Numerische morphodynamische Flussmodelle Dimensionen und Skalen Prozesse. Beispiele. Zuverlässigkeiten. Fazit. Überblick

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2 Überblick Numerische morphodynamische Flussmodelle Dimensionen und Skalen Prozesse Beispiele Zuverlässigkeiten Fazit Groyne head Scour

3 Numerische morphodynamische Flussmodelle Allgemeine Modelltheorie von Stachowiak 1. Abbildung 2. Verkürzung 3. Pragmatismus Ein Modell zeichnet sich also durch Abstraktion aus, also die bewusste Vernachlässigung bestimmter Merkmale, um die für den Modellierer oder den Modellierungszweck wesentlichen Eigenschaften hervorzuheben.

4 Numerische morphodynamische Flussmodelle Basisdaten Diskretisierung Modellparameter Modellgleichungen Aus: Feststofftransportmodelle für ( 1997 Fließgewässer (DWA Kalibrierung

5 Numerische morphodynamische Flussmodelle Basisdaten Messfehler Diskretisierung Modellparameter Modellgleichungen Lücken unsicher Auswahl Aus: Feststofftransportmodelle für ( 1997 Fließgewässer (DWA Kalibrierung Imperfektes Modell nicht eindeutig

6 Numerische morphodynamische Flussmodelle Modell für spezielle Fragestellung Fragestellung Interpretation Es ist im Allgemeinen nicht möglich, mit einem einzigen Versuchsmodell Dutzende von Fragen gleichzeitig zu beantworten... Hubert Engels

7 Numerische morphodynamische Flussmodelle Modell für spezielle Fragestellung Fragestellung Interpretation Grundlagen / Fragestellung beachten sorgfältige Kalibrierung und Validierung vergleichende Aussagen Sensitivitätsanalysen Vergleich mit anderen Modellen Naturuntersuchungen

8 Numerische morphodynamische Flussmodelle Hydrodynamik fundierte allgemein akzeptierte Grundgleichungen Navier-Stokes- / Saint- Venant- Gleichungen Morphodynamik diverse konkurrierende empirische Ansätze verschiedene mögliche Gleichungen max. 4 Validierungsgrößen: Geschwindigkeiten, Wasserstände größere Unsicherheiten und größere Komplexität Validierung BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU extrem Karlsruhe Hamburg wichtig! Ilmenau mehr als 7 Validierungs größen: Sohllagen, Feststoffaustrag, Kornverteilungen in versch. Schichten, Konzentrationen, Geschwindigkeiten, Wasserstände

9 Numerische morphodynamische Flussmodelle Dimensionen von morphodynamischen Flussmodellen: Hydrodynamik Morphodynamik 1D 2D tiefengemittelt 3D 1D Einschicht 1D Mehrschicht 2D Einschicht 2D Mehrschicht

10 Numerische morphodynamische Flussmodelle Skalen beim Messen und Modellieren des Sedimenttransports (Habersack ( 1997

11 Numerische morphodynamische Flussmodelle großräumig langfristig 1D Modelle km Dekaden 2D Modelle Jahre 3D Modelle 100 m 10 km Ereignisse kleinräumig kurzfristig

12 Numerische morphodynamische Flussmodelle großräumig langfristig 1D Modelle km Dekaden 2D Modelle Jahre 3D Modelle 100 m 10 km Ereignisse kleinräumig kurzfristig

13 Numerische morphodynamische Flussmodelle Fragestellungen Stand der Technik: Gegenstand der Forschung: Einfluss von Hydrologie Wirkung von Breitenänderung Wirkung von Bauwerken Einfluss von Krümmungen Wirkung von Kornverteilungen Zugabe / Entnahme Sohlmaterial Sohlentwicklung außerhalb der Flussrinne Transportkörper Einfluss von Schifffahrt Eiseinfluss

14 Beispiele FTM El-km km, Jahre 100m Profilabstand FTM El-km km, Jahre m Profilabstand FTM El-km km, Jahre 100m Profilabstand Großräumig langfristig Fragestellung: Verminderung / Stoppen von großflächiger Erosion

15 Beispiele Großräumig langfristig Modell-Ergebnis: Änderung der mittleren Sohlenlagen und BUNDESANSTALT mittleren FÜR WASSERBAU Wasserspiegellagen Karlsruhe Hamburg Ilmenau

