Die Trübungszone der Weser · (usa) A A A u A U A s A s d A d A d A d A d s s s S S u u u U U a A A = + + + = + + + = + Gesamt-Schwebstofftransport = ΣEulerscher Transport (1) +

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Die Trübungszone der WeserProzessverständnis und Überblick aktueller Untersuchungen

Dr. Frank KöstersBAW Kolloquium, 7. Oktober 2010

Seite 2Trübungszone der WeserWasserbau · Ästuarsysteme I (K2) · Frank Kösters · 7.10.2010

Überblick

• Einführung• Transportbestandteile im Überblick• Ergebnisse aus den Projekten

• „VarSed“ – Sedimentbeprobung• „Weser 2009“ – Oberwasserabhängigkeit der Trübungszone

• Zusammenfassung und Ausblick


Längsprofilfahrt durch die Trübungszone Einführung

AquaVision, interner Report (2009)Gemessene Schwebstoffkonzentration (18. Juni 2009)

Bremer-haven

Bremen [ mg/l ]


Untersuchungsansatz• Untersuchungen zur Trübungszone sind Teil des Arbeitsprogramms

„Feststofftransport in der Schlickstrecke“ der WSÄ Bremen & Bremerhaven

0100200300400

TU [N

TU]

UntersuchungsansatzProjekt „Weser 2009“

Messung – Wasserkörper ModellMessung – Boden

Einführung

Systemverständnis Modelluntersuchung Bewertung / Optimierung


Numerisches Modell des Weserästuars• Modellverfahren

• UnTRIM 2007 (Hydrodynamik, Salz- und Schwebstofftransport)

• SediMorph (Morphodynamik und Sedimenttransport)

• Gitterauflösung• Elementanzahl: > 61.500• Kantenlänge (Min – Median - Max)

• Außenweser: 35 m - 175 m - 845 m• Unterweser: 15 m - 60 m - 205 m

• Vertikale Schichtdicke Δz = 1 m

• Randbedingungen• Gemessene Wasserstandsänderungen am

Nordseerand• Gemessener täglicher Oberwasserabfluss• Energieeintrag durch Windschubspannung aus DWD

Prognosemodell

Gesamtes Modellgebiet und Gitternetzauflösung im Blexer Bogen

Einführung

0 51 2 3 4

km


Trübungszone – Beobachtete zeitliche Variabilität

• Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen• Tidezyklus• Spring-Nipp-Zyklus• saisonale

Schwankungen (Oberwasserabfluss, biologische Einflüsse)

• Einzelereignisse (Stürme, Hochwasser / Überschwemmung)

Einführung

nach Grabemann und Krause (2001)

Trübungsmessungen am Messpfahl Blexen (Weser-km 62,5)


Überblick





( ) ( )434214342143421434214342143421321

7654321

AddAddAAAAAAAA SUAsuASUASUAuSAsUAAsu +++⋅+⋅+⋅+=

• Quantitative Aufteilung des Gesamt-Schwebstofftransports in einzelne Transportbestandteile (Dyer, 1988):

Transportbestandteile im ÜberblickTransportbestandteile im Überblick

( )Aasu

AA uA

UA

sA

sd

dAdA

dAdA

SSsssUUuuu

AAa

+++=

+++=+=

Gesamt-Schwebstofftransport = Σ Eulerscher Transport (1) + Stokes drift (2) + „tidal pumping“ / Tideasymmetrien (3-5) + Ästuarine Zirkulation (6) + „Lag effects“ (7) + …


Gezeitenwirkung

(Spingat, 2000)

• Variabilität der Trübungszone der Weser auf intra-tidalen Zeitskalen bestimmt durch zyklische Resuspension, Advektion und Deposition mit der Ebbe- und Flutströmung (Lang et al. 1989, Grabemann und Krause, 1989)

Transportbestandteile im Überblick


Gezeitenwirkung

• Modellierter Schwebstoffgehaltes entlang der Richtfeuerlinie der Weser für mittlere Abflussverhältnisse

Transportbestandteile im Überblick Modell

Bhv.


