Modellierung von Hydrosystemen I: Übungsunterlagen

Transcrição

Modellierung von Hydrosystemen I
SS 2007
Diplomstudiengang
GEOÖKOLOGIE
Prof. Dr. Matthias Schöniger
Aufgaben
Technische Universität Carolo Wilhelmina
Institut für Geoökologie
Technische Universität Carolo Wilhelmina, Institut für Geoökologie
VL/UE Modellierung von Hydrosystemen I, SS 2007
Prof. Hon.-Prof. Dr. M. Schöniger
Modellierung von Hydrosystemen I
Porengrundwasserleiter
ungesättigte Bodenzone
Fließgewässer
Prof. Dr. Matthias Schöniger
Übungsunterlagen – Course material
SS 2007
2
SS 2007Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger, Email: [email protected]
Fakultät 3
Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
Inhaltsverzeichnis
1
Aufbau eines Grundwasserströmungsmodells mit „einfacher“ Geologie (Aufgabe 1)
2
Verständnisfragen zur Grundwasserhydrologie (Trainings-Aufgaben 1+2)
3
Grundwassermodellszenario Friedrichshagen, Projektbearbeitung (Aufgaben 2 + 3)
4
Basisarbeitsschritte mit ArcViewGIS (Pre- und Postprocessing) (Trainings-Aufgaben 3)
5
Regionales Grundwassermodell Liebenau (Aufgabe 4)
6
Verständnisfragen (Trainings-Aufgabe 4a-f)
7
Grundwasserleiter beeinflusst durch Abflusswelle im Fluss, (Aufgabe 5a),
Behandlung der dynamischen Grundwasserneubildung (Aufgabe 5b)
8
Transportmodellierung mit einfacher Reaktionskinetik (Aufgabe 6a)
Transportmodellierung mit zeitabhängigen Schadstoffquellen (Aufgabe 6b)
8
Strömungsmodellierung im ungesättigten Boden (Aufgabe 7)
9
GIS-gestützte Abschätzung der Grundwasserneubildung (Trainings-Aufgabe 5)
10
Verständnisfragen zur Gerinnehydraulik und Berechnung von Schlüsselkurven u.a.
(Trainings-Aufgabe 6a-f)
11
Modellierung der hydrodynamischen Vorgänge im Fluss, Einführung (Aufgabe 8a)
Strömungsberechnung im Unteren Emsflussabschnitt (Aufgabe 8b)
Prüfungsvorleistungen:
Bearbeitung von Aufgaben und kommentierte Abgabe
Abschlussklausur:
letzte Semesterstunde (1,5 h)
Verwendete Software für die Modellierung von Hydrosystemen I
Software der Hydroinformatik:
FEFLOW:
FE- Grundwasserprogramm der Fa. WASY, Berlin, Version 5.2
SS 2007Selbstverlag Prof. Dr. M. Schöniger , Email: [email protected]
3
MIKE 11TMHD: hydrodynamic module, hydrodynamisches Fliessgewässermodell, DHI Water &
Environment, Horsholm
ArcView 3.2/ArcGIS 9: Desktop-GIS der Fa. Esri, Kranzberg
Mitgelieferte Programme, Daten und Dokumente:
1.
FEFLOW- DVD von der Fa. WASY, Berlin
2.
Daten- CD: Daten für die Aufgaben können über den Dozenten bezogen werden. Skripte
zur Physik und Numerik von Oberflächengewässern sowie Handbücher zur Software
können ebenfalls eingesehen werden. Alle Programm-Manuals sind als PDF- Dateien
verfügbar.
Die Aufgaben können auch von der LVA-Webpage geladen werden!
Die oben aufgeführte Software befindet sich im EDV-Raum des IGÖ, Langer Kamp 19c
auf dem Systemrechner. Handbücher alle als PDF auf der Homepage!
Trainings-Programm MvH II im SS
2004, Campus Suderburg, Univ.
Lüneburg
4
Fakultät 3
Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
Aufgabe 1
Aufbau eines Strömungsmodells mit „einfacher“ Geologie
Starten Sie das Simulationssystem Feflow 5.2 und bauen Sie entsprechend den gegebenen
Anfangs- und Randbedingungen, Parametern und den Geometrien (vgl. Bild 1) das
Grundwasserströmungsmodell schrittweise auf. Verwenden Sie dabei das Feflow
Demonstration Exercise (W ASY 2004). Wählen Sie die Pumprate so, dass sich die
kontaminierte Fläche im Anströmbereich des Förderbrunnen befindet und kein Schadstoff
das östlich gelegene Fließgewässer erreicht!
Bild 1: Configuration of a sample problem, your first groundwater model with Feflow,
(CHIANG, W.-H. & KINZELBACH, W. 2001); Grundwasserleiter mit zwei stratigraphischen
Einheiten (unit 1: kf-horizontal = 0.0001 m/s; unit 2: kf-horizontal = 0.0005 m/s; vertikale hydraulische
Durchlässigkeit ist 10 % der horizontalen Leitfähigkeit); kein Zustrom (no-flow boundaries) im
Norden und Süden; Westen und Osten Begrenzung durch Flüsse (Vorfluter). Der
Aquiferkörper ist ungespannt und isotrop, Porosität ne = 25 % (unit 1 u. 2);
Grundwasserneubildungsrate beträgt 8.00E-09 m/s. Zur horizontalen Diskretisierung: 20 x 20
m
Sie können diese und alle weiteren Aufgaben zur Grundwasserhydrologie auch mit dem
Programmsystem PMWIN bearbeiten (CHIANG, W.-H. & KINZELBACH, W. 2001). Software
sowie Manual stehen zur Verfügung (3. Stock, LK19c R 310).
5
Trainings-Aufgabe 1
Randbedingungen (boundary conditions) und hydrogeologische Modelle
Kommentieren Sie die nachfolgenden Bilder 2 bis 4c entsprechend ihrer Bildunterschrift:
Bild 2: Schematische Darstellung der Strömungsrandbedingungen für eine 2D- vertikale
Projektion eines regionalen Grundwassersystems (W ANG, F. & ANDERSON, M.P.1982)
Bild 3: Variabilität der Randbedingungen, der physikalischen Bedingungen und der
hydraulischen Parameter in einem Grundwasser - Oberflächensystem (GANOULIS, J.G. 1994)
6
Bild 4a: Entwickeln des hydrogeologischen Modells: Abstrahieren, Vereinfachen,
Schematisieren.
Entwickeln Sie ein hydrogeologisches Modell durch Abstrahieren, Vereinfachen und
Schematisieren der geologischen Untergrundverhältnisse.
Bild 4b: Abgrenzung von homogenen Zonen.
Führen Sie eine Abgrenzung der homogenen Zonen durch.
7
Bild 4c: Umsetzung der Daten zur Grundwasserhydraulik in Randbedingungen (4a-c:
SCHRIFTENREIHE DER DT. GEOL. GESELL., 1999, H. 10)
Beschriften Sie die Pfeile und Linien sowie die Platzhalter QR, QGWN, QL sowie QENT.
Bild 5: Regionaler Grundwasserleiter in einem Landschaftsausschnitt mit Randbedingungen,
Geometrien und Grundwassergleichen u.a. (SCHRIFTENREIHE DER DT. GEOL. GESELL., 1999,
H. 10)
Was bedeutet der Begriff „Leakage“? Wie entstehen Grundwassergleichen?
8
Trainings - Aufgabe 2
a)
Wie ist die hydraulische Höhe h (Piezometerhöhe, Erläuterungen mit Hilfe der
Bernoulli`schen Gleichung) definiert und wie lautet die Grundgleichung für die
dreidimensionale, gesättigte, dichteunabhängige Grundwasserströmung (Potential-)?
Skizzieren Sie also das physikalische Ausgangsproblem!
b) Welche Parameter bezüglich der Grundgleichung (a) müssen sie im Felde erheben, aus
amtlichen Informationssystemen beziehen und ggf. wie geostatistisch bearbeiten (...
denken Sie dabei an die Dimension)?
c) Beschriften Sie den Grundwasserlängsschnitt bei freiem Grundwasser mit
Grundwasserentnahme (Bild 6) und beschreiben Sie, wie die Freispiegelströmung im
Simulationssystem Feflow behandelt wird!
Bild 6: Grundwasserlängsschnitt mit einem Förderbrunnen und zwei Beobachtungsbrunnen (verändert nach DIN 4049-3: 1994-10, S. 77, Bild 18)
d) Was beschreibt die NEUMANN-Randbedingung und wie ist sie formuliert? Nennen Sie
hydrogeologisch-hydrologische Situationen.
e) Beschriften Sie Bild 7 nach der „Feflow- Philosophie“ und skizzieren Sie zur Abbildung
das geologische Profil mit entsprechender Bezeichnung!
9
GOK
Bild 7: Designing slice (4) and layers (4). Geologisches Profil mit einer Tonlinse
f)
Einführung ins Menü: Erläutern Sie anhand Bild 8 den Aufbau des Grundwassermodells
bezüglich der Rand-, Material- und Anfangsbedingungen (Boundary-, Materials- and
Initial Conditions). In welchem Step (Aufbauschritt) befinden Sie sich?
Bild 8: Feflow- Menufenster (… hier flow boundaries menu)
10
g) Ordnen Sie korrekt zu und nennen Sie Hauptmenü und Untermenü! Was wird unter den
mit Fragezeichen versehenen Befehlen bzw. Bezeichnungen beim Aufbau eines FeflowModells eingestellt (Bild 9)?
?
?
?
?
Bild 9: Teile des Feflow- Menüs. Was „verbirgt“ sich hinter den Fragezeichnen. Erläutern
Sie
h)
Die Finite - Element – Methode zur Berechnung von Strömungsprozessen im Boden ist
ein numerisches Verfahren zur Lösung von Differentialgleichungen, im vorliegenden Fall
gegeben durch die hydrodynamischen Grundgleichungen (vgl. Trainings - Aufgabe 2a).
Skizzieren Sie das Grundkonzept am Beispiel eines Ablaufschemas (Arbeitsdiagramm).
i)
Zeichnen Sie die entsprechenden Grundwassergleichen bzw. Grundwasserfließrichtungen in einer 2d-Horizontalen (A) und in ein entsprechendes Blockbild (B) in Bild
10 ein!
11
Bild 10: Interaktion Grundwasser - Fluss
Wie heißt das zugrundegelegte Prinzip und wie ist die Randbedingung zwischen Fließgewässer und Grundwasserleiter formuliert?
Quelle und wichtiger `Trainings-Stoff´: Ground Water and Surface Water A Single Resource;
by T.C. Winter, J.W. Harvey, O.L. Franke, and W.M. Alley (2002), USGS
Grundwasserhydrologie
12
Informationen über
Bohrverfahren und
hydraulische Bohrlochtests etc.
finden Sie im Handbuch zur Erkundung
des Untergrundes von Deponien und
Altlasten, Bd. 4 (SCHREINER & KREYSING
1997). KÖTHE, THIEMANN & RICHTER
(1996) haben eine Zusammenstellung
der Geräte für die Probennahme von
Gewässersedimenten,
Böden
und
Gesteinen erstellt, z.B. zur Parameteridentifikation bezüglich der Kolmationsschicht (Sedimente der Flusssohle).
Siehe
auch
Tutorial
Fluvial
Geomorphology von STOTT (2003).
Aufgabe 2
Projektbearbeitung: regionale Grundwassermodellierung, GIS-basiert
Machen Sie sich mit dem Modellszenario demo_flow-3d.fem vertraut. Es handelt sich um
ein dem Programm Feflow beiliegendes Beispielmodell (-projekt) für die regionale
Strömungs- und Transportmodellierung nahe Friedrichshagen, im Südosten Berlins; zu
finden
im
FeflowProgrammverzeichnis,
z.B.:
c:\Programme\WASY\FEFLOW
5.2\demo\exercise).
Tab.1: Modelleingaben für die Strömungssimulationen, anwendbar für eine FeflowBerechnung, aber auch für Berechnungen mit einer anderen Software
Modellaufbau
gewählte Eingabe
Bemerkungen
Aufgabenstellung, problem class
Dimension
FEM- Lösungsverfahren
Konvergenzanspruch
Simulationszeitraum
zeitl. Diskretisierung, Zeitschrittwahl
Elementtyp
räumliche Diskretisierung: Anzahl
der Elemente, Größe der Elemente
Anzahl Schichten, Topographien,
Einstellungen im Regionalisierungsmenü zur z-Generierung
Behandlung der GW-Oberfläche
Anfangsbedingungen
Randbedingungen (räumlich
differenziert)
hydraulische Durchlässigkeiten
effektive Porosität
Grundwasserneubildungsrate
a)
Füllen Sie dabei die Tabelle 1 möglichst vollständig aus. Geben Sie auch die
verwendeten Dateien mit an (unter Bemerkungen)!
13
b)
Der Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Wasserständen der stationären
Simulation ergibt welchen Korrelationskoeffizienten bzw. welchen RMSE (root mean
square error oder auch mittlere quadratische Abweichungen)? Stellen Sie ebenfalls die
Wasserbilanz dar. Welchen Zweck verfolgt man mit der Bestimmung der
Wasserhaushaltsgrößen und dem RMSE- Grundwasserstandsdiagramm?
Aufgabe 3
Projektbearbeitung
Rufen Sie das Fem- Projekt demo_flow-3d.fem unter WASY\FEFLOW\exercise\femdata auf
und führen Sie die folgenden Veränderungen im bestehenden Projekt durch:

