Mathematisches Verfahren SEDIMORPH

Kurzbeschreibung

Bei dem mathematischen Verfahren SediMorph handelt es sich um ein morphodynamisches Modell, welches die Prozesse in einem Gewässerboden dreidimensional simuliert. Hierzu werden die Massenbewegungen infolge Geschiebe- und Schwebstofftransport der einzelnen Kornfraktionen sowie des Porenwassers bilanziert.

SediMorph arbeitet in der Horizontalen auf einem unstrukturierten orthogonalen Gitter (UOG). Hierbei wird das Lösungsgebiet von einer endlichen Anzahl konvexer Polygone überlappungsfrei überdeckt. Ein Gitter entspricht genau dann einem UOG, wenn innerhalb eines jeden Polygons ein Punkt (Zentrum) bestimmt werden kann, so dass jede Verbindungslinie zu einem Zentrum eines Nachbarpolygons die gemeinsame Seite der Polygone senkrecht schneidet. Die Vertikale wird durch horizontale Schichten unterschiedlicher Mächtigkeit aufgelöst.

Physikalische Prozesse

SediMorph berücksichtigt die folgenden Prozesse:

• räumliche und zeitlich veränderliche Kornzusammensetzungen an der Gewässersohle,
• räumlich unterschiedlich verteilte Sohlformen,
• die lokale Verteilung der Sohlrauheit, welche sich aus der räumlichen und zeitlich veränderlichen Verteilung der Kornzusammensetzung und Formenvielvalt an der Sohle ergibt,
• die Prädiktion von Dünen als Sohlformen und des Porenwassers,
• räumlich und zeitlich veränderliche Sohlschubspannungen, welche sich aus der Abhängigkeit von Strömung und Sohlrauheit ergeben,
• Sohlschubspannungen infolge lokal auftretenden Seegangs,
• die Erodierbarkeit des Gewässerbodens in Abhängigkeit des Porenwassergehalts,
• die Berechnung der Erosionsraten,
• die Berechnung des fraktionierten Geschiebetransports,
• Kombination von Geschiebe- und Schwebstofftransport für (fein-)sandige Fraktionen,
• Hiding/Exposure-Funktionen zur Modifikation der Transportraten in Abhängigkeit vom jeweiligen Fraktionskorndurchmesser zum mittleren Korndurchmesser,
• die Schnittstelle zur Berechnung des fraktionierten Schwebstofftransports durch das gekoppelte Simulationsverfahren für die Hydrodynamik,
• die Berechnung der Morphodynamik (zeitlich und räumliche veränderliche Wassertiefen) infolge Geschiebe- und Schwebstofftransport,
• beschleunigte Sohlentwicklung durch Skalierung der Transportraten möglich.

Berechnungsergebnisse

Synoptische Ergebnisse (räumliche Verteilungen) sowohl im BDF- als auch im NetCDF-Format

• der einzelnen Sedimentfraktionen,
  1. prozentual, oder
  2. als verfügbare Masse in [math]\displaystyle{ kg/m^2 }[/math].
• des mittleren Korndurchmessers
• der Kornrauheit
• des Porenwassers
• der Dünenhöhe und -länge
• der Riffelhöhe und -länge
• der Transportkapazitäten der einzelnen Fraktionen
• der Transportraten der einzelnen Fraktionen
• der Erosionsraten der einzelnen Fraktionen
• der Depositionsraten der einzelnen Fraktionen
• der über den Zeitschritt gemittelten Massenänderungen

Veröffentlichungen

1. Malcherek, A. and Putzar, B. (2003). The Prediction of Dunes and Their Related Roughness in Estuarine Morphological Models. 8th Int. Conference on Estuarine and Coastal Modeling, Monterey, CA.
2. Malcherek, A. and Piechotta, F. (2004). Investigations on the Porosity as a Parameter for Sediment Erodibility. 9th Int. Symp. River Sedimentation, Vol. III, pp. 1913-1918.
3. Knoch, D. and Malcherek, A. (2005). The influence of waves on the sediment composition in a tidal bay. 9th Int. Conference on Estuarine and Coastal Modeling, Charlston.

Validierungsdokument

A. Malcherek, F. Piechotta, D. Knoch Mathematical Module SediMorph - Standard Validation Document Version 1.1, Technical Report, Bundesanstalt für Wasserbau, 2005.

Die PDF-Version kann frei heruntergeladen werden:

• (ca. 2.5 MB) Validierungsdokument SEDIMORPH (in Englisch)

Anwender (in alphabetischer Reihenfolge)

• Bundesanstalt für Wasserbau,
• Professur für Hydromechanik und Wasserbau am Institut für Wasserwesen, Universität der Bundeswehr, München.

BAW-spezifische Informationen

Simulation

Das mathematische Verfahren SEDIMORPH kann in direkter Kopplung mit dem drei-dimensionalen mathematischen Verfahren UNTRIM oder dem mathematischen Verfahren TELEMAC-2D verwendet werden. Weitere Informationen zur Steuerung des Verfahrens finden sich auf der Seite des Dateikennblatts der Steuerdatei sedimorph.dat.

Grafische Darstellung der Berechnungsergebnisse

Für die grafische Darstellung der von SEDIMORPH erzeugten Ergebnisse stehen mehrere Methoden bereit:

• HVIEW2D, für Daten im BDF-Format,
• Davit (Ein Produkt von SmileConsult), sowohl für Daten im BDF-Format als auch für Daten im NetCDF-Format,
• NCPLOT, für Daten im NetCDF-Format

Analyse der Berechnungsergebnisse

Für eine Analyse der Berechnungsergebnisse stehen verschiedene Methoden für unterschiedlichste Fragestellungen bereit.

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Strukturübersicht