Neukalibrierung und Verifikation
der Hochrheinstrecke im
Rheinalarmmodell Version 2.1
Juni 1992 Ir. A. van Mazijk
Bibliotheek FacuitüU CJT Givicie -^'iciiniak
2600 GA DELFT
^ r i I I j ^ l f i " Rijkswaterstaat
R a . p p I \ ^ l_y ^ 7 I I L Staatliches Amt für integrale Verwaltung der Binnengewasser und pm Abwasserreinigung RIZA
Technische Universitat Delft Fachgruppe Gesundheitstechnik & Gewasserbewirtschaftung G & W
NEUKAUBRIERUNG UND VERIFIKATION
DER HOCHRHEINSTRECKE
IM RHEINALARMMODELL VERSION 2.1
ir. A. van Mazijk
Juni 1992
iaiiiiische Universiteit Delft
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Bibliotheek Civiele Techniek
Slevinwea 1
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VORWORT
1. EINLEITUNG 1
2. ANALYSE 3
3. KALIBRIERUNG
3 . 1 . Markierversuch 07/89 Rheinau - Basel 5
3.2. Kalibrierungsverfahren 8
3.3. Ergebnisse 10
4. VERIFIKATION
4 . 1 . Markierversuch 09/88 AIbbruck - Basel 25
4.2. Verifikationsverfahren 26
4.3. Ergebnisse 27
5. SCHLUSSFOLGERUNGEN 33
LITERATURVERZEICHNIS 35
ANLAGEN
SCHEMATISIERUNG DER VERSUCHSSTRECKE IM RHEINALARMMODELL
I. Abschnittseinteilung des Rheins 37 II. Unterverteilung der FluBabschnitte in Teilabschnitte 37
III. Strukturierungsschema der Flulllaufe für das Rheinalarmmodell mit den Einspeisungsstellen der Tracerversuche 09/88 (AIbbruck)
und 07/89 (Rheinau) 38
Technische Universiteit Dein Bibliotheek Faculteit der Civiele Techniek
(Bezoekadren bKwinweg 1) PoslbuG 5048 2600 GA DELFT
VORWORT
lm Rahmen der IKSR/KHR-Zusammenarbeit wurde innerhalb des Projektes RAP*CALAMOD des Rijkswaterstaatdienstes RiZA ein Alarmmodell für den Rhein entwickelt. Zur Kalibrierung und Verifikation dieses Modells wurden verschiedene Markierversuche durchgeführt. Mit der Kalibrierung und Verifikation wurde die Universitat Delft, Fachgruppe Gesundheitstechnik & Gewasserbewirtschaftung vom Rijkswaterstaat beauftragt. Die Durchführung fand in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Physische Geographic, Lehrstuhl für Hydrologie, der Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg statt.
Bei der Kalibrierung anhand des Markierversuches 07/89 Rheinau-Basel konnten die gemessenen Laufzeiten der Markierstoffwelle nicht entsprechend reproduziert werden.
Fine detaiilierte Analyse der von der Landeshydrologie und -geologie, Bern, für das Alarmmodell zur Verfügung gestellten FlieSzeiten führte zu einer Anpassung der Modellschematisierung des Rheinabschnittes Stein am Rhein - Basel.
Daraufhin war eine Neukalibrierung und Verifikation anhand der Markierversuche 07/89 Rheinau-Basel und 09/88 Albbruck-Basel notwendig. Für diese Neukalibrierung und Verifikation ist eine vorlaufige Version 2.1 des Alarmmodells benutzt worden.
1. EINLEITUNG
Anhand der Daten des Markierversuches Rheinau-Basel (07/89) wurde im Rheinalarmmodell Ver-sion 2.0 die Hochrheinstrecke von Rheinau bis Basel kalibriert (van Mazijk und van Mierio, 1991). Bei dieser Kalibrierung stellte sich heraus, da& die gemessenen Stofftransportzeiten an einigen Beobachtungsstellen erst entsprechend reproduziert werden konnten, wenn für den Still-wasserzonen-Parameter S relativ g r o l ^ negative Werte eingegeben wurden. Dieser Parameter ist im Modell jedoch so definiert, daQ> ein positiver Wert einer Abnahme der Transportgeschwin-digkeit einer Verunreinigungswelle infolge zeitlicher Speicherung des Markierstoffes in Stillwas-serzonen^) entspricht. Daher ist ein negativer Wert nur möglich, wenn der Markierstoff sich durch unvollstandige Querdurchmischung noch hauptsachlich in der Mitte des Stromstriches befindet und demzufolge mit einer gröBeren Geschwindigkeit transportiert wird als auf Grund der mittleren Strömungsgeschwindigkeit zu erwarten ware.
Bei einer Kalibrierung des Parameters & ist des weiteren zu beachten, daS es sich bei ihm um einen Sammelkoeffizienten handelt, welcher die Ungenauigkeiten der in das Modell eingegebe-nen AbfluBwerte und FlieBzeiten, sowie die Verzögerungen des Stofftransportes infolge des Schwellbetriebs der Kraftwerke beinhaltet.
Die relativ hohen negativen Werte bezogen sich auf zwei Teilabschnitte des Rheinalarmmodells stromabwarts der Aaremündung. Angenommen wurde, daS diese negativen B-Werte möglicher-weise im Vermischungsverhalten des Markierstoffes unterhalb der Aaremündung und den eventuell daraus resultierenden Differenzen zwischen 'gemessenen' maximalen und mittleren Stofftransportgeschwindigkeiten (die maximale Geschwindigkeit erwies sich als gröBer als die mittlere Geschwindigkeit) ihre Ursache haben. Eine detaiilierte Analyse des Stofftransportes und der Strömungsvorgange, insbesondere hinsichtlich des Einflusses der Kraftwerke, wurde daher als sehr empfehlenswert erachtet.
In Erwartung dieser Analyse wurden in die Version 2.0 des Alarmmodells unterhalb der Aaremündung vorlaufig Nullwerte für Z in den diesbezüglichen Teilabschnitten eingegeben, obwohl dies stromabwarts zu Abweichungen zwischen den berechneten und gemessenen Ankunftszeiten bis zu 23% führte.
^) Unter "Stillwasserzonen" versteht man die im Ufer- und Sohlenbereich befindlichen Zonen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit zu vernachlassigen ist. Die Zonen entstehen durch Vegetation, UnregelmaSigkeiten im Sohlen- und Uferverlauf in FlieBrichtung, Ausbau von Buhnenfeldern usw.
3
-2. ANALYSE
Um Unterschiede in der Morphologie des Rheins berücksichtigen zu können, wurde der FluS in
seiner Langsrichtung in Abschnitte aufgeteilt, welche ihrerseits wiederum in eine Anzahl von
Teilabschnitten unterteilt sein können.
So wurde der Rhein und seine wichtigsten Nebenfiüsse zunachst in Abschnitte untergliedert. Dabei ist ein Abschnitt als Teil des Flusses in Langsrichtung definiea, in dem der AbfluR als
konstant vorausgesetzt wird. Zudem wurden die Abschnitte so gewahit, daS pro Abschnitt eine
WasserstandsmeSstelle vorhanden ist, aus deren Wasserstands-AbfluB-Relation der für den jeweiligen Abschnitt guitige AbfluS ermittelt werden kann.
Ein Teilabschnitt ist als ein Teil des Abschnittes definiert, in dem in Langsrichtung die
FlieRge-schwindigkeit als konstant vorausgesetzt wird. Nach dieser hydraulischen Bedingung wurde die
jeweilige Anzahl von Teilabschnitten pro Abschnitt festgelegt. Die mittlere FlieBgeschwindigkeit in einem Teilabschnitt wird als die Beziehung zwischen dem aktuelien AbfluB und dem maSgebenden stromführenden Querschnitt dieses Teilabschnittes bestimmt.
Sind für einen beliebigen Teilabschnitt i die Lange L^ und die aktuelle FlieBgeschwindigkeit u,
auf Grund des ermittelten Abflusses aus der diesbezüglichen Wasserstands-AbfluB-Relation
gegeben, so laBt sich für jeden Wasserstand eine FlieBzeit rj=L,/«,- berechnen. Das Alarmmo-dell verwendet Wasserstands-FlieBzeit-Tabellen.
Innerhalb eines Teilabschnittes wird von konstanten FlieBgeschwindigkeiten, bzw. konstanten FlieBzeiten pro Kilometer ausgegangen. Daher ist es möglich, daB das Modell bei der Berech-nung eines Konzentrationsverlaufs an einer beliebigen Stelle innerhalb eines Teilabschnittes für die Bestimmung der FlieBzeit aus den Wasserstands-FlieBzeit-Tabellen, ein lineares Interpola-tionsverfahren anwendet.
Bei der Analyse der Kalibrierung anhand des Markierversuches 07/89 stellte sich heraus, daS, nach der Aufteilung des Rheins oberhalb der Aaremündung in Teilabschnitte, die hydraulische Bedingung der konstanten FlieBgeschwindigkeit nicht hinreichend erfüllt war. Dadurch errechne-te sich bei der Kalibrierung für die diesbezüglichen Teilabschniterrechne-te ein zu groBer Stillwasserzonen-Parameter S, was unterhalb der Aaremündung wieder mit einem hohen negativen B-Wert korrigiert werden muSte.
Auf Grund dieser Erkenntnisse wurden die Teilabschnitte zwischen Stein am Rhein und Basel hinsichtlich der oben genannten hydraulischen Bedingung nochmals überprüft. Dies führte zu einer bedeutenden Zunahme der Anzahl der Teilabschnitte, was eine vollstandige Neukali-brierung dieser Rheinstrecke notwendig machte. Hierfür wurde die Wasserstands-AbfluB-Bezie-hung des Pegels Rheinfelden vom 01.01.89 herangezogen.
Diese Modellanpassungen werden in das Rheinalarmmodell, Version 2.1 einflieBen. In Tabelle 2.1 wird die neue Aufteilung der Abschnitte zwischen Stein am Rhein und Basel mit der Aufteilung der Version 2.0 des Modelies verglichen.
Tabelle 2 . 1 . Unterverteilung der FluBabschnitte in Teilabschnitte
FluBabschnitt [FluBkm.] 1 (Abschn.nr) 24.7 - 64.4 (80) 64.4 - 103.0 (81) 103.0 - 173.6 (1) Version 2.0 Teilab-schnittnr. 8001 8002 8003 8101 8102 8103 101 102 103 104 105 Anfangs-Flulikm. 24.7 47.6 54.5 64.4 70.7 78.6 103.0 108.8 112.8 146.8 163.8 Lange [km] 22,9 6,9 9,9 6,3 7,9 24,4 5,8 4,0 34,0 17,0 9,8 Vers ion 2.1 II Teilab-schnittnr. 8001 8002 8003 8004 8101 8102 8103 8104 8105 101 102 103 104 105 106 107 108 109 Anfangs-FluBkm. 24.7 47.6 54.5 58.8 64.4 70.7 78.6 85.0 90.1 103.0 108.8 113.2 129.3 135.4 143.4 152.1 163.8 170.0 Lange Ckm] 1 22,9 6,9 4,3 5,6 6.3 7,9 6.4 5,1 12,9 5,8 4,4 16,1 6,1 8,0 8.7 11.7 6,2 3,6 II
In den nachfolgenden Kapitein wird die Neukalibrierung anhand der Daten des Markierversuches 07/89 Rheinau - Basel sowie die Verifikation der Strecke Aaremündung - Basel anhand der Daten des Markierversuches 09/88 AIbbruck - Basel beschrieben.
5
-3. KALIBRIERUNG
3 . 1 . Markierversuch 07/89 Rheinau-Basel
Einspeisung
Beim Markierversuch Rheinau-Basel wurden am 18. Juli 1989 um 3.00 Uhr in die Was-serrückgabe des EW-Rheinau bei FluBkilometer 58.8 innerhalb von 90 Sekunden 200 kg vorgelöstes Natrium-Fluorescein in den Rhein eingeleitet. Im weiteren wird hierfür von einer momentanen Einspeisung ausgegangen. Zwischen dem Einspeisepunkt (FluBkilometer 58.8) und dem Elektrizitatswerk Kembs (FluBkilometer 179.8) wurden an mehreren Beobachtungspunkten Proben entnommen. Die einzelnen KonzentrationsmeBstellen sind in Tabelle 3.1 aufgeführt.
Tabelle 3 . 1 . KonzentrationsmeBstationen
Ort der Messung
Brücke Rüdlingen Brücke Eglisau EW-Eglisau EW-Reckingen Brücke Zurzach Brücke Koblenz EW-Albbruck EW-Laufenburg EW-Sackingen EW-Riburg EW-Augst EW-Birsfelden EW-Kembs FluBkm. 67.1 74.5 78.7 90.1 93.5 101.6 108.9 122.0 129.3 143.5 155.9 163.8 179.8 MeBstelle links;mitte links;rechts; mitte rechts links;rechts;mitte Unterwasser Unterwasser Mitte Mitte Kanal rechts,links;Überlauf Kanal rechts Einleitung Turbinen Einleitung Turbinen Unterwasser Unterwasser Unterwasser Unterwasser (Kanal) Bemerkung Mirtelwert Mittelwert Mittelwert Hydrologische Daten
Der aktuelle AbfluS auf der Untersuchungsstrecke wurde über bekannte Wasserstands-AbfluB-Relationen der WasserstandsmeBstellen Neuhausen-Flurlingen, Rekingen und Rheinfelden
ermittelt. Die Abschnittseinteilung in Relation zu diesen WasserstandsmeBstellen entlang des Rheins zwischen Stein am Rhein und Basel kann Aniage I entnommen werden.
Die Bestimmung des Abflusses an den für die Kalibrierung herangezogenen Wasserstands-meBstellen erfolgt auf Basis der gemessenen Stofftransportgeschwindigkeit der Markierstoff-welle (bezogen auf das Konzentrationsmaximum). Mit Hilfe dieser Geschwindigkeiten kann für jeden Ort die Stofftransportzeit vom Einspeisepunkt bis zu diesem FluBkilometer berechnet
werden. Die in das Alarmmodell für die jeweiligen Pegelstationen einzugebenden AbfluBwerte errechnen sich aus den anteilig gewichteten AbfluB-Tagesmittelwerten für den Zeitraum der Markierstoffpassage eines Abschnittes. Kriterium für den Abschnittsein- bzw. Austritt der Tracerwelle ist das Konzentrationsmaximum.
Die Abfiüsse an den für die betrachtete Strecke (FluBkilometer 58.8 - 179.8) reprasentativen Pegein zur Zeit des Versuches zeigt Tabelle 3.2. (siehe auch Leibundgut u.a., 1989)
Tabelle 3.2. Abfiüsse Pegel Neuhausen-Flurlingen Rekingen Rheinfelden Wasserstand [cm] 307 •) 307 264 AbfluB [m^/s] 490 554 1068
•) AbfluB Neuhausen-Flurlingen ist auf den Wasserstand Rekingen bezogen.
Verlustrate
Als Markierstoff wurde der relativ lichtempfindliche Tracer Natrium-Fluorescein (Uranin) verwen-det (Halbwertszeit 11 h). Wahrend des Versuchs ging ein groBer Teil des Markierstoffs durch photochemische Zerstörung infolge Sonneneinstrahlung verloren. Die Verluste durch Abpumpen von Rheinwasser für die Erzeugung von hydroelektrischer Energie lagen im Prozentbereich, die durch Ausmischung in den Stauraumen dagegen im Promillebereich (Leibundgut u.a., 1989).
Tabelle 3.3 zeigt die Tracerrückgewinnungsraten [%] an den einzelnen Beobachtungspunkten. Die Tracerfracht M [kg] an einem Beobachtungspunkt wird ermittelt aus der gemessenen Konzentrationskurve nach Gleichung (3.1).
7
-Af = è
(p,
• (? •
Af,
mit
<fi = gemessener Konzentrationwert am Zeitpunkt 'j
Ati = Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden MeBwerten
Q = aktueller AbfluB
K = Anzahl der MeBwerte
Tabelle 3.3. Tracerrückgewinnung Beobachtungspunkt [FluSkm.] 67.1 74.5 78.7 90.1 93.5 101.6 108.9 Mittelwert 108.9 Kanal rechts 122.0 129.3 143.5 155.9 163.8 179.8 Rückgewinnung % 100 100 100 82,1 70,0 61,8 41,7 77,5 52,8 48,1 49,4 47,3 34,8 16,4
[kg] 1
200,0 200,0 200,0 164,2 140,0 123,6 83,3 155,0 105,6 96,2 98,8 94,6 69,632,8 1
Der Entwicklung der Tracerrückgewinnungsrate zeigt eine groBe Zunahme der 'nicht erklarbaren Verluste' unterhalb von Augst (km 155.9). Hier ist eine chemische Zerstörung des Markierstof-fes durch Fremdstoffe im Rhein möglich. Weitere Faktoren die zu Verlusten führen können sind einerseits die Infiltration ins Grundwasser und anderseits die Sorption des Tracers am Sediment (Leibundgut u.a., 1989).
Für die MeBstelle am rechten Ufer (Kanaleingang) der Beobachtungsstelle EW-Albbruck (FluBkm. 108.9), zeigt sich eine lokale Zunahme der Rückgewinnungsrate. Nach dem ZufluB der Aare ist an dieser MeBstelle noch keine vollstandige Querdurchmischung zwischen markiertem und unmarkiertem Wasser gegeben. Dies bedeutet, daB bei der Ermittlung der Rückgewinnungsrate
aus dem am rechten Ufer gemessenen Konzentrationsverlauf nach Gl.(3.1) in Prinzip nur einen Teil des Abflusses in Betracht gezogen werden dürfte. Bei der Bestimmung der Markierstoff-menge wurde jedoch, in Abstimmung mit dem Berechnungsvorgang des Alarmmodells, der vollstandige AbfluB am Pegel Rheinfelden verwendet.
Die an dieser Beobachtungsstation (FluBkm. 108.9) aus den Mittelwerten der gemessenen Konzentrationsverlaufe berechnete Rückgewinnungsrate ist bedeutend geringer als die stromabwarts ermittelte. Auch hier dürfte die unvollstandige Querdurchmischung im Zusammen-hang mit dem für die Berechnung verwendeten AbfluB von Rheinfelden die Ursache sein.
3 . 2 . K a l i b r i e r u n g s v e r f a h r e n
Bei der Kalibrierung werden zwei Parameter pro Teilabschnitt bestimmt: der Stillwasserzonen-Parameter R aus
(3.2) 1 + p
mit
«, = mittlere FlieBgeschwindigkeit [m/s]
c = Transportgeschwindigkeit der Markierstoffwelle [m/s]
und der Proportionalitëtskoeffizient a aus dem Ausdruck des Dispersionskoeffizienten im Rheinalarmmodell, laut
2 2
D = (1 + P ) ' • öo = (1 + P)' • a • - ^ ^ ^ *3-3»
mit
JD, = Dispersionskoeffizient des 'Stillwasserzonen-Modells' [m^/s]
I>o = Dispersionskoeffizient nach Fischer (1979) [m^/s]
a, = Wassertiefe des stromführenden Flusses [m]
•B, = Breite des stromführenden Flusses [m]
«, = Schubspannungsgeschwindigkeit ( = u^-yfglC) [m/s]
Bei der Neukalibrierung wurden die bei der vorherigen Kalibrierung (van Mazijk und van Mierio, 1991) ermittelten o- und B-Werte als erste Abschatzung herangezogen. Nach Eingabe dieser Werte in die Datendateien der betreffenden Teilabschnitte des Rheinalarmmodells ist der Konzentrationsverlauf an den jeweiligen Beobachtungspunkten zu berechnen.
AnschlieBend wurde der jeweils berechnete mit dem gemessenen Konzentrationsverlauf verglichen. Dieser Vergleich erfolgt einerseits visuell durch die Darstellung der MeBwerte in der graphischen Wiedergabe des Konzentrationsverlaufs und andererseits durch die Quantifizierung • der Differenz der berechneten zu den gemessenen Stofftransportzeiten (bezogen auf das
Konzentrationsmaximum), und
• der mittleren Abweichung der gemessenen zur berechneten Konzentration.
Die Differenz (in Prozent) zwischen gemessenen und berechneten Stofftransportzeiten (bezogen auf die gemessenen Zeiten) ergibt sich aus
d J san
mit
Tga^ = gemessene Stofftransportzeit von Einspeisung bis
Beobachtungspunkt [s] Tfa, = berechnete Stofftransportzeit von Einspeisung bis
Beobachtungspunkt [s]
Die mittlere Abweichung zwischen gemessener und berechneter Konzentration wird bestimmt nach
a =
E
i-1 l <Pw (3.5)mit
o = mittlere Abweichung [-]
V« = berechnete Konzentration zum Zeitpunkt r,. [kg/m']
<PMJ = gemessene Konzentration zum Zeitpunkt f, [kg/m^]
Da für diesen Vergleich der Verlauf von Front und Maximum der Markierstoffwelle maBgebend sind, wurden zur Bestimmung des o-Wertes nur Konzentrationswerte <p^. gröSer als 0.3-(<Pi,)max in Betracht gezogen, wobei {<f^)„,^ der jeweils berechnete maximale Konzentrationswert ist. Auf diese Weise wird das 'tailing' des gemessenen Tracerdurchgangs auBer acht gelassen.
Die Optimierung der Parameter a und P erfolgte iterativ 'per Hand'. Für diese Optimierung wurde, bei Veranderung des a- bzw. 6-Wertes, eine minimale Anderung von o (Obergrenze circa 0,05) zum Kriterium gemacht. Das heiBt, daB eine Minimierung der Ableitung von o nach
o bzw. B (daIda bzw. dafd^) erforderlich ist.
Bei der Kalibrierung wird immer vom Einspeisepunkt bis zum Beobachtungspunkt gerechnet. Dies bedeutet, daB bei der Optimierung der a - und B-Werte eines bestimmten Teilabschnittes manchmal mehrere Konzentrationsverlaufe zugleich in Betracht gezogen werden mussen.
Die Abweichung der berechneten hinsichtlich der gemessenen Stofftransportzeit des Markier-stoffes, bezogen auf die maximale Konzentration, wurde zum zweiten Kriterium gemacht. Für die Minimierung dieser Differenz wurde eine Obergrenze von maximal 5% gesetzt.
Beim OptimierungsprozeB beurteilte man die Übereinstimmung des gemessenen und berechne-ten Frontverlaufs der Markierstoffwelle visuell.
Zur Optimierung des a-Wertes muB die berechnete und die gemessene Markierstoff menge eines Beobachtungspunktes gleich groB sein. Für die Berechnung wird zum Vergleich des gemessenen und berechneten Konzentrationsverlaufs daher von einer eingespeisten Markierstoffmenge ausgegangen, die auf Grund gemessener Konzentrationen nach Gl.(3.1) bestimmt wurde. Die so ermittelte Verlustrate des Markierstoffes enthalt neben dem natürlichen Abbau auch Verluste infolge der Ursachen, wie schon im Abs.3.1 erwahnt wurden.
3 . 3 . Ergebnisse
In Tabelle 3.4 sind die ermittelten Werte des Proportionalitatskoeffizienten (Dispersionsfaktors)
a und des Stillwasserzonen-Parameters B für die jeweiligen Teilabschnitte aufgelistet.
1 1
-Die negativen B-Werte direkt nach der Einspeisung deuten auf eine unvollstandige Querdurch-mischung hin. Anscheinend befindet sich hier der Markierstoff noch zum gröBten Teil in der Mitte des Stromstriches und wird dort mit einer gröBeren als der mittleren Strömungsgeschwin-digkeit transportiert.
Tabelle 3.4. Kalibrierungsergebnisse (a - und B - Werte)
FluBabschnitt [km] 58.8 - 64.4 6 4 . 4 - 103.0 1 0 3 . 0 - 173.6 1 1 7 3 . 6 - 1 7 9 . 8 Teilabschnittsnr. 8004 8101 8102 8103 8104 8105 101 102 103 104 105 106 107 108 109 301 a- Wert 0,0014 0,0014 0,0012 0,0016 0,0016 0,0016 0,0010 0,0010 0,0010 0,0030 0,0030 0,0002 0,0002 0,0040 0,0040 0,0009 B - W e r t -0,04 -0,04 -0,03 0,00 0,00 0,00 0,28 -0,25 -0,10 0,10 0,10 0,00 -0,05 0,05 0,06 0,065
Direkt stromabwarts der Aaremündung tritt eine groBe Verzögerung der Stofftransportgeschwin-digkeit auf, was einem gröBeren B-Wert entspricht. Stromabwarts der Einmündung der Aare bis zum EW-Albbruck befindet sich der Markierstoff hauptsachlich am rechten Ufer (siehe Leibund-gut u.a., 1989). Es besteht die Möglichkeit, daB gerade dadurch der Markierstoff mit einer niedrigeren Geschwindigkeit transportiert wurde, als auf Grund der mittleren Strömungs-geschwindigkeit zu erwarten ware. Auch stromabwarts der Einmündungen von Neckar, Main und Mosel in den Rhein wurden vergleichbare Verzögerungen in den Transportgeschwindigkei-ten ermittelt.
Die negativen B-Werte weiter stromabwarts konnten darauf hindeuten, daB die Markierstoff-welle sich infolge der Passage der Kraftwerke erneut in der FluBmitte befindet, wodurch die Transportgeschwindigkeit wiederum groBer als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist.
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\ I I 1 1 1 1 I 1 1 60 75 90 105 120 135 150 165 180 F 1usskm.Abb. 3 . 1 . Verlauf der o- und B-Werte zwischen Rheinau und Basel.
In Tabelle 3.5 werden die FlieBzeiten T^ auf Grund der mittleren Strömungsgeschwindigkeit mit den gemessenen Stofftransportgeschwindigkeit der Markierstoffwelle verglichen (siehe auch Abb.3.2). Weiter sind in der Tabelle 3.5 die berechneten und gemessenen Stofftransportzeiten der Markierstoffwelle ab Einspeisung bis zu den jeweiligen Beobachtungspunkten aufgelistet. Die Stofftransportzeiten wurden nach der Kalibrierung berechnet und beziehen sich auf die Maxima der Konzentrationsdurchgangskurven. Die in der Reproduzierung der Stofftransportzeit erzielte Genauigkeit wird mit der prozentualen Abweichung Tj nach Gl.(3.4) angegeben. Die
diesbezügliche Abweichung im Konzentrationsverlauf o nach Gl.(3.5) ist ebenfalls Tabellenin-halt.
In Abb.3.2 werden die auf Basis der mittleren Strömungsgeschwindigkeiten ermittelten FlieBzeiten mit den gemessenen Stofftransportzeiten (bezogen auf das Konzentrationsmaximum) verglichen. Abb.3.3 zeigt die Genauigkeit mit der die gemessenen Stofftransportzeiten mit der Version 2.1 des Rheinalarmmodells infolge der Kalibrierung reproduziert werden konnten. In Abb.3.4. ist die prozentuale Abweichung zwischen gemessenen und berechneten Stofftrans-portzeiten graphisch dargestellt.
1 3
-Tabelle 3.5. FlieB- und Stofftransportzeiten mit der Abweichung a nach Gl.(3.5)
Beobachtungspunkt Br.RiJdlingen Br.Eglisau EU-Eglisau EU-Reckingen Br.Zurzach Br.Koblenz EW-Albbruck (Mittelwert) (Kanal rechts) EW-Laufenburg EW-Sackingen EW-Riburg EW-Augst EW-Birsfelden EW-Kembs (Kanal) FluBkm. 67.1 74.5 78.7 90.1 93.5 101.6 108.9 108.9 122.0 129.3 143.5 155.9 163.8 179.8 Tu est] 1.8 4.9 7.2 11,7 12,4 13.7 16.0 16.0 19.1 21.3 26.4 30.0 33.1 37.8 T [St] 1,4 4.5 6.6 11.1 12,0 13.3 16.0 16.2 18.5 20.3 25.7 29.5 32.5 37.5 T^ tSt] 1.7 4.5 6,7 11.2 11.8 13,1 16.0 16.0 18.7 20.6 26.1 29.6 32.5 37.4 Td rx3 -17.8 -0.6 -1.4 -0,8 2.0 1.9 0.1 1.1 -1.2 -1,3 - 1 . 7 -0.2 0.04 0.2 O 21.33 0.78 0.23 0,23 0.31 0.37 0.32 0.46 0.26 0.24 0,15 0,07 0,13 0,16 ' ! - e - Tu • -H" Tgem
Abb. 3.2. Vergleich FlieBzeiten T„ und gemessener Stoff-transportzeiten T .
M a r k i e r v e r s u c h 0 7 / 8 9
105 130 F i u s s k m .
3 0 -•u (U N 1 0 -M a r k i e r v e r s u c h 0 7 / 8 9
y
^ / ^ / i - » - Toem 1 1 " s ' s " a'o 1QS 130 155 180 1 F 1 u s s k m .Abb. 3.3. Vergleich berechneter (T,^) und gemessener (Tg„) Stofftransportzeiten. M a r k i e r v e r s u c h 0 7 / 8 9 0 ' 5 -^ - 1 C , 2 0 -5 ^ • - ^ B^^^ — 5 80 105 130 1 F 1usskm. 3 » -. . . i-t 1 5 5 IS
1
1
iOAbb. 3.4. Prozentuale Abweichung zwischen gemessener und berechneter Stofftransportzeit nach Gl. (3.4).
1 5 -Tabelle 3.6. Dispersionskoeffizienten Beobachtungspunkt Brücke Rüdlingen Brücke Eglisau EW-Eglisau EW-Reckingen Brücke Zurzach Brücke Koblenz EW-Albbruck (Mittelwert) EW-Laufenburg EW-Sackingen EW-Riburg EW-Augst EW-Birsfelden EW-Kembs (Kanal) FluBkm. 67.1 74.5 78.7 90.1 93.5 101.6 108.9 122.0 129.3 143.5 155.9 163.8 179.8 Dispersionskoeff. D, [mVs] 89 68 55 61 73 98 93 95 92 104 94 86 100 CM 8 0 E D 5S M a r k i e r v e r s u c h 0 7 / 8 9 \ \ \ \ ^ / /
I
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105 130 F I u s s k m ,Abb. 3.5. Entwicklung des Dispersionskoeffizienten zwi schen Rheinau und Basel.
Tabelle 3.6 gibt die ermittelten Dispersionskoeffizienten, jeweils bezogen auf die Strecke von der Einspeisung bis zum Beobachtungspunkt, wieder. Bei einer allgemeinen Betrachtung der Abb.3.5 laBt sich ein leichter Anstieg des Dispersionskoeffizienten mit zunehmender Distanz zur Einspeisung (von circa 65 bis auf etwa 95 m^/s) erkennen. Die Schwankungen in der Entwick-lung des Koeffizienten konnten durch die Kraftwerke verursacht worden sein. Eine genauere Analyse dieses Parameters kann gegenwartig aber nicht gegeben werden.
Für die kalibrierten o- und B-Werte sind die Konzentrationskurven der Beobachtungspunkte in den Abbildungen 3.6 bis 3.19 dargestellt ').
ftljuniModlell Kltein 2 . e NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n s B e o l t a c h - t u n s Da-tun U n f a l l s - BASEL < e 7 / ' 8 9 > R l i e i n Icn 5 8 . 8 R h e i n k n 6 7 . 1 I S / ' a ? 1 9 8 9 8 3 : 8 8 Haisse D i s p . k o e f r . 2 8 0 . 8 5 k s <=imt.Ay.y\ 8 9 Cn2/'s> 1 Z e i - t 81 1:18 8T 1:23 BT l:36 BT i:se 8T 2:83 8T 2: 16 8T 2:29 er 2:43 8T 2:56 er 3:89 C Cttg/l .888 .825 .177 .137 .859 .831 .817 .883 1 <1> PgUp PgDn . 187 Max: , 187 Zei-t: 8T 1:48 8T es-t
Abb. 3.6. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Brücke Rüdlingen.
^) Bei der benutzten vorlaufigen Version 2.1 führen die in den Abbildungen 3.6 bis 3.19 abgedruckten Bildschirmdarsteilungen des Alarmodells noch den Titel "Alarmmodell Rhein 2.0".
1 7 -A l a r v m o d e l l R h e i n 2 . 8 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o h a c h-tun g D a - t u n U n f a l l s - BASEL < 8 7 / ' 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 7 4 . 5 1 8 / ^ 8 7 1 9 8 9 0 3 : 8 8 H a s s e D i s p . k o e f f . 2 8 1 . 2 8 k s ( = 1 8 8 . 6 > : > 6 8 ( n 2 / ' s > Z e i - t 8 T 3 : 1 8 ex 3:42 8T 4 : 8 6 8 T 4 : 3 8 8 T 4 : 5 4 8 T 5 : 1 8 8 T 5 : 4 2 e r 6 : 8 6 8 T 8 : 3 8 8 T 6 : 5 4 C ( U 9 / 1 > . 8 8 0 . 8 8 8 4 1 . 3 4 5 9 4 . 8 2 1 6 3 . 7 5 6 2 8 . 1 1 5 1 5 . 2 3 8 7 . 1 5 8 2 . 2 8 8 • o o o 1 <1> P g U p l''^P"l., M a x : 9 4 . 3 7 1 Z e i - t : 0 T 4 : 3 2 0 T 8 S - t
Abb. 3.7. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Brücke Eglisau.
A l a z - M M o d e l I R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU E i n l e i - t u n g B e o b a c h-tun g D a - t u n U n f a l l s BASEL < 0 7 / ' 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 7 8 . 7 1 8 / ' 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f , 2 8 2 . 3 4 k g ( = 1 8 1 . 2 > : > 5 5 < n 2 / ' s > Z e i - t 8T 5 : 0 8 8 T 5 : 3 8 8 T 6 : 8 8 e r 6:38 8 T 7 : 8 8 8 1 7 : 3 8 8 T 8 : 8 7 0 T 8 : 3 7 0 T 9 : 0 7 0 T 9 : 3 7 C ( u g / l } . 8 8 8 . 8 2 4 3 4 . 9 5 8 7 5 . 5 1 1 s e . 5 1 2 2 2 . 3 3 7 1 2 . 1 2 3 5 . 6 8 5 1 . 8 1 1 1 ( 1 > P g U p P g D n M a x : 7 5 . 7 0 3 Z e i - t : 0 T 6 : 4 1 0 T 1 2 S - t
Abb. 3.8. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Eglisau.
A l a n « n o d e I I R h e i n 2 . O NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL C e 7 / ' 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 8 0 . 1 1 8 / ' 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 6 5 . 3 1 k g C = 1 0 e . 7 > : > | | 6 1 C n 2 / ' s > Z e i l ; 0 T 8 : 5 3 8T 3 : 3 5 8 T 1 8 : 1 7 e r 1 8 : 5 9 8 T l l : 4 1 8 T 1 2 : 2 3 8 T 1 3 : 8 5 8 T 1 3 : 4 7 0 T 1 4 : 2 9 0 T 1 5 : 1 0 1 <1> M a x : 4 3 . 8 6 3 C ( u g / 1 1 4 . 6 5 5 4 2 . 2 2 1 3 3 . 7 9 2 1 5 . 1 4 3 7 . 9 2 7 3 . 8 0 4 1 . 1 9 3 . 2 4 7 P g U p P g D n 4 3 . 8 6 3 Z e i - t : 0 T l l : l l 0 T 1 7 S 1 i
Abb. 3.9. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Reckingen.
Alarnnodell Rhein 2.0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a i M n U n f a l l s - BASEL < 0 7 / ' 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 9 3 . S 1 8 / ' 0 7 1 9 8 9 0 3 : 8 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 4 8 . 6 2 k g < = i e 0 . 4 > i } l 7 3 < n 2 / ' s >
1
Z e i - t 0 T 9 : 1 8 0 T 1 0 : 0 1 8 T 1 8 : 4 3 8 T l l : 2 6 8 T 1 2 : 8 9 0 X 1 2 : 5 2 0 T 1 3 : 3 4 0 T 1 4 : 1 7 0 T i s : 0 0 0 T 1 5 : 4 3 C ( u g / 1 ) . 8 8 0 - 8 0 B 9 . 8 3 3 3 2 . 9 1 2 3 8 . 8 4 8 1 4 . 3 5 9 7 . 2 3 3 3 . 5 4 6 1 . 1 8 4 . 8 8 8 1 <1> PgUp 1 PgDn M a x : 3 6 . 2 8 3 3 6 . 2 8 3 Z e i - t : 8 X 1 1 : 4 6 B T 1 2 S - t 8 X 1 8 S - tAbb. 3.10. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Brücke Zurzach.
1 9 -A l a z - n n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g Be o b a c h-tun g Da-tun U n f a l l s - BASEL < 8 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 0 1 . 6 1 8 / 8 7 1 9 8 9 8 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 2 4 . 4 8 kg < = 100.7>i> 98 < n 2 / s > Z e i t 0 X 1 0 : 2 8 0 X 1 1 : 1 4 0 X 1 1 : 5 9 8 X 1 2 : 4 4 0 X 1 3 : 2 9 OX14:15 e x i 5 : 8 0 0 X 1 5 : 4 5 0 X 1 6 : 3 8 8 X 1 7 : 1 5 1 C l ) Max: 3 8 . 2 5 9 C < u g / l . 8 0 0 7 . 2 8 3 2 6 . 9 7 7 2 6 . 1 7 8 1 2 . 3 2 3 6 . 1 5 3 3 . 0 2 8 . 9 4 0 .O80 PgUp PgDn Z e i - t : 0 X 1 3 : 0 5 0XlOS-t 0X13S't 0X19S«
Abb. 3 . 1 1 . Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Brücke Koblenz.
A l a r m n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g Be o b a c h-tun g Da-tun U n f a l l s - BASEL < 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 0 8 . 9 1 8 / 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 8 3 . 8 4 kg <=99.7>S> 9 3 < n 2 / s > Z e i t 0 X 1 2 : 4 3 e x 1 3 : 3 3 0 X 1 4 : 2 3 e x 1 5 : 1 4 e x 1 6 : 0 4 0 X 1 6 : S 4 0 X 1 7 : 4 4 e x 1 8 : 3 5 e x 1 9 : 2 5 e X 2 0 : 1 5 1 <1> C C u g / 1 . 0 0 0 . 0 0 0 . 6 2 1 6 . 0 7 3 9 . 3 4 7 5 . 5 2 4 2 . 4 9 1 1 . 2 7 3 . 3 9 7 PgUp PgDn 9 . 4 2 5 Hax: 9 . 4 2 5 Z e i - t : 0 X 1 5 : 5 9 0X12S-t 0X23S-t
Abb. 3.12. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk AIbbruck (Mittelwert).
A l a r m n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL t 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 0 8 . 9 1 8 / 8 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 5 4 . 5 2 k g ( = 9 9 . 7 ; < > 1 9 3 < n 2 / s > Z e i t 0 X 1 2 : 4 3 0 X 1 3 : 3 3 0 X 1 4 : 2 3 0 X 1 5 : 1 4 0 X 1 6 : 0 4 0 X 1 6 : 5 4 0 X 1 7 : 4 4 0 X 1 8 : 3 5 0 X 1 9 : 2 5 0 X 2 0 : 1 5 1 ( 1 > M a x : 1 7 . 5 3 7 C < u g / l 5 . 0 0 0 . 0 0 0 1 . 1 5 6 1 1 . 2 9 9 1 7 . 3 9 3 1 0 . 2 7 9 4 . 6 3 4 2 . 3 6 8 . 7 3 9 P g U p P g D n Z e i - t : 0 X 1 5 : 5 9 C ( u g / 1 > 2 0 . 0 _ 1 0 . 0 _ . 0 _ 1 7 . 5 3 7 0X 1 2 S - t •f + -f -i- + + 8 X 1 6 S - t 0 X 2 3 S - t
Abb. 3.13. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk AIbbruck (Kanal rechts).
A l a m n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 2 2 1 8 / 0 7 1 9 8 9 8 3 : 8 8 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 8 6 . 4 2 k g ( = 1 8 8 . 8 > : > 9 5 ( n 2 / s > Z e i - t 8 X 1 5 : 2 3 e x 1 6 : 1 5 8 X 1 7 : 8 8 8 X 1 8 : 8 8 8 X 1 8 : 5 3 e x 1 9 : 4 5 0 X 2 0 : 3 7 0 T 2 1 : 3 8 8 X 2 2 : 2 2 8 X 2 3 : 1 5 1 ( 1 > M a x : 1 1 . 3 8 3 C ( u g / 1 3 .eee . 8 0 0 1 . 4 3 4 8 . 1 8 2 1 1 . 1 2 6 6 . 1 7 5 2 . 8 3 9 1 . 4 4 3 . 4 4 9 P g U p P g D n Z e i - t : 0 X 1 8 : 4 3 axissii IX 2 S - t
Abb. 3.14. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Laufenburg.
2 1 -A l a m n o d e l l R h e i n 2 . e NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h-tun g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 8 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 2 9 . 3 1 8 / 8 7 1 9 8 9 e 3 : e e M a s s e D i s p . k o e f f . 9 6 . 9 3 k g ( = 1 0 0 . 8 X ) 9 2 ( n 2 / s > Z e i - t e x 1 7 : 1 0 0 X 1 8 : 0 4 0 X 1 8 : 5 8 0 X 1 9 : 5 2 0 X 2 0 : 4 6 O X 2 1 : 4 0 O X 2 2 : 3 4 0 X 2 3 : 2 8 IX 0 : 2 2 IX l : l 6 1 ( 1 > M a x : 1 0 . 0 7 6 C ( u g / 1 .oeo . 0 0 0 1 . 2 4 4 7 . 1 8 2 9 . 8 6 3 5 . 5 0 8 2 . 5 2 4 1 . 2 8 5 . 3 9 9 P g U p PgDn Z e i - t : 0 X 2 0 : 3 6 OX17S-t IX 4S-t
Abb. 3.15. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Sackingen.
A l a x - n n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 4 3 . 5 1 8 / 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 9 7 . 2 8 k g ( = 9 8 . 5 > C > 1 0 4 ( n 2 / s > Z e i « 0 X 2 1 : 1 9 e x 2 2 : 3 i e X 2 3 : 4 3 IX O : 5 5 IX 2 : 0 6 IX 3 : 1 8 IX 4 : 3 0 IX 5 : 4 2 IX 6 : 5 4 IX 8 : e 6 1 ( 1 > Max: 7 . 8 8 1 C ( u g / 1 . 0 0 0 .OOO . 0 7 5 4 . 2 2 0 7 . 8 8 1 5 . 0 8 8 2 . 2 5 1 1 . 1 5 1 . 3 6 3 . 0 0 1 P g U p PgDn 7 . 8 8 1 Z e i - t : IX 2 : 0 6 0 X 2 1 S 1 ; ixios-t
Abb. 3.16. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Riburg.
A l a r n w o d e l l R h e i n 2 . O NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 5 5 . 9 1 8 / 0 7 1 9 8 3 0 3 : 0 0 H a s s e D i s p . k o e f f . 9 5 . 3 5 k g ( = 1 0 0 . 8 X > Il 9 4 ( n 2 / s > Z e i - t IX 0 : 4 3 IX 1 : 5 6 IX 3 : 0 8 1 1 4 : 2 1 IX 5 : 3 3 IX 6 : 4 5 IX 7 : 5 8 IX 9 : 1 0 1 X 1 0 : 2 2 1 X 1 1 : 3 5 1 ( 1 ) C ( u g / 1 > .OOO .OOO . 5 3 0 4 . 2 4 0 7 . 3 4 8 4 . 8 4 1 2 . 1 4 4 1 . 0 9 5 . 3 4 6
.eoo
| p g U p PgDn II M a x : 7 . 3 4 8 Z e i - t : IX 5 : 3 3 l X 1 3 S - tAbb. 3.17. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Augst.
A l a r v m o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 0 7 / 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 6 3 . 8 1 8 / 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 e H a s s e D i s p . k o e f f . 7 0 . 1 6 k g ( = 1 0 e . 8 > ! > 1 8 6 ( n 2 / s >
1
Z e i - t IX 3 : 3 8 I I 4 : 5 1 IX 6 : 0 4 I I 7 : 1 7 IX 8 : 2 9 IX 9 : 4 2 1 x 1 0 : 5 5 1 I 1 2 : 0 8 I I 1 3 : 2 0 1 1 1 4 : 3 3 1 ( 1 > C ( u g / 1 > .oeo . 3 8 8 3 . lOO 5 . 3 7 6 3 . 5 4 5 1 . 5 6 8 . 8 0 1 . 2 5 3 P g U p P g D n M a x : 5 . 3 7 6 Z e i - t : 1 1 8 : 2 9 ixies-tAbb. 3.18. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Birsfelden.