16 Beispiele 2D FTM Do-km km + 20 km, Jahre 2m - 10 m - 30 m Diskretisierung mesoskalig mittelfristig Fragestellung: Erhaltung der Fahrrinnentiefe durch Optimierung BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU der Geschiebebewirtschaftung Karlsruhe Hamburg Ilmenau

17 Beispiele Prognostizierte Baggermengen nach 3 Jahren für 2 unterschiedliche Unterhaltungstiefen mesoskalig mittelfristig Modellergebnis: Baggermengen in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrrinentiefen

18 Beispiele 2D Modell 30 m, 1:17h Versuchszeit 5-30 cm Diskretisierung Verschiedene 2D und 3D Modelle 15 m x 1 m, 2h Versuchszeit 2-8 cm Diskretisierung 8 kleinräumig kurzfristig 1. Model inflow 2. Measurement bridge 5. Movablebedpart ( Geschiebekofer ) 6. Support trackfor themeasurement bridge 3. Groyne 7. Water level measurement device 4. Groynefield 8. Model outflow(outflowweir) Fragestellung: Prognosefähigkeit bezüglich lokaler Wirkung von Bauwerken

19 Beispiele Bihs 2006 Diplomarbeit Grafmüller 2009 Minh Duc 2006 kleinräumig kurzfristig Modellergebnis: Sohllagen, Kolk, Düne gute Übereinstimmung auch 2D

20 Beispiele Bihs 2006 Diplomarbeit Grafmüller 2009 Minh Duc 2006 kleinräumig kurzfristig Modellergebnis: Sohllagen, Kolk, Düne gute Übereinstimmung auch 2D

21 umströmte Buhne Beispiele ausgeprägter Buhnenkopfkolk Buhnenkopfkolk zu flach und falsche Lage keine Anlandungszone anschließende Anlandungszone Diplomarbeit Nzokou 2002 kleinräumig kurzfristig Modellergebnis: Sohllagen, Kolk, Anlandungszone 2D Kolk BUNDESANSTALT zu FÜR flach WASSERBAU + falscher Karlsruhe Hamburg Ort, IlmenauAnlandungszone fehlt

22 Beispiele überströmte Buhne zwei Buhnenkopfkolke nur ein Buhnenkopfkolk kleinräumig kurzfristig Modellergebnis: Sohllagen, Kolk, Anlandungszone BUNDESANSTALT Buhnenkopfkolk FÜR WASSERBAU Karlsruhe gut Hamburg erfasst, Ilmenau 2. Kolk fehlt

23 Zuverlässigkeit Viele unsichere Eingangsparameter Wie sicher sind die Prognosen?

24 Zuverlässigkeit Viele unsichere Eingangsparameter Wie sicher sind die Prognosen? Methoden zur Zuverlässigkeitsanalyse: Monte Carlo CL Scatter Analyse ( Method FORM (First Order Reliability

25 Zuverlässigkeit Unsichere Eingangs-Parameter Wahrscheinlichkeitsverteilungen Scatter-Analyse Monte-Carlo-CL FORM Modell-Ergebnisgrößen Mittelwert + Vertrauensintervalle

26 Zuverlässigkeit Gebiete und Zeitfenster großer / kleiner Unsicherheiten Vertrauensintervall Methoden auch für mehrdimensionale Modelle Donau: Mühlhamer Schleife, 13 unsichere Parameter (Parameter für Hangabwärtstrieb und Sekundärströmung, MPM-Vorfaktor, Schichtdicke der Austauschschicht, Korndurchmesser für 5 Kornfraktionen, ( Rauheitszonen Rauheitsbeiwerte pro 4

27 Fazit Aussagekraft von numerischen morphodynamischen Flussmodellen Modell ist nur Abbild der Natur Morphodynamik sehr komplex Interpretation Validierung wichtig Zuverlässigkeitsanalyse vergleichende Aussagen mehrere Modelle nebeneinander Naturversuche DENKHILFE! Modell Fragestellung Skalen-Dimensionen kleinräumig kurzfristig - 3D großräumig - langfristig - 1D

28 Fazit Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!