Anforderungen an Naturmessdaten für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen

Transkript

1 Bundesanstalt für Wasserbau - Dienststelle Hamburg- Anforderungen an Naturmessdaten für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen Dipl.-Ing. Holger Rahlf Dipl.-Ing. (FH) C. Maushake Dipl.-Ing. (FH) M. Wezel

2 Bundesanstalt für Wasserbau - Dienststelle Hamburg- Titel: Anforderungen an Naturmessdaten für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen Inhalt: Notwendigkeit der Messungen Strategie Anforderungen an die Daten Konzeption Umsetzung der Messungen Ergebnisse Zusammenfassung Ausblick Querverweis zum BAW-Kolloquium 11/2001: Vortrag "Anforderungen an Naturmessungen" von Herrn Dr. Heyer 2

3 3 Notwendigkeit von Naturmessungen Notwendigkeit von Naturmessungen für die Kalibrierung von (3D) HN-Modellen für die Kalibrierung von (3D) HN-Modellen = = = z w z y w x w z q z w w y w v x w u t w fu z v z y v x v y q d y g y g z v w y v v x v u t v fv z u z y u x u x q d x g x g z u w y u v x u u t u v h v h z v h z ν ν ν ν ξ ρ ρ η ν ν ξ ρ ρ η η η Do i = 1,n Physikalischer Prozess in der Natur mathematische Beschreibung des Prozesses durch Grundgleichungen (z.b. Grundgleichung der Hydrodynamik: RANS-Gleichungen) mathematische (Näherungs-)Lösung der Grundgleichungen Umsetzung in einen numerischen Code räumliche Auflösung im Modellgebiet zeitliche Auflösung der Prozesse Modellergebnis vereinfachte Annahmen, Parametrisierungen sind erforderlich... das HN-Modell ist ein mathematisches Ersatzsystem... das HN-Modell ist ein mathematisches Ersatzsystem

4 Prinzipskizze: Bewegung eines Partikels Berechnungsgitter 3D-Modell 4

5 Prinzipskizze: Bewegung eines Partikels Aufgrund der räumlichen Auflösung des Berechnungsgitters kann die Bewegung eines Partikels nicht exakt erfasst werden. Berechnungsgitter 3D-Modell 5

6 Prinzipskizze: Bewegung eines Partikels Aufgrund der räumlichen Auflösung des Berechnungsgitters kann die Bewegung eines Partikels nicht exakt erfasst werden. Berechnungsgitter 3D-Modell 6

7 Prinzipskizze: Bewegung eines Partikels Aufgrund der räumlichen Auflösung des Berechnungsgitters kann die Bewegung eines Partikels nicht exakt erfasst werden. Berechnungsgitter 3D-Modell 7

8 Prinzipskizze: Bewegung eines Partikels Aufgrund der räumlichen Auflösung des Berechnungsgitters kann die Bewegung eines Partikels nicht exakt erfasst werden. Berechnungsgitter 3D-Modell 8

9 Beispiel: Seegangsinduzierter Sedimenttransport Beispiel: Seegang auf Watten Wassertiefe = 3,2 m Wellenhöhe = 1,1 m Wellenperiode = 4 s Wellenlänge = 20 m Mobilisierung der Sedimente durch Orbitalströmungen der Welle. Bildausschnitt 4 x 3 cm 1 cm ( 20-fache Zeitdehnung) (Aufnahmen im Großen Wellenkanal Hannover) (Dette, Uliczka, Rahlf, 1991) Die Verformung der Welle im Flachwasser führt zu unterschiedlichen Strömungen unter dem Wellental und dem Wellenberg. Daraus resultiert ein residueller Sedimenttransport. Zusätzlich treten Überlagerungen mit Tideströmungen und Triftströmungen auf. 9

10 Problematik der unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen Prozess orientierte Betrachtung notwendig Turbulenz Seegang 10 1 Dünung Raumskala log L [m] Kleinräumig 10 5 Zeitskala 10 6 log T [s] Gezeiten Sturmflut Großräumig Nipp- / Spring - Zyklus Verhaltens bezogene Betrachtung sinnvoll (phänomenologisch) Jahreszeiten... 10

