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

Stauraumverlandung eines geplanten Kraftwerks (SRH-1D)

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

Bureau of Reclamation, Denver, USA Instationäres 1D Abfluss- und Sedimenttransportmodell Querprofile, Lösung mittels Finite Differenzen Schema

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

> 1m) Fragestellung: Ermittlung der maximalen Korndurchmesser, die bei Spülung (HQ 1 ) in den Spülstollen gelangen könnten

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

) d=10mm Daher: Ermittlung der kritischen Sohlschubspannung t krit nach Shields (1936) mit 10% Bewegungsrisiko nach

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

6km ( Ausbauzustand ) LS Bestand Software: SRH-1D Kalibrierung Sohllage Bestand und Ausbauzustand Instationär Zeitraum 10 Jahre SOLL-Wasserspiegellagen aus hydrodynamischen 1D-Modell

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

B Fazit: Charakteristik wird wiedergegeben Absolutwerte kritisch hinterfragen (modellbedingt erhöht) Korrektur

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

7-8 Jahren Ermittlung mittels: - der Höhenänderung der Querprofil-Talpunkte und -

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

geringe Verfügbarkeit der notwendigen Sedimentdaten Anwendungen 1D: Längerfristige Entwicklungen Größere Gewässerabschnitte Vernachlässigung lokaler Besonderheiten ist zulässig

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