unter Problem Editor [Problem class] auf Flow only transient flow und

unter Temporal & control data den Simulationszeitraum auf 230 Tage mit einer
zeitlichen Diskretisierung von t = 5 Tage wählen,

die Simulation soll mit einem Error and convergence criteria (Error tolerance) von
18.0E-03 durchgeführt werden,

für den westlichen Förderbrunnen geben Sie eine zeitvariable Förderrate nach den
entsprechenden Vorgaben über die Definition einer Time-varying function ein (vgl.
Bild 11).
Bild 11: Förderrate (well, 4th kind-BC with
Time-varying function) in m3/s für den
westlichen Brunnen im demo_flow-3d.femProjekt (oben), FE-Netz mit „gesetzter“ 4.
BC = well (unten)

14
Geben Sie über Reference data [Reference data Editor – Observation single points –
Set at nodal points] zwei Beobachtungsbrunnen ein mit folgenden G-K-Koordinaten:
XB1: 3408188; YB1: 5815416 und XB2: 3409335; YB2: 5814952.
Führen Sie eine Berechnung durch. Speichern Sie aber vor dem Aktivieren von Re-/ Run
simulator [Simulator Run] unter Control output das Simulationsergebnis als Dar- File ab
(record reduced data (ASCII)).
Folgende Simulationsergebnisse sind zu kommentieren und ggf. zu visualisieren:
1. Grundwassergleichenkarte, Fließrichtungen.
2. Gebietswasserbilanz (die Fläche des Modellgebietes können Sie mit Hilfe von
ArcViewGIS berechnen, dazu steht Ihnen die Datei area_poly.shp zur Verfügung).
3. Grundwasserganglinien der Beobachtungsbrunnen B1 und B2.
4. Mit welchen numerischen Methoden (Zeitschrittverfahren, Upwind- Schemata) wurde
die Simulation durchgeführt?
5. Erläutern Sie den hydrogeologischen
Parameterverteilung, Randbedingungen).
Aufbau
im
Modell
(Schichtenaufbau,
6. Geben Sie ein hydrogeologisches Profil von West-Ost und Nord-Süd aus (vgl. Bild
12).
3456000
5860000
78 müNN
GOK
10 km
Bild 12: Beispiel eines georeferenzierten hydrogeologischen Profils, 30-fach überhöht,
Nord-Süd-Richtung, neun Schichten, blau-grün: Saaleglazial, orange-rot: Weichselglazial.
Die Informationen zur Rekonstruktion stammen aus Schichtenverzeichnisse von einzelnen
Bohrungen. Siehe Bild 7
15
Trainings-Aufgabe 3
Basisarbeitsschritte mit ArcViewGIS (Pre- und Postprocessing)
Flächenbestimmung unter ArcView 3.2/3.3
1. Laden Sie das Thema mit den Objekten, deren Fläche bzw. Umfang Sie berechnen
möchten, in ein ArcView- Projekt.
2. Öffnen Sie die Attributtabelle des Themas.
3. Wählen Sie im Menü „Table“ den Befehl „Start Editing“.
4. Fügen Sie zur Tabelle ein numerisches Feld hinzu. Klicken Sie in der Attributtabelle auf
den Namen des Feldes, um dieses zu aktivieren.
5. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Calculate“, um das Dialogfeld „Field Calculator“
anzuzeigen.
6. Geben Sie in das Ausdrucksfeld entweder:
oder
[Shape].ReturnArea
[Shape].ReturnPerimeter
ein und klicken Sie auf „Ok“.
Die Flächen von jedem Objekt werden automatisch berechnet und in die entsprechende
Spalte in der Attributtabelle geschrieben.
Interpolation (Grundwassergleichenplan, Digitales Geländemodell) mit ArcView 3.2/3.3
1. Importieren von Messwerten (Grundwasserstandsmessungen, Höhenpunkte) in ein
ArcView-Projekt:
Die Messwerte müssen im ArcView kompatiblen Tabellenformat (dBase, Info oder Text mit
Tabs oder Kommata als Spaltentrenner) vorliegen. Die Tabellendaten müssen
Ortsangaben in Form von X/Y-Koordinaten enthalten.
(1) Laden Sie die Daten als Tabelle in ArcView. Machen Sie ArcViews Projektfenster
zum aktiven Fenster, und wählen sie „Add Table“ im Menü „Project“.
(2) Wählen Sie das View, zu dem Sie die Daten hinzufügen möchten, oder erstellen
Sie ein neues View.
(3) Geben Sie an, in welchen Einheiten die X/Y-Koordinaten in der Tabelle
ausgedrückt sind. Wählen Sie dazu „Properties“ im Menü „View“ und im daraufhin
angezeigten Dialogfeld die Einheiten in der Dropdown-Liste „Map Units“. Klicken
Sie auf „OK“.
(4) Wählen Sie „Add Event Theme“ im Menü „View“.
(5) Wählen Sie im daraufhin angezeigten Dialogfeld den Namen der Tabelle in der
Dropdown-Liste „Table“ und wählen Sie die richtigen Tabellenfelder für die X- und
die Y-Koordinate. Klicken sie auf „OK“.
16
2. Interpolation von Punktmesswerten:
Zunächst muss das Thema, welches die Punktmesswerte enthält, die interpoliert werden
sollen, im View aktiv geschaltet werden. Dazu im Inhaltsverzeichnis des Views (linke
View- Leiste) das betreffende Ereignisthema anklicken. Dann kann im Menüeintrag
Surface  Create Contours die Interpolation initiiert werden. Es erscheinen
nacheinander zwei Fenster: im ersten Fenster wird die Gesamtgröße sowie die
Rasterweite der Ausgabedatei vordefiniert; im zweiten Fenster erfolgt die Einstellung der
Interpolationsmethode und der -parameter.
Methoden der Interpolation in ArcView
Über die Standardoberfläche von ArcView sind die Interpolationsverfahren IDW (Inverse
Distanz Gewichtung) und Spline verfügbar.
Der Algorithmus Inverse Distanz Gewichtung (IDW) geht von der Annahme aus, dass
jeder in die Berechnung eingehende Stützpunkt einen lokalen Einfluss hat, der sich mit
zunehmender Entfernung verringert. Daher werden Stützpunkte, die näher an einer zu
berechnenden Stelle liegen stärker gewichtet, als weiter entfernt liegende. Maßgeblich für
das Interpolationsergebnis ist die Wahl der Anzahl von Stützpunkten (No: of Neighbours)
aus der näheren Umgebung, die in die Berechnung aufgenommen werden.
Die Splineinterpolation versucht möglichst glatte Isolinien durch eine gegebene Anzahl
von Stützpunkten zu legen. Diese Methode wird von der Fa. ESRI für die Interpolation von
Grundwasserspiegelhöhen empfohlen. Zu beachten ist, dass bei großen Differenzen
zwischen benachbarten Stützpunkten es dazu kommen kann, dass sehr hohe Werte
unterschätzen und niedrige überschätzt werden, so dass negative Werte berechnet
werden. Die Verwendung der Einstellung Tension führt zu einer besseren Approximation
von großen Wertedifferenzen in benachbarten Stützpunkten. Ein größerer
Gewichtungsfaktor (weight) macht die zu generierende Oberfläche welliger.
Weitere Lehrmaterialien (Skripte/Aufgaben) siehe Webpage HYDROINFORMATIK I
SS 2006 + 2007!
Ab WS 2006/07 wird zusätzlich auch ArcGIS 9 verwendet, siehe hierzu „Erste
Schritte mit ArcGIS“ von BOOTH & MITCHELL (2003), ESRI Inc.
17
Aufgabe 4
Regionale Grundwassermodellierung im Grundwassereinzugsgebiet Liebenau
Bauen Sie ein regionales Grundwassermodell für das Brunneneinzugsgebiet des
Förderbrunnens FB10 des Wasserschutzgebietes Liebenau II (schwarz) mit dem
Grundwasserprogramm Feflow auf (vgl. Bild 13).
Bild 13: Ausschnitt aus der topographischen Karte TK 100 (Maßstab 1:100000, Darstellung
verkleinert) mit den Grenzen des Wasserschutzgebietes Liebenau II (schwarz) und des
Modellgebietes (rot: Brunneneinzugsgebiet des FB10). Die Förderbrunnen des
Wasserwerkes Liebenau II sind durch blaue Kreuze markiert (aus: DIETRICH 2000, weitere
Informationen können bei Schöniger R313 eingesehen werden)
Folgende Schritte sind durchzuführen:
Die benötigten Daten liegen auf der mitgelieferten CD, Verzeichnis: Daten/DatenAufg4/!
1.
Abgrenzung
des
Modellgebietes
(z.B.
durch
Auswertung
von
Grundwassergleichenplänen unter Beachtung hydrologischer und geologischer
Besonderheiten des Untersuchungsgebietes). Eine vorgefertigte Abgrenzung liegt
vor: Datei randlinie.shp.
2.
