Numerische Sedimenttransportuntersuchungen - Beispiele aus der Ingenieurspraxis

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Jürgen Möller
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1 Pöyry Energy GmbH Numerische Sedimenttransportuntersuchungen - Beispiele aus der Ingenieurspraxis DI Georg Puchner ÖGH Vortragsreihe: Junge Hydrologie Österreichs Wien, 11.November 2010

2 Inhalt Übersicht angewendeter Simulationssoftware Spülmanagement geplanter Hochgebirgsspeicher Pakistan (CCHE2D) Stauraumverlandung eines geplanten Kraftwerks (SRH-1D) Ermittlung der Anlandungscharakteristik im Kraftwerksstauraum (CCHE2D) Zusammenfassung 2

3 Übersicht der angewendeten Simulationssoftware SRH-1D (vormals GSTAR-1D) Entwickler/Herausgeber: Sedimentation and River Hydraulics Group of the U.S. Bureau of Reclamation, Denver, USA Instationäres 1D Abfluss- und Sedimenttransportmodell Querprofile, Lösung mittels Finite Differenzen Schema Interne Randbedingungen (Wasserstands-GL, Durchfluss-GL, WQ-Beziehung, Bauwerke) Laterale Zuflüsse (punktuell oder diffus) Mehrkornmodell inkl. Simulation der Sortierung des Bettmaterials Mehr-Layer Technik für Bodenschichtungen 17 Ansätze zur Ermittlung der Transportkapazität 3

Übersicht der angewendeten Simulationssoftware CCHE2D: Entwickler/Herausgeber: National Center for Computational Hydroscience and Engineering

Effiziente Elementen Methode (Wang & HU, 1993) 3 Turbulenzansätze (parabolisches Wirbelviskositätsmodell, Mischungslängen Modell und k-e

4 Übersicht der angewendeten Simulationssoftware CCHE2D: Entwickler/Herausgeber: National Center for Computational Hydroscience and Engineering NCCHE, University of Mississippi, USA 2D tiefengemitteltes Abfluss- und Sedimenttransportmodell Strukturiertes krummliniges Vierecksnetz Effiziente Elementen Methode (Wang & HU, 1993) 3 Turbulenzansätze (parabolisches Wirbelviskositätsmodell, Mischungslängen Modell und k-e Modell) Mehrkornmodell (bis zu 8 Fraktionen) Mehr-Layer Technik für Bodenschichtungen 4 Ansätze zur Ermittlung der Transportkapazität Flussdiagramm von CCHE2D 4

5 Spülmanagement Hochgebirgsspeicher Pakistan Kurzbeschreibung: Damm Standorte 2 geplante Hochgebirgsspeicher an Zubringern des Indus (jeweils der unterste einer 3er-Kaskade) Hohes Gefälle, hohe Sedimentfrachten und sehr große Korndurchmesser (bis > 1m) Fragestellung: Ermittlung der maximalen Korndurchmesser, die bei Spülung (HQ 1 ) in den Spülstollen gelangen könnten (Beschädigung) Software: CCHE2D Mesh: Lower Spat Gah Dam Mesh: Lower Palas Dam Lage des Projektgebiets Spüllstollen Spüllstollen 5

Spülmanagement Hochgebirgsspeicher Pakistan Ergebnisse: Lower Palas Dam Ergebnis: Plausible Modellierung des Geschiebetransports nicht möglich (begrenzter Anwendungsbereich von Transportformeln, etc.

6 Spülmanagement Hochgebirgsspeicher Pakistan Ergebnisse: Lower Palas Dam Ergebnis: Plausible Modellierung des Geschiebetransports nicht möglich (begrenzter Anwendungsbereich von Transportformeln, etc.) d=10mm Daher: Ermittlung der kritischen Sohlschubspannung t krit nach Shields (1936) mit 10% Bewegungsrisiko nach Zanke (1990) für verschiedene Korndurchmesser d=120mm Vergleich der modellierten Sohlschubspannung mit t krit d=320mm kein Transport Transport Gelände 6

OW-Rampe Kraftwerk Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Kurzbeschreibung: LS Ausbauzustand Laufkraftwerk im alpinen Bereich künstliche < Sohlaufhöhung > OW-Rampe im Stauraum zur Reduktion der

