Grundaufbau von Gaia

Die folgenden Anweisungen beziehen sich auf die Einrichtung der oben erstellten Gaia-Lenkdatei (gaia-morphodynamics.cas), die einige zwingende Parameter benötigt und viele weitere optionale Keyword-Einstellungen ermöglicht. Einen Überblick über verfügbare Schlüsselwörter finden Sie in der Gaia Referenzanleitung und der Gaia Wörterbuchdatei /telemac/v9.0.0/sources/gaia/gaia.dico. Ähnlich wie bei der hydrodynamischen Lenkdatei Telemac2d oder Telemac3d kann die Gaia-Lenkdatei zwischen Keyword-Gruppen für allgemeine (file-bezogene), physikalische (Sediment-Transport) und numerische Parameter unterschieden werden. Dieser Abschnitt führt allgemeine Parameter ein, die die Einrichtung von Grenzzustandsdateien und grundlegende Definitionen von Sediment und Flussbetteigenschaften umfassen. Die Implementierung von Bedload und/oder Suspended load ist in separaten Abschnitten enthalten.

Allgemeine Parameter¶

Die allgemeinen Parameter, die obligatorische Eingabe- und Ausgabedateien definieren, ähneln denen der hydrodynamischen Lenkdatei. Die Eingabedateien können sogar die gleichen in der hydrodynamischen Lenkdatei verwendet werden. Zum Beispiel define die qgismesh.slf aus der pre-processing* als Geometriedatei**. Zusätzlich fügen Sie boundaries-gaia.cli als BOUNDARY CONDITIONS FILE hinzu, die im Abschnitt unter boundary conditions for Gaia erläutert wird. Das Gaia RESULTS FILE Keyword sollte sich auch von dem RESULTS FILE Keyword in der hydrodynamischen Lenkdatei unterscheiden.

/ gaia-morphodynamics.cas
/
/ COMPUTATION ENVIRONMENT
/
GEOMETRY FILE : qgismesh.slf
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries-gaia.cli
RESULTS FILE : rGaia-steady2d.slf
MASS-BALANCE : YES

Graphische Ausgangsgrößen im Zusammenhang mit dem Sedimenttransport können mit dem *VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS Schlüsselwort für Bedload und/oder Suspended load und den folgenden Listenoptionen definiert werden:

• B for bottom elevation in (m a.s.l.)

• E für die untere Entwicklung in (m)

• F für Froude number(-)

• M für die Größe (Länge) des bi-direktionalen (d.h. $x$ und$y$-Richtung) Einheit Sedimenttransport $\boldsymbol{q_s}$ (weiterlesen in der Definition der Exner equation) in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• MU für den Hautreibungskoeffizienten (in Abhängigkeit von skin friction correction factors, die im Abschnitt über die Belastung beschrieben ist)

• N for unit bedload transport in$x$-direction$\boldsymbol{q_b}\cdot\cos\alpha$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$) wo $\alpha$ der Winkel zwischen dem Längskanal ($x$) und dem festen Transportvektor$\boldsymbol{q_b}$ ist.

• P für Einzelbetttransporte in $y$-Richtung $\boldsymbol{q_b}\cdot\sin\alpha$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$

• QSBL for the magnitude (length) of the bi-directional (i.e., $x$ and $y$ directions) unit bedload (only) transport $\boldsymbol{q_b}$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• R for the non-erodible bottom (m a.s.l.)

• S for water surface elevation in (m a.s.l.)

• TOB for bed shear stress in (N$\cdot$m$^{-2}$)

Die Parameter M und QSBL ergeben den gleichen Ausgang, wenn keine Schwebelastung simuliert wird. Zum Ausgeben mehrerer Parameter set das VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS Schlüsselwort für dieses Tutorial wie folgt:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : B,E,M,MU,N,P,QSBL,TOB

Rahmenbedingungen¶

Die Randbedingungen in Gaia arbeiten ähnlich wie die Hydrodynamik und können aus der Hydrodynamik abgeleitet werden boundaries.cli.