Start des Programms Feflow und Laden der Dateien randlinie.shp und
foerderbrunnen.shp im "Map Manager" (bei und NUR bei randlinie.shp "Attach
area" klicken - legt Bildausschnitt fest!)
3.
Generierung des Finite-Elemente-Netzes. Zunächst "Superelement Mesh" erzeugen
(als Polygon), dann Förderbrunnen als "Add-in Point" markieren und den NetzGenerator starten (hier mit geschätzten 500 Elementen und Standardeinstellung).
4.
Einstellen der Dimension auf 3D (zunächst 3 Layers / 4 Slices). Die weiteren
18
Bearbeitungsschritte spielen sich im Feflow-Menü "Edit/Edit Problem Attributes" ab.
5.
Problem Class: steady flow (stationäres Strömungsmodell)
6.
Das 3-dimensionale Untergrundmodell wird unter dem Menüpunkt 3D-Slice elevation
aufgebaut. Für die Geländeoberfläche und die Schichtgrenzen werden die jeweiligen
Daten eingelesen (Rechts-, Hoch- und Z-Wert der vorliegenden Datenpunkte,
Dateien dgm.trp und slice*.trp; Einlesen der Datei: Voreinstellung: „Assign“
unterhalb des Mesh Inspectors, „database“ rechts vom Mesh Inspector, durch Klicken
auf „z-Coordinates erscheint ein Fenster zur Definition der Interpolationseinstellungen, nachdem diese festgelegt sind, kann durch Drücken des Buttons
„import time constant data“ die trp-Datei geladen werden).
Anschließend wird ein 4. Layer nach unten angefügt, welcher die undurchlässig
angenommene Aquiferbasis darstellt (mächtige Tonschichten im Untersuchungsgebiet).
7.
Eingabe der strömungsrelevanten Daten. Als Anfangswerte werden die mittleren
Wasserstände des Wasserhaushaltsjahres 1991 verwendet (Standrohrspiegelhöhen
aus dem Monitoring der Harzwasserwerke GmbH), Datei wwjahr91.trp. Zuweisung
für alle Layer vornehmen!
8.
Randbedingungen festlegen. An den Gebietsgrenzen im Norden und Süden soll
zunächst die 1. Randbedingung (Constant Head) festgelegt werden (46,8 m im
Norden, 36,5 m üNN im Süden, alle Slices). Der Brunnen wird als 4. Randbedingung
(Well) mit einer Förderung von 2.500 m³/d in Slice 3 eingegeben.
9.
Die hydraulischen Leitfähigkeitsbeiwerte (kf) werden in alle Raumrichtungen gleich
angenommen und wie folgt zugeordnet: Layer 1 (Sand, teils lehmig): 1,00E-05 m/s,
Layer 2 (Feinsand, teils schluffig): 5,00E-05 m/s, Layer 3 (Mittel- bis Grobsand):
4,00E-04 m/s, Layer 4 (Ton, "dicht"):1,00E-09 m/s.
10.
Die Grundwasserneubildung wird über inflow on top `auf´ Layer 1 eingelesen (Datei
gwnb.trp). Sie wurde für das Untersuchungsgebiet parzellenscharf von einem
Ingenieurbüro berechnet und liegt im Mittel des Gebietes bei rund 200 mm/a.
11.
Import von Beobachtungspegeln, an denen die simulierten Wasserstände berechnet
werden und der Vergleich gemessener und simulierter Wasserstände durchgeführt
werden kann. Fertig ist das Modell uebung4.fem.
12.
Starten der Simulation!
13.
Lassen Sie die Wasserbilanz berechnen und prüfen Sie diese auf ihre Plausibilität.
Anmerkungen: regionaler Nitrattransport
Für die Modellierung des Stofftransportes müssen die für den Transport relevanten
Eigenschaften des Untergrundes ermittelt werden (z.B. Feldversuche, geostatistische
Verfahren). Außerdem müssen Anfangskonzentrationen des Stoffes und aktuelle Einträge
ermittelt werden. Dies ist insbesondere bei diffusen flächenhaften Einträgen schwer zu
bewerkstelligen. Mit geeigneten Szenarien können qualitative Untersuchungen durchgeführt
werden, die beispielsweise als Entscheidungshilfe für das Flächenmanagement dienen
19
können (Wie könnte die Konzentrationsverteilung in 30 Jahren aussehen, wenn ich - unter
Verwendung der derzeit bekannten bzw. geschätzten Parameterfelder - bei der Hälfte der
Äcker eine Reduzierung des Nitrataustrags um 30 % erreiche?).
Kurze Erläuterungen zum Umgang mit Geodaten ArcViewGIS - Feflow
gängige Datenformate:
 geogr. Umweltfachdaten im ArcView Shape-Format, zusätzlich im ARCInfo ExchangeFormat (E00).
 topogr. Daten: TIFF-Rasterformat  für ArcView georeferenziert
 Zeitreihen  statistische Daten: dBase(.dbf)-kompatibles Format.
.shp (geogr. Daten): Polygon, Linien, Punkte
.dbf: Attributdaten im dBase-Format
.shx: Index für geogr. Daten
.tif: Bilddaten
.dbf: Datenbankformat
Wie erstelle ich ein DGM unter Feflow?
Problem editor – 3d Slice Elevation – z-Coord. – Data Base- Regionalisation Menu  Import
Data [.trp-Datei], dann wahlweise: Kriging Technique, Akima Inter-/Extrapolation oder
Inverse distance weighting. Genauso wird der schichtförmige Untergrundaufbau entwickelt.
Das Beispiel für eine Triple file (.trp) sieht wie folgt aus (vgl. Bild 14):
X1
Y1
F1
X2
Y2
F2
X3
Y3
F3
..
..
..
Xn
Yn
Fn
END
Bild 14: Beispiel für eine trp- Datei zur Regionalisierung unter Feflow; hier ist X der
Rechtswert und Y der Hochwert im Gauss-Krüger- Koordinatensystem, F ist die
Geländehöhe
Add Map unter dem Programmpaket Feflow:
 Generate Lines (*.lin) ASCII format for lines ARC/INFO compatible
 Generate Polys (*.ply) ASCII format for polygons ARC/INFO compatible
20
 Generate Point (*.pnt) ASCII format for points ARC/INFO compatible
 Generate Anno (*.txt) ASCII format for annotations ARC/INFO compatible
 ESRI Shapefile (*.shp) spatial data file from ArcView
 AutoCad DXF (*.dxf) spatial data file from AutoCad
 HPGL Plotfile (*.hpg) HPGL plotting file
 Image File (*.tif) raster data
 Supermesh File (*.smh) Feflow Superelement mesh
Auch die Ergebnisdarstellung ist über eine Ausgabe mit verschiedenen Formaten möglich.
Sollen z.B. die regionalisierten hydraulischen Durchlässigkeiten oder simulierte
Grundwassergleichen oder/und Partikel-Tracking- Bahnen visualisiert werden, wird wie folgt
vorgegangen:
„Menüpunkt Special“ unterhalb des Mesh Inspectors auswählen und auf den Parameter
klicken. Das Beispiel in Bild 15 zeigt die Visualisierung/Export von z-Koordinaten. Es
erscheint das „Feflow Data View, operation & export“- Fenster (vgl. Bild 14). Auf der linken
Seite des Fensters können die Einstellungen für die Visualisierung der Ergebnisse
vorgenommen werden, die durch Klicken auf „Show“ (oben rechts im Fester) auf der
Programmoberfläche angezeigt werden.
Im unteren rechten Abschnitt des Fensters (rot hervorgehoben) können die Einstellungen für
den Export von Daten vorgenommen werden. Die Exportmöglichkeiten beinhalten
Vektorformate (für
Gleichenpläne)
und Rasterformate (Höhengrid).
Da die
Exportmöglichkeiten vielfältig sind, können sie hier nicht ausführlich dargestellt werden. Eine
individuelle selbstständige Einarbeitung unter Nutzung der Feflow- Onlinehilfe ist erforderlich
(s. Hilfestellung und Erläuterungen für Bild 15).
Informieren Sie sich über den FEFLOW Explorer Vers. 1.0.
21
Bild 15: „Feflow Data View, Operation & Export“-Fenster zur Ansicht und zum Export von
Daten (oben), unten: Ergebnis einer Interpolation (Flow Initials, Akima interpolation linear)
22
Visualisierung von Ergebnissen und Geodaten mit einem Desktop-GIS
Ergebnisdarstellung im Programm Feflow (Bild 16) und in ARCView (Bild 17). Bei den
Grundwassergleichen handelt es sich um simulierte Isolinien, exportiert als "Thema" aus
dem Grundwasserprogramm.
Bild 16: Visualisierung der Ergebnisse der Feflow- Simulation am Bildschirm
Bild 17: Visualisierung von Ergebnissen aus der Grundwassermodellierung mit dem
Desktop-GIS ArcView 3.2 bzw. ArcGIS 8
23
Trainings-Aufgabe 4a
Verständnisfragen
