S C H E UNIVE G I BERGISCHE R E B T UNIVERSITÄT WUPPERTAL · Die vorliegende Aufgabenstellung zur Studienarbeit von Frau Leska Sauder greift obige Thematik auf und befasst sich mit

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BERGI S CHE

UNIVERSITÄT

WUPPERTAL

Aufstellung und Kalibrierung eines numerischen2-D-Modells zwecks Erstellung von

Pegel- Abflusskurven

Studienarbeit in der Vertiefungsrichtung Umwelttechnik

Erstellt von: Leska Sauder, Matr.-Nr. 526050

Betreut durch:

Obering. Dr.-Ing. Mario OertelLehr- und Forschungsgebiet Wasserwirtschaft und WasserbauInstitut fur Grundbau, Abfall- und Wasserwesen (IGAW)

Bergische Universitat Wuppertal

Oktober 2008

Kurzfassung

Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der Aufstellung und Kalibrie-rung eines numerischen 2-D-Modells mit dem Ziel der Erstellung von Pegel-Abflusskurven.

Die Bearbeitung der Aufgabenstellung erfolgt im Rahmen einer Untersu-chung der Bergischen Universitat Wuppertal im Auftrag des RuhrverbandesEssen. Aufgrund extremer Hochwasserereignisse im August 2007 im Einzugs-gebiet der Ruhr werden dabei die vorhandenen Abflusskurven an den Pegel-messstellen Wetter und Hattingen uberpruft und angepasst.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden die verwendeten Softwarepa-kete erlautert und allgemeine Informationen zu den Untersuchungsgebietenaufgezeigt. Die im zweiten Teil beschriebene Erstellung der Finite Elemen-te Stromungsnetze erfolgt mit dem Programm Surface-water Modeling Sy-

stem (SMS). Die Berechnungen fur die Kalibrierung der Simulationsmodellewerden mit dem Stromungsmodul HYDRO AS-2D durchgefuhrt. Die Ergeb-nisse der Modellerstellung und der Kalibrierungsschritte werden graphischaufbereitet.

Da die Aufgabenstellung lediglich die Aufstellung und Kalibrierung der Si-mulationsmodelle bedingt, wird im letzten Teil ein Ausblick auf den weiterenProjektverlauf gegeben, wobei die Vorgehensweise bei der Neuerstellung derPegel-Abflusskurven kurz beschrieben wird.

i

Abstract

The present thesis deals with the generation and calibration of a numerical2-D-Model with the objective of the creation of water gauge flow curves.

The processing of data is part of a project from the university of Wuppertalby order of the Ruhrverband Essen. The flow curves of the gauges Wetter andHattingen are analysed and adapted in consequence of extreme floodwatersat the Ruhr‘s drainage area from August 2007.

The first part of the thesis defines the used software packages. Furthermo-re general information about the investigation areas is given. In the secondpart the creation of a finite element mesh with the program Surface-water

Modeling System (SMS) is specified. Calibration calculations are done withthe module HYDRO AS-2D. The results of computer aided modelling andcalibration calculations are put into graphs.

Concluding a forecast of the project is given. In order to that, approachto the regeneration of gauge flow curves is described.

ii

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung i

Abstract ii

Inhaltsverzeichnis v

Abbildungsverzeichnis vi

Tabellenverzeichnis vii

1 Aufgabenstellung 1

I Einfuhrung/Allgemeiner Teil 2

2 Gesamtprojekt 3

3 Verwendete Software 53.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Surface-water modelling system (SMS) . . . . . . . . . . . . . 53.3 HYDRO AS-2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3.2 Programmgrundlagen nach Nujic [2] . . . . . . . . . . 63.3.3 FE-Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 Geographische Einordnung 104.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.1.1 Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.1.2 Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

iii

Inhaltsverzeichnis iv

II Modellerstellung 13

5 Datengrundlage 145.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2 Hydraulische Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.3 Geometrische Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

6 FE-Netzerstellung 176.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.2 Erstellung des Vorlandmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.3 Erstellung des Flussschlauches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.4 Zusammenfugen der Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.5 Uberprufung der Netzqualitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206.6 Zuweisung der Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

III Kalibrierung 22

7 Randbedingungen 237.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237.2 Rauheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237.3 Hydraulische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

7.3.1 Kontrollquerschnitte und Pegelpunkte . . . . . . . . . 25

8 Allgemeines zur Berechnung mit HYDRO AS-2D 268.1 Berechnungsparameter und Start der Berechnung . . . . . . . 268.2 Ausgabedateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

9 Kalibrierung 299.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299.2 Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299.3 Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

IV Ergebnisanalysen 33

10 Ergebnisdarstellung 3410.1 Endgultige Netzeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

11 Zusammenfassung, Bewertung, Ausblick 36

Literaturverzeichnis 37

Inhaltsverzeichnis v

V Anhang 39

A Abbildungen zu den 2-D-Modellen 40

B Kalibrierungsschritte Hattingen 45

C Kalibrierungsschritte Wetter 51

Abbildungsverzeichnis

3.1 Tiefengemittelte Fließgeschwindigkeiten, Quelle [4] . . . . . . . 7

4.1 Pegelmessstelle Wetter, Quelle [9] . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Luftaufnahme des Modellgebiets Hattingen, Quelle [7] . . . . . 124.3 Pegelanlage Hattingen, Quelle [9] . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.1 Vorhandene Abflusskurve Hattingen, Quelle [5] . . . . . . . . . 155.2 Vorhandene Abflusskurve Wetter, Quelle [5] . . . . . . . . . . 15

6.1 Gegebene Profile im Untersuchungsgebiet, links: Hattingen,rechts: Wetter, Quelle [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

9.1 Kalibrierung Hattingen, Vergleich zwischen 2-D-Modell undAbflusskurve 2007, Quelle [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

9.2 Kalibrierung Wetter, Vergleich zwischen 2-D-Modell und Ab-flusskurve 2007, Quelle [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

A.1 2-D-Modell Hattingen, Hohendaten, Quelle [5] . . . . . . . . . 41A.2 2-D-Modell Hattingen, Materialien, Quelle [5] . . . . . . . . . 42A.3 2-D-Modell Wetter, Hohendaten, Quelle [5] . . . . . . . . . . . 43A.4 2-D-Modell Wetter, Materialien, Quelle [5] . . . . . . . . . . . 44

vi

Tabellenverzeichnis

7.1 Anfangsrauheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

8.1 HYDRO AS-2D Ausgabedateien zum Einlesen in SMS . . . . 28

10.1 Endgultige Rauheitsbeiwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

B.1 1. Kalibrierungsschritt Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . 46B.2 2. Kalibrierungsschritt Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . 47B.3 3. Kalibrierungsschritt Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . 48B.4 4. Kalibrierungsschritt Hattingen (maßgebend) . . . . . . . . . 49B.5 5. Kalibrierungsschritt Hattingen . . . . . . . . . . . . . . . . 50

C.1 1. Kalibrierungsschritt Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52C.2 2. Kalibrierungsschritt Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53C.3 3. Kalibrierungsschritt Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54C.4 4. Kalibrierungsschritt Wetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55C.5 5. Kalibrierungsschritt Wetter (maßgebend) . . . . . . . . . . 56

vii

Seite 1 von 1

BERGISCHE UNIVERSITÄT WUPPERTAL

Lehr- und Forschungsgebiet Wasserwirtschaft und Wasserbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Schlenkhoff

Fachbereich D Abt.: Bauingenieurwesen

Institut für Grundbau, Abfall und Wasserwesen (IGAW)

Obering. Dr.-Ing. Mario Oertel Pauluskirchstrasse 7 42285 Wuppertal Tel.: 0202/439-4195 E-Mail: [email protected]

Aufgabenstellung zur Studienarbeit

von Frau cand.-Ing. Leska Sauder, Matr.-Nr. 526050

„Aufstellung und Kalibrierung eines numerischen 2-D-Modells zwecks Erstellung von Pegel-Abflusskurven“

Einführung und Motivation

Im Wasserbau finden vielfach numerische Modelle Verwendung. Insbesondere 1-D und 2-D Berechnungen

werden heutzutage als Standardwerkzeuge eingesetzt. In Bereichen, wo 1-D-Modelle an die

Machbarkeitsgrenze stoßen, liefern 2-D-Modelle wichtige Informationen der zweidimensionalen

Strömungscharakteristik. So können Rückstau- und Querströmungseffekte zu einer Beeinflussung von

Wasserspiegellagen (WSL) und Fließgeschwindigkeiten führen, welche nicht mehr mit einem 1-D-Modell

abbildbar sind.

