Integrales Flussgebietsmanagement

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1 Integrales Flussgebietsmanagement Wasserbauliche und ökologische Aspekte Tätigkeitsbericht 2010 zu den Projekten der VAW BASEMENT II und Seitenerosion, numerisches Modell Im Auftrag des Bundesamts für Umwelt, BAFU Abteilung Gefahrenprävention VAW 833-III Zürich, Dezember 2010

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung Projekt BASEMENT II Stand der Arbeiten Neue Gliederung der Querprofile Grafische Benutzeroberfläche und Hilfsmittel Erweiterung der Reglung Schnelleres Verfahren zur Berechnung von Suspensionstransport Asynchrone Behandlung von Hydraulik und Feststofftransport Wiederaufnahme einer Simulation Unterhalt und Support Statistik und Lizenzvergaben Projekt Seitenerosion numerisches Modell Aktueller Stand Modellierung des Böschungskollaps Zusammenarbeit Weiteres Vorgehen Veröffentlichungen Wissenschaftliche Beiträge Projekt- und Masterarbeiten

4 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Abb. 2: a) je ein Bodenelement zwischen den Punkten; b) neuer Ansatz mit übergeordneten Bodenelementen a) Wasserstand ohne Berücksichtigung der Mittelwuhren; b) Wasserstand mit Berücksichtigung der Mittelwuhren Abb. 3: Entwicklung der Wasserspiegellage z in Funktion der benetzten Querschnittfläche A Abb. 4: Grafische Benutzeroberfläche von BASEMENT... 9 Abb. 5: Steuerungs-Fenster für die manuelle Regelung (HID) Abb. 6: Abb. 7: Abb. 8: Abb. 9: Darstellung des real time speed (RTS) für zwei Verfahren zur Berechnung des Suspensionstransports Übersicht der Anzahl Downloads für die einzelnen Versionen der Software BASEMENT seit Beginn der statistischen Erfassung im September Schematische Skizze des geometrischen Verfahrens für den gravitationsinduzierten Böschungskollaps in einer Zelle Validierungsbeispiel des geometrischen Verfahrens. Links: Ausgangszustand einer sehr steilen Böschung. Rechts: Endzustand mit abgeflachter Böschung nach dem Böschungsversagen

5 1 Zusammenfassung Der vorliegende Tätigkeitsbericht beschreibt die im Jahr 2010 erfolgten Arbeiten seitens der VAW im Rahmen des nationalen Forschungsprojekts Integrales Flussgebietsmanagement. Einerseits wird auf die erfolgten Erweiterungen von BASEMENT (Teilprojekt BASEMENT II) eingegangen und andererseits der Stand des Forschungsprojekts Seitenerosion - numerisches Modell erläutert. Die detaillierte Beschreibung der aktuellen Fähigkeiten von BASEMENT ist in der dazugehörigen Dokumentation auf der Webseite ( zu finden. Die aus der diesjährigen Erweiterung von BASEMENT hervorgegangen Produkte sind die Softwareversionen 2.0 (veröffentlicht ), (veröffentlicht ) und die aktuelle Version 2.1, welche am dieses Jahres erschienen ist. Eine Zusammenstellung der Nachfrage zu BASEMENT ist im Kapitel 2.3 Statistik und Lizenzvergaben zu finden. Das grösste Highlight dieses Jahres war sicherlich die Veröffentlich der Version 2.0 von BASEMENT, mit welcher das Programm ein Gesicht bekommen hat. Die grafische Benutzeroberfläche unterstützt den Anwender in der Konfiguration von Modellen, welche per Mausklick ausgeführt und anhand von Statusinformationen überwacht werden können. Durch die direkte Validierung der Eingaben wird das Aufsetzen von Modellen deutlich vereinfacht und die eingebaute Hilfefunktion gibt wertvolle Hinweise zu den Simulationsparametern. Zudem stehen verschiedene Werkzeuge zur Definition der Querprofile für das eindimensionale Modell, wie etwa deren Interpolation oder eine visuelle Darstellung der Unterteilung, zur Verfügung. Ausführlichere Informationen dazu gibt das Kapitel Die Resonanz auf die grafische Benutzeroberfläche ist äusserst erfreulich. Der Kreis der Anwender von BASEMENT weitet sich stetig und die Zahl der Anwendungen nimmt zu, was aber auch zu einer Zunahme der Supportanfragen führt. Diese Thematik und die steigende Komplexität der Software werden in Kapitel 2.2 Unterhalt und Support diskutiert. Die aktuelle Version 2.1 von BASEMENT beinhaltet weitere Neuheiten betreffend der Funktionalität und der Dokumentation. Das eindimensionale Subsystem BASEchain wurde bezüglich der Behandlung zeitlich veränderlicher Querprofilgeometrien optimiert, wodurch der Berechnungsaufwand bei Sedimenttransport deutlich reduziert werden konnte. Zudem sind neu Simulationen mit gesonderter Betrachtung eines Hauptgerinnes mit Mittelwuhren möglich, was bei Geschiebetransport eine Rolle spielen kann. Details dazu sind in Kapitel zu finden. Eine weitere Effizienzsteigerung betrifft den Suspensionstransport mit dem Subsystem BASEplane. Nebst einer sehr genauen aber rechenintensiven Methode steht neu ein einfacheres dafür effizienteres - 5 -

