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Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund. MorWin – Workshop am 30.11.00 in Warnemünde. Einleitung Warum Innenbereich ?. Fragestellungen des WSA Stralsund zur Fahrwasserstabilität.(„ Wo sind störanfällige Bereiche der Schiffahrtsrinne ?“). - PowerPoint PPT Presentation
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Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der
Nordzufahrt Stralsund
MorWin – Workshop am 30.11.00 in Warnemünde
EinleitungWarum Innenbereich ?
• Fragestellungen des WSA Stralsund zur Fahrwasserstabilität.(„ Wo sind störanfällige Bereiche der Schiffahrtsrinne ?“)
• Gute Datenlage durch das MorWin-Messprogramm Herbst 1997 und durch Verkehrsicherheitspeilungen der Fahrrinne durch das WSA Stralsund.
• Größtenteils 2 – dimensionale Strömungsvorgänge (Rinnen und Flachs) Außenbereich.
Vergleich 2D/3D Modellierung Strömungsbild in der Gellenbucht bei NW-Wind
3D schwarz - Oberflächenschicht violett - bodennahe Schicht
2D schwarz – tiefengemittelt
Vergleich 2D/3D Modellierung Abweichung der bodennahen Strömungsrichtung [°]
RCM9
Vergleich 2D/3D ModellierungAbweichung der bodennahen Strömungsrichtung [°]
RCM9
S4
Vergleich 2D/3D Modellierung zu MessungMessung RCM9 (Bockgrund) - bodennah
Vergleich 2D/3D Modellierung zu MessungMessung S4 (Hiddensee) - tiefengemittelt
Gliederung
• Modelle / Modellbildung• Hydrologie des Innenbereichs• Morphodynamische Modellierung mit stationären
Zuständen– stationäre windinduzierte Strömungszustände– stationäre wasserstandsinduzierte Strömungszustände
• Vergleich mit gemessenen Volumina (aus Peilungen der Nordzufahrt)
• Zusammenfassung
Modelle/ModellbildungEingesetzte Modelle
MODELL Gleichung/Formulierung
BUBBLE TiefengemittelteStrömung &Wasserstand
2D-HN-FEM,Flachwassergleichungen
SWAN Propagation derWellenenergie ( Hs, Tp,, etc.)
FD, Wellen-Aktions-Gleichungim Frequenz- undRichtungsraum, Wellen-Wellen-Interaktion, Quellen- u. Senkent.
TIMOR Transporte,Morphologie-änderungen
Bodenevolutionsgleichung,Geschiebe: Meyer-Peter &Müller,Suspension: dynamische Pick-up Funktion,fraktionierter Transport (bis zu12 Fraktionen)
Modelle/Modellbildung Wichtige Transportprozesse im Innenbereich
OSTSEE
Innenbereich.
Seegatt:Ein- und Ausstrom
Flachs: Aufwirbelung durch Wellen
Außenküste:Längs-
transport
Modelle/Modellbildung Modellgebiete & -gitternetze
FEM-Netz: 25000 Knoten
Feinste Auflösung: 20m
Modelle/Modellbildung Modellgebiete & -gitternetze
FEM-Netz: 25000 Knoten
Feinste Auflösung: 20m
Gebiet der eingenisteten Wellenmodellierung im Innenbereich.
Knotenpunkte des BSH - Modells
Modelle/Modellbildung Randbedingungen für Modellierung von stationären
Windsituationen
• Bezüglich der Windsituation gemittelte Wasserstände aus dem BSH- Modell.
Isoflächen gleicher Windstärke (West, 6 Bft.)
Modelle/Modellbildung Randbedingungen für Modellierung von stationären
Windsituationen
• KLIBO - Windatlas
Modelle/Modellbildung Pegel Althagen ohne/mit Windatlas
Pegelmessung
Modellrechnung ohne Windatlas
Pegelmessung
Modellrechnung mit Windatlas
2468
10121416
-60 -30 0 30 60
Sec. 4 - Current velocity [cm/s]
Win
d s
pe
ed
[m
/s]
SOUTHWNWEAST
M 62 Strömungsgeschw.
