Anlage A
zum Gutachten
Anpassung der seewärtigen Zufahrt zum Seehafen Rostock Hydrodynamik
Modellvalidierung
Validierung Wasserstand
Auf den Blättern 03 bis 14 dieser Anlage werden die im Modellgebiet der Unterwarnow beo- bachteten Wasserstände im Vergleich zu den durch die Modellsimulation berechneten Wasser- ständen dargestellt. Durch diesen Vergleich soll die Ähnlichkeit der Modellergebnisse mit den Naturmessungen dokumentiert werden, d. h. es wird gezeigt, dass das Modell in der Lage ist, die relevanten, natürlichen Prozesse, welche auf den Wasserstand wirken, qualitativ und quantitativ gut abzubilden.
Die betrachteten Positionen sind in den Blättern 1 und 2 dargestellt. Die Positionen P05 und P12 liegen so dicht beisammen, dass dieselbe Position der Simulationsergebnisse zum Vergleich genutzt wird.
Die Werte des Wasserstandes werden in den nachfolgenden Darstellungen für die an der jewei- ligen Position zu vergleichenden Zeitserien im oberen Diagramm dargestellt. Die dickere schwarze Kurve gibt den an der Station gemessenen Verlauf des Wasserstandes wieder.
Die dünnere, rote Kurve ist die Darstellung der berechneten Simulationswerte für den Planeri- schen Ist−Zustand (PIZ). Im unteren Diagramm werden die Messwerte gegen die zugehörigen Rechenwerte als Punktwolke dargestellt. In Blau ist die berechnete Ausgleichsgrade dargestellt.
Im Idealfall, dass die Modellrechnung die Messung exakt reproduziert, beträgt deren Steigung 1 und deren Offset 0.
Die gesamte an jeder Station erhobene Zeitspanne (maximal: 01.07.2016 00:
00 MEZ bis 31.12.2016 23:00 MEZ) wird dargestellt. Die Einheit des Wasserstandes ist Meter. Die Werte sind auf Normalhöhen−Null (NHN) bezogen.
Am Beginn der betrachteten Zeitspanne der Simulation ist das Modell in Bezug auf die Größe Wasserstand bereits eingeschwungen. Die Streubreite der Abweichungen zwischen Modell und Messung hat mehrere Gründe:
− Die Modellrandbedingungen weichen durch die Diskretisierung von der Natur etwas ab.
Dies führt zu einer zeitlichen Verschiebung der Eigenschwingung der Unterwarnow, die eine sehr kleine Amplitude besitzt und daher gerade eben noch in den Pegeldaten nachweisbar ist. Die Phase der Eigenschwingung des Systems kann den betrachteten Systemen (Natur, Modell) unterschiedlich sein, da es sich überwiegend um eine tempo- rär angeregte, freie Schwingung des Systems Unterwarnow handelt.
− Eine Ursache von Abweichungen mit längerer Periode ist die Tatsache, dass für den An- trieb des Modells an der Wasseroberfläche in Ermangelung von besseren Daten, stünd- lich vorliegende Reanalyse-Felder der Meteorologie genutzt werden. Der so eingesteuer- te Wind ist in der Regel im zeitlichen Verlauf glatter als der in der Natur ablaufende. Die Abweichung wird hier durch das statistische Maß „root mean square Error“ (rmsE) aus- gedrückt. Die größten Abweichungen treten am Pegel Rostock−Mühlendamm auf (Blatt 14), der durch den nicht genau bekannten Oberwasserzufluss der Warnow beein- flusst ist (rmsE=0,078m). Am Pegel Warnemünde beträgt der rmsE dagegen 0,0216m (Blatt 8).
es sich bei den Messungen um Wasserstände, die aus den Werten der Drucksensoren des für die Untersuchung durchgeführten Messprogramms berechnet wurden. Solche Mes- sungen enthalten auch Schwerewellen und sind im Regelfall mit einem größeren Mess- fehler behaftet als Daten von Dauerpegeln.
Alle Stationen zeigen eine gute Korrelation (geringe Streubreite, gute Abbildung der Ausgleichs- geraden). Die Streuung, ist in der Tendenz größer je dichter die Position am Mühlendamm liegt, da hier die Eigenschwingung des Systems Unterwarnow die größte Amplitude aufweist.
Der Unterschied zwischen Simulation und Messung entsteht aufgrund der geringen Unterschie- de in den Randwerten des Modells und der entsprechenden Werte in der Natur.
Das Modell bildet die barotrope Dynamik, die durch die Größe Wasserstand repräsentiert wird, qualitativ und quantitativ naturähnlich ab.
Nachfolgende Tabelle führt über einen Link zur jeweiligen Abbildung:
Station P01 P02 P03 P11 P05
P12 (Ersatz für P05) P06
WAR (Warnemünde) P07
P08 P09 P10
ROS (Rostock-Mühlendamm)
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Validierung Temperatur und Salzgehalt
In dieser Anlage werden die beobachteten Temperaturen und Salzgehalte an mehreren Orten (siehe Blatt 2) im Modellgebiet der Unterwarnow im Vergleich zu den jeweils simulierten Grö- ßen im jeweils vergleichbaren Zeitraum dargestellt. Durch diesen Vergleich soll die Ähnlichkeit der Modellergebnisse mit den Messungen dokumentiert werden, d. h. es soll gezeigt werden, dass das Modell die relevanten, natürlichen Prozesse, welche auf diese Größen wirken, qualitativ und quantitativ gut wiedergibt. Die Positionen P05 und P12 liegen so dicht beisammen, dass die selbe Position der Simulationsergebnisse zum Vergleich genutzt wird.
