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2D numerische Modellierung von multifraktionalem Schwebstoff- und Schadstofftransport in Flüssen
(2008) Karnahl, Joachim Alexander; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung der Transport- und sorptiven Reaktionsprozessen von Schwebstoffen und Schadstoffen in Fließgewässern. Das Transportverhalten wird durch zahlreiche interagierende Prozesse - beispielsweise Sedimentation, Erosion, Dispersion, Sorptionskinetik- beeinflußt und erfordert für den Modellaufbau die Bestimmung der transportrelevanten Prozesse sowie die daraus resultierende Aufstellung der notwendigen physikalisch und parametrisch basierten mathematischen Modellansätze. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Schwebstoff- und Schadstofftransportprozesse sowie die Umsetzung in das tiefenintegrierte zweidimensionale Transportmodell SUBIEF umfaßt dabei für mehrere Schwebstofffraktionen die folgenden maßgeblichen Prozesse: Transport, Sedimentation auf Basis eines Schwellenwertansatzes, Erosion und Disaggregation in die einzelnen Schwebstofffraktionen. Für die Sedimentationsprozesse wurde dabei der für ein Korngrößengemisch vorhandene Energieansatz zur Beschreibung der kritischen Sedimentationsschubspannung auf die multifraktionale Sedimentation übertragen und implementiert. Das Schadstofftransportmodell beschreibt den gelösten und fraktionsbezogenen partikulären Schadstofftransport, Adsorptions- und Desorptionsprozesse mit einer Reaktionskinetik erster Ordnung im Wasser- und Sedimentkörper, die Sedimentation und Erosion partikulärer Substanzen sowie diffusive Prozesse an der Wasser-Sedimentgrenzschicht. Die Ergebnisse der an einem idealisierten Gewässer durchgeführten Modellrechnungen bestätigen die Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Sedimentations- und Erosionsprozesse sowie der Reaktionsprozesse. Als Fallstudie wurden experimentelle Untersuchungen und numerische Studien mit dem entwickelten Modell für die Sedimentverspülung an der Staustufe Iffezheim/Rhein bearbeitet: Um einen ausreichenden Fließquerschnitt im Hochwasserfall zu gewährleisten, wurden im Frühjahr 2005 ca. 150.000 m³ mit Hexachlorbenzol (HCB) belastete Sedimente oberhalb der Staustufe Iffezheim mit einem Saugbagger entnommen und ins Unterwasser verspült. Die Umweltauswirkungen der Sedimentverspülung wurden durch ein umfangreiches Meßprogramm der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Zusammenarbeit mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg begleitet und durch Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, ergänzt: Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Abflußmessungen, Entnahme von Wasserproben zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration und der Korngrößenverteilung sowie Ausbringen und Auswerten von Sedimentfallen. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung wurde dabei mit unterschiedlichen Meßmethoden durchgeführt. Dabei ergaben sich teilweise stark voneinander abweichende Ergebnisse, die als Unsicherheitsfaktor für die Modellierung anzusehen. Die numerischen Untersuchungen wurden für den 22 km langen Flußabschnitt unterhalb der Staustufe Iffezheim durchgeführt. Es wurden drei Sedimentfraktionen < 200 µm sowie das gelöste und auf allen Fraktionen adsorbierte HCB berücksichtigt. Als Modelleingangsdaten dienten dabei die bei der Meßkampagne erhobenen Daten. Aufgrund des hochgradig diskontinuierlichen Verspülungsmassenstroms und der geringen Meßdatendichte war eine Kalibrierung des Modells im strengen Sinne nicht möglich. Daher wurden mehrere Sensitivitätsrechnungen mit Variation der Modellparameter durchgeführt. Obwohl die komplexen 3D Strömungsphänomene von überströmten Buhnen in einem 2D Modell nur näherungsweise abgebildet werden können, zeigten die Modellergebnisse ein gutes Verhalten hinsichtlich der Sedimentations- und Erosionsprozesse in Buhnenfeldern. Die Sensitivitätsrechnungen ergaben für die verschiedenen Fraktionen eine direkte Proportionalität zwischen der Sedimentation und der mittleren Sinkgeschwindigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Ablagerungszonen der einzelnen Fraktionen ergaben sich hieraus unterschiedliche Resuspensionspotentiale der einzelnen Fraktionen. Zum besseren Verständnis der Ablagerungs- und Transportprozesse wurden idealisierte quasistationäre Transportberechnungen mit Variation der Abfluß- und Verspülungsrandbedingungen durchgeführt. Im Modellgebiet stellt sich bei den quasistationären Transportverhältnissen eine Konzentrationsabnahme in Fließrichtung ein. Ein Transportgleichgewicht im Flußschlauch kann sich im Modellgebiet nicht einstellen, da durch die Buhnenfelder und Stillwasserzonen permanente Sedimentsenken vorhanden sind, die durch den dispersiven Eintrag einen permanenten Schwebstoffzustrom erhalten. Bei diesen quasistationären Rechnungen zeigen sich analog zur diskontinuierlichen Verspülung zunehmende Ablagerungsraten mit zunehmendem Partikeldurchmesser. Bei steigenden Abflüssen zeigt sich eine Reduktion der Ablagerungen für alle Fraktionen, die auf Verdünnungseffekte und die erhöhten Fließgeschwindigkeiten zurückzuführen sind.