[cm/s]
Win
dg
esc
hw
[m
/s]
SÜD
WNWOST
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Direction of wind
Se
c. 4
- P
erc
en
tag
e o
f cu
rre
nt d
ire
ctio
n
Windrichtung
M62
-1A
nte
il d
er
Str
öm
un
gsr
i. I
n %
Hydrologie des InnenbereichesWindeinfluß auf die Strömungen im Innenbereich
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Direction of wind
Se
c.9
- P
erc
en
tag
e o
f cu
rre
nt d
ire
ctio
n
Windrichtung
M8-
2 A
nte
il d
er
Str
öm
un
gsr
i. I
n %
Hydrologie des InnenbereichesWindeinfluß auf die Strömungen im Innenbereich
2
4
6
8
10
12
-80 -40 0 40 80
Sec. 9 - Current velocity [cm/s]
Win
d s
pe
ed
[m
/s]
WNWEASTSOUTH
M8-2 Strömungsgeschw. [cm/s]
WNW
OSTSÜD
Win
dg
esc
hw
[m
/s]
Aus-strom
Ein-strom
Hydrologie des InnenbereichesStrömungsgeschwindigkeit im Innenbereich als Funktion der Pegeldifferenz Barhöft - Neuendorf
Barhöft
Aus-strom
Ein-strom
Hydrologie des InnenbereichesStrömungsgeschwindigkeit im Innenbereich als Funktion der Pegeldifferenz Barhöft - Neuendorf
Barhöft
5
Hydrologie des InnenbereichesMittlere Pegeldifferenzen Barhöft – Neuendorf (93-98)
als Funktion der Windsituation
Hydrologie des InnenbereichsZusammenfassung
• Im statistischen Mittel ist die Strömungslage im Innenbereich durch die Windlage (Windstärke und –richtung) bestimmt. Diese Situationen werden mit dem HN-Modell unter Vorgabe von stationärem Wind gut wiedergegeben (windinduzierte Strömungslagen) .
• Es gibt darüber hinaus starke Ein- und Ausstromereignisse, die z.T. oder vollständig von Wasserstandsschwankungen großräumiger Art (Seiches) induziert sind (wasserstandsinduzierte Strömungslagen) .
These: Beide Prozesse wirken auf die Morphologie.
Hydrologie des InnenbereichesBeispiel einer nicht-windbeeinflußten Ausstromsituation
Zeitreihen der Ausströmlage 17.-19. Nov. 97
-20
0
20
40
60
80
100
17.11 17.11 18.11 18.11 19.11 19.11
Str
öm
ung
[cm
/s],
v-W
ind[
m/s
],P
ege
ldiff
. [c
m]
Pegeldifferenz Barhöft-
Neuendorf
Strömungsge-
schwind.
Windgeschwind.
WindrichtungStrömungsrichtung
WEST
SÜD
OST
Morphodynamische Modellierungen mit windinduzierten Strömungslagen
Wasserspiegellagen während NNW -Wind 6 Bft.
Morphodynamische Modellierung Windinduzierte Strömungslagen
• BUBBLE und SWAN laufen mit stationären Randbedingungen für 12 Windrichtungen (je 30°) und 5 Windgeschwindigkeiten (4-8 Bft.).
BUBBLE
SWAN
TIMOR
Stationäre Randbed. Wasserstand, Windfeld
TIMOR: Morphologieänderungen für 12 x 5 = 60 versch. Windlagen
-0.01
0
0.01
0.02
0.03NORD
30°
60°
OST
120°
150°
SÜD
210°
240°
WEST
300°
330°
SEC 1SEC 2SEC 3SEC 4
-0.0020
0.0020.0040.0060.008
NORD
30°
60°
OST
120°
150°
SÜD
210°
240°
WEST
300°
330°
SEC 5 SEC 6 SEC 7 SEC 8
-0.0010
0.0010.0020.003
NORD
30°
60°
OST
120°
150°
SÜD
210°
240°
WEST
300°
330°
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
Morphodynamische ModellierungSohlhöhenentwicklung [m] bei stationären Windlagen (7 Bft.)
innerhalb 1 h in den Rinnenabschnitten
Morphodynamische Modellierungen wasserstands-
induzierter Strömungslagen
Wasserspiegellagen während eines Anstiegs des Wasserstandes der Ostsee
Morphodynamische Modellierung Wasserstandsinduzierte Strömungslagen
• BUBBLE rechnet mit stationären Wasserstandsrandbedin-
gungen je 5 Ein- und Ausstromsituationen ohne Wind und Welle.
