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Morphodynamische Modellverfahren - Feststofftransportmodelle: Unterschied zwischen den Versionen

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In den letzten Jahren hat an den Bundeswasserstraßen die Geschiebebewirtschaftung zur Herstellung eines dynamischen Sohlengleichgewichts erheblich an Bedeutung gewonnen. Eine aktive Geschiebebewirtschaftung stellt für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) mittlerweile ein maßgebliches Instrument zur Sicherstellung wettbewerbsfähiger Fahrwasserbedingungen dar. Darüber hinaus haben für die WSV, vor allem auch durch die rechtliche Entwicklung auf dem Umweltsektor, Fragestellungen enorm an Bedeutung gewonnen, die eine integrierte, fachübergreifende Herangehensweise erfordern. Die Orientierung der Unterhaltungsmaßnahmen des Bundes auch an den Bewirtschaftungszielen und Maßnahmenprogrammen zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie, die auf Verbesserungen der Strukturvielfalt und -güte im Gewässer- und Uferbereich abzielen, erfordern Simulationswerkzeuge, die die WSV in die Lage versetzen, die in den nächsten Jahren anstehenden Maßnahmen effektiv und ohne negative Auswirkungen auf die verkehrliche Funktion der Wasserstraßen umzusetzen. Sowohl Planung, Bewertung als auch Optimierung entsprechender Maßnahmen sind daher auf Prognosen angewiesen, die angesichts der Komplexität der Prozesse nur durch den Einsatz numerischer Feststofftransportmodelle gewährleistet werden können.
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In den letzten Jahren hat an den Bundeswasserstraßen die Geschiebebewirtschaftung zur Herstellung eines dynamischen Sohlengleichgewichts erheblich an Bedeutung gewonnen. Eine aktive Geschiebebewirtschaftung stellt für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) mittlerweile ein maßgebliches Instrument zur Sicherstellung wettbewerbsfähiger Fahrwasserbedingungen dar. Darüber hinaus haben für die WSV, vor allem auch durch die rechtliche Entwicklung auf dem Umweltsektor, Fragestellungen enorm an Bedeutung gewonnen, die eine integrierte, fachübergreifende Herangehensweise erfordern. Die Orientierung der Unterhaltungsmaßnahmen des Bundes auch an den Bewirtschaftungszielen und Maßnahmenprogrammen zur Umsetzung der [[Wasserrahmenrichtlinie]], die auf Verbesserungen der Strukturvielfalt und -güte im [[Gewässer]]- und Uferbereich abzielen, erfordern Simulationswerkzeuge, die die WSV in die Lage versetzen, die in den nächsten Jahren anstehenden Maßnahmen effektiv und ohne negative Auswirkungen auf die verkehrliche Funktion der Wasserstraßen umzusetzen. Sowohl Planung, Bewertung als auch Optimierung entsprechender Maßnahmen sind daher auf Prognosen angewiesen, die angesichts der Komplexität der Prozesse nur durch den Einsatz numerischer Feststofftransportmodelle gewährleistet werden können.
  
Die Simulationsgrößen morphodynamischer Verfahren sind im Wesentlichen zwei physikalische Prozesse: der Schwebstofftransport im Wasserkörper und der sohlnahe Geschiebetransport. Während der Schwebstofftransport durch eine hydrodynamische Transportgleichung (Advektions-Diffusions-Gleichung) beschrieben wird, existieren für den Geschiebetransport, der an den freifließenden Binnenwasserstraßen die morphologische Entwicklung der Gewässersohle maßgeblich bestimmt, eine Vielzahl empirischer Gleichungen (Meyer-Peter-Müller, Bagnold, Engelund-Hansen, van Rijn, Zanke, etc.). Diese haben häufig nur einen eng begrenzten Gültigkeitsbereich und müssen durch eine zeitaufwendige Kalibrierung an die gewässerspezifischen Verhältnisse angepasst werden.
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Die Simulationsgrößen morphodynamischer Verfahren sind im Wesentlichen zwei physikalische Prozesse: der [[Schwebstofftransport]] im Wasserkörper und der sohlnahe [[Geschiebetransport]]. Während der Schwebstofftransport durch eine hydrodynamische Transportgleichung (Advektions-Diffusions-Gleichung) beschrieben wird, existieren für den Geschiebetransport, der an den freifließenden Binnenwasserstraßen die morphologische Entwicklung der [[Gewässersohle]] maßgeblich bestimmt, eine Vielzahl empirischer Gleichungen (Meyer-Peter-Müller, Bagnold, Engelund-Hansen, van Rijn, Zanke, etc.). Diese haben häufig nur einen eng begrenzten Gültigkeitsbereich und müssen durch eine zeitaufwendige [[Kalibrierung]] an die gewässerspezifischen Verhältnisse angepasst werden.
  