Ästuarine Zirkulation

• Klassische Theorie der ästuarinen Zirkulation (Festa & Hansen, 1978): Stromauftransport von Sedimenten durch dichtegetriebene Restströmung

• Für die Weser nur von untergeordneter Bedeutung, ggf. relevant auf längeren (¥saisonalen) Zeitskalen (Lang, 1990)

(Dyer, 1988)



Salzgehalt10**-3

0 33. 9. 18.

0

-15

-30

mNN

Salzgehalt [ 10-3 ]

Salzgehalt10**-3

0 33. 9. 18.

mNN

adv. Rest-Salztransport (Mit)E+3 m**3/m**2

10E-04 10. 0.01 0.1 1.

0

-15

-30

mNN

adv. Rest-Salztransport [ 103 m3/m2 ]

km 40 km 60 km 80

0 9 18 33 Flutstrom

0

-15

-30

Salzgehalt [ 10-3 ]

Ebbestrom0 9 18 33

Tidemittel10-4 0.01 0.1 1 10

Ästuarine Zirkulation

• Ergebnisse des numerischen Modells[oben] Synoptische

Darstellung des Salzgehaltes bei Flutströmung

[mitte] Synoptische Darstellung des Salzgehaltes bei Ebbeströmung

[unten] Tidegemittelter advektiver Rest-Salztransport

Transportbestandteile im Überblick Modell

Bhv.


Tidal pumping• Stromauftransport von

Sedimenten durch „tidal pumping“

• Prozessbeschreibung: • Verformung der

Tidewelle stromauf im Ästuar (von 1 nach 3)

• kürzere, stärkere Flutströmung im Vergleich zur Ebbeströmung mobilisiert mehr Sediment


angepasst aus Spingat (2000)

vF

vE

Strömungsgeschwindigkeit

Wasserstand

See Land


Tidal pumping• Tiefenintegrierte

Strömungsgeschwindigkeiten: Ein Wechsel von Ebbestrom- zu Flutstromdominanz zeigt sich in der Unterweser nicht, im Bereich der Fahrrinne herrscht überwiegend Ebbestromdominanz vor.

• Verhältnis vfx:vex tiefenabhängig:Bei den hier dargestellten mittleren Abflussverhältnissen zeigt sich jedoch ein in der Vertikalen strukturiertes Verhalten, mit bodennaher Flutstromdominanz bis ca. W-km 70 (Bremerhaven CT I)

max. Flutstrom : max. Ebbestrom (Mit)-

0.5 1.5 1

mNN

max. Flutstrom : max. Ebbestrom [ - ]

0

-15

-30

km 40

Tidemittel

km 60 km 80


0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

40 50 60 70 80 90Weser - Kilometer

[ m/s

]

vfm vfx

vem vex

Modell

Bhv.


Gezeiten-Geschwindigkeitsasymmetrie

(Jay & Mussiak, 1994)

• Instabile Dichteschichtung bei Flutströmung, führt zu homogenerem Flutstrom im Vergleich zu einer stärker geschichteten Ebbeströmung

Bodennah stärkere Flut- als Ebbeströmung


Ue EbbestromgeschwindigkeitUf Flutstromgeschwindigkeit±A symmetrische Geschwindigkeitsverteilung Kzf vertikale Wirbeldiffusion (Flut)Kze vertikale Wirbeldiffusion (Ebbe)δ Ebbe-Flut-Asymmetrie

Ebbe Flut


Wirkung der Gezeiten-Geschwindigkeitsasymmetrie• Strömungs-

geschwindigkeitund Schwebstoff-gehalt aus ADCP Messungen bei Nordenham(Querprofil bei W-km 56,5) im Juni 2009

• Homogenerer Flutstrom und höherer resultierender Schwebstoff-gehalt sind deutlich sichtbar.


