PCGEOFIM

PCGEOFIM

Grundwassersimulationsprogramm PCGEOFIM

Das Simulationsprogramm für Geofiltration und Geomigration PCGEOFIM berechnet die Grundwasserströmung und den Transport von löslichen Stoffen im Lockergestein. Aufgrund der Komplexität der Strömungs- und Stofftransportprozesse, dem Umfang zeitlich variabler Parameter und anderer Eingangsgrößen, ist ein analytischer Modellansatz nicht mehr möglich.

  • Erfassung und Prognose der Grundwasserdynamik und Grundwasserqualität
  • Unterstützung bei der Sanierung von Grundwasserschäden
  • Komplexe Betrachtung des Wasserhaushalts in Verbindung mit BWHM ArcEGMO
  • Potentielle Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasserdargebot
  • Ausweisung von Trinkwasservorräten
  • Ausweisung von Trinkwasserschutzzonen
  • Speziell Montanhydrologie
    1. Begleitung von Maßnahmen der bergbaulichen Wasserwirtschaft
    2. Zeitliche Änderung von Geländetopographie und Landnutzung im Modell
    3. Unterstützung des Sanierungsbergbaus
    4. Abbildung des Zusammenspiels von Fließ- und Standgewässern
    5. Berechnung von Sickerlinien im Böschungsbereich
Numerische Lösung

PCGEOFIM ist daher ein numerisches Simulationsprogramm und verwendet zur Lösung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen die Finite-Volumen-Methode. Dieser Ansatz ermöglicht sehr bilanztreue Ergebnisse, d.h. Zu- und Abflüsse im gesamten Modell werden genau erfasst und für den Anwender nachvollziehbar ausgewiesen. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, den Wiederanstieg eines Tagebaurestloches zu berechnen und eine Prognose über den zu erwartenden Endwasserstand zu erstellen. Der numerische Ansatz erfordert eine Zerlegung des Modellgebiets (Diskretisierung) in ein Raster. Jedes Rasterelement wird aufgrund des mathematischen Lösungsverfahrens auch als Volumenelement bezeichnet. Da das Verfahren keine besonderen Anforderungen an die Form der Volumenelemente stellt, ist auch eine flexible Diskretisierung des zu modellierenden Gebiets möglich. Dadurch können Randbedingungen wie z.B. Flüsse, Seen oder Entwässerungsbrunnen sehr präzise im Modell berücksichtigt werden.

Merkmale von PCGEOFIM

Das Programmsystem besteht aus zwei Komponenten und verfügt über zahlreiche Features, um den Wasserhaushalt möglichst umfassend beschreiben zu können.

Komponenten des Programmsystems PCGEOFIM

PCGEOFIM ist ein Programmpaket bestehend aus dem Simulator Geofim sowie der grafischen Benutzeroberfläche PCGeofim. Der Simulator stellt den eigentlichen Simulationskern dar und führt die Berechnungen aus. Mit Hilfe der Benutzeroberfläche PCGeofim erfolgen der Modellaufbau sowie die Ergebnisauswertung (Pre- und Postprocessing). Der Anwender wird bei der Modellierung durch zahlreiche Werkzeuge und Importschnittstellen unterstützt. Die Ausgabe von Hydroisohypsenplänen erfolgt in maßstabsgerechter Kartendarstellung und ermöglicht dem Anwender eine problemorientierte Modellauswertung. Eine Darstellung weiterer Features und Möglichkeiten finden Sie hier.

Tools der graphischen Benutzeroberfläche

Von den insgesamt über 30 Tools sind nachfolgend nur einige aufgeführt und beschrieben, welche den Anwender bei der Modellauswertung unterstützen.

Isohypse

Das Tool Isohypse bietet u.a. die überschreibungsfreie Ausgabe der Messwerte als Messwertkarte, die Bewertung der Messwerte im Dialog mit dem Anwender, die Vorgabe von äußeren und inneren Randkonturen im Dialog und nach einer Triangulation die Darstellung der Messwerte in Form von Isohypsen und Isoflächen. Dabei wird großer Wert auf die stützstellentreue Interpolation der Messwerte gelegt. Bei der Isolinienkonstruktion können Stand- und Fließgewässer wahlweise einbezogen werden.

