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Aufgehängte Last

Suspended load bezieht sich auf Feinkorn (\lesssim 1-2 mm) Verschiebung in der Wassersäule, wobei Partikel in temporärer Suspension durch die Wirkung von nach oben bewegten Wirbelkörpern gehalten werden. Die TELEMAC Software-Suite nutzt die hydrodynamischen Telemac2d/3d-Modelle, um Suspended load zu simulieren, indem die Advection-Diffusion-Gleichungen mit Tracer-Konzentrationen gelöst werden. Aus diesem Grund erfordert die suspendierte Lastmodellierung eine offene Grenze LICBOR für Tracer (z.B. 4 oder 5) wie in der Datei setup of the boundaries-gaia.cli beschrieben.

Um die Simulation der hängenden Last zu aktivieren, fügen Sie die Gaia-Lenkungsdatei Folgendes hinzu:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
/ SUSPENDED LOAD
SUSPENSION FOR ALL SANDS : YES

Theoretische Hintergrund

Die Regelgleichung für den suspendierten Sedimenttransport ist die Advektionsdiffusionsgleichung (ADE), die Massenkonservierung von suspendiertem Sediment in der Wassersäule beschreibt:

(hC)t+(hUC)x+(hVC)y=x(εshCx)+y(εshCy)+ED\frac{\partial (hC)}{\partial t} + \frac{\partial (hUC)}{\partial x} + \frac{\partial (hVC)}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\varepsilon_s h \frac{\partial C}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(\varepsilon_s h \frac{\partial C}{\partial y}\right) + E - D

where CC is the depth-averaged suspended sediment concentration (Gaia expresses it in g/l, numerically equal to kg m3^{-3}), hh is water depth (m), UU and VV are depth-averaged velocity components (m s1^{-1}), εs\varepsilon_s is the sediment diffusivity coefficient (m2^2 s1^{-1}), EE is the erosion flux from the bed (kg m2^{-2} s1^{-1}), and DD is the deposition flux to the bed (kg m2^{-2} s1^{-1}).

Die Sedimentdiffusivität εs\varepsilon_s steht in Verbindung mit der turbulenten Wirbelviskosität νt\nu_t:

εs=νtσs\varepsilon_s = \frac{\nu_t}{\sigma_s}

where σs\sigma_s is the Schmidt number, which Gaia fixes to σs=1.0\sigma_s = 1.0 (i.e., the sediment diffusivity equals the turbulent eddy viscosity). An additional constant diffusivity can be set with the COEFFICIENT FOR DIFFUSION OF SUSPENDED SEDIMENTS keyword (real, default 1.E-6 m2^2 s1^{-1}).

Zusätzliche Sedimentparameter

Feine Sedimentmischungen mit sehr feinen, kohäsiven Partikeln (weniger als 0,06-0.1 mm) werden in Gaia als mud bezeichnet und so die Keywords in den folgenden Absätzen. Die Unterscheidung zwischen nicht-kohäsiven Sand und kohäsivem Schlamm ist wichtig, weil ihre Erosions- und Ablagerungsverhalten sich grundsätzlich unterscheiden. Weitere Informationen zu mudbezogenen Keywords finden Sie in Abschnitt 4.2 in der Gaia manual.

Depositionsparameter

Für suspendierte Last ist die Definition zusätzlicher Sedimenteigenschaften für jede Sedimentklasse erforderlich (oder aktiviert).

Mit dem CLASSES SETTLING VELOCITIES Keyword zur Berechnung des Depositionsflusses DD können Partikel-Setting-Vocities wsw_{s} definiert werden. Die klassische Krone (1962)-Depositionsformel ist:

D=wsC(1ττcd)if τ<τcdD = w_{s} \cdot C \cdot \left(1 - \frac{\tau}{\tau_{cd}} \right) \quad \text{if } \tau < \tau_{cd}

wobei CC die suspendierte Sedimentkonzentration (g/l) ist, τ\tau ist die Bettscherbeanspruchung (N m2^{-2}) und τcd\tau_{cd} die kritische Scherbeanspruchung für die Abscheidung ist (N m2^{-2}). Wenn ττcd\tau \geq \tau_{cd}, es kommt keine Ablagerung vor, weil Turbulenzen zu stark sind, um Partikel absetzen zu können.