Aufgabenstellung

Die vorliegende Aufgabenstellung zur Studienarbeit von Frau Leska Sauder greift obige Thematik auf und

befasst sich mit der Erstellung eines numerischen 2-D-Modells. Ziel ist die Bereitstellung von Abflusskurven der

Ruhrpegel in Wetter und Hattingen, welche aber nicht im Zuge der Studienarbeit zu erstellen sind. Die erstellten

Modelle sind in der Studienarbeit in Hinblick auf die WSL über die Rauheiten zu kalibrieren. Zudem ist ein nach

Absprache mit dem Betreuer entwickeltes Versuchsprogramm mit variierenden Abflüssen durchzuführen.

Die Arbeit ist in klassischer Form anzufertigen und wie folgt zu gliedern:

• Titel,

• Kurzfassung,

• Abstract,

• Einleitung,

• Modellbeschreibungen, insb. Modellerstellung,

• Kalibrierungsschritte,

• Ergebnisanalysen,

• Fazit, Zusammenfassung,

• Anhang.

Alle Modellerstellungsschritte, Kalibrierungen sowie Modellläufe sind in Absprache mit dem Betreuer

durchzuführen.

Die Kandidatin soll mit der Bearbeitung dieser Studienarbeit zeigen, dass sie eine Aufgabenstellung der Hydraulik

im Bauingenieurwesen fundiert bearbeiten kann. Dabei sind die Untersuchungen mit entsprechenden Grafiken

und Diagrammen zu unterstützen. Die Bearbeitung ist in enger Zusammenarbeit mit Herrn Obering. Dr.-Ing.

Mario Oertel durchzuführen und bis Ende Juli 2008 abzuschließen. Der Abgabetermin ist zwingend.

Wuppertal, 2008-06-14 (Dr.-Ing. M. Oertel)

Teil I

Einfuhrung/Allgemeiner Teil

2

Kapitel 2

Gesamtprojekt

Die Bearbeitung der Aufgabenstellung erfolgte im Rahmem einer Untersu-chung der Bergischen Universitat Wuppertal, die in der Uberprufung derAbflussverhaltnisse an den Pegeln Wetter und Hattingen bestand. Im Fol-genden soll die Intention dieser Untersuchung, sowie deren Arbeitsschrittekurz erlautert werden.

Bedingt durch sehr große Niederschlage im Einzugsgebiet der Ruhr im August2007 sind an den Pegeln außergewohnlich hohe Wasserstande beobachtet wor-den. Da Wasserstande dieser Großenordnung insbesondere im Sommerhalb-jahr in den letzten vier Jahrzehnten nicht aufgetreten sind, erforderten dieseUmstande eine Uberprufung und gegebenenfalls Korrektur der vorhandenenPegelablusskurven fur großere Wasserstande bzw. Abflusse.

Abflusskurven stellen die Beziehung zwischen Wasserstand h und Abfluss Qdar. Wahrend die Wasserstande dabei unmittelbar gemessen werden konnen,mussen die Abflusse in Abhangigkeit des jeweiligen Flussprofils an den Pe-geln berechnet werden. Sie basieren uber das gesamte Abflussspektrum aufdurchgefuhrten Kalibriermessungen von Abfluss und Wasserstand. Fur Was-serstande, die großer sind als die bisher beobachteten, werden die zughori-gen Abflusse durch Extrapolation der Abflusskurve mithilfe unterschiedli-cher Methoden ermittelt. Dazu konnen in besonderen Fallen auch erganzendnumerisch-hydraulische Berechnungen durchgefuhrt werden. Aufgrund ih-rer enormen wasserwirtschaftlichen Bedeutung wurden die Pegel in Wet-ter und Hattingen mit Hilfe solcher Simulationen im Juni/Juli 2008 vonder Bergischen Universitat Wuppertal uberpruft, wobei insbesondere auchVeranderungen im Bewuchs und der Flussmorphologie zu berucksichtigenwaren.Daruber hinaus war es nicht moglich die Abflusskurve aus der Extrapolation

3

Kapitel 2. Gesamtprojekt 4

der gemessenen Daten zu berechnen, da bei großerem Hochwasser nicht mehrvon einer gleichformigen Stromung im Pegelbereich und damit von einer pro-portionalen Zunahme der Wasserspiegelneigung mit dem Durchfluss ausge-gangen werden kann. Durch eine Ortsbegehung wurde des Weiteren festge-stellt, dass sowohl bei der Bewuchssituation als auch bei den morphologi-schen Randbedingungen unterhalb des Pegels sehr starke Veranderungen zuverzeichnen sind. Um der gepometrischen Komplexitat dieser Veranderungengerecht zu werden, die im eindimensionalen hydraulischen Modell nur nahe-rungsweise hatten abgeschatzt werden konnen, wurde eine zweidimensionaleBerechnung zur Uberprufung der Abflusskurven gewahlt [5].Die vorliegende Studienarbeit beschreibt die Erstellung und Kalibrierung desverwendeten numerischen 2-D-Modells.

Kapitel 3

Verwendete Software

3.1 Allgemeines

In diesem Kapitel werden die Softwarepakete erlautert. Zunachst wird dabeidas zur Erstellung des FE-Stromungsnetzes verwendete Programm Surface-Water Modelling System(SMS)beschrieben. Anschließend erfolgt die Erlaute-rung des zur Durchfuhrung der Berechnung herangezogenen Stromungsmo-duls HYDRO AS-2D.

3.2 Surface-water modelling system (SMS)

Surface-Water Modelling System (SMS) wird unter der Leitung der US-Amerikanischen Firma Environmental Modeling Systems, Inc. (http://www.ems-i.com) vertrieben und ist ein anwendungsorientiertes Softwarepaket zur ein-, zwei- und dreidimensionalen hydrodynamischen Oberflachenwassermodel-lierung [6]. SMS dient dem Pre- und Postprocessing bei der Berechnung vonWasserspiegellagen, Stromungen, Fließgeschwindigkeiten, Sedimenttranspor-ten und Schadstoffkonzentrationen in flachen Oberflachengewassern. Fur dieBerechnungen werden verschiedene Module herangezogen, wobei die vorlie-gende Arbeit lediglich auf die fur die beschriebene Modellerstellung relevan-te Software HYDRO AS-2D eingeht. Mit Hilfe von SMS wird zunachst imPreprocessing das fur das Berechnungsmodul erforderliche koordinatenori-entierte Knotenpunktnetz erstellt, durch welches das zu betrachtende Mo-dellgebiet in die fur die programminterne Berechnung benotigten Elementegeteilt wird. Die Erstellung dieses Finite-Elemente-Netzes wird in Kapitel6 detailliert erlautert. Daruber hinaus konnen durch Eingabe in SMS hy-draulische und geometrische Randbedingungen generiert und dem Berech-nungsmodul direkt zur Verfugung gestellt werden. Im Postprocessing, also

5

Kapitel 3. Verwendete Software 6

nach Durchfuhrung der Berechnung durch ein externes Programm, bestehtdie Moglichkeit einer umfangreichen graphischen Darstellung von Profilen,Querschnitten sowie weiteren aus der Berechnung resultierenden Ergebnis-sen wie beispielsweise Stromungsgeschwindigkeiten und Wasserstanden aufder Benutzeroberflache von SMS. Diese konnen sowohl vektoriell als auchdurch benutzerdefinierte farbliche Abstufung in Abhangigkeit der entspre-chenden Werte angezeigt werden. Daruber hinaus gibt es die Option die Er-gebnisse durch dynamische Animationssequenzen bestimmte Szenarien sehranschaulich zu visualisieren.Die Bearbeitung der Aufgabenstellung erfolgte mit der Version SMS V9.0(2006).

