Laufen und analysieren

Laufen Sie Gaia¶

Stellen Sie sicher, dass der Simulationsordner (z.B. /gaia2d-tutorial/) mindestens die folgenden Dateien enthält (oder ähnlich, je nach Simulationsfall):

• Ein Rechennetz beispielsweise in Form von qgismesh.slf.

• Eine hydrodynamische Begrenzungsdefinitionsdatei, z.B. in Form von boundaries.cli.

• Eine Gaia-Grenzedefinition beispielsweise in Form von boundaries-gaia.cli.

• Eine Ergebnisdatei einer Telemac2d/3d-Simulation für eine Hotstart-Initialisierung, z.B. für 35 m$^3$/s in Form von r2dsteady.slf (Ergebnis der dry-initialized steady run ending att=15000).

• Eine Telemac2d-Lenkdatei, wie steady2d-gaia.cas.

• Eine Gaia-Lenkungsdatei, wie gaia-morphodynamics.cas.

/------------------------------------------------------------------/
/ Gaia in TELEMAC
/ GAIA STEERING FILE
/ file name: gaia-morphodynamics.cas
/
/------------------------------------------------------------------/
/                    COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE : qgismesh.slf
RESULTS FILE : rGaia-steady2d.slf
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : B,E,M,MU,N,P,QSBL,TOB
MASS-BALANCE : YES
/
/ NUMERICAL OPTIONS
/------------------------------------------------------------------/
FINITE VOLUMES : NO
/------------------------------------------------------------------/
/
/------------------------------------------------------------------/
/ RIVERBED COMPOSITION
/------------------------------------------------------------------/
/
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO / CO-cohesive or NCO-non-cohesive
CLASSES SEDIMENT DIAMETERS : 0.0005;0.02;0.1 / in m
CLASSES SEDIMENT DENSITY : 2680;2680;2680 / in kg per m3
/
/ RIVERBED LAYERS - manual section 3.2.1
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
/
/------------------------------------------------------------------/
/ BEDLOAD
/------------------------------------------------------------------/
/
/ BOUNDARIES
PRESCRIBED SOLID DISCHARGES : 10.;0.
/
BED LOAD FOR ALL SANDS : YES / deactivate with NO
BED-LOAD TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS : 1 / MPM - see table for more
CLASSES SHIELDS PARAMETERS : 0.047;0.047;0.047
MPM COEFFICIENT : 8
/
/ BEDLOAD DIRECTION - manual sec. 3.1.4-3.1.7
SLOPE EFFECT : YES / default is YES - set to NO to disable
FORMULA FOR DEVIATION : 1 / use 2 for talmon-1995 approach
FORMULA FOR SLOPE EFFECT : 1 / default is 1 (koch-flokstra) change to 2 for soulsby
BETA : 1.3 / only with koch-flokstra - default is 1.3
/
/ SECONDARY CURRENTS - manual sec. 3.1.7
SECONDARY CURRENTS : YES / default is NO
SECONDARY CURRENTS ALPHA COEFFICIENT : 0.8 / default is 1.
/
/ FRICTION
SKIN FRICTION CORRECTION : 1 / set 0 to disable correction in shallow waters
RATIO BETWEEN SKIN FRICTION AND MEAN DIAMETER : 3. / default is 3.
/
/------------------------------------------------------------------/
/ SUSPENDED LOAD
/------------------------------------------------------------------/
/
SUSPENSION FOR ALL SANDS : YES / deactivate with NO
/
SUSPENSION TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS : 1
/
/ NUMERICAL PARAMETERS
SCHEME FOR ADVECTION OF SUSPENDED SEDIMENTS : 14
/
/ ADDITIONAL SEDIMENT - manual section 4.2
CLASSES SETTLING VELOCITIES : -9;-9;-9 / use Gaia defaults
CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION : 1000;1000;1000 / N per m2
LAYERS PARTHENIADES CONSTANT : 1.E-03 / in kg per m2 per s - default is 1.E-03