6 Verfahren zur Auswahl (siehe Kapitel 2.1.4) Ebenfalls ist nun eine zeitlich versetzte Berechnung von Hydraulik und Sedimenttransport möglich (siehe Kapitel 2.1.5). Auch die Dokumentation weist einige erwähnenswerte Erneuerungen auf. Das Kapitel Model Setup wurde durch das neue Kapitel Graphical User Interface ersetzt. Dies beinhaltet eine Beschreibung der grundlegenden Funktionalität der grafischen Benutzeroberfläche und der darin integrierten Werkzeuge. Zudem wurde das Tutorial zum Geschiebetransport mit BASEplane um ein Beispiel zur Anwendung mit Mehrkornmodell ergänzt. Im Rahmen der Forschungsarbeit Seitenerosion numerisches Modell wurden Untersuchungen zu Sekundärströmungen und Geschiebetransport mit Schwerpunkt auf den seitlichen Böschungskollaps durchgeführt, welche unter Kapitel 3 dokumentiert sind. Ein kurzer Bericht zur Zusammenarbeit mit den Projektpartnern und Dritten (Kapitel 4) sowie der Ausblick auf die anstehenden Arbeiten im Kapitel 5 Weiteres Vorgehen schliessen diesen Tätigkeitsbericht ab

7 2 Projekt BASEMENT II 2.1 Stand der Arbeiten Neue Gliederung der Querprofile Ein Querprofil für die 1D-Berechnung mit BASEMENT wird durch eine Abfolge von Punkten vom linken zum rechten Ufer definiert. Je näher diese beieinander liegen desto genauer ist die Geometrie für die Berechnung der hydraulischen Kenngrössen bekannt. Bisher wurde für die Berechnung von Sedimenttransport für jeden Abschnitt zwischen zwei Punkten ein Bodenelement angenommen (Abb. 1a), wobei jedes in der Berechnung einzeln betrachtet werden musste. Da jedoch in der praktischen Anwendung meistens nur wenige Bodentypen definiert werden, führt dieser Ansatz zu einer grossen Anzahl gleicher Berechnungen, was unnötig viel Rechenzeit kostet. Um dies zu vermeiden werden die Bodenelemente neu unabhängig von den Abschnitten zwischen den Punkten definiert (Abb. 1b) - das neue Bodenelement kann sich zum Beispiel über die ganze Sohle erstrecken. a) b) Bodenelemente Typ 1 Bodenelemente Typ 2 Bodenelement Typ 1 Bodenelement Typ 2 Sohle Sohle Abb. 1: a) je ein Bodenelement zwischen den Punkten; b) neuer Ansatz mit übergeordneten Bodenelementen. Sogenannte Mittelwuhren, wie etwa am Alpenrhein, wiedersprechen eigentlich der eindimensionalen Betrachtungsweise. Bislang wurde deren Effekt ignoriert. D.h. bei der Berechnung der Wasserspiegellage aus der benetzten Querschnittfläche wurde der Einfluss der Mittelwuhren vernachlässigt (Abb. 2a). Jedoch bereitet dies bei der Berechnung von Sedimenttransport Schwierigkeiten, da das Wasser in Wirklichkeit länger im Hauptkanal zwischen den Wuhren bleibt und dort für eine grössere Schleppkraft sorgt (Abb. 2b). Hauptkanal Hauptkanal a) b) Abb. 2: a) Wasserstand ohne Berücksichtigung der Mittelwuhren; b) Wasserstand mit Berücksichtigung der Mittelwuhren

8 Eine neue Option ermöglicht es nun, die Wasserspiegellage in Funktion der benetzten Querschnittfläche und alle daraus abgeleiteten hydraulischen Kenngrössen so zu berechnen, dass die Gebiete ausserhalb des Hauptkanals erst berücksichtigt werden wenn die benetzte Querschnittfläche diesen ganz ausfüllt. Wenn der Hauptkanal gefüllt ist, bleibt die Wasserspiegellage bei steigender benetzter Querschnittfläche konstant bis auch der Wasserstand in den Vorländern die Höhe der Mittelwuhren erreicht (vgl. Abb. 3). z m ohne Berücksichtigung der Mittelwuhren mit Berücksichtigung der Mittelwuhren A m 2 Abb. 3: Entwicklung der Wasserspiegellage z in Funktion der benetzten Querschnittfläche A Grafische Benutzeroberfläche und Hilfsmittel BASEMENT hat im Jahre 2010 ein neues Gesicht bekommen. Der Wunsch vieler Anwender nach einer grafischen Benutzeroberfläche ging mit der Veröffentlichung der Version 2.0 von BASEMENT in Erfüllung. Dadurch wird für den Benutzer die Modellerstellung entscheidend erleichtert. Es ist nicht mehr notwendig, mit der Eingabeaufforderung zu arbeiten. Die zur Verfügung stehenden Elemente und Eingabefehler werden angezeigt und erlauben es dem Anwender auf Anhieb ausführbare Modellkonfigurationen zu erstellen. Mittels farblicher Kodierung werden fehlende Elemente sowie Warnungen dargestellt. Die Bedienungsfreundlichkeit hat deutlich zugenommen. Im Gegenzug steigt jedoch die Komplexität bezüglich Wartung und Portierbarkeit der Software. Im Rahmen der neuen Benutzeroberfläche wurde neben dem Editor für Inputfiles auch ein Editor für 1D-Geometrien erstellt. Damit lassen sich alle Querprofile einzeln grafisch darstellen sowie Attribute innerhalb der Querprofile zuweisen. Des Weiteren wurden im Editor für 1D-Geometrien äusserst nützliche Hilfsmittel integriert, wie etwa das neue Interpolationswerkzeug für Querprofildaten. Damit können Querprofile entlang eines geraden oder auch gekrümmten Flusslaufs, der durch definierte Punkte (z.b. Fusspunkte der Flusssohle, Dammkrone) gegeben ist, interpoliert werden. Dies erleichtert die Erstellung optimaler Topographien für das 1D- sowie 2D- Modell, was eine beachtliche Zeitersparnis für die Modellerstellung zur Folge haben kann

