Scriptie: Het structureren van de hydrodynamica van het Elbe-estuarium
- Partners
- University of Twente
- Onderzoeker
- Karla Korporaal
Dit scriptieonderzoek van Karla Korporaal onderzoekt de mogelijkheden van het combineren van een gestructureerd rooster met subgrid-modellering om de nauwkeurigheid en efficiëntie van estuariene hydrodynamicasimulaties te verbeteren, specifiek toegepast op het Elbe-estuarium. Door een ruimtelijk en temporeel variërende getijgrens te integreren en de roosterconfiguraties te verfijnen, werpt dit onderzoek licht op de balans tussen modelnauwkeurigheid en rekenkundige eisen. De bevindingen onthullen niet alleen cruciale inzichten in getijdendynamiek, maar bieden ook praktische aanbevelingen voor toekomstige estuariene modellering, waarmee complexe estuariene omgevingen realistischer en in een fractie van de tijd gesimuleerd kunnen worden. Innovatieve modelleertechnieken zoals deze zijn essentieel voor het bouwen van veerkrachtige kustsystemen, het waarborgen van veilige navigatie en het beschermen van estuariene ecosystemen. Dit onderzoek, dat opmerkelijke nauwkeurigheid heeft bereikt in het simuleren van de hydrodynamica van het Elbe-estuarium, vormt een stap vooruit in ons vermogen om deze waardevolle natuurlijke hulpbronnen te begrijpen en te beschermen.
De uitdaging
Estuaria vervullen cruciale functies, zoals het dienen als scheepvaartroutes die de zee verbinden met havens. Het begrijpen van de complexe hydrodynamica van estuaria is essentieel voor het beheer van deze vitale systemen, vooral bij het plannen van ingrepen of het beoordelen van risico’s. Numerieke modellen zijn nuttige hulpmiddelen die de estuariene hydrodynamica simuleren en inzicht bieden in processen zoals getijdenbewegingen en veranderingen in waterstanden. Ze kunnen kritieke omstandigheden voorspellen, zoals waterstanden tijdens stormvloeden, wat essentieel is voor de beoordeling van overstromingsrisico’s (Boehlich & Strotmann, 2008). Er bestaan verschillende numerieke modellen die de estuariene hydrodynamica kunnen simuleren, elk met instellingen die hun nauwkeurigheid en rekenefficiëntie beïnvloeden (Bomers et al., 2019; Bounagui et al., 2003).
Een onderscheid tussen numerieke modellen is of zij de subgrid-methode incorporeren. Deze methode biedt significante voordelen bij het modelleren van estuaria, waaronder verbeterde rekenefficiëntie en het vermogen om gedeeltelijk droge/natte rekencellen te modelleren (Casulli, 2009; Volp et al., 2013). Onderzoek naar het Elbe-estuarium in Duitsland heeft aangetoond dat ongestructureerde roosters met subgrids de nauwkeurigheid en efficiëntie verbeteren, maar het combineren van een gestructureerd rooster met een subgrid is nog niet grondig onderzocht.
Onze oplossing
Deze studie onderzoekt of een model met een gestructureerd rooster en subgrid de hydrodynamica van estuaria nauwkeurig en efficiënt kan vastleggen, en hoe factoren zoals de getijgrens, roosterbreedte, tijdstap, roosterverfijningen, ruwheidswaarden en rivierafvoer de simulatieresultaten beïnvloeden. Dit onderzoek maakt gebruik van de 3Di-software, die gestructureerde roosters met subgrids ondersteunt, en richt zich wederom op het Elbe-estuarium als studiegebied.
Het resultaat
In plaats van een niet-ruimtelijk en niet-tijdvariërende getijgrens werd een meer realistische, ruimtelijk en tijdvariërende getijgrens geïmplementeerd, bestaande uit meerdere 1D-grenzen. Deze grens legde kleinschalige waterstandsvariaties in het zeegebied beter vast, terwijl de nauwkeurigheid in de bovenstroomse gebieden vergelijkbaar was met de simulatie met een niet-ruimtelijk variërende getijgrens. De instellingen van de 1D-grenzen beïnvloedden de totale in- en uitstromingsvolumes en de impuls, wat de hydrodynamica in het estuarium beïnvloedde, zowel qua timing als grootte. Om natuurlijke stromingspatronen te verbeteren en onrealistisch hoge snelheden en waterstanden te voorkomen, werd een extra lijn van rekenpunten toegevoegd bij de grens.
Vervolgens werd een analyse uitgevoerd naar roosterbreedte en tijdstap. Een grotere roosterbreedte verminderde de getijschommelingen in de rivier door toenemende numerieke diffusie, terwijl grotere roosterbreedtes onverwacht grotere getijschommelingen in het zeegebied veroorzaakten. Verder onderzoek is nodig om dit effect te begrijpen. Grotere tijdstappen verhoogden de getijschommelingen en veroorzaakten vertragingen, omdat ze bepaalde stromingskenmerken niet goed vastlegden. Grotere roosterbreedtes of tijdstappen verkorten de rekentijd, maar beïnvloeden de nauwkeurigheid negatief.
In plaats van een uniforme roosterbreedte kunnen roosterverfijningen zowel de modelnauwkeurigheid als de rekenefficiëntie verbeteren. Strategisch geplaatste verfijningen in complexe stroomgebieden, zoals de rivierverbreding en de hoofdvaargeul, kunnen de hydrodynamische resultaten verbeteren. Een grof rooster kan worden gebruikt in open zeegebieden, mits kritieke gebieden goed verfijnd zijn. Hoewel verfijningen de nauwkeurigheid in specifieke gebieden verbeteren, kunnen ze ook de rekentijd verhogen als het aantal rekenpunten toeneemt. Het vinden van een balans tussen roosterbreedte en verfijningen is dus essentieel. Voor het Elbe-estuarium is het verfijnen van de vaargeul cruciaal.
Ten slotte werden de bodemscherpte en rivierafvoer systematisch gevarieerd om hun effecten op de hydrodynamische resultaten te beoordelen. Lagere ruwheidswaarden leidden tot grotere getijschommelingen door verminderde energieverliezen. Bovendien was de invloed van de riviergrens groter tijdens eb, wanneer de getijkrachten zwakker zijn. Verhoogde rivierafvoer verhoogde de waterstanden, maar het effect nam af met de afstand tot de riviergrens.
Samenvattend laat dit onderzoek zien dat modelinstellingen en schematiseringen de gesimuleerde estuariene hydrodynamica en rekenefficiëntie aanzienlijk beïnvloeden. Het 3Di subgrid-model toont potentieel voor grootschalige estuariene studies, omdat het de hydrodynamica van het Elbe-estuarium nauwkeurig vastlegde met afwijkingen van minder dan 10 cm ten opzichte van metingen, terwijl slechts 5 minuten rekentijd nodig was voor een simulatie van 15 dagen.
Alle cases