Kalibrierung und Validierung eines Simulationsmodells für die Tideems

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1 Kalibrierung und Validierung eines Simulationsmodells für die Tideems Im Rahmen des Kolloquiums Aktuelle Untersuchungen an der Ems und Ergebnisse aus Forschungsarbeiten zur Schlickdynamik und zum Klimawandel am 5. November 29 Jens Jürges BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 1 Simulationsmodelle sind für Planungen an Seeschifffahrtsstraßen unverzichtbar. Bevor diese für prognostische Zwecke eingesetzt werden können, ist die Naturähnlichkeit nachzuweisen. Hierzu wird der Stand der Technik und Wissenschaft am Beispiel der Tideems dargelegt. 1

2 Übersicht Herausforderung Ems Einleitung Hydronumerisches Verfahren (Physik, Mathematik und Numerik) Ortsspezifische Daten Parametrisierungen Vergleich mit Messungen Wasserstand Schwebstoffgehalt Warum Abweichungen zu Messungen auftreten Messungen ok? Beispiel Wasserstand Herbrum Rand- und Anfangswerte ok? Beispiel Salzgehalt Knock Physikalische Prozesse berücksichtigt? Beispiel Temperatur Emden Ausblick und Zusammenfassung BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr Herausforderung aus Sicht eines Modellierers 2. Funktionsweise und Komponenten eines hydro-numerischen Modells 3. Unterschiedliche Formen des Vergleichs mit Messungen 4. Gründe, warum Messungen nicht exakt modelliert werden 5. Ausblick 2

3 1 Schwebstoffkonzentrationen Knock Leerort Weener BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 3 Messung suspendierter Schwebstoffe drei unterschiedliche Stationen vier Jahre geringe Konzentrationen in der Außenems; hohe Konzentrationen in der Unterems Jahreszeitlich große Schwankungen Oberwasserzufluss; Spring-Nipp-Zyklus Messwertebereich für Weener nicht ausreichend Höhere Konzentrationenwährend Flutphase 3

4 1 m Wasserstand mnn N N Verformung der Tidekurve Zeitraum 16. bis 3. Mai 25 (28 Tiden) 1. Thw-Plateau: Stauwasserzeit K f lang Borkum-Südstrand Papenburg E-Thw 3. Tidefall verlängert sich v f :v e nimmt zu E-Tnw 2. Steiler Anstieg nach Tnw (~ 5 cm in 1 min) Stauwasserzeit K e kurz 16 Stunden BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 4 Drei Gründe, warum Schwebstoffe stromauf transportiert werden: 1. lange Stauwasserzeiten um Thw; Schwebstoffe können nach Stromauftransport zu Boden sinken 2. extrem kurze Stauwasserzeiten um Tnw; Schwebstoffe werden nach Stromabtransport wieder stromauf bewegt 3. Tnw-Signal ist langsamer; Ebbedauer nimmt zu; Ebbestromgeschw. nehmen ab (jeweils im Vergleich zur Flut) 4

5 2 Elemente einer Terminologie der Modellierung Ortsspezifisches Modell Kalibrierung Hydronumerisches Verfahren BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 5 Skizzierter Kreislauf eines Modellaufbaus 5

6 2 Modell ein vereinfachtes Abbild der Natur Numerische Lösung Diskretisierung in Raum und Zeit Iteratives Lösungsverfahren Mathematische Beschreibung Strömung freier Oberflächen Partielle Differentialgleichungen (RANS) Physikalische Prozesse Ausbreitung von Wellen an der Oberfläche Impulsadvektion Diffusion Dichtegradienten Energieein- und austrag (Bodenreibung, Wind) Adv. Transport v. Stoffen Sinkgeschwindigkeiten * BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 6 * nach G. Lang, 199 Zur Schwebstoffdynamik von Trübungszonen in Ästuarien 1. Beschreibung dominanter physikalischer Prozesse 2. Mathematische Beschreibung führt zu den Navier-Stokes-Gleichungen 3. Lösung erfolgt numerisch: Diskretisierung (Zeitschritt und Gitternetz) und iteratives Lösungsverfahren (Verfahren muss stabil und akkurat eine Lösung finden) 6

