Trainingsaufgabe Flussmodellierung, MIKE 11

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1 VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2004/2005 Oktober/November 2004 Trainingsaufgabe Flussmodellierung, MIKE 11 Modellierung der hydrodynamischen Vorgänge in einem Vorfluter: Einführung Für die hydrodynamische Modellierung eines kleinen Flusses im Süden Jütlands steht das Simulationssystem MIKE 11 und die entsprechenden Datensätze zur Verfügung. Der Fluss Vida hat mehrere kleinere Zuflüsse und ist tidebeeinflusst durch die Nordsee. MIKE 11 ist ein Programmpaket des DHI, Horsholm, zur eindimensionalen Simulation instationärer Strömungsvorgänge und der Ausbreitung von Wasserinhaltsstoffen in Ästuarien und (verzweigten) Flusssystemen. MIKE11 integriert verschiedene Basis- und Ergänzungsmodule. Fig. 9.1: Topographische Karte der Flussaue Vida bei Tondern (DK). Am Fallbeispiel Vida wird die Funktionalität des hydrodynamischen Flussmodells Mike 11 vorgestellt unter Zuhilfenahme des Short Introduction Tutorial [DHI 2003]

2 Zuerst folgt eine kurze technische Einführung basierend auf den Handbüchern DHI Water & Environment (2003): MIKE 11. A Modelling System for Rivers and Channels, Short Introduction and Tutorial und DHI (2003): MIKE 11 - User Guide. Im Anschluss daran werden schrittweise die einzelnen Arbeitsschritte zur Strömungssimulation beschrieben. Als Ergebnis sind die Flusswasserstände an mindestens zwei ausgewählten Flussquerschnitten zu dokumentieren (Wasserstandsganglinie). Technische Einführung MIKE 11 ist ein 1-D querschnittsintegriertes Finite Differenzen Verfahren zur Simulation der Hydrodynamik (Wasserstand und Strömung) in Fließgewässern. Description from DHI about MIKE 11 ( MIKE 11 is a professional engineering software package for the simulation of flows, water quality and sediment transport in estuaries, rivers, irrigation systems, channels and other water bodies. It is a dynamic, user-friendly one-dimensional modeling tool for the detailed design, management and operation of both simple and complex river and channel systems. Because of its exceptional flexibility and speed MIKE 11 provides a complete and effective design environment for engineering, water resources, water quality management and planning applications. MIKE11 is based on an integrated modular structure with a variety of basic modules and add-on modules, each simulating certain phenomena in river systems. The modular structure offers great flexibility: MIKE11 includes basic modules for: Rainfall-Runoff, Hydrodynamics, Advection-Dispersion and cohesive sediments, Water Quality, Non-cohesive sediment transport Hydrodynamic Module (HD) The HD module contains an implicit, finite difference computation of unsteady flows in rivers and estuaries. The formulations can be applied to branched and looped networks and quasi two-dimensional flow simulation on flood plains. The computational scheme is applicable to vertically homogeneous flow conditions ranging from steep river flows to tidally influenced estuaries. Both subcritical and supercritical flow can be described by means of a numerical scheme which adapts according to the local flow conditions. The complete non-linear equations of open channel flow (Saint-Venant) can be solved numerically between all grid points at specified time intervals for given boundary conditions. In addition to this fully dynamic description, a choice of other flow descriptions is available: high-order, fully dynamic, diffusive wave, kinematic wave, quasi-steady state. Within the standard HD module advanced computational formulations enable flow over a variety of structures to be 2

