Grundlegende Einrichtung von Gaia

Die folgenden Anweisungen beziehen sich auf die Einrichtung der oben erstellten Gaia-Steuerungsdatei (gaia-morphodynamics.cas), die einige obligatorische Parameter benötigt und viele weitere optionale Keyword-Einstellungen ermöglicht. Eine Übersicht über verfügbare Keywords finden Sie im Gaia Referenzhandbuch und der Gaia Wörterbuchdatei /telemac/v9.0.0/sources/gaia/gaia.dico]. Ähnlich wie bei der Telemac2d- oder Telemac3d-Hydrodynamik-Lenkdatei kann die Gaia-Lenkdatei zwischen Schlüsselwortgruppen für allgemeine (dateibezogene), physikalische (Sedimenttransport) und numerische Parameter unterschieden werden. Dieser Abschnitt führt allgemeine Parameter ein, die die Einrichtung von Randzustandsdateien und grundlegende Definitionen von Sediment- und Flussbetteigenschaften umfassen. Die Implementierung von Geschiebe und / oder Schwebstoff wird in separaten Abschnitten behandelt.

Allgemeine Parameter¶

Die allgemeinen Parameter, die obligatorische Eingabe- und Ausgabedateien definieren, ähneln denen der hydrodynamischen Lenkungsdatei. Die Eingabedateien können sogar die gleichen sein, die in der hydrodynamischen Lenkdatei verwendet werden. Definieren Sie zum Beispiel ** die qgismesh.slf aus der pre-processing** als Geometriedatei**. Fügen Sie außerdem boundaries-gaia.cli als BOUNDARY CONDITIONS FILE hinzu, was im Abschnitt unter boundary conditions for Gaia erklärt wird. Das Schlüsselwort Gaia RESULTS FILE sollte sich auch vom Schlüsselwort RESULTS FILE in der hydrodynamischen Steuerungsdatei unterscheiden.

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

Grafische Ausgabevariablen, die sich auf den Sedimenttransport beziehen, können mit dem Schlüsselwort VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS für Geschiebe und / oder Schwebstoff und den folgenden Listenoptionen definiert werden:

• B für die untere Höhe in (m a.s.l.)

• E für Bottom Evolution in (m)

• F für Froude-Zahl (-)

• M für die Größe (Länge) der bidirektionalen (dh $x$ und $y$ Richtungen) Einheit Sedimenttransport $\boldsymbol{q_s}$ (lesen Sie mehr in der Definition von Exner-Gleichung) in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• MU für den Hautreibungskoeffizienten (als Funktion von skin friction correction factors, beschrieben im Abschnitt über Geschiebefracht)

• N für den Geschiebetransport in $x$-Richtung $\boldsymbol{q_b}\cdot\cos\alpha$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$), wobei $\alpha$ der Winkel zwischen der Längsachse ($x$) und dem festen Transportvektor $\boldsymbol{q_b}$ ist.

• P für den Transport von Geschiebefracht in $y$-Richtung $\boldsymbol{q_b}\cdot\sin\alpha$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• QSBL für die Größe (Länge) der bidirektionalen (dh $x$ und $y$ Richtungen) Einheit bedload (nur) Transport $\boldsymbol{q_b}$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• R für den nicht erodierbaren Boden (m a.s.l.)

• S für Wasseroberflächenhöhe in (m a.s.l.)

• TOB für Bettscherstress in (N$\cdot$m$^{-2}$)

Die Parameter M und QSBL ergeben die gleiche Ausgabe, wenn keine Schwebstofffracht simuliert wird. Um mehrere Parameter auszugeben, setzen Sie das Schlüsselwort VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS für dieses Tutorial wie folgt ein:

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

Grenzbedingungen¶

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

Sedimentklassen¶

Die für Gaia verwendeten Sedimentklassen werden durch die Steuerungsdatei definiert und stellen Ausgangswerte dar. Während einer Simulation verändern Erosion, Transport und Ablagerung die räumliche und zeitliche Sedimentklassenverteilung innerhalb des Rechennetzes des Modells. In diesem Abschnitt wird der grundlegende Aufbau der Sedimentklasse eingeführt, um eine oder mehrere Partikelgrößenklassen mit spezifischen Eigenschaften wie Sedimentdichte zu definieren. Die späteren Abschnitte über bedload und suspended load gehen über diese grundlegenden Definitionen hinaus und erklären, wie man Geschiebetransportgleichungen oder suspendierte Sedimentkonzentrationen definiert.

Gaia unterscheidet zwischen nicht-kohäsiven und kohäsiven Sedimenten durch das Schlüsselwort CLASSES TYPE OF SEDIMENT, wobei die folgenden Werte gelten:

• NCO definiert non-cohesives Sediment

• CO definiert cohesives Sediment

Mehrere Sedimenttypen können zugeordnet werden, getrennt durch ein Semikolon (;). Um das Tutorial einfach zu halten, wird nur nicht zusammenhängendes Sediment verwendet (die Implementierung von zusammenhängendem Sediment 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 Metern) und die Dichte (CLASSES SEDIMENT DENSITY in kg$\cdot$m$^{-3}$) einer Sedimentklasse. Um Kies-, Pflaster- und Sandklassen zu definieren, aktualisieren Sie die Steuerungsdatei 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 als gleich angenommen. In der realen Welt neigen schwerere Partikel (höhere Dichte) dazu, gröber zu sein und reisen in einem bestimmten Fluss weniger wahrscheinlich weit flussabwärts. Dieses Phänomen sollte bei der Annahme einer charakteristischen Sedimentdichte berücksichtigt werden.

