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Mehrdimensionale Simulationen der Gewässergüte in Ästuaren

- Aufbau und Überprüfung

1. Einführung Gütesimulation als Beratungsleistung

2. Systemaufbau

3. Überprüfung Approximationsgüte

4. Ausblick + Resümee

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Sauerstoffbilanz

O2

heterotrophe Bakterien, Nitrifikanten

Phytoplankton Kiesel-, Grün- und Blau-Algen

POC/DOC ZooplanktonRotatorien

Muscheln

NH4, NO2, NO3, P, Si gelöste Mährstoffe

organischer Kohlenstoff

16 Module70 planktische Konzentrationen

100 Empirische Parameter

Gasaustausch

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große Gebiete

lange Zeiträume

viele Kalibrierläufe

Herausforderung für die Hydroinformatik

Nutzung von

Gewässergüte-Simulationen

durch kleinen Kreis von Experten

Implementierung, Kopplung und Anpassung vorhandener

Modelle und Module

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Kopplung (Software)

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offline Speicherung

Bahnlinien Rückverfolgung ELM

Kopplung (Numerik)

fractional step Algorithmus

Gewässergüte-Simulation, software T-QSim

Strömungssimulation, hydraulischer Treiber, software casu, SELFE ... Turbulenz

Modell

Gasaustausch:

Q = f ( Partialdruckdifferenz, Sohlschubspannung, Wassertiefe, Gerinnebreite, Wind)

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Gewinn durch offline-KopplungLaufzeiten mit und ohne Transportdateien einlesen/ausgeben

casu mit offline-Ausgabe 137s Rechnung für 10800s Strömungcasu ohne offline-Ausgabe 128s Rechnung für 10800s Strömung

QSim-2D mit offline-Einlesen 64s Rechnung für 10800s GüteQSim-2D ohne offline-Einlesen 52s Rechnung für 10800s Güte

1 Gütesimulation bei vorliegender Strömungssimulation:64s offline <-> 180s online

2 Strömungsimulationen + 20 Gütesimulationen (projekttypische Arbeitsmenge)1554s offline <-> 3600s online

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Rechenzeiten für einen Jahresgang im Elbe-Ästuar mit ca. 50 000 Knoten (2D)

~ 5 Tage Strömung

~ 13 Stunden Güte

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c(m)=ini(m)do i = 1 , nt c(m)=c(m)*mue(m)*deltatend doprint*,c(m)

Simulations-Software

Natur

numerischer Algorithmus

ttcccttc jmjMjjm )(...)( ,,,1,

Gleichungs-System

mMm ccctc

)...( 1

3 Stufen der Modellierung

Modellierungs-Annahmen

numerische Näherung

Programmierung

Messungen

Vergleich

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Tabelle Testschemata

Isolationstechnik

Modul .

Keine Rück-wirkung

Isolation mittels 2 Testfällen

Abschalten Test-umgebung

Temperaturbaustein x

Zehrung organischer Kohlenstoff

x

Sauerstoffbilanz Gasaustausch x

Nährstoffe N, P, Si x

ph-Wert x

Wie lässt sich erproben, ob ein Modul im Gesamtkontext richtig implementiert ist ?

1.) Analytische Lösung des Moduls2.) Möglichkeit den Beitrag des Moduls zu isolieren

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100 m

)()( tcAttc jiji

Advektions-Matrix Aenthält die Wichtungsfaktorenfür die Interpolation um den Bahnlinenursprung

Advektions-Matrix Aist unabhängig vom Konzentrationsfeld !

Euler-Lagrange-MethodeTransportinformationen

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)()(

)()(

tctc

Fh

FhA

tMttM

j

j

jj

iiiij

a posteriori Fehlerschätzer: Massenbilanzverhältnis (an jedem Knoten)weitergegebene Masse / ursprünglich vorhandene Masse

massbalance factor

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10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

02.Jul 09.Jul 16.Jul 23.Jul 30.Jul

Tem

pera

tur i

n G

rad

Cel

sius

Zeit im Jahr 2010

Elbe-Aestuar Temperaturen ; Ergebnisse Simulation Tonne D1 km 643,0

Simu. ErprobungsbeginnSimu. Korr. Codierung

Simu. Korr. AlgorithmusMessung

Modellerprobung Vergleich mit Mesungen

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100 m

jjij

jjjij

i hA

chAc

Verfahrensverbesserung Advektion:

tiefengewichtete Interpolation um den Strombahnursprung

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-2

-1

0

1

2

WS

P

Verfahrensverbesserung wird im a-posteriori Fehlerschätzer angezeigt

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dvtx

Elder

num

93.5/2

.

maximal mögliche numerische Diffusion / empirischer Ansatz Diffusion (2D)

a posteriori Fehlerschätzer numerische Diffusion

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Ausblick

Tracerversuche Diffusionsmodellierung + numerische Diffusion

Parallelisierung

Gasaustausch (Messung + Modellierung)

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vom Einzel-Entwickler

zum Komponentenentwickler und/oder Systemintegrator

Institutsübergreifende Entwicklung und Anwendung

von numerischen Modellen organisiert in

open-source-communities.

Trends

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Resümee

Systemaufbau:

lauffähiges Testsystem seit Anfang 2014

Einsparungen beim Entwicklungsaufwand realisiert

Laufzeitvorteile durch offline-Kopplung

Laufzeiten für Gütemodellierung praktikabel

Überprüfung Approximationsgüte

Testschemata zur Überprüfung der Implementierung im Einsatz

a-posteriori Fehlerschätzer geben wertvolle Einblicke in den Näherungsalgorithmus