7 2 UnTRIM_27 Verbesserungen im Vergleich zur Version UnTRIM_24 Advektion des Impulses Trockenfallen und Überfluten von Wattflächen (volumenkonservierend) Bodenreibung Zeitlich variable Bodenhöhe ( Modell mit beweglicher Sohle ) Kopplung mit Bodenmodell (z.b. SediMorph) Kopplung mit Baggermodell (DredgeSim) Schließ- und Öffnungsvorgänge von Sperrwerken BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 7 Warum eine Kalibrierung notwendig wurde: Einführung von UnTRIM_27 Neues Advektionsverfahren Volumentreu beim Trockenfallen meint hier: Es kann nicht mehr Volumen aus einer Zelle herausströmen, als vorher vorhanden war Zusammenspiel Bodenreibung und Strömungsgeschwindigkeiten verändert. Die gleichen Bodenreibungswerte führen bei gleichen Geschwindigkeiten zu mehr Reibungswirkung im Vergleich zur Vorgängerversion UnTRIM_24 Rückkopplung zeitlich variabler Bodenhöhe auf die Hydrodynamik Hinweis auf Vortrag von Ingrid Uliczka (DredgeSim) Hinweis auf Vortrag von Elisabeth Rudolph (Sturmflut, Steuerung eines Sperrwerkes) 7

8 2 Bathymetrie und Volumen Geländemodell Modellgitter BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 8 Geländemodell Modellgitter Das Modell braucht die Tiefe für jeden Berechnungspunkt (jede Zelle und jede Kante) Die notwendigen Daten stammen aus einem digitalen Geländemodell, welches den Zustand 25 repräsentiert Die Übertragen der Tiefen muss volumentreu erfolgen 8

9 2 Randwerte Modellrand zur Nordsee Wasserstand Salzgehalt Temperatur Schwebstoffgehalt Oberwasserzuflüsse Durchfluss Salzgehalt Temperatur Schwebstoffgehalt Wind orts- und zeitvariabel Wärmeaustausch (orts- und) zeitvariabel Bodenhöhe zeitvariable Torsteuerung für Sperrwerke BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 9 Rand- und Anfangswerte Anfangswerte Vorgabe einer Lösung für den Start der Simulation: Wasserstand Strömungsgeschw. Salzgehalt Temperatur Schwebstoffgehalt Sedimentverteilung am Boden Das Modellverfahren braucht Hilfestellung vom Modellierer. Die Lösung für einen neuen (weiteren) Zeitpunkt hängt ab von: der Vorgabe der Randwerte für den gesuchten Zeitpunkt der Lösung für den vorherigen Zeitpunkt. Für den allerersten Zeitpunkt muss der Modellierer eine vollständige Lösung vorgeben (Anfangswerte) 9

10 2 Parametrisierungen Bodenreibung Nikuradse mittl. Korndurchmesser der am Boden liegenden Sedimente Formrauheiten Impuls- und Stoffaustausch horizontale Turbulenz vertikale Turbulenz Sinkgeschwindigkeiten abhängig vom Korndurchmesser konzentrationsabhängig BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 1 Parametrisierugen, die einen zum Teil erheblichen Einfluss auf die Modellergebnisse haben 1

11 3 Wasserstand mnn Wasserstandszeitreihe Differenz-Wasserstand mnn m :: 4:: 6:: 8:: 1:: :: :: 16:: 18:: 2:: 22:: BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 11 Messung Pegel Papenburg UnTRIM_27 Einfachste Form des Vergleichs von Modellergebnissen mit Messungen; hier am Beispiel Papenburg Monatszeitreihe Noch nicht viel erkennbar Differenzen einblenden Trends und Ausreißer erkennbar zappelige Messungen im ersten Drittel Nipp und Spring Zoom Thw Tnw Phasenverschiebung 11

12 3 Simulationsergebnis Pegel Papenburg in mnn Vergleich mit Messungen Sim-über-Mes BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 12 Messung Pegel Papenburg in mnn Wasserstand Pegel Papenburg Zeitraum: : bis :4 Kompakter Überblick der im gesamten Zeitraum auftretenden Abweichungen 12

13 3 Vergleich mit Messungen Tideniedrigwasser ELP-DEK213-KM17-FA- Tidekennwerte ( :5: bis :3: ) UTR7_94 Gebiet Teilgebiet Name der Studie Art der Datengenerierung : : : : Emsmodell m25_ef Huibertgat bis Herbrum Kalibrierung mit UnTRIM27 HN-Verfahren UnTRIM27 + TDK maximales Tnw Messung mittleres Tnw Messung minimales Tnw Messung maximales Tnw UnTRIM27 mittleres Tnw UnTRIM27 minimales Tnw UnTRIM27. HE RH PA WE LE TE PO EM KN DU EH BF BS HU [ mnn ] Ems - Kilometer erstellt am : BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 13 Analyse der Zeitreihen führt zu Tidekennwerten Vergleich der Kennwerte am Beispiel Tnw 13