Schauen Sie sich unter dem Feflow-Shell- Menu Flow Boundaries die einzelnen
Randbedingungen an und erläutern Sie die hydraulisch-hydrologische Bedeutung im
Zusammenhang mit einer stationären und einer instationären Strömungsmodellierung. Um
die Erklärungen zu vereinfachen, sind Beispiele für Randbedingungen in Bild 18 skizziert.
Benennen Sie die Randbedingungen jeweils zwischen den roten Punkten.
See
3
4
2
Modellgebiet
Fluss
Förderbrunnen
Talrand
mit unterirdischem
Zustrom
5
Grundwassergleichen
1
Bild 18: Beispiele für stationäre Randbedingungen in einem Strömungsmodell (n.
KINZELBACH & RAUSCH 1995)
Beachte:
Materialien
Anfangsbedingungen“.
24
und
zusätzliche
Aufgaben
(A)
„Kapitel
Rand-
und
T-Aufgabe 4b
Erläutern Sie die Verfahren zur Gitternetzgenerierung allgemein und im Speziellen im
Programmsystem Feflow (Delaunay-Triangulation, Advancing Front Methode, u.a.). In
diesem Zusammenhang muss auch die sogenannte BASD- Technik genannt werden (BestAdaption-to-Stratigraphic-Data).
T-Aufgabe 4c
Erläutern Sie die folgenden Techniken zur zeitlichen
weitensteuerung/Time step: unter Temporal & Control Data):
- Constant time steps,
-
Varying time steps,
-
Automatic time step control.
Diskretisierung
(Zeitschritt-
T-Aufgabe 4d
Finite Elemente sind in 2-D entweder Vierecke oder Dreiecke, die automatisch generiert
werden können. In 3-D wird ein zweidimensionales Gitter in der dritten Raumrichtung (zRichtung) fortgesetzt, so dass prismatische Elemente entstehen.
Als Diskretisierungsschemata (diskrete Approximation) stehen die folgenden Verfahren zur
Verfügung:
 Galerkin-FEM (no upwinding),
 verschiedene Upwind-Strategien (Petrov-Galerkin-FEM)
a. streamline upwinding,
b. full upwinding,
c. shock capturing,
d. least square upwinding.
Erläutern Sie diese Verfahren möglichst mit Hinweisen zu Anwendungsbeispielen.
T-Aufgabe 4e
Welche Möglichkeiten bietet das Programm Feflow, reaktiven Stofftransport zu modellieren?
T-Aufgabe 4f
Welche Möglichkeiten bietet das Programm Feflow, das nebenstehende biochemische
Modellkonzept über den IFM zu implementieren (Bild 19a)?
25
Bild 19a: Spezies, Phasen und Prozesse des biochemischen Modells. Die Pfeile weisen auf
mögliche Austauschprozesse hin (RAUSCH ET AL. 2002). Nicht zuletzt durch die WRRLAnforderungen kommt den diffusen, d.h flächenhaften Stoffeinträgen z.B. von Nährstoffen
eine wachsende Bedeutung zu. Die WRRL sieht u.a. eine Beurteilung diffuser
Stoffbelastungen der Schutzgüter Oberflächengewässer und Grundwasser sowie
Maßnahmen
zur
Verringerung
von
Stoffeinträgen
in
Einzugsgebiete
vor.
Oberflächengewässer und Grundwasser sind gemäß der EU-WRRL integrativ zu betrachten.
Geohydrologische
Stichworte:
Wechselwirkung
zwischen
den
Hydrosystemen
Oberflächengewässer – Boden – Grundwasser; Grundwasserpfade, mittlere Verweilzeiten
etc. (vgl. Bild 19b)
Bild
19b:
Unterirdische
Eintragspfade über
Flusssohle
(Kolmationsschicht)
26
die
Aufgabe 5a
Grundwasserleiter beeinflusst durch Abflusswelle im angrenzenden Fluss
Laden Sie das Feflow- Projekt „dynamic-river“ und beschreiben Sie die „Anbindung“ des
Flusses an das Grundwassermodell. Gehen Sie bei der Beschreibung der FEM- Datei
schrittweise vor und listen auf, welche Parameter und Messzeitreihen man benötigt, um die
Auswirkungen einer Abflusswelle im Fluss auf den benachbarten Grundwasserleiter zu
modellieren (Bild 20a+b).
Bild 20a: Feflow-Working window mit FE-Netz und Time-varying function
Bild 20b: dynamic modeling of a river, input data for 1d linear interpolation along the river,
feflow-working window, two measured powerfunctions
27
Wasserstand in müNN
Führen Sie die Berechnung der Grundwassersimulation mit den Flusswasserständen aus
dem Diagramm (Bild 21:
… Flusspegel 1;
… Flusspegel 2) durch und dokumentieren
Sie die Grundwasserstände an zwei Beobachtungsbrunnen mit den Gauss-KrügerKoordinaten (Global Cartesian: B1: 3411242, 5816088; B2: 3410363, 5814282).
28
27
26
25
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21
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18
Zeit inTagen
Bild 21: Registrierte Wasserstandsganglinien im Fluss in müNN
Wichtige Literatur zum Thema “Interaktion Grund- und Oberflächengewässer:
WINTER, T.C., HARVEY, J.W., FRANKE, O.L. & ALLEY, W.M. (2002): Ground Water and Surface
Water. A Single Resource.- USGS Circular 1139
MONNINKHOFF, B. (2004): Kopplung von FELOW mit dem 1D-hydrodynamischen Modell
MIKE11 (DHI).- Coupling of groundwater model FEFLOW with the hydrodynamic model
MIKE 11 (DHI).- Tagungsband zur 6. Fachtagung Grafikgestützte Grundwassermodellierung,
IWU- Tagungsberichte, 6. Fachtagung: 55-68, Berlin
Worin liegt die Bedeutung der
hydraulischen Wechselwirkung
zwischen den Hydrosystemen
Grundwasserleiter Fluss
?
28
Aufgabe 5b
Behandlung der dynamischen Grundwasserneubildung bei der regionalen Grundwassermodellierung
Laden Sie das Feflow-Projekt „recharge_powerid.fem“ und erläutern Sie die Eingabe der
Grundwasserneubildung (vgl. Bild 22). Starten Sie die FEM- Simulation und stellen Sie die
Grundwasserstandsganglinien für die Beobachtungsbrunnen 1-5 (Observation data/single
Points) den Ganglinien der Grundwasserneubildung „gegenüber“ (z.B. in Excel).
Stellen Sie die berechnete „Gebietswasserbilanz“ auf!
Bild 22: Implementierung der Grundwasserneubildungsraten
Hinweis:
Die Berechnung der Grundwasserneubildung kann mit dem Programm SIWA on ArcView
(bisher ArcSIWA) erfolgen. Hierbei handelt es sich um ein in Desktop-GIS ArcView
integriertes Bodenwasserhaushaltsmodell (ein so genanntes N-A-Modell, SIWA ist eine
Programmkomponente von ArcEGMO).
29
Aufgabe 6a
Transportmodellierung mit einfacher Reaktionskinetik
Lösen Sie das Anfangsrandwertproblem
R
c
c
 2c
 qx
 D xx 2  R    c  0 ,
t
x
x
mit der Anfangsbedingung: c( x,0)  0 ,
lim c( t, x )  0 ,
und den Randbedingungen: c( t,0)  1 ,
x inf
mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (Feflow). Ein Parametersatz ist in der Tab. 2
beigefügt. Führen Sie die numerische Analyse an einem 2-D horizontalen Fallbeispiel mit
folgenden Strömungsbedingungen durch: h(t, x = 0 m) = 20 am Injektionspunkt, q(t, x = 100
m) = 0,1 m2 d-1.
Tab. 2: Modellparameter und Geometrien
Symbol
Name
Wert
(Einheit)
c
Stoffkonzentration
(ML-3)
Dd
molekularer Diffusionskoeffizient
0 (10-9 m2s-1)
Dxx = εDd+βLqx= D
SCHEIDEGGER-BEAR hydrodyn.
(L2T-1)
Dispersionstensor
30
qx = ενx = q
DARCY Fluss, spezifischer Durchfluss
(L2T-1)
R = ε + (1-ε)κ
Retardationsfaktor
R = 0,2 (1)
t1/2
Halbwertszeit
(T)
νx = ν
Geschwindigkeit
(LT-1)
x
Koordinate
(L)
βL
Koeffizient der longitudinalen Dispersivität
βL= 5 m
κ
Henry Sorptionskoeffizient
κ=0
λ = ln2/t1/2
Zerfallsrate
λ = 0,002 · 10-4 s-1
ε
Kinematische Porosität
ε = 0,2
dt
Zeitschritt
dt = 0,1 – 1 d
T
Transmissivität
T = 1,0 · 10-4 m2s-1
B
Streifenbreite
B = 20 m
L
Länge der Transportstrecke
L = 100 m
M
Mächtigkeit des Aquifers
M=1m
a) Untersuchen Sie das Lösungsverhalten in Abhängigkeit der Netzgeometrie! Wählen Sie
dazu ein äquidistantes Gitter mit verschiedenen Maschenweiten und ein nicht
gleichmäßiges Gitter.
b) Vergleichen Sie die numerischen Lösungen mit der analytischen Lösung. Verwenden Sie
zur Lösung der oben angegebenen Transportgleichung das Programm Mathematica:
c 1 
x(1   )
x  q  t / R
x(1   )
x  q    t / R 