Die mathematisch-numerische Beschreibung der Transportprozesse, sei es als Schwebstoff oder als Geschiebe, basiert immer auf einer zuvor durchgeführten Strömungssimulation. Auf die Kopplung des hydrodynamischen mit dem morphodynamischen Verfahren ist deswegen ein besonderes Augenmerk zu richten, um die Rückkopplung zwischen geschiebebedingten Änderungen des Flussbetts (Geometrie, Rauheit) und der Strömungssimulation zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund sehr langer Simulationszeiträume für morphologische Fragestellungen von mehreren Jahren bis Jahrzehnten ist die Unterstützung verschieden langer Zeitschritte im morphodynamischen und hydromechanischen Verfahren wichtig, um die sehr unterschiedlichen Zeitmaßstäbe zwischen Strömung und Morphologie berücksichtigen zu können und auf diese Weise akzeptable Rechenzeiten zu erreichen.
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Die mathematisch-numerische Beschreibung der Transportprozesse, sei es als Schwebstoff oder als [[Geschiebe]], basiert immer auf einer zuvor durchgeführten Strömungssimulation. Auf die Kopplung des hydrodynamischen mit dem morphodynamischen Verfahren ist deswegen ein besonderes Augenmerk zu richten, um die Rückkopplung zwischen geschiebebedingten Änderungen des Flussbetts (Geometrie, [[Rauheit]]) und der Strömungssimulation zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund sehr langer Simulationszeiträume für morphologische Fragestellungen von mehreren Jahren bis Jahrzehnten ist die Unterstützung verschieden langer Zeitschritte im morphodynamischen und hydromechanischen Verfahren wichtig, um die sehr unterschiedlichen Zeitmaßstäbe zwischen Strömung und Morphologie berücksichtigen zu können und auf diese Weise akzeptable Rechenzeiten zu erreichen.
  
 
Eindimensionale morphodynamische Modelle, deren Einsatzbereich infolge ihrer hydrodynamischen Grundgleichungen auf langfristige und großräumige Tendenzaussagen beschränkt ist, können als Stand der Technik betrachtet werden. Die BAW setzt in diesem Bereich das Verfahren HEC-6T der US-amerikanischen Firma Mobile Boundary Hydraulics für großräumige Modelle von über 100 Kilometern Fließlänge ein. Die Ansprüche an die räumliche Differenzierung und die Genauigkeit der Modellaussagen sowie die stetig wachsenden Rechenressourcen lenken heutzutage das Augenmerk auf die Anwendung und die Weiterentwicklung der mehrdimensionalen morphodynamischen Modelle.  
 
