Berndt, Dieter

Ohlmeyer, Friedrich

German

Hydraulic Engineering Repository

Article, Published VersionOhlmeyer, Friedrich; Berndt, DieterNatur- und Modellmessungen der Stoffausbreitung inÄstuarienDie KüsteZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI)Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/101072Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Ohlmeyer, Friedrich; Berndt, Dieter (1975): Natur- und Modellmessungen derStoffausbreitung in Ästuarien. In: Die Küste 27. Heide, Holstein: Boyens. S. 109-116.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Natur- und Modellmessungen der Stoffausbreitung in Ästuarien Von F. 0 hIrn e y e rund D. Be r nd t Zusammenfassung Die zunehmende Industrialisierung des Küstenraumes erfordert Methoden, die eine Voraussage von Konzentrationen bei Abwasser- oder Kühlwassereinleitungen gestatten. Der Bericht behandelt vornehmlich hydraulische Modellversuche. Vergleiche zwischen Natur und Modell dienen der Verifikation von Modellversuchen. Die Ergebnisse bestätigen, daß ein bestimmtes Verzerrungsverhältnis für die Simulierung der turbulenzbedingten Ausbrei-tung im Modell erforderlich ist. Die Bestimmung der Konzentration bei abbaubaren Stoffen ist möglich. Summary The increasing industrial settlement in coastal regions requires /or methods to predict the concentration rates 0/ sewage and thermal pollutants. This paper /ocusses on hydraulic modelling. Comparisons between prototype and model data serve to veri/y model tests. The results confirm the relation 0/ distortion to be necessary /or a good simulation 0/ the turbulence induced spreading process in the model. Estimations 0/ decaying pollutants are possible. Einleitung Die Küstenzonen der Industrieländer Westeuropas und anderer vergleichbarer Ge-genden der Welt sind ein bevorzugtes Feld für industrielle Neuansiedlung. Die wirt-schaftlichen Gründe hierfür sind: 1. Lage am tiefen Wasser, erreichbar durch größte Schiffe und 2. die zunehmende Größe der Einheiten von Wärmekraftwerken und chemischen Industriebetrieben erfordert große Wassermengen. So sind heute Kühlwassermengen von 200 bis zu 500 m3/s keine Utopie mehr. Im allgemeinen sind derartig große Mengen nur noch in Küstenregionen verfügbar, beson-ders in Astuarien, wo die Wasserbewegung hauptsächlich tidebedingt ist. Abbildung 1 zeigt die Neuansiedlung von Kraftwerken und Industrien im Bereich der Deutschen Bucht. Die schattierten Flächen bezeichnen die bestehenden Tidemodelle. Zur Vermeidung von Umweltschäden durch die Einleitung industrieller, häuslicher oder thermischer Abwässer und um die Wirkung eines thermischen Kurzschlusses der Wärmekraftwerke zu minimalisieren, ist es erforderlich, genaue Informationen über die Konzentrationen bzw. Temperaturen zu erhalten, die in diesen Gebieten auftreten wer-den. Die Wege zu dieser Information sind bekannt: 1. direkte Messungen in der Natur 2. mathematische Modelle } oder hybride Modelle 3. hydraulische Modelle Direkte Messungen sind zu einem gewissen Grade eine notwendige Voraussetzung für die beiden anderen Wege. Sie bieten darüber hinaus noch die Möglichkeit, die Ergebnisse Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116110 ,Industrieansiedlung~ NO.RD - SE E HELGOLAND o G 10 20 30 J,Q K'Tl Abb. 1. Industrieansiedlung in der Deutschen Bucht der Modellversuche zu überprüfen. Aber oft sind hierfür dann keine Mittel vorhanden. Natürlich ist es nicht erforderlich, das gesamte Gebiet durch Messungen zu erfassen -das wären dann Modellversuche im Maßstab 1:1 -, sondern es genügen lediglich einige spe-zifische Werte. Derartige Vergleiche konnten von der