In graded sediment, an initial fraction of the bed material is assigned to every particle size class with the CLASSES INITIAL FRACTION keyword. The sum of all class fractions must be equal to one. The fraction can be estimated from sieving curves, for example, by determining the percent that each sediment class constitutes of the $D_{84}$ particle diameter. In this tutorial, the sediment classes have the following initial fractions:

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

Den Partikelgrößenklassen können auch bestimmte Shields parameter-Werte (CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS) oder Absetzgeschwindigkeiten (CLASSES SETTLING VELOCITIES) zugewiesen werden, um beispielsweise keine Erosions- oder Ablagerungsbedingungen festzulegen. Beachten Sie, dass das Schlüsselwort SISYPHE NUMMER DER GRÖSSENKLASSEN VON BEDMATERIAL in Gaia veraltet ist.

Bestimmte Sedimenttransportformeln zur Simulation von Geschiebe oder Schwebstoff beziehen sich auf die betrachteten Phänomene und ihre Implementierung in die Gaia-Lenkungsdatei wird in den nächsten Abschnitten erläutert.

Aktivschicht¶

The boundary conditions of a model define sediment supply (inflow) and outflow rates, which may stem from gauging stations, measurements, or watershed soil loss models, such as the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) Renard, 1997. Sediment that just passes through the model and merely settles from time to time before being mobilized again (by Einstein (1950)s theory) is referred to as wash load or traveling bedload Piton & Recking, 2017. However, sediment can also be recruited (eroded) from the riverbed or deposited on the riverbed within the model boundaries. To tell a morphodynamic model to what depths it can erode (e.g., because bedrock or concrete is present below), an active layer can be defined. In addition, multiple bed layers can be defined below the active layer, for example, to implement sediment stratification in the riverbed with respect to grain sizes. Grain size stratification plays a role especially when the riverbed is armored, which means that the uppermost sediment layer is significantly coarser than deeper sediment layers Hirano, 1971. Figure 1 qualitatively illustrates this concept, where the uppermost layer is the active layer (also referred to as the mixing layer in Gaia) and the lower sublayers constitute the substratum of the riverbed.

The active layer concept was initially introduced by Du Boys (1879) as a sequence of layers of the riverbed, which are moving at different speeds (the deeper the layer, the slower). Du Boys (1879) described that the thickness of every layer was equal to the diameter of representative grain size and that the active bed (i.e., the sum of all moving layers) can be up to 10 times the representative grain size (i.e., approximately 10 grain diameters) Frey & Church, 2011Ravelet et al., 2013. Hirano (1971) picked up on this concept and characterized the active layer as an exchange layer with a thickness of multiple times the $D_{50}$, between an immobile sublayer and a fully mobile layer in the bulk flow along the riverbed. Several processes (e.g., hydraulic shear, grain collision, or sorting) dominate within the exchange layer and the thickness of the exchange layer has been defined differently by several authors. One reason for the different definitions of the active layer thickness is that it also depends on the proportion of fine sediment contents. The difference between coarse and fine sediment is that fine sediment might build up bedforms such as ripples or dunes. Thus, in the presence of fine sediments, such as sand (diameter smaller than 1-2 mm), only models accounting for bedforms in the active layer can reproduce bed aggradation or degradation and grain sorting effects Blom, 2008. However, a model considering bedforms composed of fine sediments describes the active layer as a function of (0.5 times) the height of dunes (i.e., mega ripples) Kleinhans, 2005, which contrasts with the definition of the active layer thickness as a multiple of a grain diameter (e.g., 3$\cdot D_{50}$). Thus, there are two competing parametric and conceptual definitions of the active layer, which is why Church & Haschenburger (2017) propose the following terminology that is adapted in this eBook:

• Die aktive Schicht beschreibt das unmittelbar bewegliche Flussbett, wo Echtzeit, Dynamische Teilchenverschiebung stattfindet. Seine Dicke ist ein Vielfaches des charakteristischen Korndurchmessers.

• Die Störschicht umfasst den Sandwellenverlauf in Form von scour and fill auf einer event-Skala. Seine Dicke ist das 0,5-fache der Dünen- (oder Wellen-) 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 Störschicht mit einer Dicke von 0,5 mal der Dünenhöhe. Wenn das Flussbett aus Pflasterstein und Kies mit einem geringen Anteil an feinem Sediment besteht (etwa zwischen 1% und 20%), sollte die aktive Schichtdicke mit einem Vielfachen (2-3 mal) der Pflastergröße großzügig angenommen werden.