3.3 HYDRO AS-2D

3.3.1 Allgemeines

Fur die Berechnungen wurde das zweidimensionale Stromungsmodul HY-DRO AS-2D verwendet. Die Software wird seit 2003 von der Firma Hydrotec- Ingenieurgesellschaft fur Wasser und Umwelt mbH mit Hauptsitz in Aachenvertrieben. Sie wurde ursprunglich an der Bundeswehr-Universitat Munchenvon Dr.-Ing. Marinko Nujic fur die Berechnung von Dammbruch- und Flut-wellenausbreitungen entwickelt, wird aber auch fur allgemeine zweidimensio-nale Stromungssimulationen erfolgreich eingesetzt [3]. HYDRO AS-2D findetausschließlich Verwendung bei der zweidimensionalen Simulation von Ge-bieten, in denen die vertikalen Geschwindigkeitskomponenten vernachlassigtwerden konnen, da die Fließgeschwindigkeit im Gegensatz zur komplexerenund damit wesentlich aufwandigeren dreidimensionalen Simulation uber dieTiefe gemittelt wird.Die Eingabedateien, die HYDRO AS-2D fur die Berechnung benotigt, werdendirekt von SMS als Ausgabedateien der FE-Netzerstellung zur Verfugung ge-stellt und die vom Rechenkern erzeugten Ergebnisdateien konnen im Rahmendes Post-Processings ohne weitere Bearbeitung in SMS importiert und aufder Benutzeroberflache wie in Abschnitt 3.2 beschrieben visualisiert werden.Bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung fand die Programmversion V2.2Anwendung.

3.3.2 Programmgrundlagen nach Nujic [2]

Wie bereits in Abschnitt 3.3 erlautert werden die Fließgeschwindigkeiten inder zweidimensionalen Simulation uber die Tiefe gemittelt. Diese Vereinfa-


chung ist insofern moglich und fuhrt nur zu geringen Ungenauigkeiten im Ge-gensatz zur dreidimensionalen Simulation, als in naturnahen Fließgewasserndie Wassertiefen im Verhaltnis zu den Gewasserbreiten oft sehr gering sind, sodass vertikale Geschwindigkeitskomponenten vernachlassigt werden konnen(vgl. Abbildung 3.1).Als Grundlage fur diese Annahme bzw. allgemein fur die von der Softwa-

Abbildung 3.1: Tiefengemittelte Fließgeschwindigkeiten, Quelle [4]

re durchgefuhrte, zweidimensionale mathematische Modellierung sowohl vonStromungsvorgangen in naturlichen Fließgewassern als auch fur die Was-serspiegellagenberechnung und Flutwellenausbreitung dienen die, auch alsFlachwassergleichungen (FWG) bekannten, 2d-tiefengemittelten Stromungs-gleichungen von Abbott. Diese entstehen durch die Integration der dreidi-mensionalen Kontinuitatsgleichung und der Reynolds- bzw. Navier-Stokes-Gleichungen fur inkompressible Fluide uber die Wassertiefe und unter An-nahme einer hydrostatischen Druckverteilung (nach Pironneau)[2].


In kompakter Vektorform lauten die 2d- Stromungsgleichungen nach Tanund Nujic [2]:

∂w

∂t+

∂f

∂x+

∂q

∂y+ s = 0 (3.1)

mit:

w =

Huhvh

und f =

uhu2h + 0.5gh2

− vh ·

∂u∂x

vh

Hierbei entspricht H=h+z dem Wasserspiegel uber einem Bezugsniveau, uund v bezeichnen die Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-Richtung.Der Quellterm s impliziert das Reibungsgefalle IR , sowie die Sohlneigung IS.

Um die Losung der Flachwassergleichungen zu ermoglichen ist es unabding-bar Anfangs- und Randbedingungen zu spezifizieren. Die so definierten Rand-bedingungen sollten aus praktischer Sicht zwar einfach, dennoch aber ausrei-chend genau und vor allem sehr stabil sein [2]. Prinzipiell ist es erforderlichdie Randbedingungen uber den gesamten Rand des Berechnungsnetzes zuspezifizieren, wobei eine Unterscheidung zwischen offenen und geschlossenenRandern vorzunehmen ist:Bei den so genannten Geschlossenen Randern kann die Stromung nur parallelzum Rand verlaufen, die senkrechte Geschwindigkeitskomponente ist gleichnull und diese Rander werden infolgedessen nicht durchstromt. Fur alle nichtals Zu- oder Auslauf spezifizierten Rander erfolgt eine vom Programm auto-matisierte Definition als geschlossene Rander.Im Gegensatz zu diesen werden die so genannten Offenen Rander durch-stromt. Im Wesentlichen handelt es sich bei diesen um die Zu- und Aus-laufrander. Als Randbedingung im Zulaufbereich werden der zeitabhangigeDurchfluss, sowie die Fließrichtung festgelegt. Die sich dort einstellende Was-sertiefe wird durch Interpolation aus dem Inneren des Gebiets ermittelt. AmAuslaufrand wird der Wasserstand in Abhangkeit des Abflusses vorgegeben.Allerdings besteht daruber hinaus auch die Moglichkeit das Sohlgefalle odereine Abflusskuve in Abhangkeit eines Wehres zu definieren. Sowohl am Zu-als auch am Auslaufrand ist laut Benutzerhandbuch darauf zu achten, dieseeinige hundert Meter außerhalb des tatsachlich zu untersuchenden Gebietes


in den Ober- bzw. Unterstrom anzuordnen, um mogliche Storungen und Un-genauigkeiten durch die Vorgabe der Randbedingungen zu vermeiden. DesWeiteren ist zu erwahnen, dass die Berechnungen mit HYDRO AS-2D auf in-stationarer Basis durchgefuhrt werden, was auch eine instationare Definitionder Randbedingungen erforderlich macht.

3.3.3 FE-Netz

Zur Durchfuhrung der Berechnungen benotigt HYDRO AS-2D ein linearesFinite-Elemente-Netz, wahrend andere Programmmodule eine quadratischeNetzform fur ihre Berechnungen voraussetzen. Es werden laut Nujic [2] ver-schiedene Qualitatsanforderungen an das erzeugte Finite-Elemente-Netz ge-stellt, um eine moglichst hohe Genauigkeit der Berechnungen gewahrleistenzu konnen. Zum einen sind schmale Elemente mit kleinen Winkeln zu vermei-den, zum anderen ist darauf zu achten, dass die maximal zulassige Anzahlvon zehn Elementen, die an einem Knotenpunkt angeschlossen sind, nichtuberschritten wird. Diese fur die numerische Berechnung ungunstigen Ele-mente konnen uber eine Prufoption in SMS farbig markiert und korrigiertwerden, um dadurch auftretende Fehler in der spateren Berechnung zu ver-meiden. Die Uberprufung erfolgt nach Erstellung des Finite-Elemente-Netzesunmittelbar vor dem Beginn der Berechnung mit HYDRO AS-2D.

Kapitel 4

Geographische Einordnung

4.1 Allgemeines

Die Ruhr entspringt in einer Hohe von 674 m u.N.N. bei Winterberg im Sau-erland und mundet nach einer Strecke von 219 km Flusslauf bei Duisburgin den Rhein. Das Einzugsgebiet der Ruhr umfasst 4485 km2 , der mittlereAbfluss betragt 80m3/s. Trotz des verhaltnismaßig kleinen Einzugsgebieteskommt der Ruhr eine herausragende wasserwirtschaftliche Bedeutung zu, dasie Haushalte, Gewerbe- und Industriebetriebe im rechtsrheinisch gelegenenTeil des Ruhrgebietes und im Sauerland mit Trink- und Brauchwasser ver-sorgt [8]. Uber 20 Wasserwerke im Ruhrtal versorgen dabei insgesamt etwa5,2 Millionen Menschen mit Trinkwasser.Aufgrund dieser Tatsachen ist die durch den Ruhrverband als zustandigemWasserwirtschaftsverband durchgefuhrte Arbeit von fundamentaler Bedeu-tung. Durch den Bau und Betrieb von Talsperren gewahrleistet der Ruhr-verband, dass die Ruhr das ganze Jahr uber genug Wasser fuhrt, um diewasserwirtschaftliche Versorgung des Ruhrgebietes garantieren zu konnen.Zu diesem Zweck werden kontinuierliche Kontrollen an insgesamt 23 Pegelnim Flusslauf durchgefuhrt, zu denen auch die Pegel in Wetter und Hattingengehoren [9].

10

Kapitel 4. Geographische Einordnung 11

4.1.1 Wetter

Die Stadt Wetter an der Ruhr gehort zum Ennepe-Ruhr-Kreis und liegt imsudostlichen Ruhrgebiet.Wetter hat derzeit etwa 28.600 Einwohner auf einer Flache von 31,47 km2

[10]. Die Pegelanlage Wetter (vgl. Abbildung 4.1) liegt bei Flusskilometer79,742 oberhalb der Flussmundung. Das numerische 2D-Modell (vgl. Kapitel6) fur den Bereich Wetter erstreckt sich von Flusskilometer 74,181 (untererModellrand) bis zum Kilometer 82,139 (oberer Modellrand) [5].