Bundesanstalt für Wasserbau gemacht werden, die Modellversuche und Naturmessungen in den Astuarien der EIbe und Ems ausgeführt hat. Diese Astuarien gehören dem gut durchmischten Typ (ohne Schichtung) an, der Tidenhub beträgt 2,5 bis 3,5 m. Rezirkulation Ein Gegenstand der Untersuchungen war die Rezirkulation von Kühlwasser. Ab-bildung 2 zeigt das Schema eines Kühlkreislaufes: Für die Dauer einer halben Tide ist direkte Rezirkulation kaum vermeidbar. Der Temperaturanstieg betrug in einem unter-suchten Fall etwa 5° C bei einer Temperaturspanne von at To = 10° C am Kondensator. Di rekte Rezi rkulation 1. Kre;slo~f Einlauf - . ,. Gleichgew; cht: ll.Tjoo=g",,·ll.To L-.---~~l Kondensa tor ,1---..... .Cl. To -Ebbe ____ Flut Abb. 2. Kühlwasserkreislauf eines Wärmekraftwerkes Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116111 LI Ti Der Rezirkulationsfaktor s = (mit LI Ti = Temperaturanstieg am Einlauf nach LI Ta dem ersten Kreislauf) kann ausgedrückt werden als c; = 1 ~ COs co ' wonn c; co = LILI T~: und LI Ti co der maximale Temperaturanstieg nach unendlich vielen Kreisläufen bedeutet. Für ein LI Ti co = 5° C ergibt sich also ein s = 0,33. Diese Beziehung ist von der geo-metrischen Reihe s co = 1 S11 abgeleitet. Es ist zulässig, mit s oe zu rechnen, da die Reihe n=l sehr rasch konvergiert und bereits nach wenigen Kreisläufen der Endwert s co praktisch erreicht wird. Der Rezirkulationsfaktor kann auch als Mischungsbeiwert aufgefaßt werden. Die Temperaturkurven (Abb. 3) zeigen zwei charakteristische Spitzen, die kurz vor bzw. nach den Stromkenterungen auftreten, wenn nämlich die Geschwindigkeit im Tidefluß gegen Null geht und daher die Querausbreitung im Fluß vorherrschend wird. Ohne Mi-schung würde totale Rezirkula tion erfolgen (s = 1; s 00 --+cxo). Mit Hilfe von Modellversuchen konnte die Rezirkulation eines Wärmekraftwerkes von 0,52 auf 0,23 verringert werden, d. h. um mehr als 50 0/0. Die Lösung war eine 30 m lange Stahlspundwand unterhalb des Auslaufbauwerkes. Die Lage der Einlauf- und Aus-laufbauwerke zeigt die Abbildung 4, eine Aufnahme des Kraftwerkes im Modell aus der boT gcd . ----r ,,/\ ./ "-+ .. -........ /' '\ /' \/' /• : Rezjrl<~!Qtion ". I ____ ___ ._._. _-'f ___ .__ -8 9 10 11 Stunden nach Thw Abb. 3. Steigende Temperaturkurve während des Ebbstromes Abb. 4. Die Kraftwerke im Modell Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116112 Vogelperspektive; von links nach rechts: Einlaß, Auslaß des Kernkraftwerkes; Einlaß, Auslaß des Olkraftwerkes. Um den Einfluß des einen Kraftwerkes auf das andere bei den Untersuchungen zu trennen, wurde Rhodamin-B als Tracer verwendet. Dadurch konnte außerdem der Ein-fluß von Einleitungen aus früheren Tiden eliminiert werden. Ausbreitungsvorgang Während der Kenterzeit kann eine bemerkenswert starke Querausbreitung beobach-tet werden, die offenbar durch die größere initiale Strahlausbreitung hervorgerufen wird. Dabei weist die Fahne des eingeleiteten Wasserkörpers eine eigentümliche Form auf, die Ebbstrom kenterung Fluts tromkenterung _A_u?Il.!~itlJ_119 zum Zeitpunkt der Stromkenterung Q/ .. ~. , ~, ~ ....... , ~~ I \ _,."" I \ --------, -.,~ ~ --=> -=- - --U F ERLI NIE Einleitung Abb. 5. Die Form der Fahne .,. ... , ..... -- ........ \ St" . ht ng " Strom _ : ~.r:'.':0_~~~_u_ / I " kenterung : t , _____ _ : / -;;- Gering<, G=:hwindigk<,it , / "' '\ ~ . HoheG<,schwindigkeit ~(~======U=F=E=R=L!