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Development and application of a 1D multi-strip fine sediment transport model for regulated rivers
(2009) Prohaska, Sandra; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
The work deals with better understanding of the flow and sediment transport processes in a river system. The general objective of the work is to develop a modeling methodology and a numerical tool for assessing the governing transport processes in a river system, with special emphasize on groyne fields and their influence on transport process. The multi-strip model is developed, as an improvement of 1D models, in order to simulate the river reaches trained by groynes. Even though flow in a groyne field is highly turbulent and three dimensional, it is possible to describe the influence of a groyne field on transport with 1D model, introducing a new concept. The new methodology comprises the groyne fields as second compartment with additional lateral exchange terms: (1) lateral dispersive exchange due to turbulence at the interface area that is dominant for an emerged groynes, in which case the dead zone model is used; and (2) lateral advective exchange due to existence of lateral flow between adjacent strips, which exists only if groynes are submerged, in which case three-compartment model is used. The laboratory experiments are performed to determine the exchange and sedimentation parameters which are important for numerical studies of rivers trained by groynes. Sedimentation in a groyne field is smaller than maximum possible and sedimentation depends on exchange process and internal flow condition in a groyne field. Therefore, combined measurements of both the exchange and sedimentation parameter contribute to better understanding of the groyne field influence on transport characteristics in rivers. The experiments are performed in regular 5 m long prismatic channel excluding the the morphologic heterogeneities in natural rivers. Ten identical groyne fields are built in sequences on the right hand side of the channel. The square groynes with dimensions of w/l=50/50 cm are straight and positioned perpendicular to the channel bank. The recommened values to be used for numerical model for the exchange parameter is 0.018 and 0.3 for the sedimentation parameter. Low computational time allows erosion risk assessment. Two major erosion parameters are analyzed: discharge and critical erosion shear stress. Different hydrological scenarios of the River Elbe and the tributary Mulde are applied on a long river reach of 112 km, such as long lasting mean discharge, one year return period flood, five years return period flood, and hundred years return period flood. Erosion and deposition areas are estimated. The Elbe domain affected by deposition is greater for higher discharges however, it is longer than the computational domain. The number of groyne fields subject to erosion increases with increasing flood, whereas up to 33% of inflow sediments are deposited in side strips. Increased discharges produce higher and intensive erosion however, their probability of occurrence is lower. The influence of the Mulde flood on deposition in groyne fields along the Elbe is one of the most important scenario due to highly contaminated load by the tributary. The numerical results indicate that up to about 44% of total fine sediment inflow from the Mulde will be deposited in groyne fields. These sediments will erode during flood events, unless after long time the stability and thus the critical erosion shear stress increases due to consolidation. Keeping in mind model simplification that only one grain size diameter is modeled and that contaminants will stick to even smaller grain size, it is expected that one part of the most polluted particles will be transported further downstream and influence floodplains, sediments, harbor, and ocean. Furthermore, the statistical methodology is implemented in the study of a critical erosion shear stress and its application in numerical modeling. In order to estimate an effective value of the parameter and erosion probability, a spatial distribution of the critical erosion shear stress is generated and a large number of realizations are calculated by the multi-strip model. The deterministic approach assumes that erosion can be estimated by using a single value of the critical erosion shear stress, ignoring the fact that with on going erosion deeper layers with different value of the parameter will be exposed to flow. The results suggest that the effective value based on statistics is smaller than the mean measured value, which leads to underestimates of groyne field erosion. The presented new statistical methodology coupled with a numerical modeling of suspended sediment transport presents an innovative and valuable framework for assessing erosion. Since the multi-strip model captures flow and transport characteristics in each strip and different time scale for erosion/sedimentation, it can be applied on any natural river. Thus, the multi-strip concept is a significant improvement of 1D models due to its possibility to simulate the transport in rivers trained by groynes keeping the advantages and enlarging the applicability of 1D models.