0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 4000

Strömungsgeschwindigkeit [ m/s ] Schwebstoffgehalt [ mg / l ]

Flut

strö

mun

gEb

best

röm

ung

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]

Querprofil [m] Querprofil [m]

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 40000 1000 2000 3000 4000

Strömungsgeschwindigkeit [ m/s ] Schwebstoffgehalt [ mg / l ]

Flut

strö

mun

gEb

best

röm

ung

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]

Querprofil [m] Querprofil [m]

Messung


Gezeiten-Vermischungsasymmetrie• Stabiler geschichteter

Ebbestrom verhindert turbulenten vertikalen Transport von Sedimenten bzw. reduziert die Transportkapazität

(Geyer, 1993)



Wirkung der Gezeiten-Vermischungsasymmetrie• Modellierte Tiefen-

Zeitreihe von Salzgehalt, Schwebstoffgehalt, Strömungs-geschwindigkeit und Salzdiffusion bei W-km 60

• Stabiler geschichteter Ebbestrom verhindert turbulenten vertikalen Transport von Sedimenten bzw. reduziert die Transportkapazität


.

.

.

.

.

.

.0..

.1000 0 m**2/s turbulente Wirbeldiffusivitaet

14.00 0 10**-3 Salzgehalt

g.8000 0 kg/m**3 Schwebstoffgehalt

1.600 0 m/s Stroemungsgeschwindigkeit

Zeit [ h ]0 3010 20

[ mNN ]0

-10

0

-10

0

-10

0

-10

.

.

.

.

.

.

.0..

.1000 0 m**2/s turbulente Wirbeldiffusivitaet

14.00 0 10**-3 Salzgehalt

g.8000 0 kg/m**3 Schwebstoffgehalt

1.600 0 m/s Stroemungsgeschwindigkeit

Zeit [ h ]0 3010 20

[ mNN ]0

-10

0

-10

0

-10

0

-10

Modell


Zwischenfazit

• Gezeitenwirkung bestimmt die intra-tidale Bewegung der Trübungszone• Stromauftransport von Sedimenten durch „tidal pumping“• Ästuarine Zirkulation selbst sekundär aber salzinduzierte Dichteunterschiede wichtig

für Veränderung der vertikalen Diffusion: Geschwindigkeits- und Vermischungsasymmetrien

• Quantitative Abschätzung der einzelnen Bestandteile steht noch aus aber für ein idealisiertes Ästuar zeigt sich eine relativ hohe Bedeutung der Geschwindigkeitsasymmetrie (Burchard und Baumert, 1998)



Überblick





Variabilität der Sedimente in der Trübungszone

Fragestellungen: • Wie unterscheiden sich die

Sedimente am Boden räumlich?

• Wie bildet sich die zeitliche Variabilität der Trübungszone in den Bodensedimenten ab?

Projekt VarSed – Variabilität von Sedimenten in der Trübungszone

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Weser - km

Sieb

durc

hgan

g [ %

]

Kies Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff

(Daten des WSA Bremerhaven)

Messung


Sedimentbeprobung• Sedimentproben zwischen W-km 55 bis W-km 74

mit van-Veen Greifer in 2009 an 68 Positionen ungefähr monatlich beprobt

Projekt VarSed – Variabilität von Sedimenten in der Trübungszone

(Daten des WSA Bremerhaven, Aufbereitung Bachelorarbeit K. Hennig)

Messung

Bremer-haven

Juni 2009

Juni 2009

September 2009

September 2009


Überblick





Oberwasserabhängigkeit der TrübungszoneMethods & Results: numerical modeling

10 20 30 40 50 60time [ days ](Modelldaten: UnTRIM 2004 & SediMorph)

Tidegemittelte Schwebstoffkonzentration

Modell

Bhv.