Öffnen Sie mit diesen Dateien Terminal, gehen Sie in den Konfigurationsordner TELEMAC (z.B. ~/telemac/v9.0.0/configs/) und laden Sie die Umgebung (z.B. pysource.openmpi.sh - verwenden Sie die gleiche wie für die Erstellung von TELEMAC).

cd ~/telemac/v9.0.0/configs
source pysource.openmpi.sh

Mit der geladenen TELEMAC-Umgebung wechseln Sie in das Verzeichnis, in dem die TELEMAC Gaia-Simulation lebt (z.B. /home/telemac/v9.0.0/mysimulations/gaia2d-tutorial/) und die *.cas-Datei ausgeführt wird, indem sie mit dem Skript telemac2d.py aufgerufen wird (es wird automatisch wissen, dass es Gaia verwenden muss, wenn es die Zeile COUPLING WITH : 'GAIA' liest).

cd ~/telemac/v9.0.0/mysimulations/gaia2d-tutorial/
telemac2d.py steady2d-gaia.cas

Eine erfolgreiche Berechnung sollte mit folgenden Zeilen (oder ähnlichen) in Terminal enden:

[...]
                    *************************************
                    *    END OF MEMORY ORGANIZATION:    *
                    *************************************

CORRECT END OF RUN

ELAPSE TIME :
                             1  HOURS
                             4  MINUTES
                            34  SECONDS
... merging separated result files

... handling result files
       moving: r2dsteady-gaia.slf
       moving: rGaia-steady2d.slf
       moving: r-control-sections.txt
... deleting working dir

My work is done

TELEMAC wird die Dateien r2dsteady-gaia.slf, rGaia-steady2d.slf und r-control-sections.txt im Simulationsordner schreiben. Diese Ergebnisdateien sind auch in dem Modellierungs-Repository dieses eBooks für das Nachbearbeitungs-Tutorial verfügbar:

• Download r2dsteady-gaia.slf (Ergebnisse der Hydrodynamik)

• Download rGaia-steady2d.slf (Ergebnisse der Morphodynamik)

• Download r-control-sections.txt (Kontrollabschnitt Flussläufe)

Nachbearbeitung¶

Kontrollbereich Fluxen¶

Die control sections ermöglichen Einblicke in die korrekte Anpassung des Flusses an die vor- und nachgelagerten Grenzen (nur vorbeschrieben Q). Figure 1 zeigt die modellierten Durchflussraten, bei denen die Inflow boundary und Outflow boundary-Kurven nach ca. 10000 Zeitschritten konvergieren. Beachten Sie, dass die Grafik absolute Zahlen zeigt, während die ursprüngliche Ausgabe in r-control-sections.txt aufgrund der Reihenfolge der Knotendefinitionen in control-sections.txt negativ ist. Die hotstart Initialisierung macht aus, dass die Flußmittel von Anfang an um den vorgeschriebenen Zufluss von 35 m$^{3}$/s schwanken. Der Outflow boundary Flussratenzuwachs zum Ende der Simulation kann auf die Sedimenterosion und den nachgeschalteten freien Fluss (544-4) zurückgeführt werden.

Visualisierung mit QGIS¶

The results of the Gaia simulation can be visualized and time snapshots exported to raster (e.g., GeoTIFF) or shapefile formats by using the PostTelemac plugin in QGIS the same way as explained in the steady2d tutorial. The latest QGIS releases additionally enable loading of a Selafin (results) mesh file (here: r2dsteady-gaia.slf) as QGIS mesh layer, which can then be visualized in the viewport and exported to a video with the Crayfish plugin. To this end, launch QGIS, set the project CRS to EPSG:25833 (ETRS89 / UTM zone 33N), and save the new project in the gaia2d-tutorial/ folder (or where ever the Gaia simulation files live). In QGIS’ Browser panel, find the Project Home folder, expand it, and drag-and-drop the two simulation results meshes (r2dsteady-gaia.slf and rGaia-steady2d.slf) to the Layers panel.