Geoisol

Das Tool Geoisol erzeugt aus den gespeicherten Spiegelhöhen und Konzentrationen der Geofim-Berechnung Isolinien und Isoflächen. Bei der Isolinienkonstruktion werden die Wasserstände in den Standgewässern berücksichtigt. Zusätzlich können Messstellen, Stromlinien und Wanderpunkte in die Grafik übernommen werden. Die Ausgabe kann auf Monitor, Plotter oder Drucker erfolgen. Der Export ist in verschiedenen Formaten (z.B. HP-GL/2 und ESRI-Shape-File) maßstabsgerecht möglich.

Geogang
Das Werkzeug dient zur Visualisierung der Ergebnisse aus GEOFIM-Berechnungen in Form von Zeitfunktionen (Ganglinien): Ausgabe auf Bildschirm, Plotter, Drucker und Export zu anderen Programmen (z.B. als HP-GL/2-Datei, PostScript-Datei oder AutoCAD-Datei)

Ganglinien

Geopara

Elementbezogene graphische Darstellung der Eingabeparameter, inklusive Randbedingungen und Topographie. Die Ausgabe kann analog zum Tool Geoisol in unterschiedlichen Formaten erfolgen, wobei beim Export in das ESRI-Shape-File-Format die GIS-gestützte Modellbearbeitung möglich ist.

Features des Programmsystems PCGEOFIM

PCGEOFIM ist speziell für die Anforderungen der bergbaulichen und nachbergbaulichen Wasserwirtschaft entwickelt worden. Als Besonderheit können mit dem Simulationswerkzeug Geofim die bergmännisch entstandenen und entstehenden Hohlformen vollständig modelltechnisch erfasst und somit bilanztreu berücksichtigt werden. Klassische Problemstellungen der Grundwasserdynamik können damit jedoch ebenso bearbeitet werden.

Modellgeometrie

Mit PCGEOFIM können die Strömungs- und Transportprozesse in 1D, 2D sowie 3D modelliert und simuliert werden. Die Diskretisierung erfolgt für den 2-dimensionalen Raum grundsätzlich in einem regelmäßigen Vierecksgitter, sodass im 3-dimensionalen Raum quaderförmige Volumina entstehen. Um dem Anwender die Möglichkeit der Erstellung einer flexibleren Netzgeometrie zu bieten, wurde die sogenannte Lupenstruktur entwickelt und implementiert. Diese Lupen können das Basisgitter sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung verfeinern. Somit ist eine präzisere Angabe bzw. Erfassung von örtlichen Gegebenheiten (z.B. geologische Verhältnisse, Lage der Randbedingungen) möglich. Die Anordnung der Lupen wird nicht durch eine Hierarchie festgelegt, sodass sowohl eingebettete als auch sich überlappende Bereiche darstellbar sind.

Randbedingungen

Im Programm PCGEOFIM sind Randbedingungen sehr vielfältig implementiert, damit Sachverhalte optimal im Modell abgebildet werden können. Beispielhaft seien hier einige Randbedingungen aufgeführt:

  • 1., 2. Art sowie 3. Art (auch mit Beschränkungen)
  • Zeitkonstant oder zeitvariabel definierbar
  • Brunnen, Möglichkeit zur Definition der Brunnenalterung
  • Definition von Vertikalfilterbrunnen
  • Tagebaurandbedingung zur Festlegung von Entwässerungszielen
  • Stand- und Fließgewässer mit Kopplung an den Aquifer
  • Überflutung zur Abbildung der Versickerung
Alle Randbedingungen können zeitlich konstant oder variabel definiert werden, wobei bei der zeitlichen Vorgabe zwischen Stufen- und Polygonfunktion unterschieden wird.