9 Abb. 4: Grafische Benutzeroberfläche von BASEMENT Erweiterung der Reglung Die automatische Regelung (von Wehren, Schützen, etc.) in BASEMENT hat sich in der kurzen Zeit seit deren Einführung sehr gut bewährt und wurde bereits in verschiedenen Projekten erfolgreich angewendet. Nicht zuletzt aufgrund der positiven Resonanz wurden die Optionen und Möglichkeiten zur Regelung weiter ausgebaut um noch grössere Flexibilität zu bieten und zusätzliche Anwendungsbereiche zu erschliessen. Externe Quellen 1D/2D Die automatische Regelung war bisher beschränkt auf die vorhandenen Randbedingungen für 1D- und 2D-Simulationen. Bei der Anwendung auf komplexere Fragestellungen hat sich gezeigt, dass eine Regelung von externen Quellen wünschenswert wäre. Daher wurde die Regelung auch für externe Quellen implementiert um dem Modellierer zusätzliche Flexibilität zu ermöglichen. Die neue Option steht nun sowohl für BASEchain (1D) als auch BASEplane (2D) zur Verfügung. Beispiele möglicher Anwendungen sind: Regelung des Seitenzuflusses in ein Hauptgerinne in Abhängigkeit dessen Wasserstands, Steuerung einer externen Quelle zur Erreichung eines konstanten Wasserspiegels in einer Stauhaltung oder einen See mit zeitlich variablem Ausfluss. HID Controller Neben der automatischen Regelung mit dem PID-Regler besteht nun zusätzlich auch die Möglichkeit, die Auswirkungen von manuellen Veränderungen der Stellgrössen zur Laufzeit zu untersuchen. Dafür wurde ein HID Controller (Human-Interface-Device) - 9 -

10 implementiert. Dieser ermöglicht es dem Anwender einen schnellen Überblick über den Einfluss der verschiedenen Regelgrössen im System zu bekommen und die Sensitivität des Systems auf diese Grössen zu untersuchen. Es ist zudem ein hilfreiches didaktisches Werkzeug um Erstanwendern einen schnelleren Einstieg ins komplexe Thema der Regelung zu ermöglichen. Für die HID Regelung bietet die grafische Benutzeroberfläche ein eigenes Steuerungs- Fenster, welches in Abb. 5 exemplarisch dargestellt ist. Auf der linken Seite des Fensters können die manipulierten Variablen (die Zielgrössen welche sich einstellen sollen) mit einfachen Steuerelementen zur Laufzeit verändert werden. In der Abbildung sind das beispielsweise die Höhe eines Wehres und die Höhe einer Schütze. Auf der rechten Seite des Fensters werden die zugehörigen beobachteten Variablen (die Stellgrössen) und deren zeitlichen Verlauf in einem eigenen Diagramm aufgetragen. Die Auswirkungen einer Änderung der Zielgrösse auf den zeitlichen Verlauf der Stellgrösse kann dabei direkt im rechten Diagramm beobachtet werden. Zur Veranschaulichung des übergeordneten Modellverhaltens kann zusätzlich die Echtzeit-Visualisierung mit BASEviz verwendet werden. Abb. 5: Steuerungs-Fenster für die manuelle Regelung (HID) Schnelleres Verfahren zur Berechnung von Suspensionstransport Das bestehende Verfahren für den Suspensionstransport in 2D, die modified discontinuous profile method (MDPM) liefert genaue Resultate mit minimaler numerischer Diffusion. Es eignet sich für die Berechnung von Problemstellungen welche starke Gradienten in der Konzentration aufweisen wie beispielsweise Fragestellungen zu Schadstoffausbreitung. Allerdings ist der Berechnungsaufwand beachtlich, was zu langen Simulationszeiten führt. Deshalb wurde ein schnelleres Upwind Verfahren erster Ordnung implementiert. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine Recheneffizienz aus, ist allerdings sehr diffusiv und deshalb nicht in der Lage, starke Gradienten

11 in der Konzentration akkurat abzubilden. Aufgrund des geringen Berechnungsaufwands eignet sich das Verfahren für Langzeitsimulationen mit Suspensionstransport bei welchen die lokalen Gradienten der Konzentration gering sind. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei auf die Effizienzsteigerung durch geeignete Parallelisierung gelegt. Auf einem Prozessor ist das Upwind Schema etwa 12 Mal schneller als die MDPM. Unter Verwendung von 8 Prozessoren resultiert eine Effizienzsteigerung um den Faktor 50 gegenüber der MDPM. Abb. 6 zeigt die Skalierung des real time speeds (RTS, Quotient von realer Zeit und Rechenzeit) für die beiden Verfahren anhand eines realen Beispiels mit etwa 12'000 Rechenelementen auf einem Intel Xeon 2.66 GHz-Prozessor. 60 Real Time Speed Suspension MDPM Suspension Upwind Anzahl Prozessoren Abb. 6: Darstellung des real time speed (RTS) für zwei Verfahren zur Berechnung des Suspensionstransports Asynchrone Behandlung von Hydraulik und Feststofftransport Für Fragestellungen mit Sediment- und/oder Suspensionstransport kann die Rechenzeit durch eine asynchrone Behandlung von Hydraulik und Feststofftransport vermindert werden. Unter der Annahme von quasi-stationären Abflusszuständen wird das Fliessfeld nur sporadisch berechnet. Ein typischer Zeitschritt für die Hydraulik liegt etwa in der Grössenordnung von 0.1 bis 1 Sekunden. Im Vergleich dazu erstreckt sich bei praktischen Fragestellungen eine massgebende Veränderung der Randbedinungen in der Regel über mehrere Grössenordnungen davon. Deshalb kann die Berechnung der hydraulischen Flüsse für eine gewünschte Anzahl Zyklen unterlassen werden. Zudem wird angenommen, dass die topographischen Veränderungen aufgrund des Sedimenttransports während dieser Zeit gering sind und keinen direkten Einfluss auf die Hydraulik haben. Je mehr Zyklen übersprungen werden, desto kleiner wird der Rechenaufwand. Gleichzeitig wird der Rechenzeitschritt für den Feststofftransport so erhöht, dass die Stabilität des Verfahrens noch gewährleistet ist. Dieser Zeitschritt wird so gewählt dass er einem ganzzahligen Vielfachen des hydraulischen Zeitschritts entspricht um die Syn