exp
erfc
 exp
erfc
,
c0 2 
2 L
2 L
2 q  L t / R
2 q   L  t / R 
mit:   1  4    R   L / q , und dem
komplementären Gaußschen Fehlerintegral: erfc(u )  1 
2

u
  e  d
2
0
(n. Ogata & Banks 1951).
c) Untersuchen Sie den Einfluss des Retardationsfaktor und der Parameter der Dispersivität
auf das Transportverhalten.
d) Der Retardationsfaktor ist proportional zum Corg- Gehalt. Lösen Sie das obige Problem
für einen in x-Richtung variablen Retardationsfaktor (vgl. Bild 23).
R niedrig
R hoch
R niedrig
Bild 23: Finite Elemente Netz und räumliche Variabilität des Retardationsfaktors
e) Variieren Sie die Konzentrationsanfangs- und Randbedingungen (Neumann- Randbedingung am linken Rand) in Anlehnung an Bild 24:
31
c
t
Bild 24: Mögliche NEUMANN-Randbedingungen für das vorliegende Rechenbeispiel
Aufgabe 6b
Transportmodellierung mit zeitabhängigen Schadstoffquellen
Erläutern Sie die Schadstoffausbreitungssimulation des FEM-Projekts entsprechend eines
technischen Reports (Bild 25).
Bild 25: Visualisierung der so genannten Mass boundaries (oben) und Flow boundaries
(unten) im FEFLOW-Projekt plume_multipow.fem (Goundwater Single-Species Mass
Transport Model – 2D)
Hilfestellung: Öffnen Sie das „Problem Summary“; File Name, Projekttitel, Dimension
(Projektion bei 2D), Modell-/Grundwassertyp, Lösungstechnik; Parameterfelder ……
32
Aufgabe 7
Ungesättigte Zone (Van Genuchten Problem)
Es soll in dieser Aufgabe der ungesättigte Fluss (Bodenwasserbewegung) in einer
inhomogenen Bodensäule mit dem FE- Programm Feflow an einem Fallbeispiel berechnet
werden. Es handelt sich um ein Beispiel, in dem nach Studien von VAN GENUCHTEN (1987)
die Bewegung von Bodenwasser in einem geschichteten Boden simuliert werden soll. Die
Bodensäule hat eine Vertikalerstreckung von 1,70 m und besitzt vier Bodenhorizonte (vgl.
Bild 26).
Bild 26: Bodenprofil mit Knoten an der linken Bodensäule (rechts) sowie Landschaftsfoto mit
Bodenprofilstandort (links); Stichwort: Übertragung, Regionalisierung. Wie kann man die
Variabilität die bodenphysikalischen Parametern berücksichtigen bei regionalen
Lösungsräumen?
Die Anfangsbedingung ist gegeben mit der Druckhöhe 0 = - 3,5 m. Eine konstante
Infiltrationsrate an der Oberfläche mit qnh = - 0,25 m/d (t  1 Tag) und einer Verdunstungsrate von qnh = 0,005 m/d (t  1 Tag) sind vorgegeben. An der unteren Begrenzung der
Bodensäule befindet sich eine sogenannte "drainage gradient-type BC" mit 4 m/d
(GENUCHTEN-MUALEM model).
Berechnen Sie mit dem FE- Programm Feflow unter Verwendung der in der Tabelle 3
angegebenen Parameter den zeitlichen Verlauf der Wasserspannung in kPa und der
Bodenwassersättigung über die Tiefe. Visualisieren Sie die Simulationsergebnisse für
unterschiedliche Zeitschritte (t = 1, 2, 4, 6, 8 Tage). Diskutieren Sie die Ergebnisse unter
Einbeziehung des nebenstehenden Fotos.
33
Tab. 3: Parameter für das VAN GENUCHTEN Modell
parameters
FEFLOW
problem class
transient flow, 1D
type
unsaturated
mesh
B = 0,01 m, L = 1,70 m, x =y= 0,01 m
element type
4-noded quadrilateral
upwinding
no upwinding: Galerkin-based formulation
time stepping regime
AB/TR time integration scheme
initial time step length, final time
1,0e-05, 8 d
flow initials
0 = -3.5 m
initial pressure head
flow boundaries
h
constant flux at surface at t 1 day
qn = -0,25 m/d
constant flux at surface at t  1 day
qn = 0,005 m/d
drainage at bottom
qn = 4 m/d
h
h
flow materials
van Genuchten model parameters
soil
type
f
f
sr
3
ss
3
(cm /cm )
3
A
3
(cm /cm )
-1
(m )
n
(-)
cond.
-4
(10 m/s)
storage
compressibility
-1
(m )
1
clay loam
0.2
0,54
0,8
1,8
0,029
4,0e-05
2
dense layer
0,25
0,4
0,9
3,0
0,012
5,0e-06
3
loamy sand
0,17
0,47
1,0
2,0
0,087
1,0e-05
4
0,1611
0,4611
1,306
2,178
0,154
1,0e-05
5
0,15
0,45
1,08
2,4
0,237
1,0e-05
6
0,14
0,44
1,12
2,6
0,313
1,0e-05
7
0,1311
0,4311
1,156
2,778
0,379
1,0e-05
8
0,1244
0,4244
1,182
2,911
0,43
1,0e-05
0,12
0,42
1,2
3,0
0,463
1,0e-05
9
34
sand
Erläutern Sie die Gleichung von Richards Gleichung hinsichtlich der numerischen
Lösungstechniken sowie hinsichtlich der Parameteridentifikation im Labor bzw. Feld.
ε
sψ 
   K r s   K ψ  z   Q  0
t
(siehe: Diersch, H.-J.G. & Perrochet, P. (2002): On the primary switching technique for simulating
unsaturated saturated flow.- FEFLOW White Paper Vol. I, p. 9-65 )
Bodenwasserretention (pF-Kurve)
sowie Wasserleitfähigkeit in
Abhängigkeit vom Wassergehalt für
eine Bodenart.
s (= saturation, Sättigung) ist eine
Funktion des Matrixpotentials bzw. des
hydraulic piezometric head . Die
relative hydraulische Leitfähigkeit Kr ist
eine Funktion von s und . Das
Programm FEFLOW stellt nun
empirische Beziehungen von
- van Genuchten-Mualem und
- Brooks-Corey
zur Verfügung.
Hysteresis der Wasserspannungskurve. Die
Wasserspannungskurve ist nicht nur von
Körnung und Gefüge abhängig, sondern auch
von der Richtung der Wassergehaltsänderung.
Als Ursache für die Hysteresis kommen vor allem
die für Ent- und Bewässerung gegensätzliche
Wirkung von Porenengpässen, unterschiedliche
Luftinklusionen sowie Veränderungen der
Benetzbarkeit in Frage.
.
35
Trainings-Aufgabe 5
Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate
Mit dem Simulationssystem SIWA on ArcView soll die räumlich variable
Grundwasserneubildungsrate ermittelt werden. Die Berechnung der Grundwasserneubildung
im
innerjährlichen
Gang
erfolgt
auf
der
Grundlage
von
über
30
Bodenwasserhaushaltsgrößen. SIWA ist ein Produkt der WASY GmbH, welches das
weiterentwickelte hydrologische Modellsystem SIWA mit einer graphischen, ArcViewbasierten Benutzeroberfläche kombiniert. Da SIWA die berechneten Ergebnisse in eine
Shapedatei speichert, sind die Werte einfach in das Grundwassermodul Feflow zu
importieren.
SIWA ist ein reduziertes Niederschlags-Abfluss-Modell zur eindimensionalen Beschreibung
der Abflussbildung und des Bodenwasserhaushalts für die räumlich und zeitlich differenzierte
Berechnung der Grundwasserneubildung und weiterer Wasserhaushaltsgrößen. Mit SIWA
on ArcView ist es möglich, diese Ergebnisse auf einfache Weise graphisch darzustellen und
Karten zu produzieren. Ohne großen Aufwand können Modelldaten und Berechnungen an
den aktuellsten Stand des Projektgebiets angepasst werden. Mit dem Programm können
neben der Grundwasserneubildung weitere 36 Bodenwasserhaushaltsgrößen wie z.B. reale
Verdunstung, Sickerwasserrate, aktuelle Bodenfeuchte oder die über die Kanalisation
abgeleiteten Regenwassermengen ausgewertet werden.
Für die Berechnung dieser Bodenwasserhaushaltsgrößen berücksichtigt SIWA die
Interzeption, die Muldenspeicherung, die Infiltration und den vertikalen Feuchtestrom bis zum
Grundwasser einschließlich der Grundwasserneubildung und des kapillaren Aufstiegs.
Ermittlung der elementarflächenbezogenen Modellparameter
Modelleingangsdaten für SIWA on ArcView sind Zeitreihen von Tageswerten des korrigierten
Niederschlags und der potentiellen Verdunstung (TURC-IVANOV). Des Weiteren werden für
die Modellierung folgende Geo-Informationen benötigt, die als ARC/INFO-Cover (Vektor)
oder Shapedateien bereitzustellen sind: Landnutzungskarte, Bodenkarte, Grundwasserflurabstandskarte und das digitale Geländemodell (Gefällewerte). Durch Verschneidung der
Einzelinformationen entstehen quasihomogene Elementarflächen, deren unterschiedliche
Eigenschaften in SIWA durch Attribute definiert werden. Zur Umsetzung dieser Informationen
in SIWA- Modellparameter werden Zuordnungstabellen genutzt, die hydrologisch relevante
Kennwerte enthalten und über Schlüsselattribute mit den Geometriedaten verknüpft sind.
Diese Kennwerttabellen bilden zusammen mit den Modellgeometrien die Grundlage für die
programminterne Ermittlung der elementarflächenbezogenen Modellparameter. Optional
kann jedes Element noch einem Teilgebiet zugeordnet werden, z.B. einem Landkreis.
Zwei-Ebenen-Technologie mit Optionen
SIWA on ArcView besteht aus zwei Ebenen: der Definitions- und der Anwendungsebene. Die
36
oben genannten Verschneidungen und Definitionen müssen innerhalb der Definitionsebene
vorgenommen werden. Hierzu wurden spezielle Menüpunkte entwickelt. Die Verschneidung
wird hier mit ARC/INFO- Befehlen durchgeführt (Bild 27). So sind die Befehle ‚Union‘,
‚Dissolve‘, ‚Eliminate‘ und ‚Clip‘ in SIWA identisch zu ARC/INFO. Es wird hier dann auch mit
einzelnen Flächen gearbeitet, nicht mit Regionen. Weiter besteht die Möglichkeit, aus Linien
oder Punkten Grids zu erstellen. Hierzu benötigt man allerdings die ArcView- Erweiterung
Spatial
Analyst.
Es
besteht
dann
die
Möglichkeit,
Gefälleund
Grundwasserflurabstandskarten mit SIWA on ArcView zu erstellen. SIWA bietet auch die
Option, diese Karten zu klassifizieren.
Aufgabenstellung:
Skizzieren Sie in Gruppenarbeit die einzelnen Arbeitsschritte zur Bestimmung der
Grundwasserneubildungsrate im Sinne einer räumlich-zeitlichen Variablen (... wichtige
Größe bei der regionalen Grundwassermodellierung). Versuchen Sie, den „Bogen“ zwischen
einer instationären vertikalen Strömung in der ungesättigten Zone am Standort zu einer
flächen-/raumdifferenzierten Information für den Boden „zu spannen“!
Bild 27: WASY Software SIWA on ArcView: Ergebnisse im View- Menu
37
Notizen, Fragen an den Dozenten
.
38
Trainings-Aufgabe 6a Verständnisfragen zur Gerinnehydraulik
Rechnen Sie mit Hilfe des Schüsselkurven- Wizard (Programm Gerinne zur Berechnung des
Normalflusses, MARTIN & CARSTENSEN (2000); auf der mitgelieferten CD zu finden unter:
\Gerinne\Gerinne1.exe) für das Mittel- und Hochwasser in einem gegliederten Profil mit zwei
Berechnungsformeln (1. Fließformel nach MANNING-STRICKLER, 2. vereinfachte universelle
Fließformel) den Durchfluss aus. Die Geometrie des Gerinnes und die Wasserstände sind
Bild 28 zu entnehmen. Verwenden Sie folgende Parameter für die Berechnung:
Gefälle I
Sandrauhigkeit kS
Formbeiwert fr
Strickler-Beiwert kSt
0,0013 m/m
0,0011 m
3,68
55,2 m1/3 s-1
Bild 28: Gerinne mit beidseitigem Uferbewuchs (oben), hydrologische und topographische
floodplains. The hydrologic floodplain is defined by bankfull elevation. The topographic
floodplains includes the hydrologic floodplans and other lands up to a defined elevation
39
T-Aufgabe 6b
Welche „Mängel“ weisen die klassischen Fließformeln nach Brahms und Chezy auf? Wie
lautet die sogenannte Flachwassergleichung (Saint Venant Gleichung, CHANDHRY 1993)?
T-Aufgabe 6c
Erläutern Sie die in Bild 29a dargestellten wasserlaufbezogenen Rahmenbedingungen für
eine 1D-/2D- Gerinneströmungsberechnung. Denken Sie dabei auch an den Sediment- oder
Stofftransport!
Bild
29a:
Wasserlaufbezogene
Rahmenbedingungen:
„Network“
für
die
1D-
Gerinneströmungsmodellierung mit Abflusspegeln (Wehranlagen mit kontinuierlicher
Datenaufnahme) sowie einem Querprofilabstand von 1 km, Beispiel für ein Querprofil
(beidseitiger Bewuchs) mit graphischer Darstellung der gewässerkundlichen Hauptzahlen
(HW, NW und NW). Für 2D krummliniges, orthogonales Rechennetz für Flussabschnitt.
Weitere wasserwirtschaftliche Infrastrukturen wie Wasserkraftanlagen, Rückhaltebecken,
Flussdeiche etc. sind nicht dargestellt
40
Bild 29b: Landforms and deposits of a floodplain. Topographic features on the floodplain
caused by meandering streams
T-Aufgabe 6d
Erläutern Sie die drei Möglichkeiten zur Modellierung der Gerinneströmung im
Programmpaket MIKE 11 HD. Nennen Sie die vier Bedingungen, unter denen die Saint
Venant Gleichung verwendet wird!
T-Aufgabe 6e
Für die Modellierung einer Gerinneströmung in einem Fluss (z.B. für den Stoff-,
Sedimenttransport, Hochwasservorhersage etc.) benötigen Sie, neben hydraulischen
Parametern, auch wasserlaufbezogene Strukturinformationen. Bild 30 zeigt ein
entsprechendes MIKE 11- Menufenster zur Eingabe derartiger Informationen. Skizzieren Sie
zum einen