Sedimentklassen¶

Die für Gaia verwendeten Sedimentklassen werden durch die Lenkdatei definiert und stellen Ausgangswerte dar. Während einer Simulation verändern Erosion, Transport und Ablagerung die räumliche und zeitliche Sedimentklassenverteilung innerhalb des Rechennetzes des Modells. Dieser Abschnitt führt die Grundeinstellung der Sedimentklasse ein, um eine oder mehrere Partikelgrößenklassen mit spezifischen Eigenschaften wie Sedimentdichte zu definieren. Die späteren Abschnitte auf bedload und suspended load gehen über diese grundlegenden Definitionen hinaus und erklären, wie man Bettlasttransportgleichungen oder suspendierte Sedimentkonzentrationen definiert.

Gaia unterscheidet zwischen nicht-kohäsiven und kohäsiven Sedimenten durch das Stichwort CLASSES TYPE OF SEDIMENT*, wobei folgende Werte gelten:

• NCO defines non-cohesive sediment

• CO definiert co

Mehrere Sedimenttypen können zugewiesen werden, getrennt durch ein Semikolon (;). Um das Tutorial einfach zu halten, wird nur nicht-kohäsives Sediment verwendet (die Durchführung von kohäsiven Sedimenten ist jedoch ähnlich):

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO

Die Anzahl der den nachfolgenden Schlüsselwörtern zugeordneten Werte muss der oben definierten Anzahl (hier drei) von Sedimentklassen entsprechen. Weitere obligatorische Sedimenteigenschaften beziehen sich auf die Korngröße (CLASSES SEDIMENT DIAMETERS in Meter) und die Dichte (CLASSES SEDIMENT DENSITY in kg$\cdot$m$^{-3}$) einer Sedimentklasse. Um Kies-, Kies- und Sandklassen zu definieren, aktualisieren Sie die Lenkdatei wie folgt:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO
CLASSES SEDIMENT DIAMETERS : 0.05;0.1;0.0005
CLASSES SEDIMENT DENSITY : 2680;2680;2680

Dieses Tutorial verwendet drei Korngrößenklassen und die Sedimentdichte wird hier für alle drei Klassen gleich angenommen. In der realen Welt neigen schwerere Partikel (höhere Dichte) zu gröberen und sind weniger wahrscheinlich, weit stromabwärts in einem bestimmten Fluss zu reisen. Dieses Phänomen sollte bei der Annahme einer charakteristischen Sedimentdichte berücksichtigt werden.

Im abgestuften Sediment wird jeder Teilchengrößenklasse mit dem CLASSES INITIAL FRACTION ein -initialer Anteil des Bettmaterials zugeordnet. Die Summe aller Klassenfraktionen muss gleich einer sein. Die Fraktion kann z.B. aus Siebungskurven abgeschätzt werden, indem prozentual ermittelt wird, dass jede Sedimentklasse den Partikeldurchmesser $D_{84}$ bildet. In diesem Tutorial weisen die Sedimentklassen folgende Anfangsfraktionen auf:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
CLASSES INITIAL FRACTION : 0.45;0.45;0.1

Die Partikelgrößenklassen können auch bestimmten Shields parameter-Werten (CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS) oder Setzgeschwindigkeiten (CLASSES SETTLING VELOCITIES) zugeordnet werden, um beispielsweise keineerosions- oder no-depositionsbedingungen zu verhängen. Beachten Sie, dass das SISYPHE Keyword NUMBER OF SIZE-CLASSES OF BED MATERIAL in Gaia veraltet ist.

Besondere Sedimenttransportformeln zur Simulation von Bedload oder Suspended load sind mit den untersuchten Phänomenen verbunden und ihre Umsetzung in der Gaia-Lenkungsdatei wird in den nächsten Abschnitten erläutert.