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

• Während der Erosion: Sedimentmasse wird aus der aktiven Schicht für den Transport oder die Suspension von Geschiebefracht entfernt. Um die Zieldicke aufrechtzuerhalten, überträgt Gaia Masse vom Substrat (der ersten nicht leeren Schicht unterhalb der aktiven Schicht) in die aktive Schicht. Das übertragene Material hat die Zusammensetzung des Substrats, was die Zusammensetzung der aktiven Schicht im Laufe der Zeit verändern kann.

• Während der Deposition: Die aktive Schicht wird mit Sedimentmasse versetzt. Um die Zieldicke aufrechtzuerhalten, überträgt Gaia überschüssige Masse von der aktiven Schicht auf das Substrat. Das übertragene Material hat die Zusammensetzung der aktiven Schicht.

Wenn die verfügbare Sedimentdicke an irgendeinem Knoten geringer ist als die angestrebte aktive Schichtdicke, entspricht die tatsächliche aktive Schichtdicke dem verfügbaren Sediment. Dieses Verhalten implementiert Gaias starren Bettalgorithmus (nicht erodierbarer Boden), bei dem die Erosion die verfügbare Sedimentmasse in der aktiven Schicht während eines Zeitschritts nicht überschreiten kann.

Das Flussbett kann in mehrere Unterschichten geschichtet werden (vgl. Fig. 1), indem das Schlüsselwort NUMBER OF LAYERS FOR INITIAL STRATIFICATION definiert wird (Integer, Standard: 1). Gaia teilt dann vertikal das Flussbett in die Anzahl der benutzerdefinierten Schichten plus eins, wobei die Plus-eins-Schicht der aktiven Schicht entspricht, die oben hinzugefügt wird. Die Dicke der ursprünglichen Flussbettschichten kann mit dem Schlüsselwort LAYERS INITIAL THICKNESS definiert werden (Standard: 100 m). Wenn die AKTIVE LAYER-DICKNESS größer ist als die erste Schicht der anfänglichen Schichtung, verschmilzt Gaia die erste Schicht in die aktive Schicht und nimmt zusätzliches Sediment aus tieferen Schichten nach Bedarf, um die Zieldicke zu erreichen. Die anfängliche Zusammensetzung der aktiven Schicht wird dann zu einer Mischung von Sedimenten aus diesen zusammengeführten Schichten.

In this tutorial, a sand, gravel, and cobble sediment mix is used with an ACTIVE LAYER THICKNESS of 3 $\cdot D_{90}$ (of cobble). The riverbed is initially stratified into three sublayers (plus the 0.3-m thick active layer) and the initial thickness of the riverbed layers is assumed with 1.5 m with the following keyword definitions in the Gaia steering file:

/ 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 zusammenhängende und nicht zusammenhängende Sedimentbetten aus der Zusammensetzung der aktiven Schicht ab. Für gemischtes Sediment berechnet Gaia den Geschiebetransport nur dann, wenn der Massenanteil des zusammenhängenden Sediments in der aktiven Schicht weniger als 30% beträgt. Oberhalb dieser Schwelle können nicht zusammenhängende Sedimente noch in Suspension transportiert werden. Das Gaia Manual] bietet weitere Informationen zum Transport von gemischtem (kohäsivem und nicht-kohäsivem) Sediment in Abschnitt 3.2.1. Darüber hinaus kann die Flussbettkonsolidierung simuliert werden, indem das Schlüsselwort BED MODEL mit 2 definiert wird (vgl. Gaia manual, Abschnitt 3.3].

Geschiebe vs. Schwebstofffracht¶

Sediment transport modeling quickly becomes computationally expensive. Therefore, it is important to be clear about the primary type of sediment transport mode and to activate only the most important phenomenon (i.e., either Geschiebe or Schwebstoff). For this reason, answer the question What type of sediment transport phenomenon is predominant in the model? If you are not sure about the answer to this question, revise the section on sediment transport modes. In addition, here are some practice-oriented suggestions:

• Bedload only: Modeling suspended load in a gravel-cobble bed river with a sand content (i.e., the sediment is mostly larger than 2 mm) of less than 5-10% is not purposeful and the definition SUSPENSION FOR ALL SANDS : NO should be used. In this case, the section on bedload modeling provides all necessary information and the suspended load section can be skipped.

• Suspended load only: Fine particle displacement in reservoirs, lakes, or coastal areas, primarily involves suspended load processes. If the sediment is generally finer than 1 mm, modeling bedload may not be necessary. In this case, skip the bedload modeling section and directly jump to the section on suspended load modeling.

• Bedload and suspended load: When the sediment mixture involves sand particles with diameters between 1-2 mm, and/or particles that may be both finer or coarser, mixed transport processes drive sediment transport. In this case, both sections on bedload and suspended load modeling should be accomplished.

• Cohesive sediment: When cohesive sediment is in the system (i.e., grain diameters of less than 0.06 mm), suspended load modeling must be activated.

Dieses eBook bietet die Implementierung von kombinierter Bett- und Schwebstoffmodellierung in einem kurzen Flussabschnitt mit einem Kiespflasterbett und einem Sandgehalt von 10% (mit der 0,5-mm-Klasse).