Zur Berücksichtigung des Bagger- und Umlagergeschehens in ... · 1 FEDERAL WATERWAYS ENGINEERING...

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FEDERAL WATERWAYS ENGINEERING AND RESEARCH INSTITUTE (BAW) Karlsruhe Hamburg Ilmenau

BAW - DH / 2009-11 K3 slide 1

Ingrid Uliczka*, Christian Maerker**, Holger Weilbeer*

Hamburg, den 05.11.2009

* Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg** Universität der Bundeswehr, München

Zur Berücksichtigung des Bagger- und Umlagergeschehens in Ästuarmodellen

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BAW - DH / 2009-11 K3 slide 2

Inhalt

•Einleitung

•Modellbausteine: UnTRIM und seine Module

•Charakterisierung der vorhandenen Klappstellen im Ems-Dollart-Ästuar•Verdriftungsverhalten unterschiedlicher Sedimentfraktionen

•DredgeSim•Funktionsumfang und Arbeitsweise•Erste Anwendungen im Ems-Dollart-Ästuar mit Ergebnissen

•Zusammenfassung und Ausblick

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• Modul SediMorph: Anwender definiert Sedimentfraktionen(Korndurchmesser -- Sinkgeschwindigkeiten)

-> Hier: - UnTRIM-SediMorph- Topografie 2005- Simulationszeitraum 02.-30.05.2005- zusätzlich 3 Fraktionen im Bereich jeder Klappstelle(Grobschluff ~2mm/s, Mittelschluff ~0,5mm/s, Feinschluff ~0,13mm/s)

Modellbausteine

• UnTRIM Kern + Module

Turbulenz -- Seegang – Sinkgeschwindigkeit – Morphologie – Baggern -- …

• Modul DredgeSim: Berücksichtigung des Baggergeschehens inmorphodynamischen Modellen

•DredgeSim: - Entwicklung eines Moduls zur Berücksichtigung des Baggergeschehens in morphodynamischen Modellen

- federführend BAW-KA in Auftrag gegeben, die in Auftrag gegeben.

- In Zusammenarbeit mit dem Institut für Hydromechanik und Wasserbau der Universität der Bundeswehr in München•SediMorph: - Simulation des Sedimenttransportes

- Sedimentfraktionen definieren (Korndurchmesser, eindeutige Namen)•Erster Arbeitsschritt: - 3D-Modell des Ems-Dollart-Ästuars

- Modellkombination UnTRIM-SediMorph- Simulationen zur systematischen Untersuchung der

Verdriftung unterschiedlicher Sedimente aus dem Bereich der derzeit genehmigten deutschen und niederländischen Klappstellen

- abweichend vom sonst vorgegebenen Sedimentinventar zusätzlich in den Bereichen der Klappstellen zu gleichen Anteilen Vorgabe von drei Schwebstofffraktionen an der Sohle, die während der Simulation erodiert werden und sich durch den Transport in Suspension im Modellgebiet ausbreiten können.

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Geografische Lage der deutschen Klappstellen

Klappstellen 2, 3 und 4

Klappstellen 5 und 7

Klappstelle K2

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Klappstelle 4: Nettotransport von “Grobschluff”

•Beispielhaft für die Klappstellen 2, 3 und 4 (Nähe Borkum) hier Klappstelle 4•Schluffige Fraktionen wegen Systematik der Studie (Kl. eigentlich für sandiges Material vorgesehen)•advektiver Netto-Schwebstofftransport •Haupttransportrichtung SO entlang der Fahrwasserachse•Geringer Anteil NW, später küstenparallel•Reichweite für Mittel- und Feinschluff jeweils größer wg. Geringerer Sinkgeschwindigkeit•Deutlicher Sedimentimport ins Ems-Dollart-Ästuar

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EmdenEmsKM 50

EmsKM 60

DukegatEmsKM 70

Eemshaven

EmsKM 80Borkum Ss

EmsKM 100

60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 1.000E5 1.100E5Meter

-300.

-240.

-180.

-120.

-60.

0

60.

120.0

180.0

240.0

300.0E+3 kg

1 2 3

Klappstelle 4: Nettotransport querschnittsintegriert

max. Sum ca. 500t/Tide

stromab

stromauf

0.

-300.