12 chronisation am Ende eines Zyklus zu vereinfachen. Mit diesem Vorgehen kann die Rechenzeit je nach Anzahl zu überspringender Zyklen um Faktoren verkürzt werden. Die Anzahl der Zyklen soll für jede Problemstellung so hoch wie möglich gewählt werden unter der Bedingung dass die Resultate sich gegenüber der Methode ohne Beschleunigung nicht wesentlich unterscheiden Wiederaufnahme einer Simulation Die Möglichkeit zur Wiederaufnahme einer Simulation aus einer sogenannten Restart- Datei wurde erweitert und verbessert. Diese Restart-Datei enthält alle relevanten Informationen und Daten die für eine Fortsetzung einer Simulation benötigt werden und ist daher oftmals sehr gross. Diese Daten werden nun binär abgespeichert wodurch weniger Speicherplatz benötigt wird. Hierfür wurde ein standardisiertes CFD-Format ausgewählt (CGNS - CFD general notation system, und implementiert. Dieses Format ermöglicht zudem zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten und die Bearbeitung der Daten mit verschiedenen Programmen. Die Möglichkeiten zur Wiederaufnahme einer Simulation wurden im Rahmen dieser Umstellung deutlich erweitert. Möglich ist eine Wiederaufnahme nun sowohl von hydraulischen Simulationen als auch von Simulationen mit Geschiebe- oder Suspensionstransport aus derselben Datei heraus. Es ist nun auch möglich, eine Simulation zu verschiedenen Zeitpunkten wieder aufzunehmen, was insbesondere für grössere und langwierige Simulationen sehr nützlich ist. Falls z.b. ein Fehler zu einem Zeitpunkt im Zufluss-Hydrographen bestand, kann die Simulation kurz vor dem Erreichen des Zeitpunkts mit einem korrigierten Zufluss-Hydrographen wieder aufgenommen werden ohne dass die Rechnung noch einmal komplett wiederholt werden muss

13 2.2 Unterhalt und Support Die bereits im zweiten Halbjahr 2009 begonnene Revision der Softwarestruktur wurde dieses Jahr konsequent weiter geführt und ist zu einem grossen Teil abgeschlossen. Nebst der Optimierung der Software erhofft sich das Entwicklungsteam durch die eingeführten softwaretechnischen Richtlinien eine erhöhte Transparenz der Softwarestruktur und eine geringere Fehlerquote bei der Entwicklung. Der Unterhalt und das Erweitern der Software werden dadurch übersichtlicher und aufgrund der neu integrierten Dokumentation nachhaltiger. Dies ist aber nicht gleichzusetzen mit einfacher und schneller. Die hochstehenden programmiertechnischen Erneuerungen und die grafische Benutzeroberfläche erhöhen die Komplexität und den Umfang des Softwaresystems beachtlich, wodurch ebenfalls die Anforderungen an die jetzigen und zukünftigen Entwickler zunehmen. Zudem ist ein weiterer Trend zu erkennen. Aufgrund zunehmender Beliebtheit und Anwendung von BASEMENT (nicht zuletzt wegen der neuen grafischen Benutzeroberfläche) in der Schweiz und in anderen Ländern ist eine steigende Anzahl an Support- Anfragen zu verzeichnen. Diese betreffen einerseits die fehlerhafte Modellanwendung seitens des Benutzers und andererseits die unzureichende Funktionalität der Software. Welches davon jeweils der Fall ist, muss bei jeder Anfrage individuell beurteilt werden. Obschon Support für die Software seitens der VAW grundsätzlich abgelehnt wird ist diese Arbeit von grosser Bedeutung. Nur durch Rückmeldungen der Benutzer ist es möglich, von uns nicht erkannte Fehler der Software zu beheben sowie die Flexibilität und den Anwendungsbereich des Programms zu erweitern. Im Rahmen der uns zur Verfügung stehenden zeitlichen und personellen Ressourcen wird somit jede Anfrage geprüft und beantwortet. Die erwähnten Aspekte sind bezüglich einer weiteren Entwicklung und Fortsetzung des Projekts in struktureller sowie personeller Hinsicht zu berücksichtigen. Nebst der kontinuierlichen Softwareentwicklung seitens der VAW scheint darüber hinaus der Ausbau der Dienstleistungen, wie etwa die Veranstaltung von Workshops und Benutzertreffen, unumgänglich. Dadurch kann die Ausbildung von Fachleuten und ein nachhaltiges Vertrauen in die Software gewährleistet werden, was im Sinne aller Projektpartner sein dürfte

