Hybride Geschiebemodellierung der Sihl am HB Zürich

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1 Basement-Anwendertreffen 2016 Hybride Geschiebemodellierung der Sihl am HB Zürich Masterarbeit FS15 Andrea Irniger Abb. 1: Zusammenfluss Limmat und Sihl, Aug. 2005, Quelle: AWEL Betreuung: Florian Hinkelammert Leitung: Prof. Dr. Robert Boes Mittwoch, 27. Januar 2016

2 Übersicht 1. Motivation und Ziel 2. Methodik 3. Resultate & Diskussion - Qualität des numerischen Geschiebemodells - Optimierung Abflusskapazität 4. Fazit 2

3 Wo liegt das Problem? Motivation Lage der Stadt Zürich Sihl Limmat Schanzengraben Anordnung Hauptbahnhof 2 A B C D E 1 3 Abb. 3: Sihldurchlässe, VAW (2015) Potentielle Auflandungstendenz Hochwasserschutzdefizit 3 Abb. 2: Übersichtskarte Zürich Handlungsbedarf

4 Massnahmen: Modellversuch Wieso ein Modellversuch? Motivation Situation Brücken Trennmauer Durchlässe Komplexe Strömungsverhältnisse mit Geschiebetrieb 2 Numerische Modelle (BASEMENT) 3 Strömung Tiefengemittelte Flachwassergleichung Geschiebetransport Empirische Ansätze Kalibrierung Nicht alle Prozesse modellierbar ± Meter Abb. 4: Projektperimeter

5 Ziel Motivation 1. 1 Aufbau eines numerischen Geschiebemodells mit der Software BASEMENT (Version 2.4) 2 2. Szenarienanalyse 3 3. Verbesserung des Modellverständnisses 5

6 Hybrides Geschiebemodell 1. Definition Methodik Kopplung des physikalischen Modells (Modellversuch) mit einem numerischen Modell 2. Aufbau Hydraulisch kalibriertes Modell (Rellstab 2013) Hydraulische Randbedingungen Rechennetz Parameter: Hydraulik Modellversuch 6 Numerisches, zweidimensionales Geschiebemodell Abb. 5: Aufbau des hybriden Geschiebemodells Sohlenveränderungen ( z) Kalibrierung & Validierung

7 Elementeigenschaften Methodik Hydraulik: - Manning-Strickler - Rauigkeiten nach RELLSTAB (2013) Geometrie: Sohle: Böschung / Umland: Wände der Durchlässe: Brückenpfeiler: beweglich mittlere, ebene Sohle aus Vermessung (2006) vorbelastet mit HQ (2005) fixiert als Modellränder modelliert entfernt 7

8 Un Untere Randbedingung RBU_H Hydraulik RBU_H HQ-Beziehung Geschiebetransport RB0_G Geschiebezugabe als externe Quelle RB0_G ± RB0_H Meter Abb. 6a: Randbedingung Externe Quelle Elementweise m Stabilitätswinkel = 5 Fächenquelle RB Geschiebe: Zugabe gemäss Modellversuch * 1.28 h Sihl Hybride Geschiebemodellierung der Sihl am HB Zürich 8 RB0_H Durchlässe: Senkrechte Wände=Modellrand Kein Druckabfluss modelliert RB0_H Hydrograph Sihl Hydrograph Limmat (externe Quelle) RB0_H Fixierte Sohle / Böschung Bewegliche Sohle Zugabe, fixierte Sohle, Winkel des gravitativen Transports = 5 Abb. 6b: Flächenquelle RBU_G Hydraulische Externe Quelle: Zufluss Limmat Methodik RBU_G IODown

9 BASEMENT-Model Methodik 1. Kalibrierung: Gerinnezustand 2006 Ganglinie der Vorbelastung des Modellversuchs mit Spitzenabfluss HQ (2005) =280 m 3 /s 2. Parameterwahl Turbulenzmodell: Zerogradient, f t =5 (Berchtold 2015) Geschiebetransport: Meyer-Peter & Müller (1948) D m =5.5 cm θ c : (van Rijn, 1984) auf der Trennmauer Local Slope Lateral: OFF 9

10 Trennmauer Methodik Überschätzung des Transports Sihl Schanzengraben Schanzengraben Sihl Abb. 7: Situation Trennmauer mit Blick Richtung Gessnerbrücke in Realität (li) und Modell (re) 10 Zweck: Funktion: Ansatz: Konzentration der Hauptströmung und Aufrechterhaltung der Transportkapazität Überströmt ab Q Sihl =140 m 3 /s (mit Geschiebe) - Fixiert - Erhöhung von θ c zur Reduktion des Transports

11 Böschungsfuss Unerwünschte Erosionsprozesse Methodik Local Slope Lateral: Reduktion von θ c in Bereichen von grossen Quergefällen 11 Abb. 8: Sohlenlage in QP am Ende der Vorbelastung