Doppelklicken Sie auf r2dsteady-gaia.slf oder rGaia-steady2d.slf, um ihre *Mesh Layer Properties zu öffnen, dann gehen Sie auf die Source Tab, um hydrodynamische (z.B. Wassertiefe oder Scalar Flowrate m2s) oder morphodynamische Gaia (z.B. *qs bedload) Figure 2 zeigt das Fenster QGIS mesh Layer Properties des rGaia-steady2d.slf-Simulationsergebnisses Geometrie, in dem rote Boxen Schritte zum Anbinden von Ausgabevariablen und Visualisierungs-Zeitschritten hervorheben. Darüber hinaus bietet die Registerkarte *Symbology Optionen für Wertfarbskala oder Vektordarstellungen (z.B. für Geschwindigkeitsvektoren in r2dsteady-gaia.slf).

Beachten Sie, dass nur Parameter, die mit den VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS Schlüsselwörtern in den hydrodynamischen (steady2d-gaia.cas) und morphodynamischen (gaia-morphodynamics.cas) Lenkdateien definiert sind, in QGIS eingetragen werden können.

Um ein Video der Simulationsergebnisse zu exportieren, verwenden Sie das Crayfish Plugin:

• In QGIS stellen Sie sicher, dass das Crayfish-Plugin installiert ist (Recall the QGIS instructions).

• Im Layer-Panel wählen Sie rGaia-steady2d (oder r2dsteady-gaia).

• Mit rGaia-steady2d (oder r2dsteady-gaia) ausgewählt, gehen Sie zu Mesh (Dropdownmenü oben) > ** Krebs** > Export Animation ... (wenn die Schicht nicht hervorgehoben wird, erscheint eine Fehlermeldung: Bitte wählen Sie eine Mesh Layer für den Export).

• Im Fenster Export Animation gehen Sie auf die Registerkarte General und definieren einen Ausgabedateinamen, indem Sie auf die Schaltfläche ... klicken (z.B. velocity-video.avi).

• Optional die Einstellungen Layout und Video anpassen.

• Klicken Sie auf OK, um den Videoexport zu starten.

Das erste Mal, dass ein Video exportiert wird, erfordert Crayfish die Definition eines *FFmpeg Video-Encoder und führt durch die Installation (falls erforderlich). Folgen Sie den Anweisungen und starten Sie erneut das Video exportieren. Das folgende Video wurde mit Crayfish exportiert, um Geschwindigkeitsvektoren zu visualisieren:

Video: Sebastian Schwindt @ Hydro-Morphodynamics channel on YouTube.

Beachten Sie, wie sich die Geschwindigkeitsvektoren über die Zeit entwickeln und dass hohe Strömungsgeschwindigkeiten an Rampen/Schillen im Flussabschnitt auftreten (z.B. die beiden transversalen Maxima nahe der stromaufwärtigen Grenze oder das transversale Maximum nahe der stromabwärtigen Grenze). Dementsprechend sollte auch der Bettlasttransport an den Rampen ausgesprochen werden. Das folgende Video zeigt qs Bettlast, um zu überprüfen, ob das Modell die physische Verbindung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Bettlast rechts bekam.

Video: Sebastian Schwindt @ Hydro-Morphodynamics channel on YouTube.

Nach dem Video-Beobachten kann geschlossen werden, dass die Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeiten und Bettlast ungefähr korrekt ist, aber das Modell kann eine Korrektur durch Anpassung magnitude and direction parameters verlangen. Der nächste Abschnitt veranschaulicht beispielhaft, wie die physikalische Klanglichkeit des Modells analysiert und verbessert werden kann.

