output - Basement

Einführung BASEMENTRenata Müllermuellerr@vaw.baug.ethz.ch632 41 34

BASEMENT• BASEMENT - BAsic Simulation EnvironMENT•Nationales Rahmenprojekt :“Nachhaltiger Umgang mit Fliessgewässern-Beispiel Rhone & Thur”“Flussgebietsmanagement”•Transdisziplinäres Forschungsprojekt vonEAWAG, WSL, EPFL,VAWundBWG und BUWAL (jetzt BAFU) Kt.Wallis und Kt Thurgau•Modul III VAW: “Flussgebietsmodellierung”-> Entwicklung einer modularen Softwareumgebung zur Simulation vonFliessgewässern mit Berücksichtigung des Sedimenttransportes.

Projektziel und AnwendungsbereicheEntwicklung eines Softwaresystems fürdie computergestützte Untersuchung von.... Hochwasserereignissen.. Überschwemmungen.. Geschiebehaushalt.. Flussdeltaentwicklung.. Gerinneaufweitungen.. Murgängenund entsprechende Erweiterung dernumerischen Modelle.

Problemstellung: Räumliche und zeitliche SkalenDammbruchKolkZeitÜberschwemmungRaumMorphologische Entwicklung

Problemstellung : MassenumlagerungsprozesseGeschiebetriebKorndurchmesserSuspensionstransportMurgängeFeststoffanteil

Räumliche Simulationsmodelle1dBASEchainBASEMENT2dBASEplane3dBASEspaceGrad an Idealisierung / EffizienzAuflösung der Prozesse - Berechnungsaufwand- Räumlich im Sinne der Geometrie, resp. der Topographie- nicht zwingend räumlich bezüglich der modellierten Strömung

Modellierung der ProzesseModell-Charakter:Hydrodynamik- Lösung der Strömungsgleichungen- tiefengemittelte Betrachtungoder vollständig 3d- Finite Volumen MethodeBerücksichtigte Prozesse:Sedimenttransport- Suspensionstransport mitTransportgleichung fürSchwebstoffkonzentration,empirische Gesetzmässigkeitenfür Ablagerung und Eintrag- empirischer Geschiebetransport

SystemübersichtBASEMENTNumericalModels1d, 2dInput / OutputPreProcessingPostProcessingTopographyGISHydrologySedimentologyand Soil ParameterslegendNumerical SubsystemsInfrastructural SoftwareExternal Dataprovided interfaces toinfrastructure

BASEMENT ManualHerunterladen unter www.basement.ethz.chU I –IV USER MANUALwas muss man wissen um die Software zu Benutzen?•I The Basic Simulation Environnement•II Pre Processing•III Model Setup•IV TutorialsR I –IV REFERENCE MANUALHintergrundinformationenI Mathematical ModelsII Numerics KernelIII Test CasesIV InputFiles Systematische Beschreibung aller Parameter

InstallationHerunterladen des Installers unter www.basement.ethz.ch• Zip – Datei Herunterladen• Zip – Datei extrahieren• Installer starten• Installation ohne besondere Einstellungendurchlaufen und beeden.

Gesamtprozess einer UntersuchungAkquisition raum- und zeitbezogener Grundlagendaten:Zeitreihen,für Wasserstand, Abfluss, Geschiebeeintrag, SchwebstoffkonzentrationGeländehöhen,. Gerinnerauhigkeiten, Bewuchs, Kornverteilungen..Analyse der raum- und zeitbezogenen GrundlagendatenAnalyse der Topographie, Zeitreihenanalysen, Erhöhung der Datendichte,Ableitung von ValidierungsdatenErstellung des hydrodynamisch-numerischen ModellsGeometriemodell: Ableitung des BerechnungsgittersRechenmodellparameter: Bereitstellung von Anfangs- und Randbedingungen /Modellansätzen (Rauheit, Turbulenz, ...)Validierung des ModellsVergleich der Simulationsergebnisse mit ValidierungsdatenAnwendung des Modells auf den Planungszustand / Berichtswesen / DokumentationInterpretation und Präsentation der Simulationsergebnisse

Überblick 1D (BASEchain)• Einführung• Mathematische Beschreibung– Berechnung Wasserspiegellage– Diskretisierung• Randbedingungen• Anfangsbedingungen• Features• Überblick Input-Dateien• Überblick Outputs

Was bedeutet 1D ?•Topografie 3- dimensional•Strömung 1- dimensional:Hydraulische Grössenvariieren nur in Längsrichtung

Auswirkungen von 1D•Keine Kurven•Keine Querneigung derWasserspiegellage

KonsequenzenNur eine GeschwindigkeitGleichmässigeSedimentverteilung

Hydraulische KenngrössenGegeben ist die Querschnittfläche ABenötigte hydraulische Kenngrössen im Querprofil:• Z : Wasserspiegellage Iterationen• P : Hydraulischer Perimeter• R : Hydraulischer Radius• K : Durchflussvermögen ( Conveyance ) =• K str :Mittlerer Reibungswert• B: WasserspiegelbreiteQ/ Sb2 Möglichkeiten für die Berechnung:• Iterativ ( Wasserspiegellage) und direkt• Aus Tabelle