300. Grobschluff

Mittelschluff

Feinschluff

Klappstelle 4 bei KM 87-90

•Integration der Ergebnisse über die Querprofile (KM48-90 alle 2km)•Positive Werte: stromab – keine Analyse möglich, da dicht am seeseitigen Modellrand•Negative Werte: stromauf – Reichweite Grobschluff bis Dukegat, feinere Anteile sogar noch weiter stromauf•Querprofil 86 (stromauf der Klappstelle): Summe ca. 500t/Tide Nettotransport stromauf

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Klappstelle 5: Nettotransport von “Mittelschluff”

•Verstärkte Flutstromdominanz des Sedimenttransportes im Bereich der Klappstelle 5 (KM 68-70)•vorherrschende Transportrichtung für Mittelschluff ist SO-SSO in Richtung Emder Fahrwasser und Dollart•Seewärts nur wenig verdriftet•Seitlich angeschlossene Rinnen (Bucht von Watum, Emshörn, Alte Ems) werden in geringem Maße beaufschlagt

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PogumEmden

EmsKM 50

EmsKM 60Dukegat

EmsKM 70

EemshavenEmsKM 80

Borkum Ss

50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 1.000E5 1.100E5Meter

-150.

-125.

-100.

-75.

-50.

-25.

0

25.

50.

75.

100.0E+3 kg

1 2 3



stromab

stromauf

0.

100.

-150.

Grobschluff

Mittelschluff

Feinschluff

Klappstelle 5 bei KM 68-70

•Stromauf deutliche Anteile bis KM 50, danach Aufteilung in Dollart und Emder Fahrwasser•Stromab sehr viel geringerer Transport, aber feine Anteile bis Borkum

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•Lage der Klappstelle 7 weiter östlich des bestehenden Fahrwassers am Eingang zur Emshörn-Rinne•Hier Stromab-Transport!!

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•Eingeschränkt positive Bewertung dieser Klappstelle wg. ebbstromorientierter Rinne

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PogumEmden

EmsKM 50

EmsKM 60Dukegat

EmsKM 70

EemshavenEmsKM 80

Borkum Ss

50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 1.000E5 1.100E5Meter

-300.

-240.

-180.

-120.

-60.

0

60.

120.0

180.0

240.0

300.0E+3 kg

1 2 3



stromab

stromauf

0.

300.

-300.

Klappstelle 7 bei KM 64/65

Grobschluff

Mittelschluff

Feinschluff

•ausgeglichenere Bilanz von Flut- zu Ebbstromtransport•Stromauf vor allem feinere Fraktionen wieder bis KM 50 und weiter•stromab deutlich größerer Anteil als bei Klappstelle 5

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Klappstelle K2: Nettotransport von “Mittelschluff”

K2

•Lage der Klappstelle K2 direkt am Eingang zum Dollart, nicht an Fahrwasser angrenzend•Transport von Mittelschluff einige Kilometer in den Dollart hinein, stromab bidDukegat•schwacher Sedimenttransport (zurück) in das Emder Fahrwasser, auch in den Emder Außenhafen•„Kreislaufbaggerei“ in der Außenems•Eingeschränkt positive Bewertung der Klappstellen K2 und 7•nur ca. 5-10% des Sedimenttransportes unmittelbar durch Sedimentumlagerungen beeinflusst. Im Vergleich zum gesamten „natürlichen“Sedimenttransport (einige 1000t/Tide)

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DredgeSim: Entwicklungsziele

• Berücksichtigung von Bagger- und Verklappoperationen in HMN-Modellen

• Realitätsnahe Simulation der morphologischen Entwicklung eines Gewässers

• Prognose langfristiger morphologischer Prozesse entlang der Bundeswasserstraßen

• Baggerkostenoptimierung durch Beurteilung verschiedener Baggerstrategien

Entwicklung und Anwendung in Kooperation BAW-KA & UniBW München

•Entwicklung von DredgeSim an der UniBW München durch Prof. Malcharekund Herrn Maerker

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DredgeSim: Funktionalitäten

• Zeitgesteuerte Simulationen– Definition von Bagger- und Verklappbereichen, umgesetzten

Sedimentmengen und Bearbeitungszeiträumen• Das Baggergeschehen wird vom Anwender vorgegeben

• Automatische Baggerinitiierung aufgrund nautischer Erfordernisse– Definition von Bagger- und Verklappbereichen und

Baggerkriterien (Sohlhöhe, Wassertiefe)• Das Baggergeschehen ergibt sich aus der morphodynamischen

Entwicklung des Modells und wird programmintern eingeleitet

Anwendungsmöglichkeiten– Entwicklung und Bewertung von Unterhaltungsstrategien– Simulation und Bewertung von Ausbauvorhaben– Langzeitsimulationen mit anthropogenen Eingriffen

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DredgeSim: Beginn und Ausmaß einer Unterhaltungsbaggerung

• In Realität– Nach Peilungen– Baggereinsatzflächen– Zielvorgabe: neue Wassertiefe

