Numerical solving techniques for modeling sediment transport: Fid-Bau Portal

Numerical solving techniques for modeling sediment transport

Stoschek, O. / Matheja, A.

Die Sensisivität numerischer Lösungsverfahren (MIKE21 und RMA2/SED2D) für die Modellierung von Strömungen und Sedimenttransportprozessen in Tidegebieten wird mit Hilfe eines für die Bremer Häfen vorhandenen numerischen Modells analysiert. Dabei werden die Möglichkeiten und Einschränkungen der verwendeten zweidimensionalen Modellsysteme bei der Modellierung eines dynamischen Natursystems aufgezeigt. Dargestellt werden limitierende Faktoren bezüglich der zu wählenden Randbedingungen, der Modellierbarkeit kritischer Strömungszusrtände in Teilen des Modellgebietes zu bestimmten Tidephasen, Kontinuitätsprobleme bei der Lösung der Knotengleichungen, Definition der Naß/Trocken-Grenze mit verschiedenen Ansätzen und der Einfluß der Viskositätsparameter (Modellierung der turbulenten Strömung). Größe und räumliche Diskretisierung von Sohlrauhigkeit und Viskositätsparametern sind neben anderen Modellparametern entscheidend für die Ergebnisse der Modellierung. Die beschriebene Modellierung ist insbesondere für die langfristige Planung von Baggerarbeiten im Modellbereich von Bedeutung. Bei den verwendeten numerischen Verfahren handelt es sich um das FD-Modell (Finite-Differenz-Modell) MIKE21 und das FE-Modell (Finite Elemente-Modell) SMS, bestehend aus den Komponenten RMA2 und SED2. Beide Verfahren werden hinsichtlich ihrer Ergebnisse miteinander verglichen. Mathematische Grundlage für die Lösungsverfahren sind Differentialgleichungen, welche die physikalischen Erscheinungen beschreiben, die jedoch im Beitrag als bekannt vorausgesetzt werden. Erläutert werden die mathematischen Inhalte der einzelnen Modellierungskomponenten (hydrodynamischer Modul, Schlammtransportmodul, Diskretisierung von Raum und Zeit) der verglichenen Verfahren. Der verwendete Testfall (Gewässer der Wesermündung) wird beschrieben und für beide Verfahren wird die hydrodynamische Modellierung erläutert (Wahl der Ausgangsdaten, Turbulenzmodellierung, Zeitdiskretisierung, Naß/Trocken-Grenzen). In gleicher Weise werden die Modellierungen bezüglich des Sedimenttransports erläutert. Die Vergleichsergebnisse werden kurz angeführt. Es wird geschlußfolgert, daß das System MIKE21 ein stabiles System mit für die Praxis annehmbarer Rechenzeit und annehmbaren Speicherbedarf ist. Es ist besonders für symmetrische Systeme oder für besonders große Probleme (Schelfmodellierung) geeignet. Auch die Problematik des Sedimenttransportes wird für einen umfassenden Bereich praktischer Probleme gelöst, wogegen die Modellierung von Strömungen um Bauwerke eingeschränkt ist. Das Verfahren RMA2/SED2D erfordert eine Weiterentwicklung (Zeitmanagement, Stabilität, Visualisierung). Das Modellieren des Sedimenttransportes in Tide-Umgebungen ist für dieses Verfahren eingeschränkt. Das Modellgebiet ist geographisch dargestellt. Die Modellierungsparameter wie Wasserstände bei Ebbe und Flut, Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungszustände an einzelnen Lokationen sind aus zahlreichen Diagrammen ersichtlich.