Abbildung 4.1: Pegelmessstelle Wetter, Quelle [9]

4.1.2 Hattingen

Hattingen gehort ebenfalls zum Ennepe-Ruhr-Kreis und liegt im sudlichenRuhrgebiet wie Wetter direkt an der Ruhr. Auf einer Flache von 71,39 km2

leben hier etwa 56.600 Menschen [10]. Die Ruhr verlauft in diesem Gebietin einer charakteristisch geformten Schleife, dem so genannten Isenbergbo-gen [7].Der untersuchte Abschnitt des Flusses zeichnet sich insbesonderedurch die hohe Anzahl der Buhnen aus, die der Flussregulierung dienen

Kapitel 4. Geographische Einordnung 12

sollen. Sie spielen aufgrund ihrer hohen Rauheit bei der spateren Modell-kalibrierung (vgl. Teil 3) eine entscheidende Rolle. Abbildung 4.2 zeigt eineLuftbildaufnahme des Modellgebiets. Die Pegelanlage, die in Abbildung 4.3dargestellt ist, liegt 55,807 km oberhalb der Flussmundung.Das numerische2D-Modell fur den Bereich Hattingen reicht von Flusskilometer 51,460 biszum Kilometer 56,791 [5].

Abbildung 4.2: Luftaufnahme des Modellgebiets Hattingen, Quelle [7]

Abbildung 4.3: Pegelanlage Hattingen, Quelle [9]

Teil II

Modellerstellung

13

Kapitel 5

Datengrundlage

5.1 Allgemeines

Im folgenden Kapitel wird die Datengrundlage, die zur Erstellung des nume-rischen Modells verwendet wurde, naher erlautert. Die zunachst beschriebe-ne hydraulische Datengrundlage war insbesondere fur die Kalibrierung desModells erforderlich, wahrend die geometrischen Daten Grundlage fur dietatsachliche Modellerstellung waren.

5.2 Hydraulische Datengrundlage

Da das Ziel der durchgefuhrten Untersuchungen darin bestand, die Abflussku-ven fur die Pegel Wetter und Hattingen zu uberprufen, sowie an die Hoch-wasserereignisse von 2007 angepasste Abflusskurven zu erstellen, dienten diebisher vom Ruhrverband verwendeten Abflusskurven als grundlegende Da-ten. In den Abbildungen 5.1 und 5.2 sind diese fur beide Pegel dargestellt.Verwendet wurden eine Abflusskurve aus dem Jahr 2000 und eine bereits andie Ereignisse angepasste von 2007, die ruckwirkend zum 01.11.2006 Anwen-dung fand.

Die in der Abbildung deutlich erkennbaren Diskrepanzen zwischen den bei-den Pegeln sind darauf zuruckzufuhren, dass die Abflusskurve von Wetter imoberen Bereich zu steil verlauft und damit zu einer fehlerbehafteten Ermitt-lung der Durchflusse fuhrt [5].

14

Kapitel 5. Datengrundlage 15

0 200 400 600 800 1000 12000

100

200

300

400

500

600

700

Abfluss Hattingen Q [m3/s]

Pegels

tand H

attin

gen h

[cm

]

AK Nr. 29, 2000

AK Nr. 30, 2007

Abbildung 5.1: Vorhandene Abflusskurve Hattingen, Quelle [5]

0 200 400 600 800 1000 12000

100

200

300

400

500

600

700

Abfluss Wetter Q [m3/s]

Pegels

tand W

etter h [cm

]

AK Nr. 11, 2001

AK Nr. 12, 2007

Abbildung 5.2: Vorhandene Abflusskurve Wetter, Quelle [5]

5.3 Geometrische Datengrundlage

Bei den geometrischen Daten ist eine Unterscheidung zwischen den Profilda-ten der Ruhr fur die Erstellung des Flussschlauchnetzes und den Daten, diefur das Vorlandmodell verwendet wurden, zu unterscheiden.Letzteres basiert auf einem Rastermodell (DGM5), das anhand der Rohda-ten einer Laserscannung erstellt und vom Land NRW zur Verfugung gestelltwurde. Im Bereich des Flussschlauchs konnte dieses Rastermodell nicht ver-wendet werden, da bei der Laserscannung die Wasseroberflache und nichtdie Flusssohle aufgenommen wird, was dazu fuhrt, dass die Rasterdaten indiesem Bereich deutlich zu hoch liegen [5]. Als Konsequenz daraus wurde dasRastermodell lediglich fur die Erstellung des Vorlandes verwendet. WeitereAbweichungen der Daten ergeben sich in Gebieten mit starkem Bewuchs, dadie Daten aus der Laserscannung dort nicht ausgewertet, sondern uber ne-

Kapitel 5. Datengrundlage 16

benliegende Daten in das Profil interpoliert werden. Bei der Erstellung desnumerischen Modells sind diese Ungenauigkeiten in Form von Bruchkantenzu berucksichtigen.Im Bereich des Flussschlauches, dessen genaue Modellierung fur die Berech-nung von fundamentaler Bedeutung ist, wurden verschiedene Profildaten derRuhr verwendet. Die dem Hochwasseraktionsplan Ruhr 2002 entnommenenProfile wurden dabei von durch den Ruhrverband durchgefuhrten, aktuellenADCP Kontrollmessungen erganzt. Dass bei den neuen Messungen teilweiseenorme Diskrepanzen zu den Daten aus dem Hochwasseraktionsplan festge-stellt wurden, fuhrte zu erneuten Messungen, die die aktuellen Messdatenbestatigten. Im numerischen Modell wurden daher im Bereich der Pegel dieneu aufgemessenen Profildaten des Ruhrverbandes verwendet.

Kapitel 6

FE-Netzerstellung

6.1 Allgemeines

In diesem Kapitel wird die Erstellung und Diskretisierung des Finite-Elemente-Stromungsnetzes (FE-Netz) mittels SMS erlautert. Zur Bearbeitung der Auf-gabenstellung wurden zwei separate Modelle fur die Bereiche Hattingen undWetter angefertigt. Da die Arbeitsschritte fur beide Modelle weitesgehendidentisch sind, wird im Folgenden die allgemeine Vorgehensweise ohne Spe-zifizierungen fur die einzelnen Modelle dargestellt.

6.2 Erstellung des Vorlandmodells

Da die Berechnungen mit dem Rechenkern HYDRO AS-2D erfolgen sollen,wird im ersten Schritt eine Vorlage des Formats .2dm in SMS eingeladen,die dazu fuhrt, dass in der Menuleiste der Benutzeroberflache der Modell-name

”HYDRO AS-2D“ als eigener Menupunkt erscheint. Hier werden nach

der Modellerstellung die Berechnungsparamter definiert, um die Dateien zuerzeugen, die das Stroumgsmodul fur die Durchfuhrung der numerischen Be-rechnung benotigt.Zur Generierung des Vorlandmodells werden zunachst die Daten aus demRastermodell (vgl. Abschnitt 5.3) aus zuvor erstellten .xyz-Dateien in SMSeingelesen. Es entsteht ein Hohenmodell mit globalem Koordinatensystem.Da die Große des FE-Netzes bzw. die Anzahl der enthaltenen Knoten, diedie spatere Berechnungsdauer wesentlich beeinflussen, werden im nachstenSchritt uber die SMS-Funktion Nodes/find die Punkte ausgewahlt und mar-kiert, die oberhalb einer definierten Hohe liegen und insofern keine Relevanzfur die Berechnung haben, als sie keinen Einfluss auf die Stromungssimulationnehmen. Durch dieses Vorgehen wird das FE-Netz fur schnelle Rechenzeiten

17

Kapitel 6. FE-Netzerstellung 18

optimiert. Der so entstandene in seiner Form fur jedes Modell charakteri-stische Ausschnitt ist die Grundlage fur die weitere Netzgenerierung. Nach-dem nur noch die relevanten Knotenpunkte vorhanden sind wird das Gebiettrianguliert. Das bedeutet, dass die einzelnen Knotenpunkte uber die SMS-Funktion Elements/triangulate verbunden und so zu Elementen zusammengeschlossen werden. Durch die automatische Verknupfung entstehen insbe-sondere in den Randbereichen des Modells sehr lange, flache Dreiecke, diein der spateren Berechnung zu Instabilitaten fuhren konnen [1]. Sie werdenmit Hilfe eines Auswahlwerkzeuges markiert und geloscht. Daruber hinauskann die Anzahl der Elemente und damit die spatere Rechenzeit reduziertwerden, indem uber den Befehl Elements/Select Thin Triangles spitze Drei-ecke geloscht, sowie mit Elements/Merge Trianglealle uberflussigen Untertei-lungen entfernt werden.