Aktive Ebene¶

Die boundary conditions eines Modells definieren die Sedimentversorgung (Einfluss) und die Abflussraten, die sich aus Schauplätzen, Messungen oder wassergeschrumpften Bodenverlustmodellen wie der Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) Renard, 1997 ergeben können. Sediment, das gerade das Modell durchquert und sich nur von Zeit zu Zeit beruhigt, bevor es wieder mobilisiert wird (um Einstein (1950)s Theorie) wird als Wasch- oder Wanderbettladung Piton & Recking, 2017 bezeichnet. Das Sediment kann jedoch auch vom Flussbett rekrutiert (eroded) oder innerhalb der Modellgrenzen auf dem Flussbett abgelegt werden. Um einem morphodynamischen Modell zu sagen, welche Tiefen erode werden können (z.B. weil unten ein Gestein oder Beton vorhanden ist), kann eine aktive Schicht definiert werden. Darüber hinaus können unterhalb der aktiven Schicht mehrere Bettschichten definiert werden, beispielsweise um eine Sedimentschichtung im Flussbett gegenüber Korngrößen durchzuführen. Die Korngrößenschichtung spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn das Flussbett gepanzert wird, was bedeutet, dass die oberste Sedimentschicht deutlich gröber ist als tiefere Sedimentschichten Hirano, 1971. Figure 1 veranschaulicht dieses Konzept qualitativ, wobei die oberste Schicht die aktive Schicht (auch als Mischschicht in Gaia bezeichnet) ist und die unteren Teilschichten das Substrat des Flussbettes bilden.

Das aktive Schichtkonzept wurde zunächst von Du Boys (1879) als Sequenz von Schichten des Flussbettes eingeführt, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen (je tiefer die Schicht, desto langsamer). Du Boys (1879) beschrieb, dass die Dicke jeder Schicht gleich dem Durchmesser der repräsentativen Korngröße war und dass das aktive Bett (d.h. die Summe aller bewegten Schichten) bis zum 10-fachen der repräsentativen Korngröße (d.h. ca. 10 Korndurchmesser) Frey & Church, 2011Ravelet et al., 2013 betragen kann.Hirano (1971) aufgegriffen auf diesem Konzept und charakterisiert die aktive Schicht als mobile Austauschschicht mit einer Dicke von mehrfach der @ im$D_{50}$e Mehrere Verfahren (z.B. hydraulische Schere, Kornkollision oder Sortierung) dominieren innerhalb der Austauschschicht und die Dicke der Austauschschicht wurde durch mehrere Autoren unterschiedlich definiert. Ein Grund für die unterschiedlichen Definitionen der aktiven Schichtdicke ist, dass sie auch vom Anteil der feinen Sedimentgehalte abhängt. Der Unterschied zwischen grobem und feinem Sediment besteht darin, dass feines Sediment Bettformen wie Rippel oder Dünen aufbauen könnte. So können in Gegenwart feiner Sedimente, wie Sand (Durchmesser kleiner als 1-2 mm), nur Modelle, die auf Bettformen in der aktiven Schicht abrechnen, die Bettgradations- oder Abbau- und Kornsortierungseffekte Blom, 2008 reproduzieren. Ein aus feinen Sedimenten zusammengesetztes Modell beschreibt jedoch die aktive Schicht in Abhängigkeit von (0,5 mal) der Höhe der Dünen (d.h. Mega-Rippen) Kleinhans, 2005, die mit der Definition der aktiven Schichtdicke als Vielfaches eines Korndurchmessers (z.B. 3$\cdot D_{50}$) kontrastiert. So gibt es zwei konkurrierende parametrische und *begriffliche Definitionen der aktiven Schicht, weshalb Church & Haschenburger (2017) die folgende Terminologie vorschlägt, die in diesem eBook angepasst ist:

• Die aktive Schicht beschreibt das sofort bewegliche Flussbett, wo real-time, dynamische Partikelverlagerung stattfindet. Seine Dicke ist ein Vielfaches des charakteristischen Korndurchmessers.