TIMOR
BUBBLE
Stationäre Randbed. Wasserstandsgradient
TIMOR: Morphologieänderungen für 2 x 5 = 10 versch. Wasserspiegellagen
Morphodynamische ModellierungSohlhöhenentwicklung [m] bei wasserstandsinduzierten Strömungslagen innerhalb 1 h in den Rinnenabschnitten
Mit
tler
er S
oh
lhö
hen
änd
eru
ng
[m
] AUSSTROM EINSTROM
Vergleich mit gemessenen VoluminaZeiträume mit auswertbaren Peilinformationen
Zeitraum Datum Dauer
Winter 94-95 7.12.94 – 4.5.95 181 Tage
Winter 95-96 8.8.95 –16.4.96 252 Tage
Winter 96-97 22.7.96 – 13.3.97 233 Tage
Frühjahr 97 13.3.97 – 28.8.98 164 Tage
Winter 97-98 18.9.97 – 12.1.98 117 Tage
Frühjahr 98 12.1.98 – 6.4.98 87 Tage
Vergleich mit gemessenen VoluminaWindstatistik von 4 untersuchten Zeiträume
• Winter 94-95: hohe Windhäufigkeit Südwest-Westwind dominiert• Winter 95-96: erhöhte Windhäufigkeit West- und Ostwinde• Frühjahr 98: geringe Windhäufigkeit Westwind dominiert stark • Spring 97: hohe Windhäufigkeit Nordost-Ostwind dominiert
0
50
100
150
2000
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0
50
100
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2000
30
60
90
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150
180
210
240
270
300
330
0
50
100
150
2000
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0
50
100
150
2000
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Winter 94-95 Winter 95-96 Frühjahr 98 Frühjahr 97
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
winter 94-95
winter 95-96
frühj. 98 frühj 97 winter 96-97
winter 97-98
Sed
imen
tatio
n/E
rosi
on [c
bm]
SEC 1
SEC 2
SEC 3
SEC 4
SEC 5
SEC 6
SEC 7
SEC 8
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
SEC 13
Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik der Windsituationen
GemesseneVolumina:
Berechnete Volumina:
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
winter 94-95
winter 95-96
frühj. 98 frühj 97 winter 96-97
winter 97-98
Zeiträume
Sed
imen
tatio
n/E
rosi
on
[cb
m]
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
winter 94-95
winter 95-96
frühj 98 frühj 97 winter 96-97
winter 97-98
Zeiträume
Se
dim
ent
atio
n/E
rosi
on
[cbm
]
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
winter 94-95
winter 95-96
frühj 98 frühj 97 winter 96-97
winter 97-98
Sed
imen
tatio
n/E
rosi
on [c
bm]
SEC 1
SEC 2
SEC 3
SEC 4
SEC 5
SEC 6
SEC 7
SEC 8
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
SEC 13
Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik der Windsituationen
GemesseneVolumina:
Berechnete Volumina:
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
17. Sep. 17. Okt. 16. Nov. 16. Dez. 15. Jan.
Zeit [d]
cm
Pegeldifferenz Barhöft- Neuendorf Winter 97-98
Aus-strom
Ein-strom
Vergleich mit gemessenen VoluminaBestimmung der wasserstandsinduzierten Ereignisse
Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf
Windbereinigte Pegeldifferenz
Barhöft-Neuendorf
Vergleich mit gemessenen VoluminaBestimmung der wasserstandsinduzierten Ereignisse
Statistik der windbereinigten Pegeldifferenzen - Winter 97-98
1
10
100
1000
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 35 40
Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf [cm]
Stu
nden
mes
swer
te
Statistik der windbereinigten Pegeldifferenzen - Winter 97-98
1
10
100
1000
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 35 40
Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf [cm]
Stu
nd
en
me
ssw
ert
e
Vergleich mit gemessenen VoluminaWasserspiegelstatistik Winter 97-98
Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik und Wasserspiegelstatistik
-50000.0
-40000.0
-30000.0
-20000.0
-10000.0
0.0
10000.0
20000.0
30000.0
winter 96-97Wind
winter 97-98Wind
Winter 96-97DIFF
Winter 97-98DIFF
Winter 96-97D&W
Winter 97-98D&W
Zeiträume
cbm
SEC 1
SEC 2
SEC 3
SEC 4
SEC 5
SEC 6
SEC 7
SEC 8
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
SEC 13-50000.0
-40000.0
-30000.0
-20000.0
-10000.0
0.0
10000.0
20000.0
30000.0
winter 96-97Wind
winter 97-98Wind
Winter 96-97DIFF
Winter 97-98DIFF
Winter 96-97D&W
Winter 97-98D&W
Zeiträume
cbm
SEC 1
SEC 2
SEC 3
SEC 4
SEC 5
SEC 6
SEC 7
SEC 8
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
SEC 13-50000.0
-40000.0
-30000.0
-20000.0
-10000.0
0.0
10000.0
20000.0
30000.0
winter 96-97Wind
winter 97-98Wind
Winter 96-97DIFF
Winter 97-98DIFF
Winter 96-97D&W
Winter 97-98D&W
Zeiträume
cbm
SEC 1
SEC 2
SEC 3
SEC 4
SEC 5
SEC 6
SEC 7
SEC 8
SEC 9
SEC 10
SEC 11
SEC 12
SEC 13
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
winter 96-97 winter 97-98
Se
dim
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tatio
n/E
ros
ion
[cb
m]
GemesseneVolumina:
Berechnete Volumina:
Zusammenfassung
• Die Versandungssensitivität der Rinnenabschnitte bezüglich Windsituationen und nicht windinduzierten Ein- und Ausstromereignissen kann aufgezeigt werden.
• Die Morphologie des Innenbereichs kann mittels Windstatistiken in Zeiträumen von bis zu ca. ½ Jahr mit linearer Superposition berechnet werden.
• Verbesserte Ergebnisse erhält man mit Berücksichtigung der wasserstandsinduzierten Ein- und Ausstromsituationen.
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