3 simulated: broad-crested weirs, culverts, regulating structures, control structures, dam-break structures, user-defined structures, tabulated structures. Rainfall-Runoff Module (RR) In addition to the provision of boundary conditions at model boundaries, the description of rainfall and associated runoff is often a key element in setting up a MIKE 11 simulation. The rainfall-runoff (RR) module contains three different models that can be used to estimate catchment runoff: NAM: A lumped, conceptual rainfall-runoff model simulating overland flow, interflow and baseflow as a function of the moisture content in each of four mutually interrelated storages: snow storage, surface storage, root zone storage, groundwater storage. In addition NAM allows treatment of man-made interventions in the hydrological cycle such as irrigation and groundwater pumping. The present UHM module simulates the runoff from single storm events by the use of the unit hydrograph technique and constitutes an alternative to the NAM model for flood simulation in areas where no stream flow records are available or where unit hydrograph techniques have already been well established. The module calculates simultaneously the runoff from several catchments and includes facilities for presentation and extraction of the results. The output from the module can be used as lateral inflow to the advanced hydrodynamic module in MIKE 11. SMAP: A monthly soil moisture accounting model. The RR module can either be applied independently or used to represent one or more contributing catchments that generate lateral inflows to a river network. In this manner it is possible to treat a single catchment or a large river basin containing numerous catchments and a complex network of rivers and channels within the same modelling framework. Einzelnen Arbeitsschritte zum Modellaufbau MIKE 11-Vida Die folgenden Dateien wurden bereits vorbereitet und stehen Ihnen für die Lösung zur Verfügung (Daten-CD-Mike11-9): Sim-Hotstart.sim11 Sim.nwk11 Sim.XNS11 Sim.bnd11 Sim.HD11 VIDA400.gif M4214Q.dfs0 Südlich der dänischen Stadt Tonder liegt der Fluss Vidaa. Führen Sie eine hydrodynamische Simulation im Fließgewässer mit dem DHI- Programm MIKE 11 durch. Öffnen von MIKE 11 Nach dem Öffnen von MIKE Zero auf File open MIKE11 Simulation Files (*.sim11) gehen und die Datei Sim_Hotstart.sim11 öffnen. (Zum Erstellen einer ganz neuen Simulation geht man auf File new.) 3

4 Simulation (Sim_Hotstart.sim11) Hauptmaske von MIKE 11 MIKE 11 ist aus verschiedenen Modulen aufgebaut, die in der Simulationsmaske zusammengefügt werden. Models: Hydrodynamic und unsteady (Unterschied steady/unsteady?) anklicken. Input Angabe der zur Simulation verwendeten Dateien. Folgende bitte verwenden: Network (Sim.nwk11) Cross sections (Sim.XNS11) Boundary data (Sim.bnd11) HD Parameters (Sim.HD11) Simulation: Gibt den Simulationszeitraum und die verwendeten Zeitschritte an. Die Daten brauchen für unsere Modellierung nicht verändert zu werden. Bevor es in der Simualtionsmaske weitergeht müssen die einzelnen Dateien vollständig erstellt werden. Die Sim_Hotstart.sim11-Datei bitte vor dem Schließen speichern. Network (Sim.nwk11) Unter File open MIKE11 River Network Files (*.nwk11) die Datei Sim.nwk11 öffnen. In Layers Add/Remove - File type Image File einstellen und VIDA400.gif hochladen. Danach in Overlay Manager Display mit einem Haken versehen. Unter Network Resize Area können die Koordinaten des Gebiets verändert werden. Für unser Beispiel ist das nicht notwendig. Erstellen Sie, mit Hilfe der Icons, einen neuen Branch für den weiteren Verlauf der Vida. Fügen Sie auch einen Branch für einen Zufluss der Vida ein. Verbinden Sie die einzelnen Branchs miteinander. Unter View Tabular View Network Branches können die neuen Branches benannt werden und ihre Fließrichtung festgelegt werden. Unter Network können auch Strukturen wie Brücken und Wehre eingebaut werden. Cross sections (Sim.XNS11) Unter File open Cross Section (*.xns11) die Datei Sim.xns11 öffnen. Fügen Sie für die neuen Branchs mindestens je zwei neue Querschnitte (an den Endpunkten) ein. Dazu einfach in der Tabelle mit den Branch-Namen einen markieren und auf die Einfügentaste drücken (auch mit der rechten Mousetaste und über insert cross section möglich). In der rechten Tabelle können nun die Daten des Querschnitts eingegeben werden. Mit Mark definiert man die einzelnen Punkte des Querschnitts näher. Über die rechte Mousetaste interpolieren Sie zwischen den Querschnitten. Mit View Process Data wird das Gefälle des aktuellen Branchs angezeigt. Boundary data (Sim.bnd11) Unter File open Boundary Conditions (*.xns11) die Datei Sim.bnd11 öffnen. In dieser Datei werden die obere und untere Randbedingung der Vida definiert. Dazu an der Mündung des Flusses eine Water Level Randbedingung angegeben und an der Quelle und dem Zufluss eine so genannte Inflow-Randbedingung eingefügt. Auch hier können über die Einfügentaste neue Reihen in die Tabelle eingefügt werden. In der unteren Tabelle wird über File/Value - die Datei M4214Q.dfs0 eingefügt. In ihr sind Abflussdaten enthalten. Über Edit kann man sich die Tabelle und Graphik der Abflussdaten ansehen. Ist diese geöffnet ist es möglich über Edit Properties die Eigenschaften der Tabelle zu betrachten. Die Tabelle lässt sich ohne weiteres, z.b. um ganze Spalten, erweitern. Unter File open Boundary Conditions (*.xns11) die Datei Sim.bnd11 öffnen. 4