Features

Geofim

  • Flexible Abbildung zeitabhängiger "Parameter" im Modell. Parameter steht hier für
    • Mächtigkeit eines Finiten Volumens (Entfernen/Hinzufügen eines Elements möglich)
    • kf-Wert
    • Störungen in x-, y- sowie z-Richtung (z.B. zur Abbildung von Dichtungswänden)
    • Grundwasserneubildung
    • Anfangswasserstand
    • Effektive Porosität
    • Speicherkoeffizient
    • Isotherme
    • Konzentration

  • Direkte und indirekte Kopplung von Stand- und Fließgewässern untereinander zur Abbildung Gewässersystemen, Überläufen, Wasserhebungen etc. mit Beschränkungen
  • Berechnung des Stofftransports mittels Flux-Limiter (bis zu 15 Migranten) oder Random-Walk-Verfahren
  • Berechnung von Bahnlinien über frei zu definierende Wanderpunkte
  • Automatische Parameteridentifikation und -optimierung nach dem Gauß-Newton-Verfahren für hydraulische und transportrelevante Parameter
  • Brunnenoptimierung zur Berechnung der optimalen Anzahl von Förderbrunnen und Förderraten bei Vorgabe mehrerer möglicher Schutzziele
PCGeofim

  • Maßstabsgerechte, kartenbasierte Ausgabe von Hydroisohypsenplänen
  • Darstellung der Inhalte erfolgt layerorientiert
  • Ausgabe von Ganglinien für
    • alle Randbedingungen
    • vordefinierte Gruppierungen für Stand- und Fließgewässer, Brunnen sowie Bilanzen
    • benutzerdefinierte Punkte

  • Berechnung und Ausgabe von Hydrodifferenzenplänen
  • Zusätzliche Ausgabe von Bahnlinien und Fließpfeilen
  • Optionale Darstellung von Brunnen und Messwerten
  • Darstellung vertikal-ebener Schnitte als Ergebnis von Sickerlinienberechnungen
  • Gradientenorientierte Beschriftung von Isolinien
  • Gestaltungsmöglichkeiten durch benutzerdefinierte Vorgabe von Beschriftungen und Legende
  • Export der Modellergebnisse als HP-GL/2-Plotdateien, Esri Shape-File, Microstation dgn-File und Surfer Grid-File
  • Graphischer Vergleich von Modellvarianten anhand von Ganglinien und Isohypsenplänen
  • Clippen von Polygonen und Flächen
  • Flächenberechnung
  • Tool zum Entzerren mit Passpunkten

Systemvoraussetzungen

Die Mindestanforderungen in der Tabelle unten sind moderat gehalten, da PCGEOFIM von sich aus keine besonderen Voraussetzungen bezüglich Hard- und Software bedingt. Es ist keine zusätzliche Laufzeitumgebung erforderlich. Für größere Projekte empfiehlt sich deutlich leistungsfähigere Hardware, wie in der mittleren Spalte der Tabelle angegeben. Heutige Prozessoren verfügen über die Möglichkeit, sich selbst hochzutakten. Spürbar wird dies insbesondere, wenn nur ein Prozessorkern durch eine Anwendung ausgelastet ist. Sie haben darüber hinaus mehrstufige, sehr schnelle Zwischenspeicher (Caches), welche den eher langsamen Zugriff auf den Hauptspeicher abmildern können. Sollen mehrere Simulationen gleichzeitig durchgeführt werden, wird eine mehrkanalige Hauptspeicheranbindung sehr empfohlen, um die Beeinträchtigung in der Ausführungsgeschwindigkeit zu verringern.

Die Anforderungen an die Hardware lassen sich grob auch nach der Anzahl der Finiten Volumina des Modells einstufen. Für kleine Modelle bis ca. 50.000 Finiten Volumina genügen in der Regel die Mindestvorgaben entsprechend der linken Spalte. Für Modellgrößen bis 350.000 Finiten Volumina und / oder paralleler Ausführung von wenigen Variantenrechnungen sind die Werte in der mittleren Spalte zu empfehlen. Bei Großraummodellen und insbesondere bei paralleler Ausführung zahlreicher Modellvarianten wird eine Hardwareausstattung entsprechend der Spalte "Optimal" empfohlen.

PCGEOFIM wurde unter den folgenden Betriebssystemen getestet: Windows 8.1 (32+64 Bit), Windows 10 (32+64 Bit), Server 2012 R2 und Server 2016.