Eindimensionale morphodynamische Modelle, deren Einsatzbereich infolge ihrer hydrodynamischen Grundgleichungen auf langfristige und großräumige Tendenzaussagen beschränkt ist, können als Stand der Technik betrachtet werden. Die BAW setzt in diesem Bereich das Verfahren HEC-6T der US-amerikanischen Firma Mobile Boundary Hydraulics für großräumige Modelle von über 100 Kilometern Fließlänge ein. Die Ansprüche an die räumliche Differenzierung und die Genauigkeit der Modellaussagen sowie die stetig wachsenden Rechenressourcen lenken heutzutage das Augenmerk auf die Anwendung und die Weiterentwicklung der mehrdimensionalen morphodynamischen Modelle.  
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* Fraktionsweise Berechnung des Sedimenttransports
 
* Fraktionsweise Berechnung des Sedimenttransports
 
* Vertikale Diskretisierung des Sedimentinventars, z.B. durch ein Mehrschichtmodell
 
* Vertikale Diskretisierung des Sedimentinventars, z.B. durch ein Mehrschichtmodell
* Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten zwischen morphologischem und hydrodynamischem Modell zur Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitskalen von Morphodynamik und Hydrodynamik  
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* Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten zwischen morphologischem und hydrodynamischem [[Modell]] zur Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitskalen von [[Morphodynamik]] und Hydrodynamik  
* Berechnung des Bewegungsbeginns der Geschiebefraktionen (z.B. bei Überschreitung einer kritischen Sohlschubspannung)  
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* Berechnung des Bewegungsbeginns der Geschiebefraktionen (z.B. bei Überschreitung einer kritischen [[Sohlschubspannung]])  
 
* Auswahl geeigneter Geschiebetransportformeln
 
* Auswahl geeigneter Geschiebetransportformeln
 
* Effekte infolge der Korngrößenunterschiede (Abschattungseffekte bzw. Expositionseffekte)
 
* Effekte infolge der Korngrößenunterschiede (Abschattungseffekte bzw. Expositionseffekte)
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* Nicht erodierbarer Untergrund
 
* Nicht erodierbarer Untergrund
 
* Rauheitswirkung von Transportkörpern (z.B. Dünen, Riffeln)  
 
* Rauheitswirkung von Transportkörpern (z.B. Dünen, Riffeln)  
* Berechnungsansätze für die Erosion und Deposition von Feinsedimenten
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* Berechnungsansätze für die [[Erosion]] und Deposition von Feinsedimenten
* Berechnungsansätze für die Sinkgeschwindigkeit von Feinsedimenten
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* Berechnungsansätze für die [[Sinkgeschwindigkeit]] von Feinsedimenten
  
 
An der BAW wird vorrangig das morphodynamische Verfahren Sisyphe (Villaret, 2005) eingesetzt. Das Verfahren zur Berechnung des Geschiebe- und Schwebstofftransports stellt ein Modul innerhalb des umfangreichen Telemac-Programmsystems der Electricité de France (Hervouet and Bates, 2000; Hervouet, 2007) dar und ermöglicht sowohl die Kopplung mit dem zwei- als auch dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren des Programmsystems. Als weiteres morphodynamisches Verfahren kommt das gemeinsam von der BAW und der Universität der Bundeswehr in München entwickelte Verfahren SediMorph (Malcherek et al., 2005) zur Berechnung des Geschiebetransports zum Einsatz. Eine Kopplung dieses Verfahrens ist sowohl mit Telemac2D als auch mit dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren UnTrim der Universität Trento (Casulli and Walters, 2000) möglich. Für die routinemäßige Anwendung der mehrdimensionalen morphodynamischen Verfahren und den Nachweis ihrer Prognosefähigkeit müssen noch verschiedene sowohl methodische als auch arbeitsorganisatorische Entwicklungsarbeiten geleistet werden.
 
An der BAW wird vorrangig das morphodynamische Verfahren Sisyphe (Villaret, 2005) eingesetzt. Das Verfahren zur Berechnung des Geschiebe- und Schwebstofftransports stellt ein Modul innerhalb des umfangreichen Telemac-Programmsystems der Electricité de France (Hervouet and Bates, 2000; Hervouet, 2007) dar und ermöglicht sowohl die Kopplung mit dem zwei- als auch dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren des Programmsystems. Als weiteres morphodynamisches Verfahren kommt das gemeinsam von der BAW und der Universität der Bundeswehr in München entwickelte Verfahren SediMorph (Malcherek et al., 2005) zur Berechnung des Geschiebetransports zum Einsatz. Eine Kopplung dieses Verfahrens ist sowohl mit Telemac2D als auch mit dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren UnTrim der Universität Trento (Casulli and Walters, 2000) möglich. Für die routinemäßige Anwendung der mehrdimensionalen morphodynamischen Verfahren und den Nachweis ihrer Prognosefähigkeit müssen noch verschiedene sowohl methodische als auch arbeitsorganisatorische Entwicklungsarbeiten geleistet werden.