Zur Visualisierung von Fixpunkten in den Modellen, sowie fur die Erleich-terung bei der spateren Zuordnung von Rauheiten werden Luftbildaufnah-men (Orthofotos) der Modellgebiete im Map Modul hinterlegt. Fur die Geo-Referenzierung dieser Bilder wurden vom Ruhrverband zur Verfugung ge-stellte .tfw-Dateien verwendet [5]. In Abbildung 6.1 sind die Ausschnitte derOrthofotos nach Zuordnung der Flussprofile dargestellt.

Abbildung 6.1: Gegebene Profile im Untersuchungsgebiet, links: Hattingen,rechts: Wetter, Quelle [5]

6.3 Erstellung des Flussschlauches

Die sorgfaltige Erstellung des Flussschlauches ist von fundamentaler Bedeu-tung fur die Genauigkeit der spateren Berechnungen. Er wird zunachst un-


abhangig vom Vorlandmodell extern generiert und anschließend mit diesemzusammengefugt (vgl. Abschnitt 6.4). Zunachst werden die vorhandenen Pro-fildaten sowie die Orthofotos in SMS eingelesen (vgl. Abbildung 6.1). DieErstellung des Flussschlauchmodells erfolgt in Fließrichtung der Ruhr. Da-zu werden jeweils zwei Profile miteinander verbunden. Ausgewahlte Profil-punkte, sowie dazwischen liegende Hohenpunkte werden uber Knotenpunkt-ketten, so genannte Nodestrings mittels des SMS-Werkzeuges Create Node-stringverbunden. Die Nodestrings verlaufen sowohl entlang der Querprofileinnerhalb des Flusslaufes als auch entlang der Uferlinie. Wenn entlang dieserLinie keine entsprechenden Hohenpunkte gegeben sind, konnen durch Inter-polation der Hohen erganzende Zwischenpunkte erstellt werden. Jeweils vierNodestrings bilden einen Abschnitt zwischen zwei Querprofilen. Nachdemdiese erzeugt worden sind, werden sie mittels eines Auswahlwerkzeuges mar-kiert. Uber die Funktion Elements/Rectangular Patch kann die Große derElemente, die den Flussschlauch abbilden, festgelegt werden. Entsprechendden Empfehlungen des HYDRO AS-2D-Benutzerhandbuches [2] wird fur dieeinzelnen Elemente ein Verhaltnis von Lange zu Breite von 3:1 gewahlt.Fur beide Modelle wird in Abhangigkeit der Gewasserbreite, sowie der Mo-delllange von ca. 5,4 km (Hattingen) bzw. ca. 7,9 km (Wetter) mit einerElementgroße von 12 x 4 Metern gearbeitet. Diese Abmessungen werden furdie durchgefuhrten Untersuchungen als ausreichend erachtet, zumal eine fei-nere Diskretisierung die Anzahl der Elemente erhohen und damit auch dieRechenzeit verlangern wurde. Bei der Erstellung der weiteren Abschnitte istdarauf zu achten, dass der bereits erstellte Nodestring am jeweiligen Anfangs-profil integriert und seine Punktanzahl im Dialogfenster zur Festlegung derElementgroße nicht verandert wird. Das ist erforderlich, um eine Anbindungdes neu erstellten Abschnittes an das bereits vorhandene Flussschlauchnetzzu gewahrleisten [1]. Nachdem die Generierung des Flussschlauches abge-schlossen, erfolgt die im folgenden Abschnitt beschriebene Verknupfung mitdem Vorlandnetz.

6.4 Zusammenfugen der Netze

Im letzten Schritt der Erstellung des FE-Netzes werden das Vorlandnetzund der extern erstelle Flussschlauch miteinander verknupft. Dazu musszunachst im Vorlandmodell der Bereich des Flussschlauches ausgeschnit-ten werden, indem grob die entsprechenden Elemente markiert und geloschtwerden. Anschließend wird die zuvor erstellte Flussschlauchdatei eingefugt.Zwischen Vorland und Fluss entsteht so ein Freiraum. Dieser kann manu-ell durch Erzeugung von einzelnen neuen Elementen mittels Verbindung der


Knotenpunkte geschlossen werden. Alternativ zu diesem Vorgehen, das inBereichen komplizierter Vermaschung empfohlen wird, besteht die Moglich-keit die Zwischenraume wie im Abschnitt 6.3 erlautert durch das Erzeugenvon Nodestrings mittels der SMS-Funktionen Elements/Rectangular Patchbzw. Elements/Triangular Patchzu schließen. Nach Abschluss dieser Ver-knupfung konnen nicht angeschlossene Knotenpunkte uber Nodes/Select Dis-jointmarkiert und geloscht werden. Eine Verbesserung der Netzqualitat kannnach Abschluss der Verknupfung mit Hilfe der SMS-Tools Swap Edges undSplit/Merge erfolgen. Dabei werden zu große Elemente geteilt bzw. die Ori-entierung der Maschenverbindung innerhalb eines Vierecks umgedreht. Ab-bildungen der fertig gestellten 2-D-Modelle sind in Anhang A dargestellt.

6.5 Uberprufung der Netzqualitat

Nachdem die Bearbeitung des FE-Netzes abgeschlossen ist, wird –wie bereitsin Abschnitt 3.3.3 erlautert– die Qualitat des Stromungsnetzes bezuglich zugroßer (großer als 105 Grad) bzw. zu kleiner (kleiner als 5 Grad) Winkel,sowie der Anzahl, der an einem Knotenpunkt angeschlossenen Elemente –moglich sind maximal 10–, uberpruft. Diese Kontrolle erfolgt mittels derFunktion Mesh Quality. Die Elemente, die die angegebenen Kriterien nichterfullen und insofern ungunstig fur die numerische Berechnung waren, werdenfarbig markiert und konnen gezielt korrigiert werden. Fur die Korrektur gibtes abhangig von der Art des Fehlers verschiedene Moglichkeiten. So konnenKnotenpunkte geloscht, erganzende Knotenpunkte eingefugt oder stumpfeDreiecke mittels Split/Merge in zwei unabhangige Dreiecke geteilt werden.

6.6 Zuweisung der Materialien

Fur die Berechnung ist es erforderlich Gebiete innerhalb des numerischen 2d-Modells bezuglich ihrer Rauheiten zu differenzieren. Dazu konnen uber dieFunktion Edit/Materials Data Materialtypen definiert werden. Außerdem isthier eine Anpassung der graphischen Darstellung fur die einzelnen Materiali-en im Modell moglich. Bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung erfolgte dieZuordnung der Materialtypen, die Tabelle 7.1 zu entnehmen sind, mit Hil-fe der hinterlegten Orthofotos. Nach Auswahlen aller Elemente werden diesezunachst uber den Befehl Elements/Assign Material Type mit der Hauptnut-zungsart –bei beiden Modellen

”Wiese“– belegt. Zur weiteren Differenzierung

einzelner Flachen konnen diese entweder durch Anklicken einzelner Elemen-te oder uber Edit/Select with Poly als Polygonzug ausgewahlt werden. An-


schließend erfolgt wie oben beschrieben die Zuordnung des entsprechendenMaterialtyps. Eine Darstellung der Materialien in den Modellgebieten bietendie Abbildungen A3 und A4.

Teil III

Kalibrierung

22

Kapitel 7

Randbedingungen

7.1 Allgemeines

Um realistische Stromungsverhaltnisse modellieren zu konnen ist eine sorgfalti-ge Kalibrierung unabdingbar. Die Kalibrierung des numerischen 2-D-Modellsbzw. des Flussschlauchnetzes wird uber die Variation der Rauheiten anhandvon ausgewahlten Niedrig- und Normalwasserereignissen vorgenommen. AlsVergleichswerte dienen dabei die in diesen Abflussbereichen als zuverlassigangesehenen Werte der Abflusskurven von 2007 an den Pegeln Wetter undHattingen, sowie die in einem vorhandenen 1D-Modell ermittelte Wasser-spiegellage. Zur Visualisierung der Ergebnisse wurde ein von Dr.-Ing. MarioOertel an der Bergischen Universitat entwickeltes Tool mit Benutzerober-flache verwendet.

