Simulation der Infiltration von Feinsedimenten mit SSIIM2

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1 Simulation der Infiltration von Feinsedimenten mit SSIIM2 Markus Noack Referat M3 Grundwasser, Geologie, Gewässermorphologie Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz

2 Kolmation Prozesse Kolmation Physikalische Kolmation Biologische Kolmation Chemische Kolmation Infiltration von Feinsedimenten Biofilme, EPS Redox-Reaktionen, Koagulation Reduzierung des Porenvolumens im Interstitial der Gewässersohle Beeinflussung der hyporheischen Austauschprozesse Keine Kolmation Innere Kolmation Äußere Kolmation Mögliche Definition: Kolmation ist ein dynamischer Prozess mit starken Interaktionen zwischen morphologischen und biogeochemikalischen Prozessen und Parametern

3 Kolmation Begriffe, Beschreibungen, Definitionen term description/definition reference embeddedness outer embeddedness The degree to which coarser particles are surrounded or covered by fine material. The fine material is larger than the pore space of the gravelmatrix of the river bed and is deposited on the surface layer. Platt et al Fitzpatrick et al Gutknecht et al inner embeddedness colmation/clogging physical colmation/clogging biological colmation/clogging Deposition of suspended load in the pore spaces of the gravel-matrix of the river bed with reduction of pore space in the subsurface layer All processes that lead to a reduction of pore volume, consolidation of the sediment matrix, and a decrease in permeability of the stream bed Fine sediment deposition, accumulation and infiltration into streambed sediments Microbial activity lead to interstitial biofilms with adhesive capacities that reduces the transects of pores Schälchli, 2002 Brunke & Gonser, 1997 Descloux et al Beyer & Banscher 1975 chemical colmation/clogging Iron clogging, redox potentials, ion exchange, flocculation change the geometry of the pore canals by disaggregation, dispersion or swelling Schwarz, 2003 Keine einheitliche oder standardisierte Definition der Kolmationvorhanden

4 Physikalische Kolmation Sedimentinfiltration Infiltrationsprozesse: Gröbere Partikel infiltrieren, verkanten und reduzieren Porengröße Mittlere Partikel infiltrieren und füllen die verkleinerten Porenräume Feine Partikel infiltrieren und verschließen die verbleibenden Porenräume Akkumulation zwischen Deck- unter Unterschicht Phase 1 Infiltrationswiderstände: Widerstand des Korngerüsts Widerstand durch Reduzierung der Infiltrationsmenge Grenzzustand: Deposition = Resuspension Phase 2 Infiltrationsansatz Schälchli(1993): basiert auf physikalischen Modellversuchen Annahmen: gesättigte Zone, vertikale Infiltration, kein Geschiebetransport semi-empirischer Ansatz für die Berechnung des Infiltrationsprozess Phase 3 Abbildungen Schälchli(1993

5 Semi-empirischer Berechnungsansatz (Schälchli 1993) Gleichungen: Volumenstrom durch die Gewässersohle (V) Infiltrationsmasse pro Flächeneinheit (m k ) Infiltrationswiderstände (α und β) V = Aβ + dm k = dt 2 1 β + 2rC p t η C rc dv dt Lg β = k 0 ν α = rcv A Infiltrationsparameter: Korngrößenverteilung (d 10 /d m ) vertikale hydraulische Gradient (i) Sohlschubspannung (Θ) Schwebstoffkonzentration (C) Korn-Reynoldszahl(Re*) r = d d 10 m eθ Re* 1.5 i 0.67 Infiltrationswiderstand [1/m] r maximaler Widerstand α β Infiltrationsmasse [kg/m²]

6 Numerische Berechnung der Infiltration mit SSIIM2 Sedimentinfiltration und numerische Feststofftransportmodellierung: kein Standard -Ergebnis der numerischen Modellierung Veränderung der Korngrößenzusammensetzung ohne Sohlhöhenänderung Transport Korngrößenverteilung Porosität Depositionsmenge Infiltrationswiderstände Ungehinderte Transport durch die Deckschicht und Infiltration in die Unterschicht Zusätzliche Annahmen: Depositionsmenge = Infiltrationsmenge Dicke der aktiven Sedimentschicht beinhaltet Infiltrationsmenge

7 Numerische Berechnung der Infiltration mit SSIIM2 Numerische Simulation der physikalischen Modellversuche: Horizontale Fließgeschwindigkeit [m/s]: 3D-numerisches Modell SSIIM2 konstante Schwebstoffkonzentration konstante Abflussverhältnisse keine Geschiebetransport Aktive und inaktive Sohlschicht 6 Kornfraktionen Transport-Formel: van Rijn (1984) Hiding/Exposure Wu et al. (2000)

8 Numerische Berechnung der Infiltration mit SSIIM2 Hiding/Exposure Funktion von Wu et al. (2000): flow Δe d j d i Δe>0: exponierter Zustand Δe<0: versteckter Zustand p p N hi = j=1 N ei = j=1 p p bj bj d d i i d j + d di + d j j Δe ist eine zufällig verteilte Variable in einer multifraktionalen Gewässersohle Annäherung über eine Wahrscheinlichkeitsfunktion Aufsummierung über alle Kornfraktionen Anpassung der kritischen Sohlschubspannung Θ c p p ei hi m = τ c ( ρ ρ )gd s W Anpassung des Gleichgewichts von Deposition zur Resuspension