Version vom 30. Mai 2017, 13:11 Uhr

In den letzten Jahren hat an den Bundeswasserstraßen die Geschiebebewirtschaftung zur Herstellung eines dynamischen Sohlengleichgewichts erheblich an Bedeutung gewonnen. Eine aktive Geschiebebewirtschaftung stellt für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) mittlerweile ein maßgebliches Instrument zur Sicherstellung wettbewerbsfähiger Fahrwasserbedingungen dar. Darüber hinaus haben für die WSV, vor allem auch durch die rechtliche Entwicklung auf dem Umweltsektor, Fragestellungen enorm an Bedeutung gewonnen, die eine integrierte, fachübergreifende Herangehensweise erfordern. Die Orientierung der Unterhaltungsmaßnahmen des Bundes auch an den Bewirtschaftungszielen und Maßnahmenprogrammen zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie, die auf Verbesserungen der Strukturvielfalt und -güte im Gewässer- und Uferbereich abzielen, erfordern Simulationswerkzeuge, die die WSV in die Lage versetzen, die in den nächsten Jahren anstehenden Maßnahmen effektiv und ohne negative Auswirkungen auf die verkehrliche Funktion der Wasserstraßen umzusetzen. Sowohl Planung, Bewertung als auch Optimierung entsprechender Maßnahmen sind daher auf Prognosen angewiesen, die angesichts der Komplexität der Prozesse nur durch den Einsatz numerischer Feststofftransportmodelle gewährleistet werden können.

Die Simulationsgrößen morphodynamischer Verfahren sind im Wesentlichen zwei physikalische Prozesse: der Schwebstofftransport im Wasserkörper und der sohlnahe Geschiebetransport. Während der Schwebstofftransport durch eine hydrodynamische Transportgleichung (Advektions-Diffusions-Gleichung) beschrieben wird, existieren für den Geschiebetransport, der an den freifließenden Binnenwasserstraßen die morphologische Entwicklung der Gewässersohle maßgeblich bestimmt, eine Vielzahl empirischer Gleichungen (Meyer-Peter-Müller, Bagnold, Engelund-Hansen, van Rijn, Zanke, etc.). Diese haben häufig nur einen eng begrenzten Gültigkeitsbereich und müssen durch eine zeitaufwendige Kalibrierung an die gewässerspezifischen Verhältnisse angepasst werden.

Die mathematisch-numerische Beschreibung der Transportprozesse, sei es als Schwebstoff oder als Geschiebe, basiert immer auf einer zuvor durchgeführten Strömungssimulation. Auf die Kopplung des hydrodynamischen mit dem morphodynamischen Verfahren ist deswegen ein besonderes Augenmerk zu richten, um die Rückkopplung zwischen geschiebebedingten Änderungen des Flussbetts (Geometrie, Rauheit) und der Strömungssimulation zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund sehr langer Simulationszeiträume für morphologische Fragestellungen von mehreren Jahren bis Jahrzehnten ist die Unterstützung verschieden langer Zeitschritte im morphodynamischen und hydromechanischen Verfahren wichtig, um die sehr unterschiedlichen Zeitmaßstäbe zwischen Strömung und Morphologie berücksichtigen zu können und auf diese Weise akzeptable Rechenzeiten zu erreichen.