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Numerical investigation on flow and transport characteristics to improve long-term simulation of reservoir sedimentation
(2007) Tesfaye Kebede Gurmessa; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Long-term prediction of the quantity and spatial distribution of sedimentation is required in the planning and management of reservoirs. Numerical models, conceptual models, empirical models, scale models, or a combination of them can be used in order to predict long-term sedimentation of reservoirs. Some approaches are complex while others tend to oversimplify addressing practical questions related to sediment management. This work has attempted to address simplified methodologies to predict the amount and spatial distribution of reservoir sedimentation. Two complementary approaches were specifically assessed: the numerical and the data-driven modeling approaches. Numerical modeling of long-term sedimentation processes involve model, parameter, and data uncertainties and often require very high computational costs. Model conceptualization and solution procedures involved in long-term simulation of sedimentation processes of riverine systems are challenging. The first part of the study deals with the investigation of simplification of numerical simulations. The study begins with investigations made on the basic system response of reservoirs to unsteady inputs. By making use of hypothetical domains and periodic inputs, efforts were made to try to specify the theoretical concepts. The response of the reservoirs was investigated by using aggregate parameters such as theoretical residence time, critical erosion discharge, amplitude and the frequency of inputs. The analytical solutions of ideal continuously stirred reactors and/or plug flow reactors as compared with the real two-dimensional advection-dispersion numerical solutions of the TELEMAC modeling system were evaluated. Criteria for the refinement of quasisteady steps were investigated revealing the importance of reservoir shape, range of discharges, and residence time. The work then continues by investigating into long-term simulation and simplification strategies. A thorough evaluation of hydrological, topographical, and sediment data was conducted on the Lautrach reservoir of River Iller. Using the two-dimensional depth-integrated TELEMAC modeling system, sensitivity studies were conducted with relevance to data aggregation, temporal and spatial discretization, coupling methods, turbulence models, and sediment gradation. Based on the simplifications from the preliminary studies, long-term reservoir sedimentation was calibrated and validated with fully unsteady simulation. The validated morphological simulations were tested for the extent of the applicability of quasisteady approximation considering large steady time steps. It was found out that except for extreme discharges and low flows with high sediment concentrations, the quasisteady approximation with large time steps can be successfully applied without major discrepancy from the fully unsteady simulation. Comparisons of the prediction of bed evolution were made using complete unsteady, mixed-unsteady-quasisteady, and steady approximations. In the second part of the work, an approach on the use of principal component regression in modeling the spatio-temporal bed evolution processes of riverine system was developed. The principal component analysis made on long-term bed evolution simulation indicated that only the first four principal components represent some 95 percent of the variance. This indicated that a significant simplification and representation of the spatio-temporal simulated data can be made in a condensed form. Multiple regression models were then investigated between the first four principal component scores and the flow and the sediment inputs, resulting in a very good correlation. The reconstruction of reservoir bed evolution resulted in an excellent agreement when multiple regression was used between the principal component score and the time series of discharge, change in discharge, and suspended sediment concentration. The model was also reasonably validated with acceptable uncertainty for ranges outside the period of reconstruction. It was found that the regression parameters are dynamic due to the dynamic nature of reservoir bed as well as flow and sediment parameters. The work is a step forward towards simplifying the complex and computationally demanding task of modeling of long-term reservoir sedimentation by assimilating dynamic and data modeling techniques.
