Schwebstoffmessungen Ein unverzichtbarer Beitrag zur Validierung numerischer Simulationsmodelle

Transkript

1 Ausbauten der Seehafenzufahrten Ein unverzichtbarer Beitrag zur Validierung numerischer Simulationsmodelle Dr. Steffen Grünler, Dipl.-Ing. Christian Maushake & Dr. Marius Becker (Marum)

2 Aufbau Motivation Monitoring und Kampagnenmessungen Schwebstoffmessprogramm Schwebstoffkonzentrationen aus ADCP-Messungen Ergebnisbeispiele Zusammenfassung Seite 2

3 Motivation Notwendige Validierung und Kalibrierung von numerischen Modellsimulationen durch qualitätsgesicherte Naturmessungen Optimierung und Weiterentwicklung von numerischen Modellsimulationen durch Naturmessungen Bedarf an den Größen Strömungsgeschwindigkeit und -verteilung, Durchflussmengen, Schwebstoffkonzentration (SSC) und -transport in der Wassersäule Bedarf an Spezialgrößen z.b. Sinkgeschwindigkeit und Flockengröße Wie lassen sich die hydrodynamischen Größen mit hinreichender Qualität für die Validierung und Kalibrierung numerischer Simulationsmodelle quantifizieren? Seite 3

4 Monitoring WSV Pegelmessstation Dichtes Monitoringnetz von Wasserständen Ausgewählte Pegel z.b. Salzgehalts- oder Trübungsmessungen Aufgaben: z.b. Gewässerkunde, Beweissicherung und Schifffahrt Punktuelle Messung räumliche Aussagekraft eingeschränkt Anzahl der relevanten Messgrößen eingeschränkt Seite 4

5 Monitoring und Kampagnenmessung Grenzen der Aussagekraft in räumlicher wie physikalischer Hinsicht z.b. Strömungsgeschwindigkeit und Schwebstoffkonzentration (SSC) Ableitung integraler Größen wichtig ADCP Strömungsgeschwindigkeit ADCP Schwebstoffkonzentration (SSC) Seite 5

6 Messaufwand und Kampagnenmessung Schwebstoffkonzentration (ADCP, abhängig von Sedimenteigenschaften, ph-wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Druck) Salzgehalt (abhängig von Leitfähigkeit, Druck, Temperatur) Mit der Steigerung der Komplexität der Messgröße steigt der Messaufwand Wasserstand (Pegel) Kampagnenmessungen als optimale Möglichkeit zur Erfassung komplexer hydrodynamischer Messgrößen mit hinreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung Seite 6

7 Schwebstoffmessprogramm Ganztidenmessungen (~13h) Erstmalig Kampagnenmessungen an Ästuaren Elbe, Weser, Ems in drei Jahren mit identischem Messverfahren Quantitative Aussagen zur Hydrodynamik und zum Schwebstofftransport, ästuarübergreifend als auch innerhalb des Ästuars, möglich Seite 7

8 Messkonzept Gemeinsame Entwicklung zwischen der BAW und Firma AquaVision BV (Niederlande) (Aardoom, J. H., 2006; Maushake, M., 2007; Winter et al., 2011) Schiffsgestützte ADCP-Messungen ( khz) Querprofilmessungen vertikale CTD-, Trübungsmessungen und Korngrößenverteilungen aller 30min Wasserproben zur Bestimmung des gravimetrischen Schwebstoffgehaltes Zeitgleiche Erfassung aller Messgrößen in Wassersäule Seite 8

9 Messkonzept Gemeinsame Entwicklung zwischen der BAW und Firma AquaVision BV (Niederlande) (Aardoom, J. H., 2006; Maushake, M., 2007; Winter et al., 2011) Schiffsgestützte ADCP-Messungen ( khz) Querprofilmessungen vertikale CTD-, Trübungsmessungen und Korngrößenverteilungen aller 30min Wasserproben zur Bestimmung des gravimetrischen Schwebstoffgehaltes Zeitgleiche Erfassung aller Messgrößen in Wassersäule Seite 9

