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Page 1: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der

Nordzufahrt Stralsund

MorWin – Workshop am 30.11.00 in Warnemünde

Page 2: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

EinleitungWarum Innenbereich ?

• Fragestellungen des WSA Stralsund zur Fahrwasserstabilität.(„ Wo sind störanfällige Bereiche der Schiffahrtsrinne ?“)

• Gute Datenlage durch das MorWin-Messprogramm Herbst 1997 und durch Verkehrsicherheitspeilungen der Fahrrinne durch das WSA Stralsund.

• Größtenteils 2 – dimensionale Strömungsvorgänge (Rinnen und Flachs) Außenbereich.

Page 3: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich 2D/3D Modellierung Strömungsbild in der Gellenbucht bei NW-Wind

3D schwarz - Oberflächenschicht violett - bodennahe Schicht

2D schwarz – tiefengemittelt

Page 4: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich 2D/3D Modellierung Abweichung der bodennahen Strömungsrichtung [°]

RCM9

Page 5: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich 2D/3D ModellierungAbweichung der bodennahen Strömungsrichtung [°]

RCM9

S4

Page 6: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich 2D/3D Modellierung zu MessungMessung RCM9 (Bockgrund) - bodennah

Page 7: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich 2D/3D Modellierung zu MessungMessung S4 (Hiddensee) - tiefengemittelt

Page 8: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Gliederung

• Modelle / Modellbildung• Hydrologie des Innenbereichs• Morphodynamische Modellierung mit stationären

Zuständen– stationäre windinduzierte Strömungszustände– stationäre wasserstandsinduzierte Strömungszustände

• Vergleich mit gemessenen Volumina (aus Peilungen der Nordzufahrt)

• Zusammenfassung

Page 9: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Modelle/ModellbildungEingesetzte Modelle

MODELL Gleichung/Formulierung

BUBBLE TiefengemittelteStrömung &Wasserstand

2D-HN-FEM,Flachwassergleichungen

SWAN Propagation derWellenenergie ( Hs, Tp,, etc.)

FD, Wellen-Aktions-Gleichungim Frequenz- undRichtungsraum, Wellen-Wellen-Interaktion, Quellen- u. Senkent.

TIMOR Transporte,Morphologie-änderungen

Bodenevolutionsgleichung,Geschiebe: Meyer-Peter &Müller,Suspension: dynamische Pick-up Funktion,fraktionierter Transport (bis zu12 Fraktionen)

Page 10: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Modelle/Modellbildung Wichtige Transportprozesse im Innenbereich

OSTSEE

Innenbereich.

Seegatt:Ein- und Ausstrom

Flachs: Aufwirbelung durch Wellen

Außenküste:Längs-

transport

Page 11: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Modelle/Modellbildung Modellgebiete & -gitternetze

FEM-Netz: 25000 Knoten

Feinste Auflösung: 20m

Page 12: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Modelle/Modellbildung Modellgebiete & -gitternetze

FEM-Netz: 25000 Knoten

Feinste Auflösung: 20m

Gebiet der eingenisteten Wellenmodellierung im Innenbereich.

Page 13: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Knotenpunkte des BSH - Modells

Modelle/Modellbildung Randbedingungen für Modellierung von stationären

Windsituationen

• Bezüglich der Windsituation gemittelte Wasserstände aus dem BSH- Modell.

Page 14: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Isoflächen gleicher Windstärke (West, 6 Bft.)

Modelle/Modellbildung Randbedingungen für Modellierung von stationären

Windsituationen

• KLIBO - Windatlas

Page 15: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Modelle/Modellbildung Pegel Althagen ohne/mit Windatlas

Pegelmessung

Modellrechnung ohne Windatlas

Pegelmessung

Modellrechnung mit Windatlas

Page 16: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

2468

10121416

-60 -30 0 30 60

Sec. 4 - Current velocity [cm/s]

Win

d s

pe

ed

[m

/s]

SOUTHWNWEAST

M 62 Strömungsgeschw.

[cm/s]

Win

dg

esc

hw

[m

/s]

SÜD

WNWOST

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Direction of wind

Se

c. 4

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Windrichtung

M62

-1A

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il d

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Str

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un

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n %

Hydrologie des InnenbereichesWindeinfluß auf die Strömungen im Innenbereich

Page 17: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Direction of wind

Se

c.9

- P

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Windrichtung

M8-

2 A

nte

il d

er

Str

öm

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n %

Hydrologie des InnenbereichesWindeinfluß auf die Strömungen im Innenbereich

2

4

6

8

10

12

-80 -40 0 40 80

Sec. 9 - Current velocity [cm/s]

Win

d s

pe

ed

[m

/s]

WNWEASTSOUTH

M8-2 Strömungsgeschw. [cm/s]

WNW

OSTSÜD

Win

dg

esc

hw

[m

/s]