Fläche A [m2]Tabelle der hydraulischen Kenngrössenz A371.46 0.00000371.60 1.38607371.80 9.05112372.00 18.12371372.20 27.32756372.40 36.66068372.60 46.1108535030025020015010050372.80 55.65114 0371 371.5 372 372.5 373 373.5 374 374.5 375 375.5 376 376.5Wasserspiegellage z [m]•Analog für alle hydraulischen Kennzahlendeutlich schneller

Diskretisierung in LängsrichtungInnerhalb des GebietesAm Rand

conveyanceDiskretisierung in y-RichtungAufteilung Querprofile in AbschnitteProbleme bei ebenen Querprofilabschnitten250A A iR R iRcalculated w ith the total hydraulic radiussum of the conveyances of all slicesiAiPiK c gRAf2001501005000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4water surface elevation

Conveyance BerechnungGegliedertes Gerinne•Berechnung des Durchflussvermögens K ifür jeden Teilabschnitt•Summierung der K i

Diskretisierung in y-RichtungDefinition der Sohle für GeschiebetransportAb Rb PbAtot Awl Awr AbRbk3/ 2stbAtotP P Pk k kwl b wr3/ 2 3/ 2 3/ 2StWl Stb StWr

GeschwindigkeitNicht uniforme GeschwindigkeitsverteilungenQualitativer Verlauf der Geschwindigkeitsverteilungy

Diskretisierung in y-RichtungNicht durchströmte Gebiete

Diskretisierung in z-RichtungSchichtung der Sedimente

Verteilung der Sedimente

AnfangsbedingungenAtQx02Q Q zgAgASf0t x A xPrimäre Variablen A und Q: müssen am Anfang bekannt sein• Trockenes Gerinne

Kote [m.ü m]Anfansbedingung• Staukurven RechnungBesser bei strömendem AbflussGrebenbach638637636635634633632631630629StaukurveStationärTalweg628400 800Distanz[m]

AnfangsbedingungenDatei mit AnfangsbedingungenWert von A und Q für jedes QuerprofilQuerprofil A QCS1 3.0301556 9CS2 3.0105335 9CS3 2.7347685 9CS4 3.0463322 9CS5 3.3242364 9CS6 3.4134929 9CS7 3.1408063 9restart.datAnfansbedingung

Randbedingungen oben• Hydrograph Q(t)• Wand

Randbedingungen untenZero-gradientAbflussbedingungen auf der Kante ensprechen jenen imletzten Querprofil.Wehr•Wehrkronenkote auch zeitabhängig•Wehrkronenbreite•Wehrflügelneigung•Wehrbeiwert nach Poleni

Kote [m ü.M.]Randbedingungen untenWasserstand –Abfluss - Beziehung•Vorgegeben in Datei376375374373372371370369368367HQ-Beziehung0 2000 4000 6000 8000Q [m3/s]•Intern gerechnet mit NormalabflussGefälle im letzten Querprofil benötigt!

Kote [m ü.M.]Randbedingungen untenWasserpiegellage z(t)Zum Beispiel bei einem See399Wasserstand Bodensee398397396395100 150 200 250 300Zeit [d]

Randbedingungen GeschiebetransportOben:• Zeitreihe Sedimentfracht -> selten bekannt• Eintrag = Transportkapazität der ersten ZelleUnten:• Es fliesst soviel raus wie in die letzte Zellehineinfliesst

Übersicht Input DateienTopographieCommandAnfangsbedingungenRandbedingungenQuelle/Senke

Outputs StandardHaupt- outputName = Szenarioname + out.txt• Flüsse über Kanten: Kontinuitätsfluss, Impulsfluss,Sedimentfluss total, Sedimentfluss pro Kornklasse.• Querprofilwerte: Distanz, Talweg, linke und rechteDammhöhe, mittlere Sohlenlage, Wasserspiegellage,Energielinie, Fläche, Abfluss, Geschwindigkeit, Froude-Zahl, Schubspannung, Transportkapazität.

Outputs StandardTopographie-outputName = Name der Topographie-Datei + out.txt• Querprofilpunkte:Koordinaten, Vorland/Hauptkanal, Sohle, durchströmt,Reibungswerte• Tabelle der hydraulischen Kenngrössen• Mittlere Sohlenlage

OutputsBei GeschiebetransportSediment-Output:• Kornmischungen für alle Kornklassen undSchichtenQuerprofil-Output• Geometrie• Wasserspiegellage

OutputMonitoring Points• Verfolgen eines bestimmten Wertes in einembestimmten Querprofil• VariablenFlächeWasserspiegellageAbflussGeschiebetransportGeschwindigkeitQuerprofilgeometrie• FunktionenMinimumMaximumZeitablaufSumme über die Zeit

zzAufweitung – 1D?3773763753743733725050100100150150200200250250300300yy