11 Strategie zur Erhebung von Naturdaten als Grundlage für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen Erfassung charakteristischer Systemzustände, die die mittlere Verhältnisse häufige Verhältnisse extreme Verhältnisse repräsentieren Erfassung Erfassung der der natürlichen natürlichen Variation Variation abiotischer abiotischer Systemparameter Systemparameter Erfassung synoptischer Systemzustände hinsichtlich Hydrologie Sedimentologie Morphologie Meteorologie Messung von von Wirkungen als als integrales Maß Maß der der natürlichen Prozesse Messung der der einzelnen Prozesse bei bei definierten Randbedingungen häufig nur nur unter Laborbedingungen möglich (z.b. (z.b. BAW BAW // Universitäten) Universitäten) 11

12 Anforderungen an die Daten als Grundlage für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen Allgemein einheitliches örtliches und und zeitliches Bezugssystem lange lange Zeitreihen für für wenige Messstationen Einschätzung des des Systemzustandes langfristige Variationen kurzeitige Verdichtung des des Messnetzes ergänzt lange lange Zeitreihen synoptische Erfassung des des Systemzustandes kurzfristige Variationen zeitgleiche Erfassung von von Einflussfaktoren Messung in in den den hydraulisch wirksamen Querschnittsbereichen Auflösung Auflösung der der Messdaten Messdaten in in Raum Raum und und Zeit Zeit 12

13 Umsetzung Hinweis: Die Die Sondermessungen der der BAW BAW werden infolge infolge guter guter Zusammenarbeit Zusammenarbeit Bereitstellung Bereitstellung gewässerkundlicher Daten Daten umfangreicher umfangreicher Unterstützung Unterstützung durch durch die die WSV WSV ermöglicht. Vielen Vielen Dank Dank an an alle alle Beteiligten!! 13

14 Umsetzung am Beispiel der Weser Ziel: Erfassung der Hydrodynamik als Grundlage für die Kalibrierung des 3D-Modells Konzept: Messungen auf dem seeseitigem Rand Satellitenbild: (c) ANTRIX, SII, Euromap Neustrelitz (6 Wochen Messzeit) Ortsfeste ADCP-Messungen (Workhorse) (1-2 Wochen) ADCP-Querprofile (Ganztidenmessungen) zusätzlich begleitend: gewässerkundliche Messungen des WSA 5 km 14

15 Seepegel WLR 7 Salzgehalt Temperatur Wasserstand Messungen von Wasserstand, Temperatur und Salzgehalt. Die Geräte werden in Verankerungen auf dem Gewässerboden abgesetzt und zeichnen selbsttätig Messwerte über mehrere Wochen auf Mit dem integriertem zentimetergenauem Drucksensor und in Verbindung mit einer PDGPS-Wasserspiegelmessung lassen sich präzise Pegelwerte ermitteln Hersteller: Aanderaa Instruments - Bergen, Norwegen 15

16 PDGPS - Schwimmersystem Durchführung von Messungen der Wasserspiegellage an Positionen, an denen keine zuverlässigen Höhenwerte von landgestützten Pegeln vorliegen. Auf dem Schwimmer ist ein hochgenauer PDGPS - Empfänger Trimble 4700 installiert. Der GPS-Empfänger Trimble 4700 dient der Durchführung von hochgenauen statischen und dynamischen Vermessungen. Aus den gespeicherten GPS-Rohdaten werden im Postprocessing Höhen und Positionen mit 2-5 cm Genauigkeit berechnet. Hersteller: Eigenbau BAW - AK Trimble - Sunnyvale, Kalifornien 16

17 Hydrographische Messboje Durchführung von Langzeitmessungen der Temperatur- und Salzgehaltsverteilung in drei Tiefenschichten und zur Erfassung meteorologischer Kenngrößen Alle Messdaten können per Funk an eine Landstation übertragen werden Hersteller: JeBo- Geestacht, Deutschland 17

18 Hydrographische Messboje Luftdruck 2 dm Wasserstandsdifferenz Durchführung von Langzeitmessungen der Temperatur- und Salzgehaltsverteilung in drei Tiefenschichten und zur Erfassung meteorologischer Kenngrößen Alle Messdaten können per Funk an eine Landstation übertragen werden Hersteller: JeBo- Geestacht, Deutschland 18

19 Beispiel: gemessene Wasserstandsganglinie am seeseitigen Modellrand (eingemessen über PDGPS und Luftdruckkompensiert) 19