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Numerische Modellierung der Sedimentationsprozesse in Retentionsanlagen zur Steuerung von Stoffströmen bei extremen Hochwasserabflussereignissen
(2010) Wurms, Sven; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Bei Hochwasserereignissen werden Sedimente und partikulärgebundene Schadstoffe unterschiedlicher Herkunft verstärkt mobilisiert und mitunter weite Strecken von der Strömung transportiert. Hieraus erwächst ein Ablagerungspotential ungelöster oder an den Sedimenten partikulär gebundener Schadstoffe in fließberuhigten Gewässerkompartimenten an anderer Stelle im Flusssystem. Insbesondere Hochwasserrückhaltebecken sind auf Grund der vorherrschenden Sedimentationstendenz in diesem System von Anlandungsprozessen und stofflicher Akkumulation betroffen. Für jedwede Art der stofflichen Bewirtschaftung von Hochwasserrückhaltebecken ist das Verständnis von den Zusammenhängen der im System ablaufenden, zeitlich und räumlich mitunter hochgradig variablen Strömungs- und Transportphänomene und deren beeinflussende Faktoren unerlässlich. Denn nur so kann der zu erwartende Stoffrückhalt abgeschätzt und Maßnahmen zur Beeinflussung des Stoffrückhalts gezielt eingesetzt werden. Neben einer Reduzierung des stofflichen Rückhalts zur Gewährleistung der Funktionalität des Retentionsraumes ist grundsätzlich eine Erhöhung des Stoffrückhalts zur qualitativen Entlastung des Unterwasserbereichs denkbar. Diese Vorgehensweise greift die Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG auf, welche die Erhaltung und Verbesserung der aquatischen Umwelt in der Europäischen Gemeinschaft und langfristig die Eliminierung prioritärer, gefährlicher Stoffe zum Ziel hat. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die für den Schwebstoffrückhalt maßgeblichen Prozessabläufe innerhalb als Trockenbecken betriebener Hochwasserrückhaltebecken identifiziert und quantifiziert werden. Unter Verwendung 2D-numerischer Strömungs- und Transportmodelle wurden Simulationen an idealisierten Trockenbecken im Hauptschluss und Dauerstaubecken durchgeführt. Dabei wurden variierende Längen- zu Breitenverhältnisse, unterschiedliche Beckensteuerungen und Korngrößen von 10 µm bis 150 µm sowie ein konservativer Tracer betrachtet. Zu Vergleichszwecken erfolgten Untersuchungen an Poldersystemen. Bei diesen stand der Einfluss der Steuerungsstrategie auf die Ablagerungsmuster im Fokus der Untersuchungen. Die gewählte Untersuchungsmethode hat maßgeblich zum Prozessverständnis innerhalb des Systems Trockenbecken beigetragen. Hierbei erfolgte neben der Auswertung kontinuierlicher Schwebstoff- und Tracerzugaben im Beckenzulauf die Analyse des Transports und des Absetzverhaltens von jeweils nur über eine Dauer von 10 Minuten zugegebenen Schwebstoffs und Tracers zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Beckenfüllung. Dadurch werden die Transportwege während unterschiedlicher Beckenfüllstände und Abflüsse nachvollziehbar. Dies ist im Hinblick auf natürliche Prozesse dann von Relevanz, wenn kontaminierte Schwebstoffe zeitlich begrenzt in ein Fließgewässer eingetragen werden. Die Untersuchungsmethode ermöglicht zudem die Quantifizierung der einzelnen Prozesse. In allen betrachteten Varianten konnte der Kurzschluss als dominierender Prozess hinsichtlich der stofflichen Rückhalteeffizienz der Trockenbecken identifiziert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Beeinflussung des stofflichen Rückhalts anhand der Modifikation der Systemrandbedingungen. Im Rahmen der Fallstudie des Hochwasserrückhaltebeckens Horchheim konnte gezeigt werden, dass die Reduzierung des Regelabflusses die einzige Maßnahme ist, die nennenswerte Auswirkung auf den stofflichen Rückhalt hat. Geometrische Änderungen des Beckenraumes haben nur einen untergeordneten Einfluss auf die Rückhalteeffizienz absetzfähiger Stoffe. Die Abtrennung des Anteils des kurzschlussbedingten Transports am Beckenauslass im Fall der Simulationen mit stoßweiser, zeitabhängiger Tracerzugabe ermöglicht Aussagen über die hydraulischen Aufenthaltszeiten der jeweiligen Wasserpakete im Stauraum. Diese sind weitaus höher als theoretisch ermittelte Aufenthaltszeiten als Quotient aus Beckenvolumen und Abfluss, da letztere die unterschiedlichen Zeitskalen der Prozesse des kurzschlussbedingten Transports und des Austrags aus dem Becken nach erfolgter Durchmischung nicht berücksichtigen. Wichtig für die Beurteilung zeitabhängiger Sorptions- oder Abbauprozesse von Schadstoffen ist die tatsächliche Aufenthaltszeit im durchmischten Anteil des Wasserkörpers. Betrachtet man die modellhaft ermittelten Aufenthaltszeiten der Schwebstoffe im Wasserkörper, so liegen diese deutlich unter den hydraulischen Aufenthaltszeiten. Vereinfachende empirische Ansätze zur Abschätzung der Ablagerungsmengen in Stauräumen oder Sedimentationsbecken basieren in der Regel auf der Annahme stationärer Verhältnisse. Dadurch vernachlässigen sie den für die stoffliche Rückhalteeffizienz von Trockenbecken maßgeblichen Effekt des kurzschlussbedingten Transports. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei vereinfachende Ansätze zur Abschätzung von Ablagerungsmengen in Trockenbecken im Hauptschluss unter Berücksichtigung der relevanten Prozesse entwickelt.