5 HD Parameters (Sim.HD11) Unter File open MIKE 11 HD Parameters (*.hd11) die Datei Sim.hd11 öffnen. In dieser Datei können diverse Einstellungen vorgenommen werden. Für unsere Übungsaufgabe brauchen nur die Initial Conditions auf 1m Waterlevel und 0.1 Discharge eingestellt werden. Die Dateien für die Simulation sind nun erstellt und diese kann nun gestartet werden. Dazu wird die Simulationsdatei erneut geöffnet. Simulation (Sim_Hotstart.sim11) Results: Angabe der Ergebnisdatei (Sim_Hotstart.res11) und der Speicherfrequenz. In unserem Beispiel soll jeder zehnte Zeitschritt gespeichert werden. Start: Schauen Sie bitte, ob die run parameters und HD parameters mit einem grünen Punkt erscheinen. Sollte das nicht der Fall sein fehlen Angaben in der Eingabemaske. Erscheinen grüne Punkte kann die Simulation mit Start gestartet werden. Läuft die Simulation ohne Fehlermeldungen speichern Sie Datei als Sim.sim11 und verändern in dieser folgende Einstellungen: o Simulationszeitraum: o Zeitschritt: 30 min o Speicherfrequenz: 1 d o In Simulation Initial Conditions wird HD auf Hotstart gestellt und die Sim_Hotstart.sim11 als Hotstart Filename eingegeben. o Nennen Sie die Ergebnisdatei Sim.res11. o Speichern Sie die Sim.sim11-Datei. o Starten Sie die Simulation. Ergebnisse in MIKE VIEW In MIKE VIEW wird die Ergebnisdatei Sim.res11 geöffnet. Im darauf erscheinenden Data Load Selection Fenster werden die zuladenden Zeitschritte und die Art der Daten gewählt (Water Level und/oder Discharge). Bei längeren Simulationszeiträumen empfiehlt es sich höchstens jeden zehnten Zeitschritt zu laden. Im nun erscheinenden Horizontal Plan lässt sich mit dem Plot Longitudinal Profile- Icon eine Strecke der Vida grün markieren und durch einen Doppelklick wird das Profile gezeichnet. Es kann bei der Darstellung zwischen verschiedenen Optionen gewählt werden. So lässt sich zum Beispiel der Wasserstand zeigen. Über das Run The Animation -Icon wird die Animation gestartet. Über das Cross Section Animation-Icon und die Wahl eines Querschnitts kann der zeitliche Verlauf des Wasserstandes an diesem Querschnitt dargestellt werden. Zur Überprüfung der Simulation können in MIKE VIEW z.b. Zeitreihen gemessenen Wasserständen eingefügt werden. Manuals für das Programm MIKE 11: Introduction and Tutorial Reference Manual User Manual Starten Sie die MIKE 11-Simulationsdatei VIDA96_3 und ändern Sie die Randbedingungen am Branch Name VIDAA-NED mit den folgenden Eingaben: Boundary Description: Open, Boundary Type: Water Level, 5

6 Branch Name: VIDAA-NED Chainage: TS Type: Const File/Value: 4 m. Starten Sie die Simulation und dokumentieren Sie z.b. den simulierten Flusswasserstand am Standort VIDAA-MAG 4100 (Flussquerschnitt anzeigen lassen). Beantworten Sie die weiteren Fragen: Welche Wave Approximation, Rechenzeitschrittlänge t und Simulationszeitraum sind in der Sim11-Datei VIDA96_3 definiert? Welche Konsequenz müssen Sie aufgrund des Simulationsergebnisses ziehen, wenn die vorgegebenen wasserwirtschaftlichen Rahmenbedingungen für eine Ausweisung von Überflutungsräumen verwendet werden sollen? Welche Randbedingung wurde am Branch Name SEJERSBK-NED definiert? Welche Verfahren zur Approximation der instationären Wasserbewegung in offenen Gerinnen bietet das DHI-Programmsystem MIKE 11? Anlagen: Fig. 9.2: Arten der Fließbewegungen Fig. 9.3: Volumenelement der Länge dx eines Fließabschnittes Definitionsskizze Fig. 9.4: Gerinnestrecke zwischen zwei Querprofilen. Erläuterung zur Fließformel nach Manning-Strickler bzw. zur Wasserspiegeldiff. h Sp zwischen den beiden Profilen. Naturgerinne sind unregelmäßig geformt. Ihre Geometrie wird mit einer Folge von Flussquerprofilen, die in konstanten oder variablen Abständen aufgenommen werden, approximiert. 6