die notwendigen Feldaufnahmen oder stellen Sie eine Liste der zu beschaffenden
Daten auf,
und

erläutern Sie die entsprechenden Implementierungen in das Programm MIKE 11, z.B.
river network, cross section etc.!
41
Bild 30: MIKE 11 Simulation Files mit entsprechendem Input, u.a. MIKE 11 River Network
File und Cross Sections File
T-Aufgabe 6f:
Beschäftigen Sie sich mit der Software ArcHydro (Maidment 2003 ed.), welches zur
Aufnahme und Analyse (Pre-/ Postprocessing, aber auch zur Prozessmodellierung durch
Kopplung) von Fließgewässern und wasserwirtschaftlichen Infrastrukturen geeignet ist.
Stellen Sie Parallelen zum Gewässerexplorer von WISYS (alt ArcWFD der Fa. Wasy) her!
Mit dem Informationssystem WISYS stellt WASY den für die Umsetzung der Europäischen
Wasserrahmenrichtlinie verantwortlichen Behörden und Arbeitskreisen ein Werkzeug zur
Datenbank- und GIS-basierten Verwaltung und Nutzung wasserwirtschaftlicher
Informationen mittels ArcGIS von ESRI sowie für die Öffentlichkeitsarbeit zur Verfügung. Die
Software liegt auf dem Server Campus Suderburg der Universität Lüneburg und kann auch
für Studien- und Diplomarbeiten genutzt werden.
42
Aufgabe 8a
Modellierung der hydrodynamischen Vorgänge in einem Vorfluter, Einführung
Für die hydrodynamische Modellierung eines kleinen Flusses im Süden Jütlands steht das
Simulationssystem MIKE 11 HD und die entsprechenden Datensätze zur Verfügung. Der
Fluss Vida hat mehrere kleinere Zuflüsse und ist tidebeeinflusst durch die Nordsee (Bild 31).
Bild 31: Topographische Karte der Flussaue Vida bei Tonder (DK). Am Fallbeispiel Vida wird
die Funktionalität des hydrodynamischen Flussmodells Mike 11 HD vorgestellt unter
Zuhilfenahme des Short Introduction Tutorial [DHI 2003]
Zuerst folgt eine kurze technische Einführung basierend auf den Handbüchern DHI Water &
Environment (2003): MIKE 11. A Modelling System for Rivers and Channels, Short
Introduction and Tutorial und DHI (2003): MIKE 11 - User Guide.
Im Anschluss daran werden schrittweise die einzelnen Arbeitsschritte kurz beschrieben. Eine
Vielzahl von landschaftsökologischen und hydrologisch-wasserwirtschaftlichen Untersuchungen z.B. auch im Zusammenhang mit der EU-WRRL sind nur zielführend
durchzuführen, wenn auch Fachkenntnisse im Umgang mit hydrodynamischen
Modellvarianten vorhanden sind! Für Hochwassermodellierungen in Flussgebieten sind
spezielle Kenntnisse der GIS- basierten Ergebnisvisualisierung notwendig. Hydromechanische und hydraulische Grundkenntnisse werden im Vorlesungsbetrieb vermittelt. Für
das empfohlene Eigenstudium werden auf der MvH I - Webpage entsprechende Skripte
angeboten.
43
Technische Einführung
MIKE 11 ist ein 1-D querschnittsintegriertes Finite Differenzen Verfahren zur Simulation der
Hydrodynamik (Wasserstand und Strömung) in Fließgewässern.
Description from DHI about MIKE 11 (http://www.dhisoftware.com/mike11/)
MIKE 11 is a professional engineering software package for the simulation of flows, water
quality and sediment transport in estuaries, rivers, irrigation systems, channels and other
water bodies. It is a dynamic, user-friendly one-dimensional modeling tool for the detailed
design, management and operation of both simple and complex river and channel systems.
Because of its exceptional flexibility and speed MIKE 11 provides a complete and effective
design environment for engineering, water resources, water quality management and
planning applications.
MIKE11 is based on an integrated modular structure with a variety of basic modules and
add-on modules, each simulating certain phenomena in river systems. The modular structure
offers great flexibility:
MIKE11 includes basic modules for: Rainfall-Runoff, Hydrodynamics, Advection-Dispersion
and cohesive sediments, Water Quality, Non-cohesive sediment transport
Hydrodynamic Module (HD)
The HD module contains an implicit, finite difference computation of unsteady flows in rivers
and estuaries. The formulations can be applied to branched and looped networks and quasi
two-dimensional flow simulation on flood plains. The computational scheme is applicable to
vertically homogeneous flow conditions ranging from steep river flows to tidally influenced
estuaries. Both subcritical and supercritical flow can be described by means of a numerical
scheme which adapts according to the local flow conditions. The complete non-linear
equations of open channel flow (Saint-Venant) can be solved numerically between all grid
points at specified time intervals for given boundary conditions. In addition to this fully
dynamic description, a choice of other flow descriptions is available: high-order, fully
dynamic, diffusive wave, kinematic wave, quasi-steady state. Within the standard HD module
advanced computational formulations enable flow over a variety of structures to be
simulated: broad-crested weirs, culverts, regulating structures, control structures, dam-break
structures, user-defined structures, tabulated structures.
Rainfall-Runoff Module (RR)
In addition to the provision of boundary conditions at model boundaries, the description of
rainfall and associated runoff is often a key element in setting up a MIKE 11 simulation. The
rainfall-runoff (RR) module contains three different models that can be used to estimate
catchment runoff:
NAM: A lumped, conceptual rainfall-runoff model simulating overland flow, interflow and
44
baseflow as a function of the moisture content in each of four mutually interrelated storages:
snow storage, surface storage, root zone storage, groundwater storage.
In addition NAM allows treatment of man-made interventions in the hydrological cycle
such as irrigation and groundwater pumping. The present UHM module simulates the runoff
from single storm events by the use of the unit hydrograph technique and constitutes an
alternative to the NAM model for flood simulation in areas where no stream flow records are
available or where unit hydrograph techniques have already been well established. The
module calculates simultaneously the runoff from several catchments and includes facilities
for presentation and extraction of the results. The output from the module can be used as
lateral inflow to the advanced hydrodynamic module in MIKE 11. SMAP: A monthly soil
moisture accounting model.
The RR module can either be applied independently or used to represent one or more
contributing catchments that generate lateral inflows to a river network. In this manner it is
possible to treat a single catchment or a large river basin containing numerous catchments
and a complex network of rivers and channels within the same modelling framework.
Einzelnen Arbeitsschritte zum Modellaufbau MIKE 11-Vida
Die folgenden Dateien wurden bereits vorbereitet und stehen Ihnen für die Lösung zur
Verfügung (auf Server im EDV-Raum Langer Kamp 19c):
Sim-Hotstart.sim11
Sim.nwk11
Sim.XNS11
Sim.bnd11
Sim.HD11
VIDA400.gif
M4214Q.dfs0
Sim.HD11
Öffnen von MIKE 11
 Nach dem Öffnen von MIKE Zero auf File – open – MIKE11 Simulation Files (*.sim11)
gehen und die Datei Sim_Hotstart.sim11 öffnen.
(Zum Erstellen einer ganz neuen Simulation geht man auf File – new.)
Simulation (Sim_Hotstart.sim11)
 Hauptmaske von MIKE 11
 MIKE 11 ist aus verschiedenen Modulen aufgebaut, die in der Simulationsmaske
zusammengefügt werden.
 Models: Hydrodynamic und unsteady (Unterschied steady/unsteady?) anklicken.
 Input – Angabe der zur Simulation verwendeten Dateien. Folgende bitte verwenden:
Network (Sim.nwk11)
Cross sections (Sim.XNS11)
Boundary data (Sim.bnd11)
HD Parameters (Sim.HD11)
 Simulation: Gibt den Simulationszeitraum und die verwendeten Zeitschritte an. Die
Daten brauchen für unsere Modellierung nicht verändert zu werden.
45
Bevor es in der Simulationsmaske weitergeht, müssen die einzelnen Dateien
vollständig erstellt werden. Die Sim_Hotstart.sim11-Datei bitte vor dem Schließen
speichern.
Network (Sim.nwk11)
 Unter File – open – MIKE11 River Network Files (*.nwk11) die Datei Sim.nwk11
öffnen.
 In Layers – Add/Remove… - File type Image File einstellen und VIDA400.gif
hochladen. Danach im Overlay Manager Display mit einem Haken versehen.
 Unter Network – Resize Area können die Koordinaten des Gebiets verändert werden. Für
unser Beispiel ist das nicht notwendig.
 Erstellen Sie, mit Hilfe der Icons, einen neuen „Branch“ für den weiteren Verlauf der Vida.
Fügen Sie auch einen „Branch“ für einen Zufluss der Vida ein. Verbinden Sie die
einzelnen „Branchs“ miteinander.
 Unter View – Tabular View – Network – Branches können die neuen Branches
benannt werden und ihre Fließrichtung festgelegt werden. Unter Network können auch
Strukturen wie Brücken und Wehre eingebaut werden.
Cross sections (Sim.XNS11)