Die Zeitreihen von Messung und Simulation wurden in den nachfolgenden Darstellungen für die zu vergleichenden Zeitserien im jeweils oberen Diagramm dargestellt. Die dickere schwarze Kurve gibt den an der Station gemessenen Verlauf der jeweils betrachteten physikalischen Grö- ße wieder.
Die dünnere, rote Kurve ist die Darstellung der Simulationswerte für den Planerischen
Ist−Zustand (PIZ). Im unteren Diagramm werden die Messwerte gegen die zugehörigen Simula- tionswerte als Punktwolke dargestellt. In Blau ist die berechnete Ausgleichsgrade dargestellt. Im Idealfall, dass die Modellrechnung die Messung exakt reproduziert, beträgt deren Steigung 1 und deren Offset 0.
Der gesamte an jeder Station erhobene Zeitraum (maximal: 26.09.2016 00:00 MEZ bis
12.12.2016 23:00 MEZ) wird dargestellt. Die Einheit der Temperatur ist Grad Celsius, der Salz- gehalt ist ppt.
Die Auswertung des Scatter-Diagramms wurde auf den Zeitraum 10.10.2016-22.11.2016 be- schränkt, da die Simulation zunächst eine gewisse Zeit benötigt, um vom mangels flächende- ckender Messungen nicht naturähnlichen Anfangszustand für die o.g. Größen einen naturähnli- chen Zustand zu erreichen.
Die Streubreite der Abweichungen zwischen Simulationswerten und Messwerten hat mehrere Gründe:
- Das Modell wurde am seeseitigen Rand aufgrund von unvollständigen Messungen an den Posi- tionen P01 und P03 vereinfacht allein mit den Messwerten der Messstation P02 gesteuert. Diese Position liegt am Beginn des Seekanals. Die Zeitreihen waren in drei Tiefen verfügbar
- Temperatur und Salzgehalt der Zuflüsse mussten mangels Messungen geschätzt werden. Für die Temperatur des Zuflusses wurde vereinfacht ein Jahresgang in Form einer parametrisierten Sinusfunktion angenommen, da für diese Größe keine Messwerte vorlagen. Im Nachhinein wur- de festgestellt dass dadurch für den Zufluss in die Unterwarnow zumindest eine Unterschätzung der Maximalwerte der Temperatur erfolgte. Dies führt im Bereich des Zulaufs zu einer stärkeren vertikalen Vermischung.
- Die verwendeten Messgeräte müssen regelmäßig getauscht werden. Es konnte dabei nicht ga- rantiert werden, dass die Geräte immer exakt an der gleichen Position liegen. In Gebieten mit starken horizontalen Gradienten der Temperatur ist daher eine Vergleichbarkeit mit dem Modell schwierig.
- Das Modell repräsentiert einen über eine Schicht gemittelten, die Messungen einen punktuell vorliegenden Wert. Daher ist die Streuung in den Messungen größer als im Modell.
- Leider sind die Messungen zum Teil lückenhaft, so dass nicht für alle Messpositionen eine re- präsentative Grundgesamtheit vorliegt.
An den meisten Stationen ist die Korrelation zwischen Simulations- und Messwert der Tempera- tur befriedigend. Nur im oberen Teil des Ästuars, der vom Oberwasserzufluss mit den oben be- schriebenen Unwägbarkeiten beeinflusst ist (P09 und P10) ist die Temperatur an der Oberfläche in den Simulationsergebnissen systematisch geringer als in der Natur.
Beim Salzgehalt sind die Abweichungen größer. Hierbei spielt eine große Rolle, dass die Mes- sung an P02 nicht repräsentativ für den gesamten seeseitigen Rand ist und daher die Steuerung der Simulation nicht optimal ist. Außerdem wirkt sich die mangels Messung geschätzte Tempe- ratur des Oberwasserzuflusses auf Konvektion und Turbulenz im Umfeld des Wehres aus. Bei z.B. zu kalt angenommenen Oberwasserzufluss wird dieser im Modell in tieferen Schichten vermischt, als in der Natur der Fall wäre.
Eine Unterschätzung des Salzgehaltes im oberen Abschnitt des Ästuars führt zu einer geringen Überschätzung der Ausbauwirkung einer Vertiefung des Seekanals, da die vertikale Durchmi- schung erleichtert wird.
Nachfolgende Tabelle führt über einen Link zur jeweiligen Abbildung:
Station Oben Mitte Unten
P11, Temperatur -2 - -1,5m NHN -6 - -5,5m NHN -10 - -9m NHN P11, Salzgehalt -2 - -1,5m NHN -6 - -5,5m NHN -10 - -9m NHN P05, Temperatur -2 - -1,5m NHN -5 - -4,5m NHN -6 - - 5,5m NHN P05, Salzgehalt -2 - -1,5m NHN -5 - -4,5m NHN -6 - - 5,5m NHN P06, Temperatur -2 - -1,5m NHN -4 - -3,5m NHN -9 - -8m NHN P06, Salzgehalt -2 - -1,5m NHN -4 - -3,5m NHN -9 - -8m NHN P07, Temperatur -2 - -1,5m NHN kein Gerät -5,5 - -5m NHN P07, Salzgehalt -2 - -1,5m NHN kein Gerät -5,5 - -5m NHN P08, Temperatur -2 - -1,5m NHN -5,5 - -5m NHN -6 - -5,5m NHN P08, Salzgehalt -2 - -1,5m NHN -5,5 - -5m NHN -6 - -5,5m NHN P09, Temperatur -2,5 - -2m NHN -6 - -5,5m NHN -6,5 - -6m NHN P09, Salzgehalt -2,5 - -2m NHN -6 - -5,5m NHN -6,5 - -6m NHN P10, Temperatur -2,5 - -2m NHN kein Gerät kein Gerät P10, Salzgehalt -2,5 - -2m NHN kein Gerät kein Gerät
