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ELNAG (Electrical Network Analog for Groundwater Problems) war in den 1970er und 1980er Jahren ein elektrisches Analogon, bei dem zweidimensionale Grundwasserfluss simuliert wurde. Es wurde entwickelt, um Grundwasserstände, Grundwasserdrücke und Grundwasserströmungen in Deichen zu bestimmen. ELNAG könnte auch für andere zweidimensionale Grundwasserprobleme verwendet werden.
Dieses Analog verbesserte das vorherige um die Delta-Service von Rijkswaterstaat angewandte Modellmethode, bei der die Grundwasserströmung mit elektrisch leitfähigem Papier simuliert wird - de Teledeltos Modelle.
ELNAG ist eine spezielle Anwendung analoger und digitaler Techniken. Auch weil die Eingangs- und Ausgangsdaten automatisch von einem Computer gesteuert werden, ist ELNAG ein einzigartiger Hybridcomputer für Grundwasserströmungen.
Geschichte
Die Niederlande (Holland) hat seinen Namen, weil es sehr niedrig in einem Deltagebiet liegt. Es ist bekannt, dass ein großer Teil der Niederlande ohne Deiche unter Wasser stünde. Von jeher haben die Holländer Hügel angelegt und Deiche und Dämme gebaut, um das Fluss- und Meerwasser zu wenden. Aufgrund dieser Notwendigkeit haben die Niederlande im Laufe der Jahre viele weltweit bekannte Wasserbauingenieure hervorgebracht. Trotz der Sorgfalt, mit der die Deiche gebaut und regelmäßig erhöht wurden, überraschte die Natur die Niederlande gelegentlich mit einer Flutkatastrophe, die viele Tote und Schäden verursachte. Jeder kennt das aus den Geschichtsbüchern Die Sintflut der Heiligen Elisabeth ab 1421 über weite Teile von Zeeland und Südholland und vor allem die Biesbosch-Gebiet überflutet und viele kamen ums Leben. Vor nur einem halben Jahrhundert wurden die Niederlande von der Flutkatastrophe vom 1. Februar 1953. Diese Katastrophe, die 1.853 Tote forderte, weckte die nationale Bereitschaft, die (überfällige) Instandhaltung von Deichen zu überprüfen und Deltaplan (Der Ursprung des Deltaplans[2]) Implementiert sein. 1956 richtete Rijkswaterstaat hierfür einen eigenen Dienst ein, den Delta-Service, gegründet, um den Delta-Plan zu entwerfen, zu überwachen und umzusetzen.
Für die meisten Deichverstärkungen und Dämme der Meeresbuchten wurden die Menschen verwendet Asphalt als Abdeckmaterial auf den Böschungen der Deiche. Asphalt ist ein schnell verarbeitbares Hangdeckwerk, das deutlich günstiger ist als die klassischen, gewohnten Steinsetzungspisten. Asphalt hat den Nachteil, dass es sich um ein (fast) wasserdichtes Material handelt. Als Ergebnis ist nach a Sturmflut mit größeren Schäden durch Wasserüberdrücke aus der Innenseite des Deichkörpers rechnen, wenn das Deckwerk nicht schwer genug dimensioniert ist Wenn ein Deich außen mit hohem Wasserstand aufgrund einer hohen Tide oder Sturmflut das Wasser dringt langsam aber langsam in den Deichkörper ein. Wenn die Sturmflut nachlässt und der Außenwasserspiegel bereits stark gesunken ist, kann es vorkommen, dass das Grundwasser im Deichkörper dem Außenwasserspiegel nicht schnell genug folgen kann. Dadurch können an der Unterseite der dichten (Asphalt-)Deckwerke zu hohe Wasserdrücke entstehen, die beispielsweise in Vlissingen große Schäden an den Deichen verursachen.[3], kann auftreten.