 

MindestanforderungEmpfohlenOptimal
Intel Core oder
vergleichbarer AMD-Prozessor
(CPU muss über SSE3-Einheiten verfügen)
Intel Core i7 der 9. Generation oder
AMD Ryzen 7 Prozessor der 3. Generation
Intel Xeon oder
AMD Ryzen Threadripper Prozessor
der jeweils aktuellen Generation
4 GB RAM16 GB RAM
(Zweikanal-Konfiguration)
32 GB RAM
(Vierkanal-Konfiguration oder höher)
10 GB freier Festplattenspeicher500 GB freier Festplattenspeicher (SSD)1000 GB freier Festplattenspeicher (SSD)
Windows 8.1 (32 Bit)Windows 10 (64 Bit)Windows 10 (64 Bit)

 

Tipps zur Arbeit mit dBase-Dateien

Zur Bearbeitung der Eingabedateien (dBase-Format) empfiehlt sich die Verwendung z.B. von

  • dBase
    • DOS-Version nur unter 32-Bit-Betriebssystem lauffähig
    • für 64-Bit-Betriebssysteme ist DOSBox eine Alternative
    • Verwendung einer virtuellen Maschine mit installiertem 32-Bit-Windows
  • Microsoft Access
    • bis einschließlich Version 2010
    • Access 2016 (mit Update vom Mai 2017) und höher
    • Tabellen werden als Verknüpfung eingebunden
    • SQL-Abfragen können ausgeführt und gespeichert werden
    • Spaltenformat kann aufgrund der Verknüpfung nicht geändert werden
  • Microsoft Excel
    • bis Version 2003 mit nativem dBase-Export
    • ab Version 2007 Ausgabe über Plug-In möglich
    • Spaltenformatierung wird bei leerer erster Spalte durch Excel geändert
  • GIS-Software
    • Esri ArcGIS, ArcView etc.
    • QGIS, Grass (Open Source)
In der unten stehenden Tabelle sind die Teile der Dokumentation aufgeführt und kurz deren Inhalt erläutert. Darunter finden Sie eine zip-Datei, in der die gesamte Dokumentation nochmal enthalten ist.
Name Inhalt
GeofimDB.pdf Geofim-Datenbasis
Isohypse.pdf Bewertung, Verarbeitung und Visualisierung von Messwerten
Geoisol.pdf Konstruktion von Isolinien aus Berechnungsergebnissen
Geosaver.pdf Ausgabe von Tabellen aus Berechnungsergebnissen
Geogang.pdf Konstruktion von Ganglinien aus Berechungsergebnissen
Geopara.pdf Grafische sowie tabellarische Darstellung der Geofim-Parameterdateien
PCGView.pdf Ausgabe grafischer Darstellungen auf Bildschirm; Export zu Plotter, Drucker und GIS
PCGEdit.pdf Hinweise zur Nutzung von dBase im Programmsystem PCGEOFIM
PCGTools.pdf Sammlung nützlicher Hilfsroutinen
Schnitt.pdf Erstellung eines vertikal-ebenen Schnitts mit PCGEOFIM
Theorie.pdf Physikalische und mathematische Grundlagen
PCGReader.pdf Ausgabe grafischer Darstellungen auf Bildschirm; Export zu Plotter, Drucker und GIS (Freeware)
Hier finden Sie alle Teile der Dokumentation in einer Datei gepackt (zusätzlich rohrgerinne.xls sowie trapezgerinne.xls). Hier finden Sie die Datei-Vorlagen für den Database-Ordner für einstellige Lupenbezeichnungen. Hier finden Sie die Datei-Vorlagen für den Database-Ordner in der neuen Struktur.

Lizenzierte PCGEOFIM-Anwender sind u.a.

  • Lausitz Energie Bergbau AG, Cottbus
  • Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbauverwaltungsgesellschaft mbH
  • Mitteldeutsche Braunkohlengesellschaft mbH, Zeitz
  • Institut für Wasser und Boden Dr. Uhlmann, Dresden
  • G.U.B. Ingenieur AG, Freiberg
  • HPC AG, Merseburg
  • CDM Smith Consult GmbH
  • UBV Umweltbüro GmbH Vogtland
  • Technische Universität Dresden, Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten