37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 1 Mehrdimensionale Simulationen der Gewässergüte in Ästuaren - Aufbau und Überprüfung 1.Einführung Gütesimulation als Beratungsleistung 2.Systemaufbau 3.Überprüfung Approximationsgüte 4.Ausblick + Resümee

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 2 Sauerstoffbilanz O2O2 heterotrophe Bakterien, Nitrifikanten Phytoplankton Kiesel-, Grün- und Blau-Algen POC/DOC Zooplankton Rotatorien Muscheln NH 4, NO 2, NO 3, P, Si gelöste Mährstoffe organischer Kohlenstoff 16 Module 70 planktische Konzentrationen 100 Empirische Parameter Gasaustausch

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 3 große Gebiete lange Zeiträume viele Kalibrierläufe Herausforderung für die Hydroinformatik Nutzung von Gewässergüte-Simulationen durch kleinen Kreis von Experten Implementierung, Kopplung und Anpassung vorhandener Modelle und Module

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 4 Kopplung (Software)

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 5 offline Speicherung Bahnlinien Rückverfolgung ELM Kopplung (Numerik) fractional step Algorithmus Gewässergüte-Simulation, software T-QSim Strömungssimulation, hydraulischer Treiber, software casu, SELFE... Turbulenz Modell Gasaustausch: Q = f ( Partialdruckdifferenz, Sohlschubspannung, Wassertiefe, Gerinnebreite, Wind)

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 6 Gewinn durch offline-Kopplung Laufzeiten mit und ohne Transportdateien einlesen/ausgeben casu mit offline-Ausgabe 137s Rechnung für 10800s Strömung casu ohne offline-Ausgabe 128s Rechnung für 10800sStrömung QSim-2D mit offline-Einlesen 64s Rechnung für 10800s Güte QSim-2D ohne offline-Einlesen 52s Rechnung für 10800s Güte 1 Gütesimulation bei vorliegender Strömungssimulation: 64s offline 180s online 2 Strömungsimulationen + 20 Gütesimulationen (projekttypische Arbeitsmenge) 1554s offline 3600s online Rechenzeiten für einen Jahresgang im Elbe-Ästuar mit ca Knoten (2D) ~ 5 Tage Strömung ~ 13 Stunden Güte

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 7 c(m)=ini(m) do i = 1, nt c(m)=c(m)*mue(m)*deltat end do print*,c(m) Simulations-Software Natur numerischer Algorithmus Gleichungs-System 3 Stufen der Modellierung Modellierungs-Annahmen numerische Näherung Programmierung Messungen Vergleich

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 8 Tabelle Testschemata Isolationstechnik Modul. Keine Rück- wirkung Isolation mittels 2 Testfällen AbschaltenTest- umgebung Temperaturbaustein x Zehrung organischer Kohlenstoff x Sauerstoffbilanz Gasaustausch x Nährstoffe N, P, Six ph-Wertx Wie lässt sich erproben, ob ein Modul im Gesamtkontext richtig implementiert ist ? 1.) Analytische Lösung des Moduls 2.) Möglichkeit den Beitrag des Moduls zu isolieren

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite m Advektions-Matrix A enthält die Wichtungsfaktoren für die Interpolation um den Bahnlinenursprung Advektions-Matrix A ist unabhängig vom Konzentrationsfeld ! Euler-Lagrange-Methode Transportinformationen

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 10 a posteriori Fehlerschätzer: Massenbilanzverhältnis (an jedem Knoten) weitergegebene Masse / ursprünglich vorhandene Masse massbalance factor

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 11 Modellerprobung Vergleich mit Mesungen

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite m Verfahrensverbesserung Advektion: tiefengewichtete Interpolation um den Strombahnursprung

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 13 Verfahrensverbesserung wird im a-posteriori Fehlerschätzer angezeigt

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 14 maximal mögliche numerische Diffusion / empirischer Ansatz Diffusion (2D) a posteriori Fehlerschätzer numerische Diffusion

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 15 Ausblick Tracerversuche Diffusionsmodellierung + numerische Diffusion Parallelisierung Gasaustausch (Messung + Modellierung)

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 16 vom Einzel-Entwickler zum Komponentenentwickler und/oder Systemintegrator Institutsübergreifende Entwicklung und Anwendung von numerischen Modellen organisiert in open-source-communities. Trends

37. Dresdner Wasserbaukolloquium März 2014 ; Dr.-Ing. Jens Wyrwa Seite 17 Resümee Systemaufbau: lauffähiges Testsystem seit Anfang 2014 Einsparungen beim Entwicklungsaufwand realisiert Laufzeitvorteile durch offline-Kopplung Laufzeiten für Gütemodellierung praktikabel Überprüfung Approximationsgüte Testschemata zur Überprüfung der Implementierung im Einsatz a-posteriori Fehlerschätzer geben wertvolle Einblicke in den Näherungsalgorithmus