Die Hydraulikabteilung des Delta Service suchte fleißig nach einem guten System zur Untersuchung von Wasserüberdrücken, um viele Varianten in kürzerer Zeit mit einer schnellen Berechnungsmethode berechnen zu können. Dadurch kann eine bessere Dimensionierung von Deichen erreicht werden.DR. ir. Johan van Veen und (später) der Wasserbauingenieur Ing. H. J. In der Gezeitentheorie nutzte Strawband bereits die Analogie zwischen einem Wasserfluss durch einen Fluss und einem elektrischen Strom durch einen Leiter (siehe Elektrisches Modell von Wasserläufen und Deltar). Diese Analogie kann auch für Berechnungen in der Grundwasserströmungsdynamik verwendet werden. Dort ist die Analogie die Beziehung, die zwischen einer Wasserströmung durch poröse Medien besteht (Darcys Gesetz) und ein elektrischer Strom durch einen Leiter (Ohm'sches Gesetz). Literatur: Bischoff van Heemskerck, 1965[4]; Huard de la Marre, 1958[5] und Vreedenburgh & Stevens, 1936[6]. Es hat sich als gute Modellmethode erwiesen, maßstabsgetreue Deichquerschnitte in elektrisch leitfähigem Material (Kupferfolie) und darin Grundwasserstandsmessungen durchzuführen (Gase, 1936 .).[7]; van der Tuin & Stroband, 1958)[8].
Ab Anfang der 1960er Jahre wurde die Dimensionierung von (Asphalt-)Belägen häufig nach einem immer weiter weiterentwickelten Teledeltos-Modellverfahren (Marcus, 1960[9]; und Berichte in der Delta Works Quarterly Message, Nummern 13[10], 34[11] und 39[12]). Allerdings gab es neben den Vorteilen dieser Modellmessungen noch einige Nachteile, nämlich: a) Einführung von Inhomogenitäten und Anisotropie im Untergrund und im Deichkörper nicht ohne weiteres möglich ist und b) ein freier Grundwasserspiegel (phreatische Ebene) im Deich kann in Abhängigkeit von den zeitabhängigen Randbedingungen nicht beliebig in Höhe und Zeit variieren.
Diese Einwände führten zur Gründung einer Partnerschaft zwischen Rijkswaterstaat (Delta Service and Information Processing Service), der Technischen Universität Delft (Department of Road and Hydraulic Engineering) und der Labor für Bodenmechanik für die Auslegung und den Bau eines automatisch schaltenden Elektrischen Netzanalogs für Grundwasserströmungen (ELNAG), in dem die oben genannten Unzulänglichkeiten überwunden werden. Die Studie zum Design von ELNAG begann 1965. Ein wichtiger Impuls war der Forschungsbericht von C. Verspuy[13] und der Gemeinschaftsbericht ELNAG (Blankwaardt, v.d. Burg, Devilee, Keesmaat, Verspuy, Wissenburg, 1979burg[14]). Die Entwicklung und der Bau erfolgten in den Jahren 1972 bis 1978. ELNAG wurde am 13. Juli 1978 in Betrieb genommen.
Nach zehnjähriger Nutzung zur Lösung von Grundwasserproblemen (v.d. Burg, 1987[15]) wurde das ELNAG-Modell 1986 aufgelöst. Die verschiedenen weiterentwickelten numerischen Lösungsverfahren mit beispielsweise dem Finite-Elemente-Methode durch Berechnungen am Computer haben nach und nach die Aufgabe zur Lösung von Grundwasserproblemen übernommen (Fachbericht Wasserspannungen in Deichen[16]).
Systembeschreibung
Das Modell besteht aus einem Netzwerk von Widerstände und Kondensatoren. Dieses Netzwerk kann bis zu 5000 Knoten enthalten. Durch den Aufbau des Netzes aus unterschiedlichen Widerstandswerten können Schichtung und Anisotropie der durchströmten Bodenschicht simuliert werden. Die Widerstände sind in Haltern montiert, mit denen der gewünschte Schaltplan in rechteckigen Maschen aufgebaut werden kann. Mittels Kondensatoren wird die Wasserspeicherung am freien Wasserspiegel simuliert. Es stehen bis zu 192 Kondensatoreinheiten zur Verfügung. Diese Einheiten sind für verschiedene Varianten einstellbar. Das Netz passt sich durch Vermittlungselemente an (Devilee & Wissenburg, 1978[17]) automatisch an die Höhenänderungen der freien Wasseroberfläche.