14 2.3 Statistik und Lizenzvergaben Seit September 2008 ist eine detaillierte statistische Auswertung der Besuche der Webseite aufgeschaltet. Aufgrund der vielen Besuche von automatisierten Programmen der Suchmaschinen (sogenannten Bots, wie Webcrawler, Spider, etc.) ist die Aussagekraft der umfangreichen Daten für unsere Bedürfnisse beschränkt. Es lassen sich lediglich die Anzahl der herunter geladenen Programmdateien korrekt identifizieren. Dadurch kann ein Rückschluss auf die Anzahl der Installationen von BASEMENT gemacht werden und somit auf die vergebenen Lizenzen. Seit dem Release 2.0 wurde der Modus für neue Veröffentlichungen geändert. Sogenannte Major Releases wie Version 2.1 enthalten jeweils grundlegend neue Funktionen. Kleinere Korrekturen werden bei Bedarf monatlich als Minor Releases wie veröffentlicht. Anzahl Lizenzvergaben: Release 1.7 (Veröffentlichung: / Datenerhebung: ) Windows Version 261 LINUX Version 41 Release 2.0 (Veröffentlichung: / Datenerhebung: ) Windows Version 305 LINUX Version 57 Release (Veröffentlichung: / Datenerhebung: ) Windows Version 237 LINUX Version 41 Abb. 7 zeigt die Anzahl Downloads aller Versionen seit Beginn der statistischen Erfassung. Die Version 2.0 wurde innert zwei Monaten 363 Mal heruntergeladen. Die Version mit kleineren Korrekturen wurde 278 Mal angefordert. Dies lässt den Schluss zu, dass die aktive Anwendergruppe die jeweils neueste Version der Software verwendet. Die Anzahl der aktiven Anwender beträgt somit circa 300 Personen. Insgesamt zählte die Webseite im Jahr Visits. Etwa die Hälfte davon sind Bots von Suchmaschinen aus den USA. Über Suchbegriffe wie beispielsweise basement eth fanden über 2000 Personen auf die Webseite

15 Windwos Linux 300 Anzahl Downloads Version 1.4 (Okt. 08) 1.5 (Dez. 08) 1.6 (Okt. 09) 1.7 (Dez 09) 2.0 (Jun 10) (Aug 10) Abb. 7: Übersicht der Anzahl Downloads für die einzelnen Versionen der Software BASEMENT seit Beginn der statistischen Erfassung im September 2008 Die Besucher der Webseite kommen aus folgenden Ländern: USA 51.75% Niederlande 12.78% Schweiz 11.52% Deutschland 6.20% Italien 4.64% Russland 2.85% Österreich 1.75% Frankreich 1.20% EU 1.01% USA Niederlande Schw eiz Deutschland Italien Russland Österreich Frankreich EU Übrige Mit weniger als einem Prozent (entspricht ca. 180 Aufrufen) je Herkunftsland verzeichnet die Seite diverse Länder, geordnet nach Häufigkeit: United Kingdom, Schweden, Israel, Iran, Japan, Kanada, Algerien, Tschechische Republik, China, Malaysia, Polen, Äthiopien, Indien, Australien, Irland, Indonesien, Spanien, Saudi Arabien, Südkorea, Chile, Belgien, Ukraine, Kolumbien, Portugal, Thailand, Brasilien, Luxemburg, Griechenland, Kroatien sowie vereinzelte Länder mit weniger als 10 Visits

16 3 Projekt Seitenerosion numerisches Modell 3.1 Aktueller Stand Die Simulation der seitlichen Erosion von natürlichen Fliessgewässern ist das Ziel dieses Projekts. Es wurde davon ausgegangen, dass die so genannte Sekundärströmung einen massgebenden Einfluss auf die laterale Aufweitung des Gerinnequerschnitts ausübt. Sekundärströmung ist die Bezeichnung für eine Rotation der Strömung von der Wasseroberfläche in Richtung der Gerinnesohle im Bereich von Kurven. In einem tiefengemittelten Modell kann dieser Effekt nur durch Ersatzmodelle abgebildet werden. Als Resultat ergibt sich ein verändertes Geschwindigkeitsfeld, bei welchem die Geschwindigkeiten an der Kurvenaussenseite stärker in Richtung der Kurveninnenseite abgelenkt werden, wodurch auch den Geschiebetransport beeinflusst wird. Die Berechnung der Seitenerosion hängt primär vom Kurvenradius des Gerinnes ab. Die Kurvenradien können auf einem unstrukturierten Gitter nicht ohne weiteres automatisch bestimmt werden. Um den Verlauf des Gerinnes mit dazugehörigen Kurvenradien zu kennen wird häufig ein strukturiertes, dem Flusslauf angepasstes Gitter, vorgegeben. Dies würde allerdings zu einer fast kompletten Neuimplementierung der Hydraulik führen. Aus diesem Grund werden die Kurvenradien anhand der lokalen Rotation des Strömungsfelds berechnet. Bei diesem Vorgehen kann es aber auch in nicht gekrümmten Bereichen des Fliessgewässers fälschlicherweise zur Berücksichtigung von Sekundärströmungen kommen, was mit einem geeigneten Ansatz zu vermeiden ist. Der Effekt der Sekundärströmung kann die seitliche Erosion nicht alleine bewirken. Im tiefengemittelten Modell ist eine Abtragung der Sohle nur in vertikaler Richtung erlaubt. Somit muss eine Böschung im numerischen Modell komplett überflossen werden um eine Veränderung in der Sohle zu erfahren. In Realität tritt die Seitenerosion allerdings auch bei Abflusszuständen mit Wasserspiegellagen unterhalb der Böschungsoberkante auf. Deshalb wurde der Fokus auf die Modellierung des Böschungskollapses gelegt. Es hat sich herausgestellt, dass der Böschungskollaps eine seitliche Erosion zu bewirken vermag. Es bleibt zu untersuchen, ob die Kombination von Sekundärströmung und Böschungskollaps experimentelle Daten reproduzieren kann. 3.2 Modellierung des Böschungskollaps Die durch Erosion hervorgerufene Eintiefung von Fliessgewässern führt zu einem zunehmend steiler werdenden Gefälle der seitlichen Böschungen. Die Böschungen werden schliesslich so steil dass es zu einem plötzlichen, gravitationsinduzierten Versagen der Böschung kommt. Das Böschungsmaterial rutscht dabei in das Fliessgewässerbett hinein und wird dann im Laufe der Zeit von den Strömungskräften mobilisiert und ab

17 transportiert. Dieser Böschungskollaps führt in Folge zu einer Abflachung der Böschung und zu einem metastabilen Zustand bis die Eintiefung weiter fortgeschritten ist. Dieser Böschungskollaps ist dabei einer der Hauptmechanismen für die seitliche Aufweitung von Fliessgewässern über die Zeit. Die ablaufenden Prozesse beim Böschungsversagen sind dabei sehr kompliziert und hängen sowohl von den Eigenschaften und der Zusammensetzung des Böschungsmaterials als auch von den aktuell vorherrschenden Porendrücken ab. Eine vollständige geotechnische Modellierung des Böschungsversagens ist für praktische Einsatzzwecke derzeit nicht sinnvoll. Um die wichtigen Vorgänge dennoch abbilden zu können wird in BASEMENT ein vereinfachter, geometrischer Ansatz für diesen gravitationsinduzierten Transport implementiert. Der Ansatz basiert dabei auf der Vorstellung, dass ein Böschungsversagen genau dann eintritt, wenn das Gefälle der Böschung grösser als ein kritisches Gefälle wird. Wird dieses kritische Gefälle überschritten, dann wird Böschungsmaterial in Richtung des Gefälles abtransportiert und lagert sich schliesslich am Böschungsfuss ab. Ähnliche Verfahren in der Literatur haben bereits deren Anwendbarkeit aufgezeigt. Um den komplexen geotechnischen Prozessen und der Abhängigkeit von den Porendrücken besser Rechnung tragen zu können werden in diesem Ansatz dabei insgesamt drei verschiedene kritische Winkel unterschieden: 1. Ein kritischer Winkel für das Material unterhalb der Wasseroberfläche. 2. Ein kritischer Winkel oberhalb der Wasseroberfläche (der zumeist steiler als derjenige unter der Wasseroberfläche ist). 3. Ein Winkel für das abrutschende Material welches sich im Gerinne ablagert. Im Programm werden unstrukturierte Gitter verwendet um eine grosse Flexibilität bei unregelmässigen Geometrien zu ermöglichen. Damit diese Flexibilität des Programms nicht eingeschränkt wird, wurde das geometrische Verfahren ebenfalls für unstrukturierte Gitter generalisiert und implementiert. Die Abb. 8 gibt dabei einen Eindruck der geometrischen Berechnungen die durchgeführt werden müssen. Das Abrutschen der Böschung wird hierbei abgebildet durch eine Rotation der Zelle die dafür sorgt, dass das Gefälle der Zelle verringert wird, wodurch schliesslich Material in Richtung des Gefälles zum Böschungsfuss abtransportiert wird

18 Abb. 8: Schematische Skizze des geometrischen Verfahrens für den gravitationsinduzierten Böschungskollaps in einer Zelle. Die Verringerung des Gefälles einer Zelle führt jedoch auch zu einer Beeinflussung der Gefälle in allen benachbarten Zellen. Aus diesem Grund wird der Algorithmus iterativ angewandt um diese wechselseitigen Einflüsse entsprechend berücksichtigen zu können. Schliesslich wurde die korrekte Funktionsweise des entwickelten Ansatzes an einigen Testbeispielen überprüft und validiert. Die Abb. 9 zeigt den Böschungskollaps einer nahezu vertikalen Böschung. In der linken Hälfte ist der Ausgangszustand abgebildet und in der rechten Hälfte kann man den Endzustand sehen bei dem sich die Böschung abgeflacht hat. Es stellen sich dabei die gewünschten kritischen Winkel ein, sowohl oberhalb als auch unterhalb der Wasseroberfläche, und das Verfahren erweisst sich als vollständig massenerhalten. Abb. 9: Validierungsbeispiel des geometrischen Verfahrens. Links: Ausgangszustand einer sehr steilen Böschung. Rechts: Endzustand mit abgeflachter Böschung nach dem Böschungsversagen

19 4 Zusammenarbeit Die Abteilung Flussbau der VAW betreibt ein flussbauliches Monitoring am künstlich erstellten Gewässer Flaz bei Samedan. In diesem Rahmen wurde eine Masterarbeit mit der Anwendung von BASEMENT durchgeführt. Die hydraulischen Beobachtungen konnten durch das Programm reproduziert werden. Resultate werden in einer Ausgabe der Fachzeitschrift WEL im kommenden Jahr publiziert. Momentan werden Simulationen durchgeführt, bei welchen der Flaz bezüglich des Sedimenttransports untersucht wird. Die Resultate der hydraulischen und morphologischen Untersuchungen werden als Synthese in der Form eines Tutorials zur Anwendung von BASEMENT bei naturnahen Gerinnen publiziert (voraussichtlich in der Dokumentation des nächsten Release). Im Rahmen des Projekts Integrales Flussgebietsmanagement wurden im Jahr 2010 zwei numerische Masterarbeiten in Zusammenarbeit mit Walter Gostner, Doktorand an der EPFL unter Leitung von Prof. Schleiss, ausgeschrieben. Die eine Arbeit mit dem Titel Zweidimensionale numerische Modellierung mit statistischer Auswertung der hydraulischen Parameter an verschiedenen Abschnitten der Sense wurde von Fabri Haldi im Rahmen eines Praktikums bei Walter Gostner ausgeführt. Von Seiten der VAW wurde die Arbeit bezüglich numerischer Fragestellungen unterstützt. Ziel der Arbeit war die Kalibrierung des numerischen Modells anhand der gemessenen Abflusstiefen und Geschwindigkeiten an den verschiedenen Untersuchungsabschnitten der Sense. Danach wurden für verschiedene Abflüsse die räumliche Verteilung von hydraulischen Kenngrössen sowie Parameter wie Froude- und Reynoldszahl ermittelt. Die Resultate der Kalibrierung zeigen eine gute Übereinstimmung der Abflusstiefen sowie der Geschwindigkeiten. Die Analyse der hydraulischen Parameter für unterschiedliche Abflüsse kann als Grundlage für die Definition eines hydraulisch-morphologischen Vielfältigkeitsindexes weiterverwendet werden. Eine zweite Arbeit mit dem Titel Zweidimensionale numerische Modellierung zur Untersuchung der Veränderung der Habitate aufgrund von Hochwassern wird von Stephanie Speiser an der VAW bearbeitet. Diese Arbeit untersucht den verzweigten Abschnitt der Sense bei Plaffeien unter Berücksichtigung von Sedimenttransport. Anhand zweier Aufnahmen der Topographie kann das numerische Modell kalibriert werden. Eine Fragestellung ist, ob Habitate aufgrund der Sohlumlagerungen zerstört oder umgelagert werden. Erste Resultate zeigen, dass das numerische Modell die Volumenbilanz für das Sediment reproduzieren kann. Die Veränderungen innerhalb der Topographie lassen darauf schliessen, dass die Sedimente lediglich umgelagert werden und sich die statistische Häufigkeit der Habitate nicht verändert. Allerdings fanden in der betrachteten Periode mit einem zweijährlichen Ereignis keine bettbildenden Abflüsse statt. Die Arbeit ist noch in Bearbeitung und wird Mitte Januar 2011 abgeschlossen

20 An der VAW wurde eine Projektarbeit eines Studenten betreut, welche zum Ziel hatte, die Software BASEMENT mit dem kommerziellen Softwareprodukt Hydro AS-2D zu vergleichen. Der Vergleich erfolgte basiert auf der Simulation eines praxisnahen Beispiels eines realen Flussabschnittes in Österreich. Vergleiche haben dabei gute Übereinstimmungen der Überflutungsrechnungen ergeben und die Praxistauglichkeit der Software aufgezeigt. Des Weiteren wurde am IfU (Institut für Umweltingenieurwissenschaften) an der ETH eine Projektarbeit durchgeführt, in welcher 2D-Simulationen des Flusses Maggia im Tessin durchgeführt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde BASEMENT in einer speziell dafür kompilierten Version erstmals auf dem Brutus-Cluster des ETH- Rechenzentrums eingesetzt. Die Anwendungen auf bis zu 16 Rechenkernen konnten dabei erfolgreich durchgeführt werden. Deshalb sind derzeit weitere Einsätze des Programms durch einen Doktoranden am IfU auf dem Rechencluster geplant. Die beratenden Ingenieure BG Bonnard & Gardel mit Hauptsitz in Lausanne haben BASEMENT in ihr Softwareportfolio aufgenommen und setzen das Programm vor allem für Aufgabestellungen mit Sedimenttransport ein, z.b. an der Rhone. Zur Beantwortung spezieller Fragestellungen ist eine vertiefte Zusammenarbeit im Rahmen eines KTI-Projekts anagedacht. Die VAW hat beim BAFU ein Forschungsgesuch für die Dissertation von T. Berchtold zum Thema Flussaufweitungen eingereicht. Das Ziel der Dissertation ist die Untersuchung der lokalen sowie übergeordneten Wirkungsweise von Aufweitungen in Modellmassstab und Natur. Als Arbeitsinstrument wird BASEMENT verwendet, das mittels Daten von Modellversuchen und Erhebungen an bereits bestehenden Aufweitungen validiert werden soll. Mit den Arbeiten dazu wurde bereits begonnen