Oberwasserabhängigkeit der Trübungszone

Lage der Trübungszone aus Messungen

Vergleich Schwebstoffgehalt aus Modell (Linie) mit Trübungs-messungen(Punkte)

Reproduktion der Lage zufriedenstellend möglich

Projekt Weser 2009

0

200

400

600

800

1000

disc

harg

e [m

^3/s

] (a)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

SPM

con

cent

ratio

n [n

orm

.]

120 ± 20168320 ± 203501000 ± 1001000

(b)

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90distance [km]

ModellMessung

Bhv. (Kösters, Grabemann & Schubert, PECS, 2010)


Überblick





Zusammenfassung• Quantitative Abschätzung der einzelnen Transportbestandteile Weser steht noch aus,

qualitativ ist die Geschwindigkeitsasymmetrie („tidal velocity asymmetry“) von Bedeutung

• Veränderungen der hydrologischen Randbedingungen führen zu einer Verlagerung der Trübungszone und bilden sich auf Sedimenteigenschaften ab – bei Veränderungen durch wasserbauliche Maßnahmen Bewertung durch numerisches Modell

• Schwebstofftransport im Ästuar ist die Summe unterschiedlicher, Ästuar spezifischer Transportmechanismen. Die hohe Komplexität erfordert • sehr gut validierte Modelle • Messungen in der Natur

• Ausblick• Fortsetzung des Arbeitsprogramms „Feststofftransport in der Schlickstrecke“• Einsatz des neu validierten numerischen Modells in weiteren Projekten


[Burchard and Baumert 1998] H. Burchard and H. Baumert. The Formation of Estuarine Turbidity Maxima Due to Density Effects in the Salt Wedge. A Hydrodynamic Process Study. Journal of Physical Oceanography, 28:309–321, 1998.[Dyer 1988] K. R. Dyer. Fine Sediment Particle Transport in Estuaries. In Physical Processes in Estuaries. Springer-Verlag, 1988.[Festa and Hansen 1978] J. F. Festa and D. V. Hansen. Turbidity maxima in partially mixed estuaries: a two-dimensional numerical model. Estuarine Coastal Mar Sci, 7:347–359, 1978.[Geyer 1993] W. R. Geyer. The Importance of Suppression of Turbulence by Stratification on the Estuarine Turbidity Maximum. Estuaries, 16(1):113–125, 1993.[Grabemann and Krause 1989] I. Grabemann and G. Krause. Transport processes of suspended matter derived from time series in a tidal estuary. Journal of Geophysical Re-search, 94:14373–14379, 1989.[Grabemann and Krause 2001] I. Grabemann and G. Krause. On Different Time Scales of Suspended Matter Dynamics in the Weser Estuary. Estuaries, 24:688–698, 2001.[Jay and Musiak 1994] D. Jay and J. D. Musiak. Particle trapping in estuarine tidal flows. Journal of Geophysical Research, 99(C10):20445–20461, 1994.[Lang et al. 1989] G. Lang, R. Schubert, M. Markofsky, H.-U. Fanger, I. Grabemann, H. L. Krasemann, L. J. R. Neumann, and R. Riethmüller. Data Interpretation and Numerical Modeling of the Mud and Suspended Sediment Experiment 1985. Journal of Geophysical Research, 94:14381–14393, 1989.[Lang 1990] G. Lang. Zur Schwebstoffdynamik von Trübungszonen in Ästuarien. Bericht 26, Institut für Strömungsmechanik und Elektron. Rechnen im Bauwesen der Universität Hannover, 1990.[Spingat and Oumeraci 2000] F. Spingat and H. Oumeraci. Schwebstoffdynamik in der Trübungszone des Ems-Ästuars -Anwendung eines Analysekonzeptes für hoch aufgelöste und dauerhaft betriebene Gewässergütemessungen. Küste, 62:159–219, 2000.

Literaturverzeichnis

Documents

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