• Die *-Disturban-Schicht umfasst den Sandwellenverlauf in Form von scour und füllen auf einer -Eventskala. Seine Dicke ist das 0,5-fache der Düne (oder reißig) Höhe.

Obwohl Gaia nur ein ACTIVE LAYER THICKNESS Schlüsselwort akzeptiert, kann es sich auf die aktive Schicht als ein Vielfaches der repräsentativen Korngröße beziehen, oder wenn feines Sediment vorhanden ist ($\geq$20 %), auf die Disturbance-Schicht mit einer Dicke von 0,5 mal der Dünenhöhe. Wenn das Flussbett aus Kies und Kies mit einem kleinen Anteil an feinem Sediment (etwa zwischen 1% und 20%) besteht, sollte die aktive Schichtdicke mit einem mehrfachen (2-3 mal) der Kiesgröße großzügig angenommen werden.

Die Dicke der aktiven Schicht ist ein benutzerdefinierter target-Wert in Gaia (Standard: 10.000 m, die das gesamte Bett effektiv vermischt). Die aktive Schicht wird automatisch an der Oberfläche des Sedimentbettes zu Beginn einer Simulation erzeugt, wenn mehr als eine Sedimentklasse definiert ist. Während der Simulation unterhält Gaia die gezielte aktive Schichtdicke durch Austausch mit dem Substrat:

• *Währende Erosion: Die Sedimentmasse wird aus der aktiven Schicht zum Beladungstransport oder -suspension entfernt. Zur Aufrechterhaltung der Zieldicke überträgt Gaia Masse aus dem Substrat (die erste nicht leere Schicht unterhalb der aktiven Schicht) in die aktive Schicht. Das übertragene Material weist die Zusammensetzung des Substrats auf, die die Zusammensetzung der aktiven Schicht über die Zeit verändern kann.

• Währende Abscheidung Der aktiven Schicht wird Sedimentmasse zugesetzt. Zur Aufrechterhaltung der Zieldicke überträgt Gaia überschüssige Masse von der aktiven Schicht auf das Substrat. Das übertragene Material weist die Zusammensetzung der aktiven Schicht auf.

Ist die verfügbare Sedimentdicke kleiner als die Soll-Wirkschichtdicke an jedem Knoten, so entspricht die tatsächliche aktive Schichtdicke dem verfügbaren Sediment. Dieses Verhalten implementiert Gaias starren Bett (nicht-erodible Boden) Algorithmus, wo Erosion die verfügbare Sedimentmasse in der aktiven Schicht während eines beliebigen Zeitschritts nicht überschreiten kann.

Das Flussbett kann durch Definition des NUMBER OF LAYERS FOR INITIAL STRATIFICATION Schlüsselworts (integer, default: 1) in mehrere Unterschichten (vgl. Fig. 1) gestreut werden. Gaia teilt dann das Flussbett vertikal in die Anzahl der benutzerdefinierten Schichten plus ein, wobei die Plus-Ein-Schicht der oben hinzugefügten aktiven Schicht entspricht. Die Dicke der ersten Flussbettschichten kann mit dem LAYERS INITIAL THICKNESS Schlüsselwort (Standard: 100 m) definiert werden. Ist das ACTIVE LAYER THICKNESS größer als die erste Schicht der Anfangsschicht, führt Gaia die erste Schicht in die aktive Schicht ein und nimmt bei Bedarf zusätzliches Sediment aus tieferen Schichten auf, um die Zieldicke zu erreichen. Die Anfangszusammensetzung der aktiven Schicht wird dann zu einer Mischung aus Sediment aus diesen zusammengeführten Schichten.