12 Szenarien Methodik Überblick 12 Tab. 1: Untersuchte Szenarien V0: Gerinne 2006 V1: - Durchlässe betoniert - Sohle abgesenkt - Trennmauer entfernt V2: - Trennmauer entfernt Vorbelastung (Q max = 280 m 3 /s) Kalibrierung Validierung-1 Validierung-1 HQ 100 (Q max = 360 m 3 /s) x x x HQ 300 (Q max = 450 m 3 /s) Validierung-2 x x HQ max,of (Q max = 490 m 3 /s) x x x HQ max,of,n-1 (Q max = 490 m 3 /s) x x x Langzeit Langzeit mit Mehrkorn Modellqualität Optimierung des Gerinnes x x

13 Sohlenveränderungen Modellqualität Q=490 m 3 /s z [m] > < Länge Auflandungsfront Transport in den Durchlässen Auflandung Meter 13 Abb. 9a: Berechnete z

14 Sohlenveränderungen Modellqualität Q=490 m 3 /s 0 14 z [m] > < Meter Differenz z [m] > <-1.0 Abb. 9a: Berechnete z Abb. 9b: Gemessene z Abb. 9c: Differenz z

15 15 Sohlenveränderungen 1 Abb. 10: Zoom Differenz z 2 3 > Modellqualität Q=490 m 3 /s Abb. 9c: Differenz z Differenz z [m]

16 Sohlenveränderungen Abweichung mittlere Sohle ± 17 cm Modellqualität Q=490 m 3 /s Differenz z [m] 16 Abb. 11: Mittleres Längenprofil am Ende der Ganglinie Abb. 9c: Differenz z

17 Einfluss konst. k St Modellqualität Q=490 m 3 /s 17 Betonierte Sohle, Fixiert, k st = 50 m 1/3 /s Bewegliche Sohle k st = m 1/3 /s Fixierte Böschung k st = 40 m 1/3 /s Abb. 12b: Elementeigenschaften V1 mit abschnittsweisen betonierten Durchlasssohlen Rauigkeit in Abhängigkeit der Korngrösse wählen (grain_size_friction: ON) Meter Abb. 12a: Differenz z bei V1 Differenz z [m]

18 Wasserspiegellagen Modellqualität Q=490 m 3 /s 18 Abb. 13: Mittleres Längenprofil am Ende der Hochwasserspitze HQ max,of (490 m 3 /s)

19 Optimierung Abflusskapazität Szenarien, Q=490 m 3 /s Wsp V0 EL V0 Sohle V0 Wsp V1 EL V1 Sohle V1 Wsp V2 EL V2 Sohle V2 19 Abb. 14: Mittleres Längenprofil am Ende der Hochwasserspitze HQ max,of (490 m 3 /s)

20 Fazit Fazit 1. Grenzen des numerischen Geschiebemodells Infolge der - Vereinfachung der Topographie - Vereinfachung des Transports (Einkornmodell) - Mittelung über die Tiefe (2D-Ansatz) können lokal nicht alle Erosions- und Auflandungsprozesse korrekt nachgebildet werden. 2. Modellqualität Das erstellte Geschiebemodell bietet die Möglichkeit die mittleren Sohlen- und Wasserspiegellagen zusätzlicher Szenarien schnell und mit zufriedenstellender Genauigkeit zu berechnen Optimierungsmöglichkeit Der Einfluss der Trennmauer auf die Abflusskapazität und die mittleren Sohlenveränderungen ist vernachlässigbar.

21 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 21 Abb. 15: Modellversuch in der VAW Halle Quelle: ETH

22 Quellen Quellen BERCHTOLD, T. (2015): Numerische Modellierung von Flussaufweitungen.. Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, Nr (R.M. BOES, ed.) ETH Zürich. RELLSTAB, T. (2013): Numerische 2D-Modellierung der Sihldurchlässe am HB Zürich mit BASEMENT. ETH Zürich: Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW). VAN RIJN, L. (1984): Sediment Transport, Part I: Bed Load Transport. Journal of Hydraulic Engineering, S VETSCH, D., ROUSSELOT, P., VOLZ, C., PETER, S., EHRBAR, D., GERBER, M., VEPREK, R. (2014): System Manuals of BASEMENT, Version 2.3. Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW). ETH Zurich. Available from

23 Langzeit Stabilität der Sohle V2 (ohne Trennmauer) z [m] > < ±Meter Abb. 16: Berechnete z Langzeit Einkorn (links), Mehrkorn (rechts)

24 Langzeit Stabilität der Sohle Kalibrierung Mehrkornmodell V2 (ohne Trennmauer) Geometrie: V2: Ohne Trennmauer Ansatz: Hunziker (1995) mit Hiding-Exponent -1.5 Fraktionen: 8 Fraktionen zwischen 0-20 mm bis mm Modellqualität bei Q=280 m 3 /s (Vorbelastung): Reduktion der mittleren Abweichung der mittleren Sohle von ± 6.6 cm auf ± 5.4 cm Geringere Auflandung oberhalb der Durchlässe Transport in den Durchlässen weiter flussabwärts Langzeitanalyse - 10 Jahre ( ) 24