21 5 Weiteres Vorgehen Bezüglich der längerfristigen Aufträge für die angewandte Forschung wie etwa die Mündung des Alpenrheins und die Modellierung von Dammbrüchen steht die Erweiterung und Verbesserung der Verfahren für den Sedimenttransport nach wie vor im Zentrum der Arbeiten. Einerseits soll die Modellierung von Sekundärströmungen vorangetrieben werden. Andererseits ist der bestehende Ansatz für den gravitationsinduzierten Transport unter Berücksichtigung bodenmechanischer Aspekte weiter zu entwickeln. Des Weiteren ist die Reduktion des Berechnungsaufwands, resp. die Effizienzsteigerung, nach wie vor ein zentrales Thema, was durch eine geeignete Vereinfachung der Gleichungen oder numerische Ansätze erreicht werden soll. Dabei ist jedoch je nach Fragestellung mit einer Verringerung der Genauigkeit oder einer Einschränkung des Anwendungsbereichs zu rechnen. Ferner ist die Bereitstellung einer Schnittstelle BASEextern zur Kopplung der Modelle von BASEMENT mit anderen Programmen, wie etwa Grundwassermodellierung, 3D- Strömungssimulation oder GIS, geplant. Zudem ist die Implementierung eines Ansatzes zur Berücksichtigung von Druckabfluss in BASEchain angedacht, was in Kombination mit dem vorhandenen Multidomainkonzept eine flexible Modellierung von Durchlässen oder Stollen ermöglicht. Ebenfalls soll im kommenden Jahr die Möglichkeit zur Erweiterung des Modells durch Ansätze zur Modellierung von Impulswellen, Dichteströmen und geschichteten Wasserkörpern geprüft werden. Die neue grafische Benutzeroberfläche soll durch praktische Hilfsmittels und Konvertierungstools laufend erweitert werden. Ebenfalls ist eine Integration des Echtzeit- Visualisierungstools BASEviz in die Oberfläche geplant. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt Integrales Flussgebietsmanagement wird Ende 2011 abgeschlossen. Als Beiträge zur Projektsynthese sind seitens der VAW Publikationen in der Fachzeitschrift WEL und ein Merkblatt zu BASEMENT vorgesehen

22 6 Veröffentlichungen 6.1 Wissenschaftliche Beiträge Volz C., Rousselot P., Vetsch D., Müller R., Fäh R., Boes R. (2010) Numerical modeling of dam breaching processes due to overtopping flow Proc. of 8th ICOLD European Club Symposium, Innsbruck, 2010 Mache N., Vetsch D. (2010) Numerical composite-modelling for hydraulic optimization of turbine inflow 15. Gemeinschafts-Symposium der Wasserbau-Institute TU München, TU Graz und ETH Zürich, Wallgau, 2010 (in German) Rousselot P., Volz C., Vetsch D., Müller R., Fäh R. (2010) Multi-domain-model for efficient numerical simulation of river systems 15. Gemeinschafts-Symposium der Wasserbau-Institute TU München, TU Graz und ETH Zürich, Wallgau, 2010 (in German) Müller R., Rousselot P., Vetsch D., Volz C., Fäh R. (2010) A novel numerical scheme for the modeling of suspended sediment transport 15. Gemeinschafts-Symposium der Wasserbau-Institute TU München, TU Graz und ETH Zürich, Wallgau, 2010 (in German) Volz C., Rousselot P., Vetsch D., Müller R., Fäh R. (2010) Dual-mesh approach for numerical simulation of sediment transport on unstructured grids 15. Gemeinschafts-Symposium der Wasserbau-Institute TU München, TU Graz und ETH Zürich, Wallgau, 2010 (in German) Vonwiller L., Weitbrecht V., von Pfuhlstein M., Boes R. (2010) Fluvial monitoring at river Flaz hydro-numerical 2-D modeling and assessment of ecological parameters «Wasser Energie Luft» 102. Jahrgang, Heft 2, 2010 (in German) 6.2 Projekt- und Masterarbeiten Böhringer D. / Wanner P. (2010) Application of a 2D-hydrodynamic model to an alpine river reach Institute of Environmental Engineering (IfU), ETH Zurich (in German) Supervisor(s): Burlando P., Prof. Dr. / Molnar P., Dr. Hinkelammert F. (2010) Comparison of hydrodynamic models BASEplane and Hydro_AS-2D Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich (in German) Supervisor(s): Volz C. / Fäh R., Dr. / Boes R., Prof. Dr. Lutze M. (2010) Study of bed load transport at river branching Institute of Hydraulic Engineering and Applied Hydromechanics, TU Dresden (in German) Supervisor(s): Gierra T. / Stamm J., Prof. Dr

23 Rüedlinger C. (2010) Sediment dynamics and morphological change in the braided Pfynwald reach of the Rhone River Institute of Environmental Engineering (IfU), Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC), ETH Zurich (in German) Supervisor(s): Molnar P., Dr. Rüegger T. (2010) Flood protection at alpine Rhine Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich (in German) Supervisor(s): Hasler M., Steffen K. / Boes R., Prof. Dr. Knöpfel L. (2010) Flood protection at alpine Rhine Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich (in German) Supervisor(s): Hasler M., Steffen K., Müller R. / Boes R., Prof. Dr. Mauri M / Spagnoletti M. (2010) Modeling of morphological development of river Mallero and impact on the city of Sondrio Hydraulic Engineering Section, Polytecnico di Milano (in Italian) Supervisor(s): Radice A., Dr. / Rosatti G., Dr. (University of Trento)

24 Autoren: Renata Müller, dipl. Kulturing. EPFL, Softwareentwicklerin BASEMENT Patric Rousselot, dipl. Rech. Wiss. ETH, Softwareentwickler BASEMENT Christian Volz, dipl.-ing. Umwelttechnik, Softwareentwickler BASEMENT Lukas Vonwiller, MSc ETH Umwelt-Ing., Test und Dokumentation BASEMENT David Vetsch, dipl. Bauing. ETH, Projektleiter BASEMENT Zürich, 29. Dezember 2010 Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) Dr. R. Fäh Leiter der Abteilung Angewandte Numerik D. Vetsch Projektleiter BASEMENT Abteilung Angewandte Numerik