7.2 Rauheiten

Den definierten Materialtypen (vgl. Abschnitt 6.6) werden fur die Durchfuhrungder Berechnung Rauheitsbeiwerte nach Strickler (kSt-Werte) zugewiesen. Die-se werden auf der SMS-Oberflache mittels HYDRO AS-2D/Material Proper-ties definiert. Bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung wurden 13 (ModellHattingen) bzw. 11 (Modell Wetter) verschiedene Materialtypen zugewiesen.Diese sind mit ihren festgelegten Anfangsrauheitsbeiwerten in Tabelle 7.1dargestellt.

23

Kapitel 7. Randbedingungen 24

Tabelle 7.1: AnfangsrauheitenMaterialtyp Rauheitsbeiwert kSt[m

1/3s−1]

Wiese 35,00Felder bewachsen 15,00Buhnen 40,00Flussschlauch unten 40,00Flussschlauch mitte 40,00Flussschlauch oben 40,00Sohlrampe 35,00Stillwasser 100,00Uferboschung 40,00Versiegelung 65,00Wald 10,00Bewuchs stark 15,00Wiese grob 30,00

7.3 Hydraulische Randbedingungen

Als hydraulische Randbedingungen werden der Zufluss im Oberwasser (Obe-rer Modellrand) und der Ausfluss im Unterwasser (unterer Modellrand) de-finiert. Dabei ist –wie bereits im Kapitel 3.3.2 erlautert– darauf zu achten,dass sich diese Rander in ausreichendem Abstand zum tatsachlich zu un-tersuchenden Gebiet befinden, damit die Stromung sich auf der Fließstreckeentwickeln kann. Dadurch werden durch die angegebenen Randbedingungeneventuell entstehende Fehler eliminiert.Um die Randbedingungen definieren zu konnen mussen zunachst mit der inKapitel 6 konstatierten Vorgehensweise Nodestrings an den entsprechendenRandern erzeugt werden. Diese werden anschließend einzeln markiert. Uberden Befehl HYDRO AS-2D/Assign BC1 konnen mittels eines Dialogfenstersverschiedene Parameter definiert werden. Dabei wird zunachst zwischen Zu-und Auslauf unterschieden. Als Zulaufrandbedingung wird der Durchflussam oberen Modellrand angegeben. Der Durchfluss Q [m3/s] wird hier tabel-larisch in Form einer Zuflussganglinie in Abhangigkeit einzelner Zeitschritteangegeben. Um einen stationaren Zufluss zu erreichen, wird die Zuflussgangli-nie linear bis auf den gewunschten stationaren Endwert erzeugt. Dieser Wertwird auch fur den letzten Zeitschritt angegeben und damit konstant gehalten,da eine lineare Interpolation zwischen den eingetragenen Zeitschritten er-

1BC bedeutet Boundary condition, also Randbedingung

Kapitel 7. Randbedingungen 25

folgt. Im Gegensatz dazu wird die Ausflussrandbedingung als Wasserstands-Abfluss-Beziehung uber ein Wehr erzeugt. Dazu werden wiederum in einerTabelle die Wasserspiegellagen fur verschiedene Durchflusse erzeugt. Aller-dings ist aufgrund der Entfernung des Auslaufrandes zu den untersuchtenPegelstandorten ohnehin davon auszugehen, dass sich kein Einfluss aus derangegebenen Randbedingung ergibt [5].

7.3.1 Kontrollquerschnitte und Pegelpunkte

Abgesehen von den hydraulischen Randbedingungen werden im Flusslaufweitere Nodestrings an den Pegelmessstellen erzeugt. Diese werden als so ge-nannten Kontrollquerschnitte deklariert. Mit Hilfe dieser Querschnitte kannnach Abschluss der Berechnungen anhand der HYDRO AS-2D Ausgabeda-tei Q Strg.dat uberpruft werden, wieviel Wasserzufluss in einem bestimmtenZeitschritt vorhanden, wann also ein stationarer Fließzustand erreicht ist.In beiden numerischen Modellen wurde an der jeweiligen Pegelmessstelle einsolcher Kontrollquerschnitt eingefugt. Daruber hinaus wurden in regelmaßi-gen Abstanden –etwa alle 100m– uber den gesamten Flusslauf so genanntePegelpunkte definiert. Dazu sind einzelne Knotenpunkte mithilfe eines Aus-wahlwerkzeuges zu markieren und wiederum uber den Befehl HYDRO AS-2D/Assign BC als Pegelpunkt zu deklarieren. Diese Pegelpunkte zeichnendie Wasserstande an den entsprechenden Flusslaufstellen wahrend der Si-mulation auf. Sie konnen der Ausgabedatei Pegel.dat entnommen und zurErstellung der Wasserspiegellage verwendet werden.

Kapitel 8

Allgemeines zur Berechnungmit HYDRO AS-2D

8.1 Berechnungsparameter und Start der Be-

rechnung

Um nach Definition der entsprechenden Randbedingungen (vgl. Kapitel 7)die Berechnung zu starten, werden zunachst uber das Menu HYDRO AS-2D/Global Paramters die Berechnungsparameter timestep und Total timeangegeben. Timestep definiert den Zeitschritt in dem die Zuflussganglinie ein-gelesen und der Abfluss an den Kontrollquerschnitten ausgeschrieben wird,wahrend uber die Eingabe Total time die Gesamtzeit der Berechnung an-gegeben wird. Dabei ist es vor allem fur eine quasi stationare Berechnungentscheidend, die Gesamtzeit der Berechnung ausreichend lang zu wahlen,um zu gewahrleisten, dass sich tatsachlich ein stationarer Fließzustand imSystem einstellen kann. Ab welchem Zeitschritt dieser Zustand erreicht ist,kann –wie in Abschnitt 7.4 erlautert– den entsprechenden HYDRO AS-2DAusgabedateien entnommen werden.

Nachdem die Eingabe der Berechnungsparamter abgeschlossen ist, wird dieBerechnung gestartet. Allerdings sollte das gesamte Netz vorher umnumme-riert werden. Dies erfolgt nach Markierung eines Nodestrings am Rand desNetzes uber den Befehl Nodestrings/ Renumber. Dieser Schritt ist insofernsinnvoll, als dadurch die Knoten neu nummeriert werden und die Gesamtan-zahl der Knotenpunkte mit der hochsten vergebenen Knotenpunktnummerubereinstimmt. Daruber hinaus wird in einigen Ausgabedateien (vgl. Ab-schnitt 8.2) fur jede Knotenpunktnummer eine separate Ergebniszeile an-gelegt, die ohne die Umnummerierung auch die bereits geloschten Knoten-

26

Kapitel 8. Allgemeines zur Berechnung mit HYDRO AS-2D 27

punkte enthalten wurde. Es ist darauf zu achten, das in SMS erstellte Berech-nungsnetz unbedingt unter dem Dateinamen HYDRO AS-2D.2dm abzuspei-chern, da dieses sonst nicht eingelesen werden kann. Fur die Durchfuhrungder Berechnung beeinhaltet das Simulationsmodul HYDRO AS-2D zwei ver-schiedene Module:

� HYDRO 2dm.exe und,

� HYDRO AS.exe bzw. HYDRO AS-1Step.exe.

Mit HYDRO 2dm.exe werden alle von SMS erzeugten Eingabedateien zumEinlesen in das Berechnungsmodul vorbereitet. Gleichzeitig erfolgt eine Uber-prufung der Daten auf Qualitat und Konsistenz. Gegebenenfalls werden Feh-lermeldungen und Warnungen herausgegeben, die eine gezielte Korrektur derSMS-Datei vor Start der tatsachlichen Berechnung ermoglicht. Diese wirdnach der Uberprufung uber HYDRO AS.exe bzw. HYDRO AS-1Step.exe.gestartet. Die Berechnungsschritte werden wahrend der Berechnung in ei-nem DOS-Window angezeigt, dem nach deren Abschluss auch das Ende derSimulation zu entnehmen ist. Die Ergebnisse konnen den parallel erzeug-ten Ausgabedateien entnommen werden, die im folgenden Abschnitt nahererlautert werden.