14 3 Vergleich mit Messungen Laufzeit Thw ELP-DEK213-KM17-FA- Tidekennwerte ( :5: bis :3: ) UTR7_94 Gebiet Teilgebiet Name der Studie Art der Datengenerierung : : : : Emsmodell m25_ef Huibertgat bis Herbrum Kalibrierung mit UnTRIM27 HN-Verfahren UnTRIM27 + TDK mittlere Tidehochwasserzeit Messung maximale Tidehochwasserzeit UnTRIM27 mittlere Tidehochwasserzeit UnTRIM27 minimale Tidehochwasserzeit UnTRIM27 3 HE RH PA WE LE TE PO EM KN DU EH BF BS HU [ Minuten ] Ems - Kilometer erstellt am : BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 14 Vergleich der Kennwerte am Beispiel Laufzeit Thw Thw in Papenburg früher als in Leerort Modell zeigt ähnliches Verhalten Modell scheint schlechter als es ist: Hier Vergleich Messung ufernah und Modellergebnisse in Fahrrinnenmitte Ufernah tritt im Modell das Thw früher ein als in Fahrrinnenmitte 14

15 3 Vergleich mit Messungen Schwebstoffgehalt Schwebstoffgehalt in kg/m** Satellitenbild ( EOMAP GmbH & Co. KG) Schwebstoffgehalt an der Oberfläche UnTRIM_27 + SediMorph tiefengemittelter Schwebstoffgehalt BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 15 Links: Satellitenbild mit Schwebstoffgehalt an der Wasseroberfläche (Umrechnung aus Rückstreusignal; nur qualitativ verwendbar; keine Farbskala) Rechts: Tiefengemittelter Schwebstoffgehalt für den gleichen Zeitpunkt Simulation ohne Seegang 15

16 4 Wasserstand mnn Qualität der Messungen :: 8:: 12:: 16:: 2:: Messpegel verschlickt :: :: :: :: :: Differenz-Wasserstand mnn m :: 8:: 12:: 16:: 2:: :: :: :: :: :: BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 16 Messung Pegel Herbrum UnTRIM_27 Messung Wasserstand Herbrum um Tnw nicht ok: Messpegel verschlickte 16

17 4 Salzgehalt 1**-3 PSU Rand- und Anfangswerte Differenz-Salzgehalt 1**-3 PSU BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 17 Messung Pegel Knock UnTRIM_27 Anfangswerte zwischen Knock und Nordseerand ungenügend bekannt Randwerte Nordseerand ungenügend bekannt Knockster Siel nicht berücksichtigt 17

18 4 Temperatur Grad C Physikalische Prozesse Differenz-Temperatur Grad C BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 18 Messung Pegel Emden UnTRIM_27 Anfangs- und Randwerte zwischen Knock und Nordseerand ungenügend bekannt Lufttemperatur nur zeit- aber nicht ortsvariabel zu berücksichtigen Sonneneinstrahlung nicht berücksichtigt Effekt der Erwärmung trockengefallener Wattflächen und Wärmeabgabe an den Wasserkörper bei Thw bleibt unberücksichtigt 18

19 4 Temperatur Grad C Physikalische Prozesse kontinuierliche Wärmzufuhr von 5 W/m Differenz-Temperatur Grad C BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 19 Messung Pegel Emden UnTRIM_27 Vergleichsrechnung mit zusätzlichem Wärmeeintrag von 5 W/m2 Zum Vergleich: Spitzenwert der Sonneneinstrahlung im Mai: ca. 8 W/m2 (mittags und wolkenlos) 19

20 5 Qualitätskriterien Kennzahlen der Güte eines Modells Validierung andere Zeiträume andere Zustände (z.b. Sturmflut) Partialtidenanalyse Energietransfer in Obertiden Ausblick Morphodynamik Rückkopplung Bodenhöhe Hydrodynamik Seegang Projekteinsatz Vertiefung der Zufahrt nach Emden BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr. 2 2

21 5 Zusammenfassung Komponenten eines Modells 1. Hydronumerisches Verfahren (Physik, Mathematik und Numerik) 2. Ortsspezifische Daten Naturähnlichkeit des Ems-Modells Unterschiedliche Darstellungsformen Abweichungen zu Messungen erklären BAW - DH / K3 Kolloquium Folie-Nr