (Niederlande) und dem Gran Sasso Science Institute (Italien) entwickelte numerische Verfahren lässt sich auf zahlreiche Fragestellungen übertragen. Neben der Untersuchung der Versalzung am Murray-Darling-Fluss kann das Modell auch für Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser, die unterirdische Speicherung von Kohlendioxid oder die Konvektion von Geothermie-Reservoirs eingesetzt werden.