=N~IE~=a­Einleitung Abb. 6. Die Fahne bei verschiedenen Tidephasen in Abbildung 5 wiedergegeben ist. Abbildung 6 zeigt die Verbreiterung der Fahne bei geringeren Fließgeschwindigkeiten. Aber die Querausbreitung ist auch im freien Strom während der Kenterungen wesentlich größer als bei hohen Fließ geschwindigkeiten des Flusses und beruht auf dem Vorhandensein großräumiger Wirbel. Das Zusammenwirken zwischen konvektivem Transport und turbulenter Diffusion beherrscht im wesentlichen den Ausbreitungsprozeß im Tidegebiet. Modellversuche Eine gute übereinstimmung zwischen Modell und Natur setzt sowohl eine genaue Nachbildung des Geschwindigkeitsfeldes als auch eine verhältnismäßig gute übereinstim-mung der turbulenten Diffusion während aller Tidephasen voraus. Das letztere ist nur mit Hilfe eines bestimmten Maßstabsverhältnisses möglich, wobei Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116113 der Tiefenrnaßstab A2 = Al'/I sein muß (Beziehung der Verzerrung für turbulentes Fließen im rauhen Bereich, Al = Längenmaßstab ). Diese Beziehung wird mittels der Dimensionsanalyse aus folgenden Gleichungen ab-geleitet: der Gleichung von KOLMOGOROFF (1), der Gleichung der turbulenten Diffusion (2) und der Rauhigkeitsbedingung Ar = 1 unter Verwendung der MANNING-STRICKLER-Formel (3), die für den turbulenten Abfluß im hydraulisch rauhen Bereich (Re> 1200) maßgebend ist. (1) (2) E E c . Gl/3 . 14/3 (KoLMOGOROFF) Diffusionskonstante G Energiedissipation pro Masseneinheit charakteristische Länge c = Konstante ~ + u ~ -[- v ~ = _8_( Ex~) = _8_ (EY~) 8t 8x 8y 8x . 8x 8y 8y (3) 1 u = - . R2/3 . Jl/2 (MANNING-STRICKLER) n Die Energiedissipation und die Reibung sind in diesem Bereich nur von ~ abhängig (h = Höhe des Widerstandes, d = Wassertiefe), das heißt nur von geometrischen Para-metern, die leicht im hydraulischen Modell zu simulieren sind. Modelle im Maßstab 1 :100 (Tiefen) und 1 :500 (Höhen) erfüllen diese Bedingungen und haben gute Ergebnisse ge-zeigt. Vergleich von Modellergebnissen mit Naturmessungen Verschiedene Naturmessungen wurden ausgeführt, um die Ergebnisse der Modell-versuche bezüglich der Querausbreitung der Abwasser- bzw. Abwärmefahne zu verifizie-ren. Abbildung 7 zeigt die Querverteilung der Fahne 1112 Stunden vor Niedrigwasser, 90 m unterhalb des Auslasses und 3 m unter der Oberfläche (Test im Nahbereich). Sowohl Temperaturen als auch Rhodamin-Konzentrationen wurden in Natur und Modell gemes-sen. Letztere wurde mit einem Turner Fluorometer bestimmt. Die Ergebnisse der Natur-öT C: grd Querausbreitung 7 RhOdamin Temperatur 6 x--- +,----.---- 0----5 4 3 2 10 20 70 80m Abb. 7. Querverteilung 1112 Stunden vor Tnw Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116114 c 0,10 +_--'--+--i--+-+-+-+--t--i-------'--i--:---,-l.---'----~Ol+-~~---+--+-~--~--~~~--~~~~----~--1 10 t (mint Abb. 8. Abnehmende Maximalkonzentration eines Farbfleckes in Natur und Modell messungen stimmen sehr gut mit den Modellmessungen überein. Der Vergleich zwischen der Ausbreitung eines Farbfleckes in der Natur und im Modell wird durch das Diagramm der Abbildung 8 wiedergegeben. Abbildung 9 zeigt den Rhodamin{Leck kurz nach der Ein-bringung durch ein Schiff von einem 200 m hoch fliegenden Flugzeug aus. Die Registrierung von zeitabhängigen Temperatur- und Konzentrationskurven an festen Orten (Ganglinien) hat sich bei der Beurteilung von Einleitungen im Tidegebiet als vorteilhaft erwiesen, da hierbei Maximal- und Minimalwerte wiedergegeben werden (Abb. 10). Dadurch ist es auch möglich, den Einfluß aus früheren Tiden zu eliminieren. Die Abb. 9. Farbfleck aus 200 m Höhe Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116115 Schwingung rührt allein von der Tidebewegung her ,und bereits nach etwa 5 bis höchstens 10 Tiden ist ein Gleichgewichtszustand praktisch erreicht. Verwendbarkeit von physikalischen Modellen Durch