Plausibilität¶

Die oben dargestellten Ergebnisse verfügen über eine stationäre Beladung und einen hängenden Lasttransport in einer Armored-Bett-Fluss-Sektion bei einer niedrigen Basisstromentladung von 35 m$^{3}$/s. Der Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit und der Sedimenttransportvideos deutet darauf hin, dass bei hoher Strömungsgeschwindigkeit auch die höchsten Sedimenttransportraten auftreten. Drei Sedimentgrößenklassen wurden in der Basic Setup of Gaia mit durchschnittlichen Korndurchmessern von 0,0005 m, 0,02 m und 0,1 m definiert. Die Simulation prognostiziert, dass sich nur die feinste Korngrößenklasse im Basisstrom bewegen wird (z.B. in der Konsolenausgabe während der Simulation). Diese feine Sedimentklasse von 0,5 mm Durchmesser (Sand) wird in Form von Bettlast und in Suspension ohne messbare Wirkung auf Betthöhe transportiert. So kann das Modell im Wesentlichen physikalisch sinnvoll angenommen werden, insbesondere wenn man bedenkt, dass trotz des lokalen Sedimenttransportmaximums für feines Sediment nahezu keine Veränderung der Flussbetthöhe modelliert wird. Um die physikalische Plausibilität eines morphodynamischen Modells zu überprüfen, sollten höhere (Flut) Entladungen testsimuliert werden. Dann sollten sich auch die gröberen Korngrößen von 0,02 m (Griff) und 0,1 m (Kies) bewegen.

Auch Wassertiefe, Strömungsgeschwindigkeit (Vektoren) und Topographic change ist zu analysieren (in QGIS oder BlueKenue), da Gaia Flussbetthöhen verändert. Wenn das Modell z.B. Topographic change in Form von 10-m tiefen Erosion (Scour) am Basisflow prognostiziert, sollten die Stichwortdefinitionen für die riverbed überarbeitet werden. Ebenso sollten hydromorphodynamische relevante Parameter wie friction oder direction and magnitude (bedload) Korrektoren überprüft werden.

Wenn ein Modell schließlich und annähernd körperlich aussagekräftig ist, kann das Modell mit Beobachtungsdaten calibrated sein. Der nächste Abschnitt enthält eine Liste von Keywords, die für die Kalibrierung von Bedload und/oder Suspended load-Simulationen mit Gaia verwendet werden können.

Kalibrierung¶

Dieser Abschnitt geht davon aus, dass das Modell bereits hydrodynamisch kalibriert ist (z.B. bezüglich Reibung), wie in der steady modeling section beschrieben. Gaia kann dann zur Modellierung eines Flut-Hydrographen mit einem unsteady (quasi-steady) simulation verwendet werden. Die Kalibrierung erfordert, dass Flussbett-Elevationsmessungen von vor und nach der Flut verfügbar sind (d.h. eine ereignisspezifische Topographic changeKarte).

Belastungskalibrierungsparameter¶

Für die Kalibrierung der Bettlast in Gaia können folgende Parameterliste berücksichtigt werden:

• Representative roughness length $k'_{s}$ (cf. Equation (11)) with the keyword RATIO BETWEEN SKIN FRICTION AND MEAN DIAMETER $\alpha_{ks}$ (default: $\alpha_{ks}$=3.). Note that this keyword is a multiplier of the mean grain diameter $D_{50}$; thus: $k'_{s}= \alpha_{ks} \cdot D_{50}$ (goes into Equation (11)):

  • Um diesen Kalibrierparameter zu nutzen, stellen Sie sicher, dass SKIN FRICTION CORRECTION : 1.

  • On dune-form sand riverbeds, start with $\alpha_{ks}$=37. Mendoza et al., 2017.

  • In alternating bar riverbeds, start with $\alpha_{ks}$=3.6 Mendoza et al., 2017.

  • Die Erhöhung $\alpha_{ks}$ erhöht die Reibung der Haut und damit die Transportrate.

• Bei Modellen auf Basis der Formel Meyer-Peter and Müller (d.h. unter Verwendung eines Shields parameter für incipient sediment motion) kann das Schlüsselwort CLASSES SHIELDS PARAMETERS geändert werden:

  • Wenn die Erosion überbewertet wird, erhöhen Sie CLASSES SHIELDS PARAMETERS.

  • Wenn die Erosion unterschätzt wird, reduzieren Sie CLASSES SHIELDS PARAMETERS.

  • Typischer Bereich: 0,03-0.06 für gleichmäßige Sedimente, bis zu 0,07 für gepanzerte Betten.