9 Numerische Berechnung der Infiltration mit SSIIM2 Numerische Simulation der physikalischen Modellversuche: Infiltrationsmasse Infiltrationmasse mk [kg/m²] ²] /m g [k 1.00 k m e s 0.75 a m s n tio 0.50 filtra In 0.25 m=0.0 m=0.2 m=0.4 m=0.6 m=0.8 m=0.1 m=0.3 m=0.5 m=0.7 m=0.9 m k m=0.0 Schälchli m= Zeit [10³s] Anpassung des Gleichgewichts zwischen Deposition und Resuspension Hiding/Exposure-Funktion hat enormen Einfluss auf die Infiltrationsmasse

10 Numerische Berechnung der Infiltration mit SSIIM2 Numerische Simulation der physikalischen Modellversuche: m=0.82 R² = mk SSIIM2 Infiltrationsmasse mk [kg/m²] Hiding/Exposure Exponent [-] m= mk SSIIM2 3.1 mk SSIIM2 1.1 mk Schaelchli 2.1 mk Schaelchli 3.1 mk Schaelchli m= E E E E E+11 Zeit [10³s] Infiltrationswiderstand [m/kg] Kann die Infiltration von Feinsedimenten numerisch abgebildet werden? Kann über Hiding/Exposure der Infiltrationswiderstand abgebildet werden? Simulationsergebnisse stark durch die Kalibrierungsfaktoren beeinflussbar ist

11 Fallstudie: Spöl - Untersuchungsgebiet Untersuchungsgebiet: Spöl im Schweizer Nationalpark (Engadin): - Ökoregion: Alpen (>800m Höhe) - regulierte Abflussverhältnisse - Länge ca. 400m, Breite ca. 15m - mittleres Gefälle 1,5% - weites Korngrößenspektrum Berechnung der Sediment-Infiltration mit Schälchli (1993) Berechnung der Sediment-Infiltration mit SSIIM2

12 Fallstudie: Spöl - Rahmenbedingungen Messprogramm Sohlproben (Freezecoring) zu Beginn und Ende der Infiltrationsdauer (September 2009 Mai 2010) Bestimmung der Infiltrationsmassen Grundwasser- und Wasserspiegellagen Vertikaler hydraulischer Gradient Kalibrierstrategie Verwendung von Hiding/Exposure Funktionen (Wu et al. 2000) Anpassung des Gleichgewichts zwischen Resuspension und Deposition Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den semi-empirischen Ansatz (Schälchli 1993) Verwendung der mit SSIIM2 berechneten Eingangsdaten (d 10 /d m, Wassertiefe, Sohlschubspannung, Porosität, Permeabilität) Spezifikation SSIIM2: Aktive und inaktive Sedimentschicht Schwebstofftransport (Van Rijn 1984) 10 Kornfraktionen nahezu konstante Abflussverhältnisse konstante Schwebstoffkonzentration Gitter: 400 x 40 x 5 Elemente

13 Fallstudie: Spöl - Sedimentinfiltration Simulationsergebnisse SSIIM2 Sedimentinfiltration: Räumliche Verteilung BS6/FC6 BS5/FC5 Infiltrationsmasse [kg/m²] BS2/FC2 Infiltrationsmasse infiltration m mk k m [kg/m²] k [kg/m²] mk mk SSIIM2 Sch BS1/FC1 mk SSIIM2 BS2/FC2 mk Sch BS2/FC2 mk SSIIM2 BS5/FC5 mk Sch BS5/FC5 mk SSIIM2 BS6/FC6 mk mk Sch Sch BS1/FC1 BS6/FC6 mk Sch BS2/FC2 mk Sch BS5/FC5 mk Sch BS6/FC6 Zeitlicher Verlauf m= BS1/FC1 mk SSIIM2 0 S 09 O 09 N 09 D 09 J 10 F 10 M 10 A 10 M 10 Gemessene Infiltrationsmasse an Probenahmestellen Zeitlicher Verlauf der Infiltration nur ein Exponent der Hiding/Exposure Funktion für verschiedene Korngrößenverteilungen

14 Fallstudie: Spöl - Sedimentinfiltration Simulationsergebnisse SSIIM2 Porosität: Räumliche Verteilung BS6/FC Zeitlicher Verlauf BS5/FC Porosität [-]: BS2/FC2 BS1/FC1 Beginn Porosität [-] Ende 0.15 [-] ity s ro o0.10 p np SSIIM2 BS1/FC np SSIIM2 BS2/FC2 np SSIIM2 BS5/FC5 np SSIIM2 BS6/FC S 09 O 09 N 09 D 09 J 10 F 10 M 10 A 10 M 10 n = σ p< 0. 5mm empirischer Ansatz von Frings et al. (2011) basierend auf Korngrößenverteilung Rückgang der Porosität entspricht Infiltrationsmengen (qualitativ)

15 Zusammenfassung und Ausblick Kolmation keine einheitliche Definition verfügbar Interaktion von morphologischen und biogeochemikalischen Prozessen Physikalische Kolmation = Infiltration von Feinsedimenten Reduzierung der Porosität Numerische Simulation der Infiltration von Feinsedimenten basierend auf Hiding/Exposure Funktionen kann der Infiltrationsprozess kalibriert werden tiefgreifende Annahmen und Vereinfachungen der Prozesse notwendig Numerischen Simulationsergebnisse massiv durch Kalibrierungsfaktoren beeinflussbar Ausblick Simulation von Kolmationsprozessen Anpassung vertikaler Sortierungsprozesse in numerischen Feststofftransportmodellen Berücksichtigung von biogeochemikalischen Prozessen (Biofilme) Kopplung zu Grundwasser- und Sauerstoffhaushaltsmodellen notwendig (Hyporheischer Austausch)

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Markus Noack Abteilung Quantitative Gewässerkunde Referat M3 Bundesanstalt für Gewässerkunde