Page 18: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Aus-strom

Ein-strom

Hydrologie des InnenbereichesStrömungsgeschwindigkeit im Innenbereich als Funktion der Pegeldifferenz Barhöft - Neuendorf

Barhöft

Page 19: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Aus-strom

Ein-strom

Hydrologie des InnenbereichesStrömungsgeschwindigkeit im Innenbereich als Funktion der Pegeldifferenz Barhöft - Neuendorf

Barhöft

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5

Hydrologie des InnenbereichesMittlere Pegeldifferenzen Barhöft – Neuendorf (93-98)

als Funktion der Windsituation

Page 21: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Hydrologie des InnenbereichsZusammenfassung

• Im statistischen Mittel ist die Strömungslage im Innenbereich durch die Windlage (Windstärke und –richtung) bestimmt. Diese Situationen werden mit dem HN-Modell unter Vorgabe von stationärem Wind gut wiedergegeben (windinduzierte Strömungslagen) .

• Es gibt darüber hinaus starke Ein- und Ausstromereignisse, die z.T. oder vollständig von Wasserstandsschwankungen großräumiger Art (Seiches) induziert sind (wasserstandsinduzierte Strömungslagen) .

These: Beide Prozesse wirken auf die Morphologie.

Page 22: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Hydrologie des InnenbereichesBeispiel einer nicht-windbeeinflußten Ausstromsituation

Zeitreihen der Ausströmlage 17.-19. Nov. 97

-20

0

20

40

60

80

100

17.11 17.11 18.11 18.11 19.11 19.11

Str

öm

ung

[cm

/s],

v-W

ind[

m/s

],P

ege

ldiff

. [c

m]

Pegeldifferenz Barhöft-

Neuendorf

Strömungsge-

schwind.

Windgeschwind.

WindrichtungStrömungsrichtung

WEST

SÜD

OST

Page 23: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Morphodynamische Modellierungen mit windinduzierten Strömungslagen

Wasserspiegellagen während NNW -Wind 6 Bft.

Page 24: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Morphodynamische Modellierung Windinduzierte Strömungslagen

• BUBBLE und SWAN laufen mit stationären Randbedingungen für 12 Windrichtungen (je 30°) und 5 Windgeschwindigkeiten (4-8 Bft.).

BUBBLE

SWAN

TIMOR

Stationäre Randbed. Wasserstand, Windfeld

TIMOR: Morphologieänderungen für 12 x 5 = 60 versch. Windlagen

Page 25: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

-0.01

0

0.01

0.02

0.03NORD

30°

60°

OST

120°

150°

SÜD

210°

240°

WEST

300°

330°

SEC 1SEC 2SEC 3SEC 4

-0.0020

0.0020.0040.0060.008

NORD

30°

60°

OST

120°

150°

SÜD

210°

240°

WEST

300°

330°

SEC 5 SEC 6 SEC 7 SEC 8

-0.0010

0.0010.0020.003

NORD

30°

60°

OST

120°

150°

SÜD

210°

240°

WEST

300°

330°

SEC 9

SEC 10

SEC 11

SEC 12

Morphodynamische ModellierungSohlhöhenentwicklung [m] bei stationären Windlagen (7 Bft.)

innerhalb 1 h in den Rinnenabschnitten

Page 26: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Morphodynamische Modellierungen wasserstands-

induzierter Strömungslagen

Wasserspiegellagen während eines Anstiegs des Wasserstandes der Ostsee

Page 27: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Morphodynamische Modellierung Wasserstandsinduzierte Strömungslagen

• BUBBLE rechnet mit stationären Wasserstandsrandbedin-

gungen je 5 Ein- und Ausstromsituationen ohne Wind und Welle.

TIMOR

BUBBLE

Stationäre Randbed. Wasserstandsgradient

TIMOR: Morphologieänderungen für 2 x 5 = 10 versch. Wasserspiegellagen

Page 28: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Morphodynamische ModellierungSohlhöhenentwicklung [m] bei wasserstandsinduzierten Strömungslagen innerhalb 1 h in den Rinnenabschnitten

Mit

tler

er S

oh

lhö

hen

änd

eru

ng

[m

] AUSSTROM EINSTROM

Page 29: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich mit gemessenen VoluminaZeiträume mit auswertbaren Peilinformationen

Zeitraum Datum Dauer

Winter 94-95 7.12.94 – 4.5.95 181 Tage

Winter 95-96 8.8.95 –16.4.96 252 Tage

Winter 96-97 22.7.96 – 13.3.97 233 Tage

Frühjahr 97 13.3.97 – 28.8.98 164 Tage

Winter 97-98 18.9.97 – 12.1.98 117 Tage

Frühjahr 98 12.1.98 – 6.4.98 87 Tage

Page 30: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich mit gemessenen VoluminaWindstatistik von 4 untersuchten Zeiträume