Unter File – open – Cross Section (*.xns11) die Datei Sim.xns11 öffnen.

Fügen Sie für die neuen „Branchs“ mindestens je zwei neue Querschnitte (an den
Endpunkten) ein. Dazu einfach in der Tabelle mit den Branch-Namen einen markieren
und auf die Einfügentaste drücken (auch mit der rechten Mousetaste und über insert
cross section möglich). In der rechten Tabelle können nun die Daten des Querschnitts
eingegeben werden. Mit Mark definiert man die einzelnen Punkte des Querschnitts
näher. Über die rechte Mousetaste interpolieren Sie zwischen den Querschnitten.

Mit View Process Data wird das Gefälle des aktuellen „Branchs“ angezeigt.
Boundary data (Sim.bnd11)
 Unter File – open – Boundary Conditions (*.xns11) die Datei Sim.bnd11 öffnen.
 In dieser Datei werden die obere und untere Randbedingung der Vida definiert. Dazu an
der Mündung des Flusses eine Water Level Randbedingung angeben und an der Quelle
und dem Zufluss eine so genannte Inflow-Randbedingung eingefügen. Auch hier können
über die Einfügentaste neue Reihen in die Tabelle eingefügt werden.
 In der unteren Tabelle wird über File/Value - … die Datei M4214Q.dfs0 eingefügt. In ihr
sind Abflussdaten enthalten. Über Edit kann man sich die Tabelle und die Graphik der
Abflussdaten ansehen. Ist diese geöffnet ist es möglich über Edit – Properties die
Eigenschaften der Tabelle zu betrachten. Die Tabelle lässt sich ohne weiteres, z.B. um
ganze Spalten, erweitern.
 (Unter File – open – Boundary Conditions (*.xns11) die Datei Sim.bnd11 öffnen.)
HD Parameters (Sim.HD11)
 Unter File – open – MIKE 11 HD Parameters (*.hd11) die Datei Sim.hd11 öffnen.
 In dieser Datei können diverse Einstellungen vorgenommen werden. Für unsere
Übungsaufgabe brauchen nur die Initial Conditions auf 1m Waterlevel und 0.1
Discharge eingestellt werden.
Die Dateien für die Simulation sind nun erstellt und diese kann nun gestartet werden. Dazu
wird die Simulationsdatei erneut geöffnet.
46
Simulation (Sim_Hotstart.sim11)
 Results: Angabe der Ergebnisdatei (Sim_Hotstart.res11) und der Speicherfrequenz. In
unserem Beispiel soll jeder zehnte Zeitschritt gespeichert werden.
 Start: Schauen Sie bitte, ob die run parameters und HD parameters mit einem grünen
Punkt erscheinen. Sollte das nicht der Fall sein fehlen Angaben in der Eingabemaske.
Erscheinen grüne Punkte kann die Simulation mit Start gestartet werden.
 Läuft die Simulation ohne Fehlermeldungen speichern Sie die Datei als Sim.sim11 und
verändern in dieser folgende Einstellungen:
o Simulationszeitraum: 03.09.1990 – 01.10.1990
o Zeitschritt: 30 min
o Speicherfrequenz: 1 d
o In Simulation – Initial Conditions wird HD auf Hotstart gestellt und die
Sim_Hotstart.sim11 als Hotstart Filename eingegeben.
o Nennen Sie die Ergebnisdatei Sim.res11.
o Speichern Sie die Sim.sim11-Datei.
o Starten Sie die Simulation.
Ergebnisse in MIKE VIEW
 In MIKE VIEW wird die Ergebnisdatei Sim.res11 geöffnet. Im darauf erscheinenden Data
Load Selection Fenster werden die Zeitschritte und die Art der Daten gewählt (Water
Level und/oder Discharge). Bei längeren Simulationszeiträumen empfiehlt es sich
höchstens jeden zehnten Zeitschritt zu laden.
 Im nun erscheinenden Horizontal Plan lässt sich mit dem Plot Longitudinal ProfileIcon eine Strecke der Vida grün markieren und durch einen Doppelklick wird das Profil
gezeichnet. Es kann bei der Darstellung zwischen verschiedenen Optionen gewählt
werden. So lässt sich zum Beispiel der Wasserstand zeigen. Über das Run The
Animation -Icon wird die Animation gestartet.
 Über das Cross Section Animation-Icon und die Wahl eines Querschnitts kann der
zeitliche Verlauf des Wasserstandes an diesem Querschnitt dargestellt werden.
 Zur Überprüfung der Simulation können in MIKE VIEW z.B. Zeitreihen gemessenen und
Wasserständen eingefügt werden.
Dokumentieren Sie die Ergebnisse der hydrodynamischen MIKE 11- Simulation im Fluss
Vida (Flusswasserstände, Fließgeschwindigkeiten etc.) und überlegen Sie, wie die
Ergebnisse mit dem GIS visualisiert werden können.
Unter dem LINK http://www.hydro-web.org/2005/EGW/Welcome.html finden sich u.a. das
River Project (Course Exercise: Management of the River Vidå) mit general description,
River Model und River Photos.
47
Aufgabe 8b
Strömungsberechnung Ems
Erstellen Sie ein 1D-Strömungsmodell für den Bereich der Unteren Ems unter Verwendung
des DHI-Programms MIKE11. Das hydrodynamische Modell soll auf Basis exportierter Bilder
aus dem GIS und Zeitreihen verschiedener Pegel erstellt werden. Im Anschluss ist das
Modell so zu kalibrieren, dass die natürlichen Gegebenheiten möglichst realistisch abgebildet
werden.
Übungsschritt 1: Aufbau des Flussnetzes aus einer Karte
Vorgabe:
Top-Karte kate.jpg, morpho.jpg, Flussprofil profile.jpg, maße.txt
EMSSPERR.txt
Bauen Sie auf dieser Datengrundlage ein Flussnetz zwischen Pegel Leerort und
Emssperrwerk auf. Anschließend geben Sie 3 Profile ein, zwei an den Randbedingungen
und eins in der Mitte. Danach interpolieren Sie zwischen Leerort – Mitte mit einem Abstand
von 150 m und zwischen Mitte – Emssperrwerk mit einem Abstand von 250 m.
Im Anschluss erstellen Sie aus der EMSSPERRWERK.txt eine Zeitserie (.dfs0).
Übungsschritt 2: Erstellen einer kompletten Simulation
Vorgabe:
lerr_durchfluss_komplett.dfs0
ems.nwk11
cross.xns11
Erstellen Sie aus den vorgegebenen Dateien eine Simulation und simulieren Sie den
Zeitraum vom 01.06.2004 – 03.06.2004.
Übungsschritt 3: Modell kalibrieren
Vorgabe :
terborg.dfs0
Kalibrieren Sie ihr Modell anhand des Pegel Terborg und zeigen Sie die Veränderungen
(grafisch) im PlotComposer. Dabei sind die „besten“ Einstellungen zu dokumentieren und zu
begründen.
Moderieren Sie die Eingabeschritte und die erzielten Simulationsergebnisse.
Aufgaben-Manual/ Step by Step/ operating instructions
1. Aufbau des Flussnetzes aus einer Karte
Vorgabe: karte.jpg, morpho.jpg, profile.jpg, maße.txt, EMSSPERR.txt
Im Programm Mike11 wird ein neues File „River Network“ geöffnet. Zu Beginn wird die
Größe des lokalem Koordinatensystems definiert (Breite: 18.188 m; Höhe: 12.756 m).
Über das Menü „Layers“  „Add/Remove“ werden die Hintergrundkarten als Image-Dateien
eingeladen (karte.jpg; morpho.jpg; profile.jpg).
Unter „Layers“  „Properties“ muss nun die Größe der eingeladenen Bilder an das
Koordinatensystem angepasst werden. Hier werden für jedes Bild einzeln die „Max coords“
eingegeben (Breite: 18.188 m; Höhe: 12.756 m).
Über die Toolbar und die Schaltfläche „Add New Points“ werden die Punkte für den zu
erstellenden „Branch“ definiert.
48
Ein Branch ist ein Teil eines Flusssystems. Im behandelten Beispiel besteht das Flusssystem
nur aus einem Branch, also einem „Abzweig“.
Erstellt wird der Branch nun mit der Option „Define New Branch“, indem diese Punkte
verbunden werden. Dazu werden nach Auswahl des Tools die Punkte bei gedrückter