10 Schwebstoffkonzentration (SSC) aus ADCP-Rückstreuung Verfahren zu Bestimmung der SSC mittels ADCP bekannt, jedoch kein Standardverfahren (Gartner, 2004; Hill et al., 2003; Hoitink and Hoekstra, 2005; Kostaschuk et al., 2005) Geräteparameter Sendeleistung Wasserabsorptionsparameter Salzgehalt Strömungsgeschwindigkeit Schwebstoffkonzentration Pulslänge Transducereffizienz Empfangsstärke Temperatur Schallkeule Entfernung Frequenz ph-wert Viskosität Sedimenteigenschaften Temperatur Korngrößen Seite 10

11 Prozessierung Ästuarine Schwebstoffdynamik komplex Mess- und Prozessierungsaufwand ebenso komplex Iterativer Prozess Sachkenntnis und Erfahrung nötig Final: Bestimmung von belastbaren Schwebstoffkonzentrationen (SSC) modifiziert, Becker, M. (2014) Seite 11

12 Evaluierung der Methodik Rechtenfleth Nordenham Blexer Bogen Gleiche Datengrundlage, vergleichbare Ergebnisse trotz verschiedener Prozessierung und benutzter Software Bestimmung der Sedimentkonzentration (SSC) aus ADCP-Messung anwendbar, Ergebnis abhängig vom Fokus der Untersuchung Seite 12

13 Wasserstand [m NHN] Tidedynamik [m/s] Strömung [kg/m³] Schwebstoffkonzentration [10³ kg/s] Schwebstofftransport Aussage für 1 Tide möglich (Berücksichtigung der Randbedingungen wie Oberwasserzufluss, Messqualität) Ergebnisse des Schwebstoffmessprogramms stellen verlässliche Datengrundlage für die Validierung der numerischen Modellsimulationen der BAW dar Seite 13

14 Modellvalidierung Dynamik und Amplituden der gemessenen (BAW, Marum) und modellierten Tide i.w. gleich nächster Schritt: nachbilden einzelner Prozesse Seite 14

15 (m/s) Kleinskalige Prozesse Beispiel Stratifizierung Weser, , Container Terminal (CT4) Becker, M. (2014) Hohe zeitliche und räumliche Auflösung der ADCP-Messungen erlaubt Erfassung kleinskaliger Prozesse Komplexe Systembeschreibung für eine Tide möglich Seite 15

16 Grenzen der Messmethodik Status quo: die qualitativ hochwertige Datengrundlage des Schwebstoffmessprogramms erlaubt quantitative Aussagen zur Strömungsverteilung, der Schwebstoffkonzentration, des -transports und zu resiudellen Transporten, innerhalb eines Ästuars als auch ästaurübergreifend verlässliche Validierung und Kalibrierung numerischer Modellsimulationen möglich Profilierenden Messungen von Sedimentkonzentrationen in hochsuspendierten Tideströmungen (z.b. Ems) teilweise schwierig Gemeinsames BAW-Forschungsprojekt mit Marum der Universität Bremen zur Bestimmung geeigneter Messmethoden zur Erfassung turbulenter Parameter und Sinkgeschwindigkeiten suspendierter Sedimente in den Ästuaren Elbe, Weser und Ems Synthese: Analyse des vertikalen Sedimenttransports Seite 16

17 Zusammenfassung Quantifizierung relevanter Größen wie Strömungsgeschwindigkeit und -verteilung, Durchflussmengen, Schwebstoffkonzentration und transport mittels ADCP-Messungen ausgereift Datengrundlage und Qualität (Schwebstoffmessprogramm) hervorragend zur Kalibrierung und Validierung numerischer Modellsimulationen in den Ästuaren Elbe, Weser und Ems geeignet Forschungsbedarf bei der messtechnischen Erfassung von wichtigen Parametern für die turbulenten Austauschprozesse Trotz des enormen messtechnischen Aufwandes sind die Naturmessungen unverzichtbar für die Beschreibung von Prozessen (räumliche und zeitliche Auflösung) Versuch der Nachbildung im numerischen Simulationsmodell möglich Seite 17