• In numerischen Modellen– Logische Abfragen– Algorithmen– Definition der Flächen

Kriterien zur automatischen Initiierung eines Baggervorganges

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DredgeSim: Anwendung Ems-Dollart

Zeitgesteuerte Simulation des Baggergeschehens

• Szenario 1: „Baggern“ im Emder Fahrwasser – „Verklappen“auf der Klappstelle K2 und 5

• Szenario 2: „Baggern“ im Emder Fahrwasser – „Verklappen“auf der Klappstelle K2 und 7

• Umlaufzeiten nach Analyse der vdm-Daten (vessel data monitoring) aus dem Jahr 2007 (Dr. Krebs, WSA Emden)• 2830 m³ Baggergut pro Baggervorgang• 24h-Betrieb• Tidephasenabhängige Nutzung von K2

•Beaufschlagung der Klappstelle K2 im Dollartmund nur in einem Zeitfenster von 2 Stunden vor bis 1 Stunde nach Thw

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Verklapppolygon_K2

Verklapppolygon_5

Baggerpolygone_1 bis _7

Verklapppolygon_7

Fahrrinne

ipds-Datei: Vorgabe von Einsatz-flächen

DredgeSim: Definition der Bagger-und Verklappereignisse und Zuweisung zu definierten Flächen

DredgeSim: Zeitgesteuerte Simulation

Auszug aus dredgesim.dat

# ---------------------------------------------------------------------------BEGINDATA Time_Controlled_MaintenanceDredge_Polygon = Baggerpolygon_1Dredging_Time = 02.05.2005-06:20:00 02.05.2005-06:40:00Volume_To_Dredge = 2830.Disposal_Polygon = Verklapppolygon_K2Disposal_Time = 02.05.2005-07:05:00 02.05.2005-07:15:00Volume_To_Dispose = 2830.ENDDATA Time_Controlled_Maintenance# ---------------------------------------------------------------------------

•Definition der Bagger- und Verklappbereiche in ipds-Datei (IPDS = Initial Physical Data Set) durch Angabe von Polygonen •Detaillierte Beschreibung des Baggergeschehens in DredgeSim-Steuerdatei

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Tiefenerosionm

-0.55 0.55 0

IsT

Klappstelle_5

Klappstelle_K2

Entnahme Ablagerung

DredgeSim: Erste Ergebnisse

… nach 10 Tagen Simulationszeit

„Baggern“ KM48-41

„Verklappen“

Klappstellen 5 und K2

•Tiefenerosion nach 10 Tagen Simulationszeit•Entnahme in Baggerpolygonen 1 und 2, Ablagerung in Klappstellen 5 und K2•Andere farbige Flecken durch Hintergrundkonzentration verursacht

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Klappstelle_7

Klappstelle_K2

DredgeSim: Erste Ergebnisse

Tiefenerosionm

-0.55 0.55 0

Entnahme Ablagerung

… nach 10 Tagen Simulationszeit

„Baggern“ KM48-41

„Verklappen“

Klappstellen 7 und K2

•Hier Ablagerung im Bereich Klappstellen 7 und K2•weitere Analysen möglich: Vergleich eines Modellszenarios mit einem Referenzzustand ohne Sedimentumlagerung

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DredgeSim: Erste Erfahrungen

• Grundfunktionalitäten erlauben Einsatz in Beurteilung der Gewässerunterhaltung

• Plausible Modellergebnisse

• Aber man beachte…- … Abhängigkeit von richtigen Ergebnissen der Morphodynamik- … DredgeSim nur sinnvoll in langfristigen Simulationen- … Verlässliche Daten über Baggereignisse, Baggerschwerpunkte,

usw. unerlässlich für Validierung- … Erfahrungen sammeln

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Zusammenfassung und Ausblick

• Die aktuell genehmigten Klappstellen weisen unterschiedlicheSedimenttransport-Charakteristiken auf– Sedimente werden auch von den Klappstellen in das Ästuar hineintransportiert– Geringes Optimierungspotential an Klappstellen 7 und K2

• Durch die Simulation des Baggergeschehens lässt sich der menschlicheEinfluss auf den gesamten Sedimenttransport analysieren– Veränderte Sedimentkonzentrationen– Veränderte Nettotransporte

• Entwicklung und Bewertung möglicherSedimentmanagementstrategien– Realistische Variation des realen Baggergeschehens– Zunächst Konzentration auf Umlaufzeiten und Wiedereintrieb– Interdisziplinäres Optimierungsproblem mit vielfältigen Zielfunktionen

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Vielen Dank

• meinen beiden Ko-Autoren

• Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit

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