Vergleich zwischen Natur- und Modellmessungen wird bestätigt, daß es mög-lich ist, in einem Modell nicht nur die Ausbreitung im Fernbereich zu simulieren, wo der Vermischungsvorgang von der freien Turbulenz des Flusses und seinem heterogenen Ge-schwindigkeitsfeld bestimmt wird, sondern auch die initiale Ausbreitung des eingeleiteten Strahles im Nah- und übergangsbereich. In diesem Bereich sollten Ausdehnung und Ver-teilungsbild der Fahne zu allen Tidephasen korrekt simuliert werden. Dies ist möglich durch die Verwendung künstlicher Rauhigkeitselemente im Auslaß. Ergänzend zu den Ausführungen FLÜGGE und SCHWARZE (Beitrag S. 124) muß her-vorgehoben werden, daß die Modellverzerrung nicht nur einer guten Simulierung der Wärmeabgabe im Modell dienlich ist, sondern daß sie darüber hinaus eine notwendige Voraussetzung für die Nachbildung dispersiver Vorgänge in hydraulischen Modellen dar-stellt. Die Maßstäbe können daher nicht frei gewählt werden, sondern sie sind an be-stimmte Beziehungen und Bedingungen gebunden. Die Verwendung der "charakteristischen Länge" in KOLMOGOROFFS Gleichung (siehe oben) geschieht nur relativ, d. h., ohne die wirkliche Größe zu kennen. Sie wird nur in dimensions loser Form in der angewandten Analyse verwendet. Praktisch betrachtet ist die "charakteristische Länge" gleich dem Durchmesser der größten Wirbel, welche die volle Breite des Stromes ausfüllen können. Abbau bei Einleitungen Organische Abwässer, radioaktive Kontaminierungen und Kühlwasser sind einem "Abbau" ausgesetzt. Dieser Abbau kann nicht in physikalischen Modellen nachgebildet werden, sofern beständige Tracer verwendet werden. Es gibt aber die Möglichkeit, diesen Abbau nachträglich in die Konzentrationswerte einzurechnen, die das Modell auf Grund der rein dispersiven Prozesse (Konvektion und turbulente Diffusion) geliefert hat. Dazu muß noch die jeweilige Abbaukurve bekannt sein. Wie die Abbildung 11 zeigt, wird eine Einleitung simuliert, die nur eine Tide währt. Die auftretenden Konzentrations-oder Temperaturwerte müssen dann reduziert werden, indem man sie mit der jeweiligen Abbaurate multipliziert. Eine folgende Integration ergibt dann die gewünschte Kurve für die Einleitung eines unbest~ndigen Stoffes an dem betreffenden Meßpunkt im Ästuar. Der Zeitschritt der Integration ist bei dieser Rechnung eine Tide, also 12 Stunden und 25 Mi-nuten. Zusammenfassung FROUDEsche Tidemodelle haben sich neben zweidimensionalen mathematischen Mo-dellen als brauchbares Mittel erwiesen, um Informationen über die Konzentration von Stoffen (oder Wärme) zu erhalten, wenn diese in Tidegewässer eingeleitet werden. Der Abbau von unbeständigem Stoff (Abwasser, Wärme) kann durch die Verwendung der Abbaukurve berücksichtigt werden. Die Höhenverzerrung ist zur Nachbildung der Turbu-Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116116 lenz erforderlich. Eine Verzerrung von 1 :500/1 :100 und die Verwendung von speziellen Rauhigkeitselementen hebt offenbar die Wirkung einer unterschiedlichen turbulenten Dif-fusion in horizontaler und vertikaler Richtung entsprechend der Theorie auf. Der Fließ-vorgang sollte auf jeden Fall turbulent sein und im hydraulisch rauhen Bereich liegen. Schriftenverzeichnis 1. CRICKMORE, 1972: Tracer tests of eddy diffusion in field and model, Proc. of the ASCE HY 10. 2. OHLMEYER/VOLLMERS, 1973: Thermal and se wage pollution in tidal areas, Proc. of the 15th IAHR Congress, Vol. 2, Istanbul. Die Küste, 27 Coastal Engineering Conference 1974 in Kopenhagen (1975), 109-116

Natur- und Modellmessungen der Stoffausbreitung in Ästuarien

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