• Der MPM COEFFICIENT kann angepasst werden (Standard: 8):

  • Original Meyer-Peter und Müller Wert: 8

  • Wong-Parker-Korrektur für Planbetten: 3.97 (mit CLASSES SHIELDS PARAMETERS : 0.0495)

  • Reduzieren Sie, um die gesamten Bettlast-Transportraten zu verringern.

• Mit der Piste-Korrektur aktiviert und mithilfe der Koch & Flokstra (1980)Korrektur-Formel das BETA Keyword von Equation (12) (Standard ist BETA : 1.3):

  • Wenn die Erosion in gekrümmten Kanalabschnitten übervorhergesagt ist, verringern Sie BETA.

  • Wird die Erosion in gekrümmten Kanalabschnitten unterschätzt, erhöhen Sie BETA.

  • Typische Reichweite: 1.0-2.0.

• Um das Abscheidungs- und Erosionsmuster in Kurven (Riverbends) anzupassen, aktivieren Sie das SECONDARY CURRENTS Schlüsselwort und ändern Sie den SECONDARY CURRENTS ALPHA COEFFICIENT Wert (vgl. Secondary Currents):

  • Standard: 1.0 (glänzendes Bett)

  • Für raue Betten: 0.75

  • Wendelstromstärke und damit laterale Sedimentumverteilung.

• Das HIDING FACTOR FORMULA* Keyword (für mehrstufiges Sediment) steuert, wie feinere Partikel von gröberen versteckt werden:

  • 0: konstanter Versteckfaktor (default), der die per-Klasse-Werte mit dem CLASSES HIDING FACTOR* Schlüsselwort angegeben werden muss

  • 1

  • 2

  • 4: Karim, Holly & Yang Formel

  • Ändert die relative Beweglichkeit verschiedener Sedimentklassen.

Aufgehängte Lastkalibrierungsparameter¶

Die folgende Parameterliste kann für die Kalibrierung des hängenden Lasttransports und des Abscheidungsmusters in Gaia berücksichtigt werden:

• CLASSES SETTLING VELOCITIES:

  • Reduzierung der Transportlänge und Verringerung der Ablagerungsraten

  • Erhöhung der Transportwege und Verbesserung der Ablagerung

  • Setzen Sie auf -9, um die automatische Berechnung von Gaia basierend auf der Korngröße zu verwenden

• CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION:

  • Reduzieren, um das Sediment in der Suspension länger zu halten (Bestimmung nur bei geringeren Scherbelastungen)

  • Erhöhung der Abscheidung bei höheren Scherspannungen

  • Standard von 1000 N/m2 deaktiviert die Abscheideschwelle effektiv

• LACHTER TEILNEHMER (Eisenkurs konstant $M$):

  • Erhöhung der Erosionsraten

  • Verringerung der Erosionsraten

  • Typischer Bereich: 1.E-04 bis 1.E-02 kg/(m2·s)

• ** RECHTSGRUNDLAGE DES MUD**:

  • Erhöhung der Erosion (höhere Schwelle)

  • Verringerung der Erosion (untere Schwelle)

  • Varianten mit Sedimentkonsolidierung; typischer Bereich: 0,01-1,0 N/m2

• COEFFICIENT FÜR DIFFUSION VON SUSPENDED SEDIMENTS (oder auf Turbulenzmodell angewiesen; default1.E-6m2/s):

  • Höhere Werte erhöhen die seitliche Ausbreitung des suspendierten Sediments

  • Niedrigere Werte Konzentrat sediment plums

What next?

The calibrated model will also require validation. The validation requires another set of riverbed elevation measurements from before and after another flood (i.e., an additional event-specific Topographic change map). Alas, Topographic change maps are expensive and it is rare to have at least three DEMs from different points in time for a river section, which would enable the creation of two Topographic change maps. For this reason, the calibration dataset is often split in practice. For instance, 2/3 of a Topographic change map may be used for model calibration and 1/3 for model validation. However, such splitting makes that the two datasets are not statistically independent and the validation quality figures will be biased.