In diesem Tutorial wird mit einem ACTIVE LAYER THICKNESS von 3 $\cdot D_{90}$ (of cobble) ein Sand-, Kies- und Kiessedimentmix verwendet. Das Flussbett wird zunächst in drei Teilschichten (plus die 0,3 m dicke aktive Schicht) gestreut und die Anfangsdicke der Flussbettschichten mit 1,5 m mit folgenden Schlüsselwörtern in der Gaia-Lenkungsdatei angenommen:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ RIVERBED LAYERS
ACTIVE LAYER THICKNESS : 0.3 / multiple of D90 - default is 10000
NUMBER OF LAYERS FOR INITIAL STRATIFICATION : 3 / default is 1
LAYERS INITIAL THICKNESS : 1.5 / m - default is 100

Gaia leitet gemischte kohäsive und nicht kohäsive Sedimentbetten aus der Zusammensetzung der aktiven Schicht ab. Für gemischtes Sediment berechnet Gaia den Bettlasttransport nur dann, wenn der Massenanteil des kohäsiven Sediments in der aktiven Schicht weniger als 30 % beträgt. Oberhalb dieser Schwelle kann noch nicht kohäsives Sediment in Suspension transportiert werden. Das Gaia manual bietet weitere Informationen über den Transport von gemischtem (kohäsives und nichtkohäsives) Sediment in Abschnitt 3.2.1. Darüber hinaus kann die Flussbettkonsolidierung durch Definition des BED MODEL Schlüsselworts mit 2 simuliert werden (vgl. Gaia manual, Abschnitt 3.3).

Geschiebetransport vs. hängende Last¶

Sediment Transport Modellierung wird schnell rechnerisch teuer. Daher ist es wichtig, über die primäre Art des Sedimenttransports klar zu sein und nur das wichtigste Phänomen zu aktivieren (d.h. entweder Bedload oder Suspended load). Aus diesem Grund beantworten Sie die Frage ** Welche Art von Sedimenttransport-Phänomen ist im Modell vorherrschend?** Wenn Sie sich über die Antwort auf diese Frage nicht sicher sind, ändern Sie den Abschnitt unter sediment transport modes. Darüber hinaus sind hier einige praxisorientierte Vorschläge:

• ** Nur laden**: Die Modellierung der Schwebelastung in einem Schotterbettfluss mit einem Sandgehalt (d.h. das Sediment ist meist größer als 2 mm) von weniger als 5-10 % ist nicht zielgerichtet und die Definition SUSPENSION FOR ALL SANDS : NO ist anzuwenden. In diesem Fall liefert die section on bedload modeling alle notwendigen Informationen und der hängende Lastabschnitt kann übersprungen werden.

• ** Nur aufgehängte Last*: Feine Partikelverdrängung in Reservoiren, Seen oder Küstengebieten, in erster Linie in Schwebelastungsprozessen. Ist das Sediment in der Regel feiner als 1 mm, kann eine Modellierung der Bettlast nicht erforderlich sein. Überspringen Sie in diesem Fall den Bereich der Beladungsmodellierung und springen Sie direkt an die section on suspended load modeling.

• ** Lade- und Ladelast**: Wenn das Sedimentgemisch Sandpartikel mit Durchmessern zwischen 1-2 mm und/oder Partikeln umfasst, die sowohl feiner als auch gröber sein können, fahren gemischte Transportvorgänge den Sedimenttransport. In diesem Fall sollten beide Abschnitte unter bedload und suspended load modeling durchgeführt werden.

• ** Kohäsives Sediment*: Wenn das kohäsive Sediment im System liegt (d.h. Korndurchmesser von weniger als 0,06 mm), muss suspended load modeling aktiviert werden.

Dieses eBook bietet die Implementierung von kombinierten Bettlast und hängenden Lastmodellierung in einem kurzen Flussabschnitt mit einem Kies-Kiesbett und einem Sandgehalt von 10% (mit der 0,5-mm-Klasse).