Eindimensionale morphodynamische Modelle, deren Einsatzbereich infolge ihrer hydrodynamischen Grundgleichungen auf langfristige und großräumige Tendenzaussagen beschränkt ist, können als Stand der Technik betrachtet werden. Die BAW setzt in diesem Bereich das Verfahren HEC-6T der US-amerikanischen Firma Mobile Boundary Hydraulics für großräumige Modelle von über 100 Kilometern Fließlänge ein. Die Ansprüche an die räumliche Differenzierung und die Genauigkeit der Modellaussagen sowie die stetig wachsenden Rechenressourcen lenken heutzutage das Augenmerk auf die Anwendung und die Weiterentwicklung der mehrdimensionalen morphodynamischen Modelle.

Unter den Aspekten der Praxistauglichkeit und der Prognosefähigkeit müssen für Anwendungen an den freifließenden Wasserstraßen im Binnenbereich verschiedene Anforderungen durch mehrdimensionale morphodynamische Modellverfahren berücksichtigt werden:

  • Fraktionsweise Berechnung des Sedimenttransports
  • Vertikale Diskretisierung des Sedimentinventars, z.B. durch ein Mehrschichtmodell
  • Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten zwischen morphologischem und hydrodynamischem Modell zur Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitskalen von Morphodynamik und Hydrodynamik
  • Berechnung des Bewegungsbeginns der Geschiebefraktionen (z.B. bei Überschreitung einer kritischen Sohlschubspannung)
  • Auswahl geeigneter Geschiebetransportformeln
  • Effekte infolge der Korngrößenunterschiede (Abschattungseffekte bzw. Expositionseffekte)
  • Einfluss der Sohlneigung auf den Geschiebetransport
  • Einfluss der Sekundärströmungen in Krümmungen bei Kopplung mit zweidimensionalen hydrodynamischen Verfahren
  • Nicht erodierbarer Untergrund
  • Rauheitswirkung von Transportkörpern (z.B. Dünen, Riffeln)
  • Berechnungsansätze für die Erosion und Deposition von Feinsedimenten
  • Berechnungsansätze für die Sinkgeschwindigkeit von Feinsedimenten

An der BAW wird vorrangig das morphodynamische Verfahren Sisyphe (Villaret, 2005) eingesetzt. Das Verfahren zur Berechnung des Geschiebe- und Schwebstofftransports stellt ein Modul innerhalb des umfangreichen Telemac-Programmsystems der Electricité de France (Hervouet and Bates, 2000; Hervouet, 2007) dar und ermöglicht sowohl die Kopplung mit dem zwei- als auch dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren des Programmsystems. Als weiteres morphodynamisches Verfahren kommt das gemeinsam von der BAW und der Universität der Bundeswehr in München entwickelte Verfahren SediMorph (Malcherek et al., 2005) zur Berechnung des Geschiebetransports zum Einsatz. Eine Kopplung dieses Verfahrens ist sowohl mit Telemac2D als auch mit dem dreidimensionalen hydrodynamischen Verfahren UnTrim der Universität Trento (Casulli and Walters, 2000) möglich. Für die routinemäßige Anwendung der mehrdimensionalen morphodynamischen Verfahren und den Nachweis ihrer Prognosefähigkeit müssen noch verschiedene sowohl methodische als auch arbeitsorganisatorische Entwicklungsarbeiten geleistet werden.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Thomas Brudy-Zippelius

Literatur

  • Casulli, V. and R.A. Walters (2000): An unstructured, three-dimensional model based on the shallow water equations. International Journal for Numerical Methods in Fluids 2000, 32: pages 331-348.
  • Hervouet J.-M. and P. Bates (Ed.) (2000): The Telemac Modelling System, Special Issue of Hydrological Processes. Volume 14, Issue 13, pages 2207-2363.
  • Hervouet J.-M. (2007): Hydrodynamics of Free Surface Flows: Modelling with the finite element method. Wiley, Chichester.
  • Villaret, K. (2005): User Manual Sisyphe Release 5.5. HP-76/05/009/A, Department National Hydraulics and Environment Laboratory, Electricite de France.
  • Malcherek, A. et al., (2005): Mathematical Module SediMorph - Standard Validation Document Version 1.1, Technical Report, Bundesanstalt für Wasserbau, 2005.

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