8.2 Ausgabedateien

In diesem Abschnitt werden einige ausgewahlte HYDRO AS-2D Ausgabeda-teien und ihre Verwendung naher erlautert. Die bereits in Abschnitt 7.3.1erwahnten Dateien Q Strg.dat und Pegel.dat dienen zum Einen der Uber-prufung der Abflussverhaltnisse, zum Anderen wird Letztere auch zur Er-mittlung der Wasserspiegellage uber den Flusslauf verwendet. Fur die Kali-brierung des numerischen 2D-Modells wird der daraus ermittelte Wasserstandin Metern u. NN an den Pegelmessstellen herangezogen und mit den Datenaus den vorhandenen Abflusskurven verglichen.Weitere Ausgabedateien, die nach Abschluss der Berechnungen durch Ein-laden in SMS auf der Benutzeroberflache visualisiert werden konnen sindTabelle 8.1 zu entnehmen.

Kapitel 8. Allgemeines zur Berechnung mit HYDRO AS-2D 28

Tabelle 8.1: HYDRO AS-2D Ausgabedateien zum Einlesen in SMS

Dateiname Inhalt der Datei

DEPTH.DAT Berechnete Wassertiefen [m] fur jeden Knoten zu dendefinierten Ausgabezeitpunkten

VELOC.DAT Fließgeschwindigkeit [m/s] an jedem ModellknotenWSPL.DAT Wasserspiegel [m u. N.N.]WSPL MAX.DAT maximaler Wasserspiegel [m u. N.N.]SCHUB MAX.DAT maximal erreichte Schubspannung [N/m2] an jedem Knoten

DAUER.DAT Uberflutungsdauer [h] fur jeden Modellknoten

Kapitel 9

Kalibrierung

9.1 Allgemeines

Die Kalibrierung der 2D-Modelle erfolgt in Abhangigkeit der Rauheiten inHinblick auf die Wasserspiegellage. Es werden Rechenlaufe fur verschiedeneDurchflusse durchgefuhrt, wobei die großeren Abflusse letztlich maßgebendsind. Dies resultiert aus dem Endziel der durchgefuhrten Untersuchungen, dasin einer Erstellung neuer Abflusskurven mit Konzentration auf Hochwasse-rereignisse besteht. Im Folgenden werden zunachst die Kalibrierungsschrittefur das Modell Hattingen, anschließend die fur das Modell Wetter dargestelltund naher erlautert.

9.2 Hattingen

Im ersten Rechenlauf im Rahmen der Kalibrierung werden die wahrendder Modellerstellung zugewiesenen Rauheiten (vgl. Tabelle 7.1) verwendet.Der anschließende Vergleich der Wasserstande an der Pegelmessstelle in mu. NN zwischen den durchgefuhrten Berechnungen und der vorhandenen Ab-flusskurve von 2007 zeigt fur die meisten Durchflusse relativ deutliche Ab-weichungen. Die Ergebnisse des ersten Kalibrierungsschrittes sind in TabelleB.1 dargestellt.Fur den nachsten Kalibreirungsschritt wird die Rauheit des MaterialtypsWiese erhoht, indem der kSt-Wert auf 30 m1/3/s reduziert wird. Die Er-gebnisse dieser Berechnung konnen Tabelle B.2 entnommen werden. Fur diegroßeren Abflusse fuhrt diese Anderung zu einer Erhohung des Wasserstandesund damit zu besseren Ergebnissen bezuglich des Vergleichs mit der vorhan-denen Abflusskurve. Im dritten Rechenlauf der Kalibrierung wird die Rauheitdes Flussprofils herabgesetzt, wahrend die der Uferboschung und der Buh-

29

Kapitel 9. Kalibrierung 30

nen deutlich erhoht wird. Die veranderten Werte, sowie die Resultate derBerechnung sind in Tabelle B.3 dargestellt. Fur die großen Abflusse sinddie Ergebnisse erneut besser, wahrend in den unteren Abflussbereichen kei-ne signifikanten Unterschiede zu verzeichnen sind. Im vierten Kalibrierungs-schritt wird die Rauheit der Buhnen, die offensichtlich eine wesentliche Rollefur die Wasserspiegellage spielen, weiter erhoht und mit einem kSt-Wert von15 m1/3/s belegt. Außerdem wird die Rauheit des Flusses ebenfalls herauf-gesetzt. Diese Variationen fuhren in den oberen Abflussbereichen zu sehrguten Ergebnissen. Diese konnen Tabelle B.4 entnommen werden. Da dieim Rahmen des Gesamtprojektes zu erstellenden Abflusskurven insbesonde-re fur große Abflusse erfolgen sollen, wird die vierte Kalibrierung aufgrundihrer hohen Genauigkeit in diesem Bereich als maßgebend fur die weiterenUntersuchungen angesehen [5].Der letzte Kalibrierungsschritt, dessen Ergebnisse in Tabelle B.5 dargestelltsind, dient mit Hilfe einer erneuten Vergroßerung der Rauheit lediglich derUntersuchung des weiter gehenden Einflusses des Pegelvorlandes auf die Was-serspiegellage und findet keine Verwendung [5]. In Abbildung 9.1 sind dieErgebnisse der einzelnen Kalibrierungsschritte graphisch zusammen gestellt.

Abbildung 9.1: Kalibrierung Hattingen, Vergleich zwischen 2-D-Modell undAbflusskurve 2007, Quelle [5]


9.3 Wetter

Die Kalibrierung fur das Modell Wetter erfolgt im Prinzip in den gleichenArbeitsschritten wie beim Modell Hattingen. Auch hier entsprechen die Rau-heitsbeiwerte fur den ersten Rechenlauf den in der Modellerstellung definier-ten (vgl. Tabelle 7.1). Der Wert der daraus ermittelten Wasserspiegellage ander Pegelmessstelle Wetter ist fur alle untersuchten Abflusse im Vergleich zurvorhandenen Wasserspiegellage zu gering. Als Konsequenz daraus wird furden zweiten Kalibrierungsschritt der Rauheitsbeiwert des Flusses reduziert–die Rauheit also erhoht– um hohere Wasserstande zu erzielen. Die Abwei-chungen zu den Vergleichswerten aus der Abflusskurve sind der Tabelle C.2zu entnehmen. Da diese zwar geringer geworden sind, aber dennoch nicht diegewunschte Genauigkeit erzielt werden kann, werden fur den nachsten Ka-librierungsschritt weitere Anderungen vorgenommen. Die Rauheitsbeiwerteder maßgebenden Materialtypen Fluss, Uferboschung und Wiese werden her-abgesetzt, um die ermittelten Wasserstande weiter zu erhohen und damit dieDifferenzen zu den Werten aus der Abflusskurve weiter zu reduzieren. Zwarwerden durch diese Anpassungen fur die kleineren Abflusse bereits sehr gu-te Ergebnisse erzielt. Da die weiteren Untersuchungen aber in Bezug aufextreme Hochwasserereignisse durchzufuhren sind, erfolgt ein weiterer Kali-brierungsschritt, um das 2D-Modell fur diese auszulegen. Dafur werden mitder Reduzierung der kSt-Werte der Materialtypen Bewuchs starkund Wie-se grob weitere Anpassungen vorgenommen. Die Ergebnisse des vierten Ka-librierungsschritt sind in Tablle C.4 dargestellt. Diese sind fur die maßgeben-den Abflusse allerdings noch nicht ausreichend genau. Daher werden fur dieletzte Berechnung im Rahmen der Modellkalibrierung weitere Erhohungender Rauheiten vorgenommen. Die Ergebnisse dieses Kalibrierungsschrittes,sowie die genauen Werte der Anpassung sind der Tabelle C.5 zu entnehmen.Sie werden als ausreichend genau erachtet, so dass die ermittelten Paramtermaßgebend fur die weiteren Untersuchungen sind. Abbildung 9.2 zeigt eineZusammenstellung der Kalibrierungsergebnisse am Pegel Wetter.


Abbildung 9.2: Kalibrierung Wetter, Vergleich zwischen 2-D-Modell und Ab-flusskurve 2007, Quelle [5]

Teil IV

Ergebnisanalysen

33

Kapitel 10

Ergebnisdarstellung

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse der Modellerstellung, sowie deranschließenden Kalibrierung beschrieben.

10.1 Endgultige Netzeigenschaften

Nach der –in Kapitel 6 dargestellten– Fertigstellung der numerischen 2D-Modelle weisen die FE-Netze folgende Spezifikationen auf [5].