7 OW-Rampe Kraftwerk Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Kurzbeschreibung: LS Ausbauzustand Laufkraftwerk im alpinen Bereich künstliche < Sohlaufhöhung > OW-Rampe im Stauraum zur Reduktion der Stauwirkung, Aufhöhung der Flusssohle mit Gefällevereinheitlichung Modelllängen 10km ( Bestand ) bzw. 6km ( Ausbauzustand ) LS Bestand Software: SRH-1D Kalibrierung Sohllage Bestand und Ausbauzustand Instationär Zeitraum 10 Jahre SOLL-Wasserspiegellagen aus hydrodynamischen 1D-Modell IST-Zustand Sohle (insgesamt stabile Sohllage, lokale Umlagerungen bis zu 0,5m) Variable Korngrößenverteilung im Längsverlauf für Deck- und Unterschicht Geschiebeeintrag abhängig vom Durchfluss (Ermittlung über Korrelation mit Funktion für Schwebstofffracht) Abflussganglinie und Geschiebefracht 7

Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Sensitivitätsanalysen: Aufgrund der Daten- und Modellunsicherheit unbedingt erforderlich Transportformel, Geschiebeeintrag, numerische Parameter,

8 Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Sensitivitätsanalysen: Aufgrund der Daten- und Modellunsicherheit unbedingt erforderlich Transportformel, Geschiebeeintrag, numerische Parameter, Transportformel Formel A Formel B Fazit: Charakteristik wird wiedergegeben Absolutwerte kritisch hinterfragen (modellbedingt erhöht) Korrektur durch Differenzenbildung der Modelle Bestand und Ausbauzustand möglich Geschiebeeintrag Eintragsmenge A Eintragsmenge B 8

Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Simulationsergebnisse: Erreichen des Gleichgewichtszustands mit einer stabilen Sohllage nach ca.

9 Stauraumverlandung geplantes Kraftwerk Simulationsergebnisse: Erreichen des Gleichgewichtszustands mit einer stabilen Sohllage nach ca. 7-8 Jahren Ermittlung mittels: - der Höhenänderung der Querprofil-Talpunkte und - der Bilanzierung der Anlandungs- und Erosionsvolumina Zeitliche Entwicklung der Sohle Zunahme Längsverlauf 9

10 Ermittlung Anlandungscharakteristik im KW-Stauraum Kurzbeschreibung: Ziel: Vorangegangene 1D-Simulation liefert nur Anlandungsvolumen Verteilung und Ausmaß der Anlandungszonen entscheidend für die resultierenden Strömungsverhältnisse (ökologische und schutzwasserbauliche Beurteilung) Software: CCHE2D Verifizieren flussmorphologischer Gesetzmäßigkeiten für den Ausbauzustand an einem rd. 1,5km langen Abschnitt der OW-Sohlaufhöhung Festlegen einer realistischen Anlandungsgeometrie für die hydrodynamische Modellierung Eingangsdaten: Geometrie: bestehendes hydrodynamisches Modell für den Ausbauzustand Korngrößenverteilung und Geschiebeeintrag: 1D-Sedimenttransportmodell Zuflussganglinie: sehr dynamische 2-Jahresreihe (3x HQ 1 überschritten) 10

11 Ermittlung Anlandungscharakteristik im KW-Stauraum 3 Monate 6 Monate 9 Monate 12 Monate 15 Monate 18 Monate 21 Monate 24 Monate 18

12 Zusammenfassung: Generell: Modellgrenzen bzw. zulässige Einsatzbereiche der empirischen Transportformeln beachten Extremereignisse sind sehr schwierig nachbildbar Absolutwerte der Ergebnisse kritisch hinterfragen Meist zu geringe Verfügbarkeit der notwendigen Sedimentdaten Anwendungen 1D: Längerfristige Entwicklungen Größere Gewässerabschnitte Vernachlässigung lokaler Besonderheiten ist zulässig Anwendungen 2D: Ermittlung der Erosions- und Anlandungscharakteristik Geeignet für kürzere Teilabschnitte mit ausreichend Eingangsdaten In bestimmten Fällen Kombination aus hydrodynamischer Modellierung der Sohlschubspannungen und Vergleich mit nach empirischen Formeln ermittelten kritischen Sohlschubspannungen sinnvoll 19

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