Wenn das CLASSES SETTLING VELOCITIES Keyword entfällt (oder auf -9 gesetzt), berechnet Gaia wsw_s für jede Sedimentklasse intern, wobei eine von drei körnigen Formeln ausgewählt wird:

ws=(s1)gD50218νw_{s} = \frac{(s-1) \cdot g \cdot D_{50}^2}{18 \nu}
ws=10νD50(1+(s1)gD503100ν21)w_{s} = \frac{10\nu}{D_{50}}\left(\sqrt{1 + \frac{(s-1) \cdot g \cdot D_{50}^3}{100\nu^2}} - 1\right)
ws=1.1(s1)gD50w_{s} = 1.1\sqrt{(s-1) \cdot g \cdot D_{50}}

wobei ss die relative Sedimentdichte (typischerweise 2.65) ist, gg Gravitationsbeschleunigung ist,D50D_{50} ist der Korndurchmesser, und ν\nu ist die kinematische Viskosität von Wasser (\approx106^{-6}m2^{2}s@s1^{-1}). Die drei Regime wechseln von einer viskosen (Rep1Re_p \ll 1, Stokes) zu einem voll turbulenten (Rep1Re_p \gg 1, konstanter Drag) Setzverhalten Dey, 2014.

Um Gaias integrierte Routinen für die Berechnung wsw_{s} zu nutzen, verwenden Sie entweder das CLASSES SETTLING VELOCITIES Keyword in der Gaia-Lenkungsdatei nicht oder setzen Sie seine Per-Class-Werte an -9 (die die automatische Berechnung auslöst). Detaillierte Informationen zur Berechnung von Absetzgeschwindigkeiten für bestimmte Fälle (z.B. Abgehängte Lastberechnung für sonstiges suspendiertes Material als mineralisches Sediment) finden sich beispielsweise in Dey (2014) (Buchse 1.7). Gaias Absetzgeschwindigkeitsalgorithmus befindet sich in der Datei settling_vel.f im /telemac/sources/gaia/-Verzeichnis.

Die kritische Schubspannung τcd\tau_{cd} für Schlammabscheidung kann mit dem *CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION Schlüsselwort definiert werden (Standard ist 1000. N m2^{-2}, das die Abscheidungsschwelle effektiv deaktiviert; Gaia wandelt sie intern an die kritische Schergeschwindigkeit u,cd=τcd/ρwu_{*,cd} = \sqrt{\tau_{cd}/\rho_w} um.

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
CLASSES SETTLING VELOCITIES : -9;-9;-9
CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION : 1000;1000;1000 / N per m2

Erosion Parameter

For cohesive (mud) sediments, Gaia calculates erosion fluxes EE using the Partheniades (1965) formula, which is the classical approach for cohesive sediments:

E={M(ττce1) if τ>τce0 if ττceE = \begin{cases} M\cdot \left(\frac{\tau}{\tau_{ce}} - 1\right) & \mbox{ if } \tau > \tau_{ce} \\ 0 & \mbox{ if } \tau \leq \tau_{ce}\end{cases}

wobei MM die Erosionskonstante Krone (1962)-Partheniades (1965) (in kg m2^{-2}s1^{-1}) bezeichnet wird, die in Gaia mit dem Stichwort LAYERS PARTHENIADES CONSTANT** definiert werden kann (Standardwert: 1.E-03). Darüber hinaus kann τce\tau_{ce} (kritische Scherbelastung für Erosion) mit dem *LAYERS CRITICAL EROSION SHEAR STRESS OF THE MUD Keyword (Standard ist 0.01;0.02;0.03;... für aufeinanderfolgende Schichten) in N m2^{-2} definiert werden.

