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Fundamentals on Ecological Modelling in Coastal Waters Including an Example from the River Elbe


Die mathematische Modellierung von Sauerstoff im Gewässer umfasst zahlreiche Prozesse. Neben einer präzisen Berechnung der Hydraulik, sowie der Advektion/Dispersion, sind die formulierten Prozesse im Wasserqualitätsmodell eine wichtige Voraussetzung für ein verlässliches Modell. Ein MIKE 21 (DHI, 2013) flexible Mesh Modell wurde in der vorliegenden Untersuchung verwendet, um die hydraulischen Bedingung im Hafen von Hamburg und der angrenzenden Tideelbe zu berechnen. Das Modell basiert Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen unter Berücksichtigung der Annahmen von Boussinesq und unter Annahme einer hydrostatischen Druckverteilung. Impuls- und Massenerhaltung auch für die Inhaltsstoffe wie z.B. Salz und Temperatur sind in dem zugrunde liegenden Ansatz erfasst Die räumliche Diskretisierung etfolgt über einen Element-zentrierten Finite Volu-men Ansatz. Horizontal wird ein unstrukturiertes Mesh verwendet. Das hydrodynamische Modell wurde an einen ökologischen Gleichungslöser (ECO Lab) als Basis für das Wasserqualitätsmodell gekoppelt. ECO Lab (DHI, 2013) ist eine numerischen Gleichungslöser zur Programmierung von ökologischen Modellen. In der vorliegenden Untersuchung wurde ein Eutrophierungsmodell in ECO Lab verwendet, um die Konzentrationen von Phytoplankton, Chlorophyll-a, Zooplankton, Detritus, anorganischen Nährstoffen und Sauerstoff in der Elbe bei Hamburg zu berechnen. Makroalgen wurden im Modell nicht berücksichtigt, da ihr Einfluss in diesem Teil der Elbe vernachlässigbar ist. Das Eutrophierungsmodell ist in das Advektions/ Dispersionsmodul integriert, welches den physikalischen Transport im Modell rechnet. Das Modell wurde zur Berechnung der Sauerstoffkonzentration im Hafen von Hamburg verwendet. Speziell die Veränderungen der Sauerstoffkonzentration im Reiherstieg einem Kanal im Süden Hamburgs, der normalerweise zur Süderelbe hin durch eine Schleuse verschlossen ist, sollte im Modell erfasst werden. Die geschlossene Schleuse soll vor allem den Eintrag und die Sedimentation von Schmebstoffen in das Hafengebiet verhindern. Im Rahmen der Planungen für eine neue Schleuse am Reiherstieg sollte mit-hilfe des Modells untersucht werden, ob durch eine zeitweilige Öffnung der Schleuse die Sauerstoffkonzent-ration im Reiherstieg verbessert werden kann. Die Untersuchung zeigt, dass die Resuspension und anschließende sauerstoffzehrende Mineralisation von organischem Material eine wichtige Rolle spielt. Eine optimale Steuerung der Schleuse muss ein Kompromiss sein, zwischen möglichst langer Öffnung der Schleusentore, um viel sauerstoffreiches Wasser in den Hafen zu spülen, und einer möglichst geringen Resuspension von organischem Material, da diese immer eine Sauerstoffzehrung durch Mineralisation nach sich zieht.%Modelling dissolved oxygen in water encompasses a range of requirements and process descriptions. Among a good representation of hydraulic, including advection/dispersion, the processes in the ecological part of the model are crucial for a reliable model. A MIKE 21 (DHI 2013) flexible mesh model was used to simulate the hydrodynamic conditions in the River Elbe around Hamburg. The model is based on the numerical solution of twodimensional incompressible Reynolds averaged Navier-Stokes equations subject to the assumptions of Boussinesq and of hydrostatic pressure. Thus, the model consists of continuity, momentum, temperature and density equations and is solved by a turbulent closure scheme. The spatial discretisation is performed using a cell-centred finite volume method. In the horizontal plane an unstructured mesh is used. This hydrodynamic model was coupled to the ecological module (ECO Lab) to form the basis for the water quality model. ECO Lab (DHI 2013) is a numerical lab for ecological modelling. It is an open and generic tool for customising aquatic ecosystem models to describe water quality. The module is mostly used for modelling water quality as part of an environmental impact assessment. In the present case a eutrophication model was used to describe the concentrations of phytoplankton, chlorophyll-a, Zooplankton, organic matter (detritus), inorganic nutrients and oxygen in the river Elbe in Hamburg. Rooted vegetation and macroalgae were not implemented as their influence in this part of the Elbe is negligible. The eutrophication module is integrated within the advection-dispersion module which describes the physical transport processes at each node in the model domain. The model was used to describe the oxygen conditions in the Port of Hamburg, especially the change of dissolved oxygen in the Reiherstieg, a lateral channel which is usually closed with a sluice at the southern end to prevent suspended solids to deposit in the port. Due to plans for a new sluice gate the Hamburg Port Authority tested if a temporary opening of the gate could improve the oxygen conditions in the port. The model showed that resuspension and mineralization of organic material play an important role in this system. The balance between opening the gates to flush oxygen rich water into the port and preventing the introduction of organic material is crucial for better oxygen balance in the Reiherstieg.......

【作者名称】: Arne Hammrich, Dagmar Schuster
【作者单位】: DHI-WASY GmbH, Hamburg Port Authority
【关 键 词】: oxygen, nutrients, water quality, Elbe, model, MIKE21
【会议名称】: Die Kuste Archiv fur Forschung und Technik an der Nord - und Ostsee
【期刊论文数据库】: [DBS_Articles_01]
【期刊论文编号】: 101,618,795
【摘要长度】: 5,193
【会议组织】: DHI-WASY GmbH;Hamburg Port Authority;
【会议时间】: 2014
【上篇论文】: 外文会议 - Comparison of Ammonia and DO Aeration Control Strategies to Optimize Energy and Performance at Low Capital Cost: A Case Study
【下篇论文】: 外文会议 - Using an Organizational Approach to Infrastructure Management Improvements at Northeast Ohio Regional Sewer District to Achieve Lasting Results

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