Maustaste verbunden. Die Datei wird als *.nwk11 gespeichert.
Das Flussnetz zwischen Pegel Leerort und Emssperrwerk ist nun erstellt. Als nächstes folgt
die Erstellung dreier Flussquerprofile.
Hierzu wird in MikeZero eine neue Simulation erstellt, in die das Flusssystem eingeladen
wird. Um Cross-Sections (Querprofile) erstellen zu können, wird in MikeZero unter dem
Menüpunkt File  New  Mike11  Cross Sections eine Cross-Section-Datei erstellt,
gespeichert (*.xns11) und dieser Simulation, wie auch das Flussnetzwerk, hinzugefügt.
Im *.nwk11-file können jetzt Cross Sections hinzugefügt werden. Dies ist nur auf den zum
Branch gehörenden Punkten möglich. Dazu wird auf den Punkt, an dem eine Cross Section
gewünscht ist, mit der rechten Maustaste das Kontextmenü geöffnet und die Punkte Insert 
Network  Cross Sections angewählt. Die Cross Sections erscheinen in der *.xns11 Datei,
in der sie auch bearbeitet werden können.
Im *sim11-file wird dazu hinter der *.xns11 Datei der Button „Edit“ angewählt. Hier können
dem Profil Punkte hinzugefügt und verschoben werden, bis ein akzeptables Abbild der
natürlichen Gegebenheiten erreicht ist.
Zwischen den drei eingefügten Cross Sections werden nun weitere durch Interpolation
erstellt.
Mit der rechten Maustaste wird auf ein existierendes Profil geklickt und das Kontextmenü
geöffnet. Der Punkt „Insert Interpolated“ wird angewählt und die gewünschten Einstellungen
können vorgenommen werde (Schrittweite…).
Es wird ein Startpunkt und ein Endpunkt der Interpolation ausgewählt und die maximale
Weite der interpolierten Profile.
Erstellen einer Zeitserie (*.dfs0)
Zum Erstellen liegt eine vorbereitete ASCII-Datei (Emsperr.txt) vor. Um aus dieser eine
Zeitserie in Mike zu erstellen, wird File  New angewählt und unter MikeZero „TimeSeries“
ausgewählt. Im Untermenu ist „from ascii file“ zu wählen. Im folgenden Fenster wird die Datei
ausgewählt, sowie Einstellungen bezüglich der vorliegenden Daten getroffen. Zum Beispiel
wird die Einstellung „Equidistant Calendar Axis“ ausgewählt, da die Daten in gleichen
Zeitabständen genommen wurden.
2. Erstellen einer kompletten Simulation
Vorgabe: lerr_durchfluss_kompplett.dfs=, ems.nwk11, cross.xn11
File- New- MIKE11- Simulation- ok- Input- bei Network auf … gehen und Datei ems.nwk11
aus dem Ordner uebung2 öffnen-bei Cross sections ebenfalls auf … gehen und aus
uebung2 die Datei cross.xn11 einladen.
Es wird eine neue Simulation erstellt. Das Flussnetz und die Cross Sections sind
vorgegeben und werden in diese Simulation eingeladen.
49
Für die HD-Parameter und die Boundary Conditions werden neue Dateien über das Interface
von MikeZero angelegt, welche zuerst vollkommen unbearbeitet abgespeichert und dann der
Simulation zugeordnet werden.
Nun werden in der *.nwk11 Datei die Boundary Conditions gesetzt. Diese werden am Pegel
Leer und am Emssperrwerk eingefügt, indem im Kontextmenü (rechte Maustaste auf
gewünschten Punkt) „Insert“  „Boundary“  „Hydro Dynamic“ ausgewählt wird.
In der *.bnd11 Datei werden diese Boundary Conditions näher definiert. Der Boundary Type
am Emssperrwerk wird als Water Level eingestellt und der am Pegel Leer als Durchfluss
(Inflow).
Den Boundaries können nun die entsprechenden Daten zugeordnet werden (TS_Data),
welche für das Emssperrwerk (sperrwerk2.dfs0) eine Zeitreihe mit Wasserständen und für
den Pegel Leer eine Zeitreihe mit Durchflüssen ist (leer_durchfluss_komplett.dfs0).
In den HD Parameters, über Input  Edit, wird das Water Level auf 0.5 gestellt. Zum
aktivieren dieser Eingabe muss ein Mausklick in ein darunter liegendes Feld erfolgen. Nun
kann diese Eingabe gespeichert werden.
Vor Beginn der Simulation müssen noch nähere Einstellungen über deren Ablauf getroffen
werden. Dies geschieht unter dem Eintrag „Simulation“ des Hauptfensters des Mike11
Projektes.
Es ist die Eingabe des Zeitschritts notwendig (2 sec.) sowie des Zeitraums, der simuliert
werden soll (01.06.2004 01:00:00 – 03.06.2004 00:00:00). Die benötigten Daten über diesen
Zeitraum müssen in den *.dfs0 Dateien (Zeitreihen der gemessenen Daten) vorhanden sein.
Unter „Results“ wird eine *.res11-Ergebnisdatei definiert oder eine vorhandene ausgewählt.
Sind diese Einstellungen getroffen und gespeichert, kann die Simulation unter „Start“
durchgeführt werden.
3.
Modell kalibrieren
Vorgabe: terborg.dfs0
Diese Aufgabe beschäftigt sich mit dem graphischen Vergleich simulierter und gemessener
Daten.
Der Zugriff auf die simulierten Daten erfolgt über das Tool „MikeView“, mit dem die erstellte
*.res11 Datei geöffnet wird. Nach dem Öffnen erscheint der definierte Branch.
In der Toolbar wird „Select Gridpoint“ ausgewählt und ein Punkt in der Nähe des Pegels
Terborg ausgewählt. Im erscheinenden Fenster wird die anzuzeigende Einheit (hier „Water
Level“) bestätigt. Es erscheint ein Graph des Wasserspiegels über der simulierten Zeit. Ein
Rechtsklick lässt ein Kontextmenü erscheinen, bei dem sich „TS Info  Info“ auswählen
lässt. Im folgenden Fenster, welches Informationen zum Grid Point enthält, wird der Button
„Show Values“ betätigt. Es erscheint die tabellarische Form der Wasserstände. Hier können
nun alle Werte markiert werden, um sie zu kopieren (Strg+C).
Unter MikeZero „File  New“ wird eine neue leere Zeitreihe erstellt. Einstellungen: Zeitraum
01.06.2004 00:50:00 (es wird nicht 01:00:00 gewählt!), Equidistant Calendar Axis und Time
50
Step = 10 min. (Zeitschritt der Simulation 2 sec., jeder dreihundertste Wert geloggt  300
sec.).
In die noch leere Tabellenspalte können nun die Werte mit „Strg+V“ eingefügt werden. Der
erste Wert (00:50:00) enthält eine Null, weshalb diese Zeile gelöscht werden muss. Jetzt ist
01:00:00 der erste Tabellenwert die Zeitreihe kann als *.dfs0 Datei gespeichert werden.
Der „Plot Composer“ wird unter MikeZero  File  New gestartet. Hier kann der Plot
Composer ausgewählt werden. Unter dem Menüpunkt „Plot“  „Insert Plot Object“ wird
„Time Series Plot“ ausgewählt. Hinzugefügt werden nun die Datei „terborg.dfs0“ sowie die
simulierten Ergebnisse, die als *.dfs0 gespeichert wurden (Die Dateien müssen im
Auswahlfenster [unten] mit einem Häkchen bestätigt werden).
Die Ansicht wird nun mit einem Rechtsklick und der Anwahl des Punktes „Properties“ im
Kontextmenü angepasst. Hier kann der darzustellende Zeitraum (X-Achse) (01.06.2004
01:00:00 – 03.06.2004 00:00:00) sowie der Maßstab der Y-Achse angepasst werden.
Besichtigung
des
Hydrauliklabors
Campus
Suderburg,
Univ. Lüneburg im SS
2004
(oben),
Sedimentprobennahme
(Flusssohle) in der Aller
bei Gifhorn im Rahmen
des
Geomorphologischen
Geländepraktikum im SS 2003
(unten)
51
Tutorial Fluvial Geomorphology von STOTT (2003), Webadresse www.filter.ac.uk
Notizen
52

Modellierung von Hydrosystemen I: Übungsunterlagen

Transcrição

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