• Winter 94-95: hohe Windhäufigkeit Südwest-Westwind dominiert• Winter 95-96: erhöhte Windhäufigkeit West- und Ostwinde• Frühjahr 98: geringe Windhäufigkeit Westwind dominiert stark • Spring 97: hohe Windhäufigkeit Nordost-Ostwind dominiert

0

50

100

150

2000

30

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90

120

150

180

210

240

270

300

330

0

50

100

150

2000

30

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90

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0

50

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150

2000

30

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0

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2000

30

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270

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330

Winter 94-95 Winter 95-96 Frühjahr 98 Frühjahr 97

Page 31: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

winter 94-95

winter 95-96

frühj. 98 frühj 97 winter 96-97

winter 97-98

Sed

imen

tatio

n/E

rosi

on [c

bm]

SEC 1

SEC 2

SEC 3

SEC 4

SEC 5

SEC 6

SEC 7

SEC 8

SEC 9

SEC 10

SEC 11

SEC 12

SEC 13

Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik der Windsituationen

GemesseneVolumina:

Berechnete Volumina:

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

winter 94-95

winter 95-96

frühj. 98 frühj 97 winter 96-97

winter 97-98

Zeiträume

Sed

imen

tatio

n/E

rosi

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[cb

m]

Page 32: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

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25000

30000

winter 94-95

winter 95-96

frühj 98 frühj 97 winter 96-97

winter 97-98

Zeiträume

Se

dim

ent

atio

n/E

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[cbm

]

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

winter 94-95

winter 95-96

frühj 98 frühj 97 winter 96-97

winter 97-98

Sed

imen

tatio

n/E

rosi

on [c

bm]

SEC 1

SEC 2

SEC 3

SEC 4

SEC 5

SEC 6

SEC 7

SEC 8

SEC 9

SEC 10

SEC 11

SEC 12

SEC 13

Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik der Windsituationen

GemesseneVolumina:

Berechnete Volumina:

Page 33: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

17. Sep. 17. Okt. 16. Nov. 16. Dez. 15. Jan.

Zeit [d]

cm

Pegeldifferenz Barhöft- Neuendorf Winter 97-98

Aus-strom

Ein-strom

Vergleich mit gemessenen VoluminaBestimmung der wasserstandsinduzierten Ereignisse

Page 34: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf

Windbereinigte Pegeldifferenz

Barhöft-Neuendorf

Vergleich mit gemessenen VoluminaBestimmung der wasserstandsinduzierten Ereignisse

Page 35: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Statistik der windbereinigten Pegeldifferenzen - Winter 97-98

1

10

100

1000

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 35 40

Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf [cm]

Stu

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mes

swer

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Statistik der windbereinigten Pegeldifferenzen - Winter 97-98

1

10

100

1000

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 35 40

Pegeldifferenz Barhöft-Neuendorf [cm]

Stu

nd

en

me

ssw

ert

e

Vergleich mit gemessenen VoluminaWasserspiegelstatistik Winter 97-98

Page 36: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Vergleich mit gemessenen Volumina Berechnung mit Windstatistik und Wasserspiegelstatistik

-50000.0

-40000.0

-30000.0

-20000.0

-10000.0

0.0

10000.0

20000.0

30000.0

winter 96-97Wind

winter 97-98Wind

Winter 96-97DIFF

Winter 97-98DIFF

Winter 96-97D&W

Winter 97-98D&W

Zeiträume

cbm

SEC 1

SEC 2

SEC 3

SEC 4

SEC 5

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SEC 7

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SEC 9

SEC 10

SEC 11

SEC 12

SEC 13-50000.0

-40000.0

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0.0

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20000.0

30000.0

winter 96-97Wind

winter 97-98Wind

Winter 96-97DIFF

Winter 97-98DIFF

Winter 96-97D&W

Winter 97-98D&W

Zeiträume

cbm

SEC 1

SEC 2

SEC 3

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SEC 9

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SEC 13-50000.0

-40000.0

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-20000.0

-10000.0

0.0

10000.0

20000.0

30000.0

winter 96-97Wind

winter 97-98Wind

Winter 96-97DIFF

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Winter 96-97D&W

Winter 97-98D&W

Zeiträume

cbm

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winter 96-97 winter 97-98

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GemesseneVolumina:

Berechnete Volumina:

Page 37: Sedimenttransportvorgänge im Innenbereich der Nordzufahrt Stralsund

Zusammenfassung

• Die Versandungssensitivität der Rinnenabschnitte bezüglich Windsituationen und nicht windinduzierten Ein- und Ausstromereignissen kann aufgezeigt werden.

• Die Morphologie des Innenbereichs kann mittels Windstatistiken in Zeiträumen von bis zu ca. ½ Jahr mit linearer Superposition berechnet werden.

• Verbesserte Ergebnisse erhält man mit Berücksichtigung der wasserstandsinduzierten Ein- und Ausstromsituationen.


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