20 Geräteverankerung TRBM / 867A Geräteverankerung zur Aufnahme von ADCP- Strömungsmessgeräten. Die Konstruktion ist extrem flach und Schleppnetz-sicher, so dass sie beispielsweise in einer Fahrrinne (unter passierenden Schiffen) eingesetzt werden kann. Die Geräte können per akustischer Fernauslösung entriegelt und geborgen werden Hersteller: Flotation Technologies - Biddeford, Maine Bentohs Inc. - North Falmouth, Massachussetts 20

21 Ergebnisse aus ADCP-Workhorse Messposition ca. ca. We We km km Insbesondere für die Transportmodellierung ist die Verformung des Geschwindigkeitsprofils von besonderer Bedeutung. 21

22 Ergebnisse aus ADCP-Workhorse Messposition ca. ca. We We km km Insbesondere für die Transportmodellierung ist die Verformung des Geschwindigkeitsprofils von besonderer Bedeutung. 22

23 Ergebnisse aus ADCP-Workhorse Messposition ca. ca. We We km km Insbesondere für die Transportmodellierung ist die Verformung des Geschwindigkeitsprofils von besonderer Bedeutung. 23

24 Ergebnisse aus ADCP-Workhorse Messposition ca. ca. We We km km Insbesondere für die Transportmodellierung ist die Verformung des Geschwindigkeitsprofils von besonderer Bedeutung. 24

25 Auswertung schiffsgestützter ADCP-Messung Messposition ca. ca. We We km km Ebbe Auswertung der Daten mit Standardsoftware TIDE (BfG) Flut 25

26 Auswertung schiffsgestützter ADCP-Messung Messposition ca. ca. We We km km Ebbe Auswertung der Daten mit Standardsoftware TIDE (BfG) Flut 26

27 Auswertung schiffsgestützter ADCP-Messung Messposition ca. ca. We We km km Ebbe Auswertung der Daten mit Standardsoftware TIDE (BfG) Flut 27

28 CTD(T) Fiersonde Die Die Sonde Sonde wird wird mit mit einer einer Winde Winde (oder (oder per per Hand) Hand) von von Bord Bord eines eines Messschiffes Messschiffes auf auf die die Gewässersohle Gewässersohle abgelassen abgelassen ( gefiert ) ( gefiert ) und und zeichnet zeichnet dabei dabei ein ein genaues genaues Profil Profil der der Salzgehalt-, Salzgehalt-, Temperatur- Temperatur- und und Trübungsverteilung auf. auf. Dient Dient z.b. z.b. zur zur Erfassung Erfassung von von Dichtesprüngen Dichtesprüngen in in der der Wassersäule Wassersäule Einsatz Einsatz notwendig notwendig zur zur Ermittlung Ermittlung von von Schallgeschwindigkeitsprofilen für für die die ADCP-Messung ADCP-Messung Hersteller: Hersteller: Valeport Valeport - - Dartmouth, Dartmouth, United United Kingdom Kingdom 28

29 4,0 CTD Fiersonde: Salzgehalt km 64 Salzgehalt [PSU] 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 2,0 0,0 Wassertiefe [mnn] -2,0-4,0-6,0-8,0 11:19 11:51 12:22 12:50 13:09 13:40 14:17-10,0-12,0 BSH, Gez.Kal. 1998: Tnw Bhv: 8:31 Uhr Thw Bhv: 14:23 Uhr Tnw Bhv: 20:51 Uhr -14,0 Messung: Ing. Büro Visscher,

30 Geräteverankerung AK Dreibein / Vierbein Erfassung sohlnaher Strömungen in 5cm-Lamellen Geräteverankerung zur Aufnahme von ADCP-Strömungsmessgeräten und anderen Sensoren. Das System kann mit einer akustischen Fernauslösung 875 Popup ausgestattet werden Werden häufig zusammen an einem Ort eingesetzt Hersteller: Eigenkonstruktion BAW - AK 30

31 Akustischer Strömungsprofiler Workhorse ADCP (600 khz bzw khz) Durchführung von hochgenauen Strömungsmessungen in mehreren Tiefenschichten über längere Zeiträume. Die Geräte werden in Verankerungen auf den Gewässerboden abgesetzt und können selbsttätig über mehrere Wochen Daten aufzeichnen. Hersteller: RD Instruments - San Diego, Kalifornien 31

