Zusatz 1 - Technische Universität Braunschweig

Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2004/2005
Prof. Dr. M. Schöniger
_________________________________________________________________________________
Oktober/November 2004
Trainingsaufgabe
Flussmodellierung, MIKE 11
Modellierung der hydrodynamischen Vorgänge in einem Vorfluter: Einführung
Für die hydrodynamische Modellierung eines kleinen Flusses im Süden Jütlands steht das
Simulationssystem MIKE 11 und die entsprechenden Datensätze zur Verfügung. Der Fluss
Vida hat mehrere kleinere Zuflüsse und ist tidebeeinflusst durch die Nordsee. MIKE 11 ist ein
Programmpaket des DHI, Horsholm, zur eindimensionalen Simulation instationärer
Strömungsvorgänge und der Ausbreitung von Wasserinhaltsstoffen in Ästuarien und
(verzweigten)
Flusssystemen.
MIKE11
integriert
verschiedene
Basisund
Ergänzungsmodule.
Fig. 9.1: Topographische Karte der Flussaue Vida bei Tondern (DK). Am Fallbeispiel Vida
wird die Funktionalität des hydrodynamischen Flussmodells Mike 11 vorgestellt unter
Zuhilfenahme des Short Introduction Tutorial [DHI 2003]
Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2003/2004
Prof. Dr. M. Schöniger
______________________________________________________________________________
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
zur
Strömungssimulation beschrieben. Als Ergebnis sind die Flusswasserstände an mindestens
zwei ausgewählten Flussquerschnitten zu dokumentieren (Wasserstandsganglinie).
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
2
Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2003/2004
Prof. Dr. M. Schöniger
______________________________________________________________________________
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
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 (Daten-CD-Mike11-9):
Sim-Hotstart.sim11
Sim.nwk11
Sim.XNS11
Sim.bnd11
Sim.HD11
VIDA400.gif
M4214Q.dfs0
Südlich der dänischen Stadt Tonder liegt der Fluss Vidaa. Führen Sie eine hydrodynamische
Simulation im Fließgewässer mit dem DHI- Programm MIKE 11 durch.
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.)
3
Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2003/2004
Prof. Dr. M. Schöniger
______________________________________________________________________________
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.
Bevor es in der Simualtionsmaske 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 in 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 angegeben und an der
Quelle und dem Zufluss eine so genannte Inflow-Randbedingung eingefügt. 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 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.
4
Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2003/2004
Prof. Dr. M. Schöniger
______________________________________________________________________________
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.
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 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 zuladenden 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 Profile
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
Wasserständen eingefügt werden.
Manuals für das Programm MIKE 11:
Introduction and Tutorial
Reference Manual
User Manual
Starten Sie die MIKE 11-Simulationsdatei VIDA96_3 und ändern Sie die Randbedingungen
am Branch Name VIDAA-NED mit den folgenden Eingaben:
Boundary Description: Open,
Boundary Type: Water Level,
5
Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie
VL /UE Modellierung von Hydrosystemen II, WS 2003/2004
Prof. Dr. M. Schöniger
______________________________________________________________________________
Branch Name: VIDAA-NED
Chainage: 11300
TS Type: Const
File/Value: 4 m.
Starten Sie die Simulation und dokumentieren Sie z.B. den simulierten Flusswasserstand am
Standort VIDAA-MAG 4100 (Flussquerschnitt anzeigen lassen). Beantworten Sie die
weiteren Fragen:
Welche
• Wave Approximation,
• Rechenzeitschrittlänge ∆t und
• Simulationszeitraum sind in der Sim11-Datei VIDA96_3 definiert?
Welche Konsequenz müssen Sie aufgrund des Simulationsergebnisses ziehen, wenn die
vorgegebenen wasserwirtschaftlichen Rahmenbedingungen für eine Ausweisung von
Überflutungsräumen verwendet werden sollen?
Welche Randbedingung wurde am Branch Name SEJERSBK-NED definiert?
Welche Verfahren zur Approximation der instationären Wasserbewegung in offenen
Gerinnen bietet das DHI-Programmsystem MIKE 11?
Anlagen:
Fig. 9.2: Arten der Fließbewegungen
Fig. 9.3: Volumenelement der Länge dx eines Fließabschnittes – Definitionsskizze
Fig. 9.4: Gerinnestrecke zwischen zwei Querprofilen. Erläuterung zur Fließformel nach
Manning-Strickler bzw. zur Wasserspiegeldiff. ∆hSp zwischen den beiden Profilen.
Naturgerinne sind unregelmäßig geformt. Ihre Geometrie wird mit einer Folge von
Flussquerprofilen, die in konstanten oder variablen Abständen aufgenommen werden,
approximiert.
6