Mehrdimensionale Gewässergüte-Simulation. als Werkzeug für ein Ästuarmanagement. Jens Wyrwa, Birte Hein, Volker Kirchesch, Andreas Schöl

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1 Mehrdimensionale Gewässergüte-Simulation als Werkzeug für ein Ästuarmanagement Jens Wyrwa, Birte Hein, Volker Kirchesch, Andreas Schöl 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 1

2 Inhalt: Mehrdimensionale Gewässergüte-Simulation als Werkzeug für ein Ästuarmanagement Ausgangspunkt Gütemodell-Entwicklung Ergebnisse Dokumentation Stand und Ausblick 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 2

3 Sauerstoff im Elbe-Ästuar Nordsee Cuxhaven km 727 Längsprofil am 4. Juli 2011 Tidewehr Geesthacht km 586 Sauerstoff 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 3

4 Fahrrinne Sauerstoffgehalte (mg/l) km 651,3 Sauerstoffverläufe im Längsverlauf (rote Linie, oberer Isopletenplot) (gelbe Linie, unterer Isopletenplot) Aufgabenstellung: Die Hahnöfer Nebenelbe als Beispiel dafür, dass flache Seitenräume und Watten große Unterschiede im Sauerstoffgehalt gegenüber der Fahrrinne aufweisen. Zur Untersuchung ist eine Abkehr von querschnittsgemittelten 1D Betrachtungen erforderlich km 628,9 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 4

5 Deterministischer Modellansatz modelliert alle güterelevanten Variablen als Konzentrationen formuliert für deren Änderung als Differentialgleichung C t v Advektion Diffusion Stoffumsetzungen = v C x 2 C Dx * k * C x * + 2 D x = Diffusionskoeffizient k = Stoffumsatzrate t = 0 Start: Stoffverteilung (C 0 ) t = t + dt nur Advektion nur Diffusion nur Stoffumsatz = Fließgeschwindigkeit Stofftransport Ende: Stoffverteilung (C t ) x (Fließstrecke) 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 5

6 Stoffumsetzungs-Prozesse Phytoplankton O 2 Nährstoffe NH 4, NO 2, NO 3, P, Si Zooplankton Muschel n 16 Module 70 planktische Konzentrationen 100 Parameter heterotrophe Bakterien, Nitrifizierer Schwebstoffe org. Kohlenstoff POC/DOC Sedimentmodul C, N, P große Gebiete lange Simulationszeiträume große Anzahl Kalibrier-/Validier-Läufe 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 6

7 QSim- Software-Familie HYDRAX casu SCHISM QSim-1D Bedienungsoberfläche GERRIS QSim-3D offline-kopplung 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 7

8 4 Stufen der Modellierung c numerischer Algorithmus [ c... c ] c ( t t m, j ( µ 1, j M, j m, j t + t) = ) Gleichungs-System c t numerische Näherung m = µ( c 1... c M ) c m Programmierung Simulations-Software c(m)=ini(m) do i = 1, nt c(m)=c(m)*mue(m)*deltat end do print*,c(m) Erstellung Datenmodell Diskretisierung Raum+Zeit Parameter setzen Randbedingungen Modellierungs-Annahmen Vergleich Natur Messungen 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 8

9 numerische Näherung Advektion (ELM): Bahnlinienrückverfolgung lineare tiefengewichtete Interpolation 1. Fehlerabschätzung: zonenweise Massenintegrale + schnell + speichereffizient + stabil 7e+08 6e+08 Zone 1 gebu Zone 2 hafen Tracermasse Zone 5 inseln Summe Tracerzufluss SOLL Tide Elbe lauf kuba2010-test-11sep15c - nicht exakt massenerhaltend - numerisch diffusiv QSim 2D-tiefengemittelt Tide-Elbe Modell Knoten Tracermasse 5e+08 4e+08 3e+08 2e+08 1e+08 Sim.Zeit/Laufzeit(HPC) = 718 (600=1Jahr/Nacht) Speicherbedarf Jahresgang Hydraulik ca. 202 GB Zeit (MEZ) in Fehlerschätzer: knotenweise Massenbilanz (Korrekturalgorithmus) Erkenntnis: Massendifferenzen in Watten 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 9

10 numerische Näherung Advektion, numerische Diffusion Abschätzung der numerischen Diffusivität ins Verhältnis gesetzt zu einem empirischen Ansatz für die reale Diffusivität nach Elder (2D-tiefengemittelt) D D num. Elder < = 0.25* x 5.93 v τ / t d 2 D Diffusivität x Ortsschrittweite t Zeitschrittweite v τ Schubspannungsgeschw. d Wassertiefe Folgerung: 1. empirische Überprüfung 2. ggf. verbesserte Verfahren Erkenntnis: flache Seitenräume von numerischer Diffusion stärker betroffen. 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 10

11 hydraulischer Treiber für QSim-3D Casulli-Nachfolge Verfahren wie casu parallelisiert (Gebietszerlegung) open-source Sediment, Wellen etc. Palette von Advektionsalgorithmen in Kooperation mit M3 Stephan Dietrich Parallelisierung ist Schlüssel zu performanten Modellen 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 11

12 Ergebnisse QSim-1D Längsprofile Sauerstoff und Chlorophyll-a Mittelelbe und Tide-Elbe Schmilka (km 0) bis Cuxhaven (km 727) Schwarze Punkte: Messungen Graue Linie: Simulation Mittelwert Mai bis Oktober 2006 mit Standardabweichung Schöl et al. Modelling Water Quality in the Elbe and its Estuary Die Küste, 81 (2014), pp BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 12

13 Ergebnisse QSim-3D Temperatursimulation 2D-tiefengemittelt Genauigkeit entspricht 1D Tide Elbe qsim3d.kuba2010-test.o sep15 2D-tiefengemitteltes Modell kann: Temperatur in Seitenräumen und auf Watten ermitteln. Temperatur als Tracer gibt Einblicke in Diffusionssvorgänge Temperatur in Grad Celsius Wasser Seemannshoeft Simu. Wasser Seemannshoeft Mess Zeit (MEZ) in BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 13

14 Zum Starten der Animation bitte auf den untenstehenden Link klicken: 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 14

15 Chlorophyll-a Gradient im Tidenzyklus animiert Zum Starten der Animation bitte auf den untenstehenden Link klicken: 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 15

16 Dokumentation und Kommunikation vorhandene Instrumente Berichte, Veröffentlichungen, Handbücher 4. QSim Anwender- und Entwicklertreffen Dokumentationsportal QSim3D Validierungs-Wiki Zur Ansicht des Dokumentationsportals bitte auf untenstehenden Link klicken: Kurzbeschreibung Teilprozess-Liste verlinkt zu: Berechnungs-Formeln Dokumentation und wiss. Veröffentlichungen Schnittstellenbeschreibung mit Links zur Programmquelle 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 16

17 Stand und Ausblick Software-Entwicklungs-Projekt QSim3D Mehrdimensionale Gewässergütemodellierung Transportmodellierung und Modellkopplung Erfahrungen mit QSim(1D) als Leitlinie Instrumente zur Prüfung geschaffen Kalibrierung und Validierung für das Elbe-Ästuar unter Nutzung QSim(1D)-Ergebnisse ggf. ästuarspezifische Modellerweiterungen Dokumentation als Kommunikationsinstrument bei der Vergrößerung des Anwender- und Entwicklerkreises 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 17

18 vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 3. BfG Forschungskolloquium, 1./2. Oktober 2015 in Koblenz Seite 18