� Hattingen:

– Modelllange: ca. 5,4 km

– Anzahl der Punkte: ca. 32.500

– Anzahl der Zellen: ca. 57.000

– Hohenerstreckung: 55,77 bis 75,00 m u. NN

� Wetter:

– Modelllange: ca. 7,9 km

– Anzahl der Punkte: ca. 59.000

– Anzahl der Zellen: ca. 104.000

– Hohenerstreckung: 75,78 bis 95,00 m u. NN

34

Kapitel 10. Ergebnisdarstellung 35

Die Kalibrierung, die in Kapitel 7 naher erlautert wird, fuhrt zu den inTabelle 10.1 dargestellten endgultigen Rauheitsbeiwerten [5].

Tabelle 10.1: Endgultige RauheitsbeiwerteMaterialtyp Hattingen (kSt[m

1/3s−1]) Wetter (kSt[m1/3s−1])

Wiese 30,00 25,00Felder bewachsen 15,00 15,00Buhnen 15,00 –Flussschlauch unten 35,00 30,00Flussschlauch mitte 35,00 30,00Flussschlauch oben 35,00 30,00Sohlrampe 35,00 35,00Stillwasser 100,00 –Uferboschung 25,00 25,00Versiegelung 65,00 65,00Wald 10,00 10,00Bewuchs stark 15,00 10,00Wiese grob 30,00 20,00

Kapitel 11

Zusammenfassung, Bewertung,Ausblick

Die in der vorliegenden Arbeit erlauterte Erstellung des numerischen 2-D-Modells erfolgte erfolgte unter Verwendung der Software Surface-water Mo-delling System (SMS) in der Version V9.0. Die Kalibrierungsrechnungen wur-den mit dem in SMS integrierten Rechenkern HYDRO AS-2D durchgefuhrt.Beide Programme erwiesen sich wahrend der Bearbeitung als sehr stabil undes ergaben sich keinerlei Schwierigkeiten durch Programmabsturze. Ledig-lich die fehlende undo-Funktion bei SMS schrankte die komfortable Handha-bung der Software etwas ein. Allerdings konnte diese Einschrankun durch re-gelmaßiges Zwischenspeichern wahrend der Bearbeitung kompensiert werden.

Da das im Rahmen dieser Studienarbeit erstellte und kalibrierte Modell le-diglich die Grundlage fur die weiteren Untersuchungen des in der Einfuhrungerlauterten Gesamtprojektes darstellt, soll an dieser Stelle ein kurzer Aus-blick auf den weiteren Projektverlauf gegeben werden. Es konnte festge-stellt werden, dass es in den Untersuchungsgebieten starke Disparitaten zwi-schen sommerlicher und winterlicher Bewuchssitiuation gibt. Der Einflussdes Bewuchses in den Vorlandern wird sich insbesondere bei großeren Ab-flussen durch deren Ausuferung wiederspiegeln. Resultierend daraus werdenfur beide Modellgebiete verschiedene Szenarienrechnungen durchgefuhrt. Da-zu werden die Rauheitsbeiwerte variiert. Fur das Winterszenario, bei dem vonweniger Bewuchs ausgegangen werden kann werden die kSt-Werte erhoht. Ei-ne Reduzierung der Werte erfolgt fur die beiden untersuchten Sommerszena-rien rauh und mittelrauh. Aus diesen Berechnungen werden schließlich dieneuen Abflusskurven fur beide Untersuchungsgebiete erstellt [5].

36

Literaturverzeichnis

[1] Bayerisches Landesamt fur Wasserwirtschaft, Wasser-wirtschaftsamt Hof(2006) Hydro-AS-2D, Ein zweidimensionalesStromungsmodell fur die wasserwirtschaftliche Praxis, Tutorial zumHYDRO-AS-2D - Grundkurs, pdf-Dokument

[2] Nujic,Marinko, Dr.-Ing. (2003) Hydro-AS-2D, Ein zweidimensiona-les Stromungsmodell fur die wasserwirtschaftliche Praxis, Benutzerhand-buch, pdf- Dokument

[3] Oertel, Mario, Dipl.-Ing. (2003) Numerische zweidimensionaleStromungssimulation fur Poldergebiete hinter Flussdeichen unter beson-derer Berucksichtigung von Deichbruchen, Diplomarbeit, FachbereichBauningenieurwesen, Bergische Universitat Wuppertal

[4] Rose, Benjamin, Dipl.-Ing. (2006) Untersuchung der Flutwellenaus-breitung nach fiktiven Versagensfallen in urbanen Regionen am BeispielKoln, Diplomarbeit, Fachbereich Bauningenieurwesen, Bergische Uni-versitat Wuppertal

[5] Schlenkhoff, A., Univ.-Prof. Dr.-Ing. & Oertel, Mario, Dr.-Ing.(2008), Weitergehende Uberprufung der Abflussverhaltnisse an denPegeln Wetter und Hattingen, Abschlussbericht

Internetquellen:

[6] Environtal Modeling Systems, Firma, die SMS vertreibt,http://www.ems-i.com

[7] Hochschule Bochum, Informationen uber die Ruhr bei Hattingen,http://www.hochschule-bochum.de

[8] Ruhrverband, http://www.ruhrverband.de

[9] Talsperrenleitzentrale-Ruhr, Aktuelle Informationen zu den Pegelndes Ruhrverbandes, http://www.talsperrenleitzentrale-ruhr.de

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Literaturverzeichnis 38

[10] Wikipedia, freie Enzyklopadie, http://www.wikipedia.de

Teil V

Anhang

39

Anhang A

Abbildungen zu den2-D-Modellen

40

Anhang A. Abbildungen zu den 2-D-Modellen 41

Abbildung A.1: 2-D-Modell Hattingen, Hohendaten, Quelle [5]


Abbildung A.2: 2-D-Modell Hattingen, Materialien, Quelle [5]


Abbildung A.3: 2-D-Modell Wetter, Hohendaten, Quelle [5]


Abbildung A.4: 2-D-Modell Wetter, Materialien, Quelle [5]

Anhang B

Kalibrierungsschritte Hattingen

45

Anhang B. Kalibrierungsschritte Hattingen 46

Tabelle B.1: 1. Kalibrierungsschritt HattingenQ [m3/s] Wasserstande [m u. NN] Abweichung [m]

24 Abflusskurve Hattingen 2007: 61, 52 ∆ = 0,21HYDRO AS-2D 61,73

49 Abflusskurve Hattingen 2007: 62,21 ∆ = 0,06HYDRO AS-2D 62,27


190 Abflusskurve Hattingen 2007: 64,15 ∆ = -0,17HYDRO AS-2D 63,98






Tabelle B.2: 2. Kalibrierungsschritt HattingenAnderung: Wiese kSt = 30 m1/3/s

Q [m3/s] Wasserstande [m u. NN] Abweichung [m]










Tabelle B.3: 3. Kalibrierungsschritt HattingenAnderungen: Fluss kSt = 45 m1/3/s

Uferboschung kSt = 25 m1/3/sBuhnen kSt = 25 m1/3/s











Tabelle B.4: 4. Kalibrierungsschritt Hattingen (maßgebend)Anderungen: Fluss kSt = 35 m1/3/s

Buhnen kSt = 15 m1/3/s











Tabelle B.5: 5. Kalibrierungsschritt HattingenAnderung: Bewuchs stark kSt = 10 m1/3/s










Anhang C

Kalibrierungsschritte Wetter

51

Anhang C. Kalibrierungsschritte Wetter 52

Tabelle C.1: 1. Kalibrierungsschritt WetterQ [m3/s] Wasserstande [m u. NN] Abweichung [m]

24 Abflusskurve Wetter 2007: 81,34 ∆ = -0,15HYDRO AS-2D 81,19









Tabelle C.2: 2. Kalibrierungsschritt WetterAnderung: Fluss kSt = 35 m1/3/s











Tabelle C.3: 3. Kalibrierungsschritt WetterAnderungen: Fluss kSt = 30 m1/3/s

Uferboschung kSt = 25 m1/3/sWiese kSt = 30 m1/3/s





190 Abflusskurve Wetter 2007: 83,00 ∆ = 0,04HYDRO AS-2D 83,04






Tabelle C.4: 4. Kalibrierungsschritt WetterAnderungen: Bewuchs stark kSt = 10 m1/3/s

Wiese grob kSt = 25 m1/3/s











Tabelle C.5: 5. Kalibrierungsschritt Wetter (maßgebend)Anderungen: Wiese kSt = 25 m1/3/s

Wiese grob kSt = 20 m1/3/s










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S C H E UNIVE G I BERGISCHE R E B T UNIVERSITÄT WUPPERTAL · Die vorliegende Aufgabenstellung zur Studienarbeit von Frau Leska Sauder greift obige Thematik auf und befasst sich mit