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
LAYERS PARTHENIADES CONSTANT : 1.E-03 / in kg per m2 per s
/ LAYERS CRITICAL EROSION SHEAR STRESS OF THE MUD : 0.01;0.1;0.1 / in N per m2

Ausgewählte Lastformel

Die Sedimenttransportformeln für die Schwebelastungsmodellierung können mit dem Stichwort SUSPENSION TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS definiert werden, das eine ganzzahlige Zahl akzeptiert, die eine Formel zur Berechnung des Gleichgewichts bei der Nahbettkonzentration CeqC_{eq} in *g/l (die Einheit Gaia verwendet intern für alle suspendierten Sedimentkonzentrationen). Die Gleichgewichtskonzentration stellt die Sedimentkonzentration in einem Bezugsniveau nahe dem Bett unter Gleichgewichtsbedingungen dar (d.h. wenn Erosion gleich Ablagerung ist). Die berechneten CeqC_{eq}-Werte richten sich an die spätere definition of initial and boundary conditions für suspendierte Last.

Für die Berechnung von CeqC_{eq} mit dem SUSPENSION TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS Keyword können folgende Zahlen verwendet werden:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
SUSPENSION TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS : 1

Ursprüngliche und verbindliche Bedingungen

Gaia ermöglicht eine klassenweise Definition von Anfangskonzentrationen für suspendierte Last nach der Bestellung von sediment class definitions. Die folgende Listendefinition legt die Anfangskonzentration für die Sedimentklasse 0,5 mm (recall its definition) auf 0,6 *g/l und 0,0 g/l für die Sedimentgrößenklassen 0,02-m und 0,1 m fest. Die Definition der anfänglich suspendierten Sedimentkonzentrationen kann in 2d an Grenzknoten übergeordnet werden, indem das EQUILIBRIUM INFLOW CONCENTRATION Keyword an YES gesetzt wird (erfordert, dass die tracer boundary auf 5 gesetzt wird).

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
INITIAL SUSPENDED SEDIMENTS CONCENTRATION VALUES : 0.6;0.;0.

Lesen Sie mehr über die Definition der Ausgangsbedingungen in Abschnitt 2.1.1 in der Gaia manual.

Verschreibungen

The per-sediment class suspended load concentrations can be prescribed similar to the initial concentrations with the PRESCRIBED SUSPENDED SEDIMENTS CONCENTRATION VALUES keyword. Alternatively, the EQUILIBRIUM INFLOW CONCENTRATION keyword may be used to automatically compute the inflow concentration based on the equilibrium formula (option 1-4 defined above). None of these keywords is used in this tutorial because the model starts with a defined initial concentration and allows the system to evolve.

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
/ PRESCRIBED SUSPENDED SEDIMENTS CONCENTRATION VALUES : 0.6;0.;0. / g/l
/ EQUILIBRIUM INFLOW CONCENTRATION : YES / not used in this tutorial

Gaia kann mit flüssigen Randdateien ausgeführt werden, um zeitabhängige suspendierte Lastflüsse zuzuordnen (der Abfluss sollte im Gleichgewicht gehalten werden). Die Solid-Flow-Time-Serie kann mit der bereits angewandten 455-5 Upstream-Grenze realisiert werden, analog zu den Beschreibungen der Telemac2d unsteady boundary setup. Weitere Informationen zu ausgesetzten Lastbegrenzungsbedingungen finden Sie in Abschnitt 2.1.2 in der Gaia manual.

Numerische Parameter

Die meisten numerischen Parameter für die suspendierte Lastmodellierung hängen von der hydrodynamischen Telemac2d/3d-Lenkdateidefinition ab. In der Gaia-Lenkungsdatei sollten zusätzliche Schlüsselwörter angegeben werden, die die Simulation der suspendierten Last direkt beeinflussen.

Zum Beispiel werden die SCHEME FOR ADVECTION ... Schlüsselwörter für Geschwindigkeiten, Tracer und Turbulenzmodellierung mit der Hydrodynamik (Telemac2d/3d) Lenkdatei general numerical parameters for finite elements definiert. Zusätzlich kann das Advektionsschema für suspendierte Last in der Gaia-Lenkungsdatei mit dem *SCHEME FOR ADVECTION OF SUSPENDED SEDIMENTS Schlüsselwort definiert werden, das eines der folgenden Ganzzahl-Keywords akzeptiert (nur für 2d):

Die Optionen 4 und 14 können zusammen mit der Keyword-Definition CORRECTION ON CONVECTION VELOCITY : YES (logisch, default NO) definiert werden, die die tiefe gemittelte Konvektionsgeschwindigkeit auf die vertikalen Gradienten von Geschwindigkeit und Konzentration umstellt. Diese Einstellung vermeidet eine Überschätzung der Schwebelastung, insbesondere in tiefen Gewässern, wird aber in diesem Tutorial nicht verwendet.