Das Modell wird mit a . hergestellt Mini-Computer kontrolliert. Es gibt Software in den Computersprachen fortran und Monteur entwickelt, um schnell mit dem Modell arbeiten zu können.Als Input, der nahezu kontinuierlich geliefert wird, können zwei zeitabhängige Randbedingungen wie Gezeiten, Sturmflutkurven oder Wellen vorgegeben werden. Zusätzlich können 94 stationäre Randbedingungen eingestellt werden. Diese sind dazu bestimmt, feste (Grund-)Wasserstände oder Grabenstände zu messen und feste Fließraten Diese können jederzeit über den Computer pro 16er-Gruppe ein- und ausgeschaltet werden Die berechneten Potentiale werden als Funktion der Zeit gemessen und auf einer Magnetplatte aufgezeichnet. Dies geschieht gleichzeitig für bis zu 32 Knoten.
Eine Flut von 12 Stunden und 25 Minuten wird in ELNAG 50.000 Mal schneller berechnet, also in etwa 1 Sekunde. Eine Berechnung kann bis zu 50 Gezeiten umfassen. Um den Anfahreffekt (Rebounding) zu minimieren, können vor der Berechnung maximal 300 Gezeiten ausgewählt werden. Der Windeffekt wird aus maximal 20 Zeitintervallen bestimmter Zeitdauer aufgebaut. Auf diese Weise kann der Tide ein beliebiger Windeffekt überlagert werden Die Messergebnisse werden pro Tide maximal einhundert Mal abgetastet. Die auf der Magnetplatte aufgezeichneten Messdaten werden im Computer in physikalische Größen umgewandelt und können auf zwei Arten dargestellt werden: grafisch oder in numerischer Form. Diese Daten können zur weiteren Verarbeitung auch auf Papierband aufgezeichnet werden. Anstelle von Lochstreifen für die Kommunikation mit dem Zentralrechner von Rijkswaterstaat (Univac 1100/82), die Online-Verarbeitung über das RWS Data Communication Network.
Ausrüstung
Das Widerstandsnetzwerk (untergebracht in 72 Feldern), die Kondensatoreinheiten, die Schaltanlage und die Anschlussfelder sind in 12 Schränken untergebracht.
Die Steuerungsausrüstung ist in drei separaten Schränken untergebracht und umfasst: PDP-11/40 Mini-Computer mit 16-k-Wort-Kernspeicher; Zweikanaliger 12-Bit-Digital-Analog-Wandler; 32-Kanal 13-Bit-Analog-Digital-Wandler; zwei digitale Schnittstellen; Hintergrundspeicher: 1,2 M-Wort-Wechselmagnetlaufwerk; Facit 4070 Papierbandstanzer; Facit 4001 Fast Paper Tape Reader und eine programmierbare Echtzeituhr: KW11-P Diese Schränke enthalten auch die Plattenhöhe, die als Bezugspotential zur Bestimmung des nicht schaltenden Teils des Widerstandsnetzwerks benötigt wird; die stationären Randbedingungen; die Schaltung, um den Fluss der Randbedingungen zu messen und das Anschlussfeld, um diese Ströme an den Computer zu übertragen. Als Systemterminal wird das Terminal/Drucker Hewlett Packard 2635A verwendet. Zusätzlich wird das grafische Anzeigeterminal Textronix 4012-1 mit Hardcopy-Einheit 4610-1 zur Darstellung der Messdaten verwendet.
Software
Das Hauptprogramm ist in Fortran geschrieben. Dazu kommen 12 Fortran-Module für die verschiedenen Funktionen und 7 Makro-Assembler-Unterprogramme für in Echtzeit auszuführende Funktionen. ELNAG arbeitet mit einer festen Zeitskala von ca. 1 Sekunde pro Tide. Da die Messungen immer synchron zur Randbedingung sein müssen, wird das aktive Programmmodul immer unterbrochen, um die Messergebnisse zu speichern. Dafür gibt es a Echtzeit-Betriebssystem erforderlich. Die Wahl fiel auf RT11-V03B von Digital Equipment.
Die Struktur des ELNAG-Programms ermöglicht es, über Befehle oder Unterbefehle wie INPUT, LIST, LOAD, COPY und viele andere schnell zum gewünschten Programmabschnitt zu gelangen (Keesmaat & Wubben, 1980[18]).
Literatur
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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