Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-307
Authors: Prohaska, Sandra
Title: Development and application of a 1D multi-strip fine sediment transport model for regulated rivers
Other Titles: Entwicklung und Anwendung eines 1D-Mehrstreifenmodelles für den Transport von Feinsedimenten in regulierten Flüssen
Issue Date: 2009
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;181
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-41277
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/324
http://dx.doi.org/10.18419/opus-307
ISBN: 978-3-933761-85-9
Abstract: 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.
Die vorliegende Arbeit liefert einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Strömungs- und Transportprozesse in Flusssystemen. Das Haupziel war die Entwicklung eines Modellkonzeptes zur Beschreibung der wichtigsten Transportprozesse in einem Flusssystem und dessen Umsetzung in einem numerischen Simulationsmodell. Der Fokus lag dabei auf der Einbindung von Buhnen, um deren Einfluss auf die Sedimenttransportprozesse beschreiben zu können. Das im Rahmen dieser Arbeit als Weiterentwicklung von bestehenden 1D-Modellen entwickelte Mehrstreifenmodell erlaubt die Simulation von Transportvorgängen in buhnengeregelten Flussabschnitten. Das Mehrstreifenmodell ermöglicht unter Beibehaltung der Vorteile der 1D Modellierung eine grundlegende Erweiterung des Anwendungsbereiches. Obgleich ein komplexes dreidimensionales und hoch turbulentes Strömungsfeld innerhalb eines Buhnefeldes vorliegt, ist es mit Hilfe des neu erarbeiteten Modellkonzeptes möglich, den Einfluss von Buhnenfeldern auf den Sedimenttransport in guter Näherung zu beschreiben. Der neue Modellansatz berücksichtigt Buhnen als ein Gewässerkompartiment, das über laterale Austauschterme mit dem Hauptflussschlauch gekoppelt ist: (1) ein dispersiver Austauschterm zur Beschreibung des Turbulenzeinflusses an der Grenzfläche zwischen Hauptfluss und Buhnenfeld. Dieser Term dominiert bei nichtüberströmten Buhnen und stationärem Abfluss, infolgedessen wird er beim Stillwasserzonenmodell angewendet. (2) ein advektiver Austauschterm, der bei variabler Querschnittsgeometrie und/oder instationärem Abfluss aktiviert wird. Dies ist meist dann der Fall, wenn die Buhnen überströmt werden. Diese Situation wird dann mit Hilfe des 3-Kompartimenten-Modelles beschrieben. Die Laborexperimente wurden durchgeführt, um die Austausch- und Sedimentationsparameter zu bestimmen, die für numerische Studien zur Untersuchung buhnengeregelter Flüsse notwendig sind. Die Sedimentationsrate ist von den Austauschprozessen und dem internen Turbulenz- und Geschwindigkeitsfeld abhängig und liegt meist unter der maximal möglichen Wert. Daher trägt die Messung der beiden Grössen, Austausch- und Sedimentationsrate, zum besseren Verständniss des Einflusses der Buhnenfelder auf die Transportcharakteristik der Flüsse bei. Die Experimente wurden in einem 5 m langen prismatischen Kanal ohne die morphologischen Inhomogenitäten natürlicher Flüsse durchgeführt. Es wurden 10 quadratische Buhnenfelder orthogonal zum Ufer eingebaut. Der vorgeschlagene Austauschkoeffizient liegt bei 0.018 und der vorgeschlagene Wert für den Sedimentationsparameter ist 0.3. Kürzere Rechenzeiten erlauben eine statistische Auswertung der Ergebnisse. Zwei wesentliche Einflussfaktoren werden untersucht: Abfluss und kritische Erosionsschubspannung. Unterschiedliche hydrologische Szenarien, wie z.B. lang andauernder Mittelwasserabfluss und 1-, 5- und 100-jährliche Hochwasserereignisse werden auf einem Flussabschnitt mit 112 km Länge simuliert. Dabei werden sowohl Erosion als auch Sedimentation abgeschätzt. Das Längsprofil der aufsummierten Sedimentation deutet darauf hin, dass der von Sedimentation betroffene Elbeabschnitt mit steigendem Abfluß länger wird. Die Anzahl der Buhnenfelder, welche von Erosion betroffen sind, steigt mit steigendem Hochwasserabfluss. Bis zu 33% der eingetragenen Schwebstoffe werden in den ufernahen Seitenstreifen deponiert. Höhere Abflüsse führen erwartungsgemäß zu ausgeprägteren Erosionsvorgängen. Aufgrund der hohen Schadstofffracht der Mulde (km 259.6) ist der Einfluss des Mulde-Hochwassers auf die Sedimentation in den Buhnenfeldern längs der Elbe ein wichtiges Szenario. Die numerischen Ergebnisse deuten auf eine Deposition von 44% der insgesamt eingetragenen Feinsedimente in den Buhnenfeldern hin. Diese Sedimente können während Hochwasserereignissen erodiert werden, sofern die Stabilität und dadurch die kritische Erosionsschubspannung nicht durch eine langfristige Konsolidierung erhöht wird. Im Rahmen der Modellvereinfachungen wurde ein für den Schwebstoff repräsentativer Korndurchmesser modelliert unter der Annahme, dass Kontaminanten an dieser Kornfraktionen anhaften. Es kann erwartet werden, dass ein Teil dieser Partikel weit nach unterstrom transportiert wird und Überflutungsflächen, Hafenanlagen sowie den Küstenbereich beeinträchtigt. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit eine statistische Methodik eingesetzt zur Untersuchung des Einflusses der kritischen Erosionsschubspannung auf das Erosionsvolumen während eines Hochwasserabflusses. Die Ergebnisse der statistischen Methode werden diskutiert und mit denen der konventionellen Berechnungsmethode verglichen. Der deteministische Ansatz geht davon aus, dass die Erosion durch den Mittelwert der gemessenen kritischen Erosionsschubspannungen erfasst werden kann. Bei der statistischen Methode wird auf der Basis der verfügbaren Messdaten zur kritischen Erosionsschubspannung und deren Häufigkeitsverteilung jedem der etwa 2000 Buhnenfelder ein kritischer Schubspannungwert per Zufallsgenerator zugeordnet und nach dem Monte-Carlo Verfahren die statistischen Kenngrößen des erodierten Sedimentvolumens quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass aufgrund der räumlichen Variabilität der Buhnenfeldgrößen einschließlich der in den Buhnenfeldern herrschenden Strömungbedinungen die geostatistische Methode der Zuteilung der erosionskritischen Sohlschubspannung zu einem größeren Erosionsvolumen führt als der deterministische Ansatz mit einem konstanten Mittelwert. Dies bedeutet, dass die Nicht-Berücksichtigung der statistischen Sedimentstabilität zu einer Unterschätzung der Buhnenfelderosion führt. Die neuartige statistische Methode stellt somit in Kombination mit der numerischen Modellierung des Sedimenttransports eine innovative und für Umweltbelastungen relevante Vorgehensweise für die Bewertung erosiver Abflußereignisse dar. Da das Mehrstreifenmodell Strömungs- und Transporteigenschaften in jedem Streifen erfasst, kann es auf beliebige natürliche Flüsse angewendet werden. Das Mehrstreifenmodell stellt eine signifikante Verbesserung von 1D-Modellen dar, da es zum einen den Einsatzbereich von 1D-Modellen erweitert und zum anderen die Möglichkeit bietet, den Transport in buhnenregulierten Flüssen unter Beibehaltung der Vorteile von 1D-Modellen zu simulieren.
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