32 Beispiel: ADCP-Messungen in der Jade Sohlnah: 5 cm Lamellen Ziel: Erfassung der Strömungsdynamik Konzept: Kombination von Langzeitmessungen (1-2 Wochen, ortsfest) und Kurzzeitmessungen (1-2 Tage im Wechsel) zusätzlich ergänzende Messungen des WSA Wilhelmshaven (hier nicht dargestellt) Ausschnitt Messung: Dezember

33 Beispiel: ADCP-Messungen in der Jade Sohlnah: 5 cm Lamellen Ziel: Erfassung der Strömungsdynamik Konzept: Kombination von Langzeitmessungen (1-2 Wochen, ortsfest) und Kurzzeitmessungen (1-2 Tage im Wechsel) zusätzlich Zeit ergänzende Messungen des WSA Wilhelmshaven (hier nicht dargestellt) up Ausschnitt Messung: Dezember 2000 down 33

34 Beispiel: ADCP-Messungen in der Jade Ziel: Erfassung der Strömungsdynamik Konzept: Kombination von Langzeitmessungen (1-2 Wochen, ortsfest) und Kurzzeitmessungen (1-2 Tage im Wechsel) zusätzlich Zeit ergänzende Messungen des WSA Wilhelmshaven (hier nicht dargestellt) up 3D-Strömungseffekte in in der der Innenjade am am Beispiel von von 2D 2D // 3D 3D berechneten Strombahnen eines Wasserteilchens. down 34

35 Dokumentation in Browsertechnologie 35

36 Dokumentation in Browsertechnologie 36

37 Dokumentation in Browsertechnologie 37

38 Dokumentation in Browsertechnologie Flut Ebbe 38

39 Zusammenfassung Naturmessungen sind sind unverzichtbare Grundlagen einer einer Kalibrierung von von HN-Modellen haben haben eine eine hohe hohe Bedeutung hinsichtlich der der Akzeptanz von von berechneten Modellergebnissen Kalibrierdatensätze müssen hohe hohe Anforderungen hinsichtlich Qualität Vollständigkeit zeitlicher und und räumlicher Auflösung der der erfassten Systemparameter erfüllen, da da z.b. z.b. hochauflösende 3D-Modelle mit mit umfassender Berücksichtigung physikalischer Prozesse verwendet werden werden gerichtsfeste Modellergebnisse nur nur erzeugt erzeugt werden werden können, wenn wenn gerichtsfeste Eingangsdaten für für die die Modellierung verwendet werden werden sind sind das das Ergebnis von von Sondermessungen beinhalten die die Erfassung aktueller synoptischer Topographien! 39

40 Ausblick Bislang stand die Modellierung der Hydrodynamik im Vordergrund wasserbaulicher Systemstudien. Zukünftig wird die Transportmodellierung einen zweiten Schwerpunkt in der wasserbaulichen Systemanalyse darstellen. Folgerung Kalibrierdatensätze zur Transportmodellierung werden zukünftig benötigt. Herausforderungen sind z.b.: Morphologische Veränderungen in den Ästuaren Erfassung der Schwebstoffdynamik (erste Messungen [z.b. mit LISST-Systemen] in der Elbe bereits für 2003 geplant) 40

41 Erfassung von Schwebstoffsuspensionen LISST 100 / LISST ST In - situ Erfassung elementarer Kenngrößen der Schwebstoffdynamik: Schwebstoffkonzentration (total volume concentration) Korngrößenverteilung optische Transmission Druck (Tiefe) Temperatur Sinkgeschwindigkeit Korngrößenverteilung optische Transmission Druck (Tiefe) Temperatur LISST = Laser In-Situ Scattering and Transmissiometry 41

42 Bundesanstalt für Wasserbau - Dienststelle Hamburg- Anforderungen an Naturmessdaten für die Kalibrierung von 3D HN-Modellen Dipl.-Ing. Holger Rahlf Dipl.-Ing. (FH) C. Maushake Dipl.-Ing. (FH) M. Wezel Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

43 Übersicht Außenweser 0 2,5 5 km BHV Wilhelmshaven Blexen Satellitenbild: (c) ANTRIX, SII, Euromap Neustrelitz