Die SCHEME OPTION FÜR ADVECTION VON SUSPENDED SEDIMENTS kann zusätzlich definiert werden, um entweder ein *starkes (Standard von 1) oder ein *weak (2) Formular zur Advektion zu verwenden. Eine schwache Form verringert die Zahlen Diffusion, ist konservativer und erhöht die Rechenzeit (weiterlesen unter Telemac2d steady section).

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
SCHEME FOR ADVECTION OF SUSPENDED SEDIMENTS : 14
/ CORRECTION ON CONVECTION VELOCITY : YES / use when SCHEME is 4 or 14 for deep water

Lesen Sie mehr über die Definition von numerischen Parametern in Abschnitt 2.1.5 in der Gaia manual.

Morphologische Kupplung

Wenn die Schwebelastung zusammen mit der Bettentwicklung aktiviert wird, tragen die Erosions- und Abscheidungsflüsse zur Massenbilanz des Bettes durch die Exner equation. Der Nettofluss (erosion minus Abscheidung) verändert die Betthöhe zu jedem Zeitschritt.


## Anwendungsbeispiele

Beispiele für die Implementierung der hängenden Last kommen zusammen mit der TELEMAC-Installation (im `/telemac/examples/gaia/`-Verzeichnis). Die folgenden Beispiele in der `gaia/`-Ordner-Funktion (rein) hängen Lastberechnungen:

* 2d Modell des kombinierten zusammenhängenden und nichtkohäsiven Pendelverkehrs: **Hippodrom-t2d/*
* 2d Modell des kohäsiven Schlamm-Massenschutzes: **mud conservation-t2d/*
* 3d Modell des kombinierten zusammenhängenden und nichtkohäsiven Pendelverkehrs: **hippodrom-t3d/*
* 3d Modell des nicht-kohäsiven Hängetransports mit Hautreibungskorrektur: **lyn-t3d/*
* 3d Modell des zusammenhängenden Hängetransports mit vertikalem Rouse-Profil (vgl. [Gaia manual](https://gitlab.pam-retd.fr/otm/telemac-mascaret/-/raw/v9.0.0/documentation/gaia/user/gaia_user_9.0.pdf), Abschnitt 2.1.2): **rouse-t3d/**
* 3d Modell einer Flut mit kohäsivem Sediment: **tidal flats-t3d/*
* Kupplung mit Wellen: **sandpit-t2d/**

```{admonition} Recommended workflow for suspended load simulations
:class: note
1. **Start mit Hydrodynamik*: Stellen Sie sicher, dass das hydrodynamische Modell (Telemac2d/3d) kalibriert ist und vor der Kopplung mit Gaia sinnvolle Strömungsfelder erzeugt.
2. **Definale Sedimentklassen*: Geben Sie für den Standort geeignete Korngrößen an. Feine Sedimente ($D < 0.063$ mm) sind typischerweise kohäsiv; gröbere Sedimente sind nicht kohäsiv.
3. **Select Suspension Formel*: Wählen Sie auf Basis der Umwelt (Fluss: `1` oder `3`; Küste mit Wellen: `4`).
4. **Erstbedingungen festlegen*: Verwendung gemessener oder geschätzter suspendierter Sedimentkonzentrationen.
5. **Choose Advektion Schema*: Verwenden Sie `14` für Robustheit mit Gezeitenwohnungen oder `5` für eine bessere Genauigkeit in tiefen Kanälen.
6. **Calibraterosion/Deposition*: Passen Sie Partheniades konstant $M$, kritische Scherbeanspruchungen und Absetzgeschwindigkeiten auf die beobachteten Konzentrationen.
7. **Währende Massenbilanz**: Aktivieren Sie `MASS-BALANCE : YES` in der hydrodynamischen Steuerungsdatei, um den Sedimentschutz zu überwachen.
References
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