2 3 -A l a z - n n o d e l l R h e i n 2 . 0 NEUKALIBRIERUNG RHEINAU -E i n l e i - t u n g B e o b a c h-tun g Da-tun U n f a l l s - BASEL X e 7 7 ' 8 9 > R h e i n k n 5 8 . 8 R h e i n k n 1 7 9 . 8 ( K > 1 8 / 0 7 1 9 8 9 0 3 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 3 2 . 6 7 k g ( = 9 6 . 9 > ! > 1 0 0 ( n 2 / s > Z e i t C <Cug/l > 1 1 7 : 5 3 1 1 9 : 1 6 1 X 1 0 : 3 9 1 X 1 2 : 0 2 1 X 1 3 : 2 6 1 X 1 4 : 4 9 1 X 1 6 : 1 2 1 X 1 7 : 3 5 1 X 1 8 : 5 8 1 X 2 0 : 2 2 1 ( 1 > .OOO .0cm . 1 8 9 1 . 3 4 5 2 . 2 1 6 1 . 4 8 2 . 6 2 4 . 3 1 9 . 1 0 0 .OOO P g U p PgDn Max: 2 . 2 1 6 Z e i t : 1 X 1 3 : 2 6 2 X 1 0 S - t
Abb. 3.19. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Kembs.
25
-4. VERIFIKATION
4 . 1 . Markierversuch 09/88 AIbbruck - Basel
Einspeisung
Zur Verifikation des neukalibrierten Modells werden die Daten des Markierversuchs 09/88 Alb-bruck-Basel herangezogen (siehe auch van Mazijk und van Mierio, 1991). Bei diesem Versuch wurden am 27. September 1988 um 7.00 Uhr in den Auslauf der ARA-Albbruck bei FluBkilo-meter 113.5 innerhalb von fünf Minuten 215 kg vorgelöstes Natrium-Fluorescein, sowie in den nachsten 55 Minuten weitere 20 kg als Nachspüllung in den Rhein eingeleitet. Auch für diesen Versuch wird von einer momentanen Einspeisung ausgegangen. Zwischen dem Einspeisepunkt (FluBkilometer 113.5) und dem Elektrizitatswerk Kembs (FluBkilometer 179.8) erfolgte an mehreren Beobachtungspunkten die Probenahme. Die für die Verifikation herangezogenen KonzentrationsmeBstationen sind in Tabelle 4.1 aufgeführt ^).
Tabelle 4 . 1 . KonzentrationsmeBstationen
1 Ort der Messung
EW-Laufenberg Holzbrücke 1 Stein-Sackingen EW-Riburg-1 Schwörstadt EW-Augst j EW-Birsfelden EW-Kembs FluBkm. 122.0 130.2 143.5 155.9 163.8 179.8 MeBstelle NADUF-St.-t- Stromstrich + Schleuse
Ufer + Durchlasse über Querschnitt Turbinenauslauf Turbinenauslauf Turbinenauslauf Turbinenauslauf (Kanal) Bemerkung | AbfluBverhaltnisse nicht richtig bekannt | Hydrologische Daten
Der für die Untersuchungsstrecke von AIbbruck bis Basel zustandige Pegel ist die MeBstation Rheinfelden. Am 27. September 1988 betrug der mittlere TagesabfluB am diesem Pegel 712
^) Wegen diverser Probleme konnten einige MeBstationen nicht in Betracht gezogen werden (siehe van Mazijk und van Mierio 1991).
m^/s. Nach der Wasserstands-AbfluB-Beziehung Rheinfelden vom 01.01.89 entspricht dieser AbfluB einem Wasserstand von 213 cm (Referenzniveau 260.0 m über NN.). Wahrend des Markierversuchs wies der AbfluB eine leicht sinkende Tendenz auf. Am 28. September betrug der mittlere TagesabfluB 698 m'/s bei einem Wasserstand von 210 cm. Da eine Wasserstands-senkung von nur 3 cm in diesem AbfluBbereich schon eine Abnahme des Abflusses von 14 m^/s darstellt, wurde die Verifikation für die beiden AbfluBgröBen von 712 und 700 m^/s durch-geführt.
Verlustrate
Als Markierstoff wurde bei diesem Versuch wiederum Natrium-Fluorescein verwendet. Tabelle 4.2 zeigt die an den Beobachtungspunkten ermittelten Tracerrückgewinnungsraten und -frach-ten. Am Beobachtungspunkt bei FluBkm. 122.0 ist die Rückgewinnungsrate auf Grund der Berechnung nach Gl.(3.1) gröBer als 100%. Möglicherweise ist hierfür eine unvollstandige Quer-durchmischung die Ursache, infolge dessen nicht der gesamte AbfluS bei Rheinfelden wahrend der Tracerpassage zur Bestimmung der Rückgewinnungsrate nach Gl.(3.1) herangezogen werden dürfte. Tabelle 4.2. Tracerrückgewinnung 1 Beobachtungspunkt [FluBkm.] 122.0
1 130.2
1 143.5
155.91 163.8
179.8II
Rückgewinnung % 109 80 61,8 58,5 53,6 33,7[kg] II
255,0 1
188,0 1
143,2 1
137,5 1
126,0 1
79,2 1
4.2. Verifikationsverfahren
Bei der Verifikation handelt es sich primar um die Uberprüfung der mit dem kalibrierten Modell für die einzelnen Beobachtungspunkte vorhergesagten Ankunftszeiten der Markierstoffwelle. Der quantitative Vergleich zwischen den gemessenen und berechneten Konzentrationsverlaufen
2 7
-bezieht sich daher an erster Stelle auf die Stofftransportzeiten vom Einspeisepunkt bis zu den jeweiligen Beobachtungspunkten nach Gl.(3.4). Der Vergleich der Verlaufe an sich wird quantifiziert nach Gl.(3.5) und findet weiter visuell statt (siehe Absatz 4.3).
4.3. Ergebnisse
In Tabelle 4.3 sind die prozentualen Abweichungen zwischen den gemessenen und berechneten Stofftransportzeiten Tj nach Gl.(3.4) und die a-Werte nach Gl.(3.5) für zwei Abfiüsse am Pegel Rheinfelden wiedergegeben. Die wahrend des Markierversuches auftretende Abnahme des Abflusses von 712 auf 700 m^/s bedeutet eine Heruntersetzung der Abweichung in der Stoff-transportzeiten von 1 bis 2%, bei einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2% (ausgenommen der Beobachtungspunkt bei FluBkm.122). Bei derartig geringen Abweichungen ist eine weitere Anpassung des Parameters B nicht notwendig.
Tabelle 4.3. Prozentuale Abweichung T^ nach Gl.(3.4) und die Abweichung o nach Gl.(3.5)
Beobachtungspunkt [FluBkm.] 122.0 130.2 143.5 155.9 163.8 179.8 AbfluB Rheinfelden [m^/s] 712 700 Abweichung Stofftransportzeit [%] -8,6 3,8 -0,9 -0,5 0,4 1,5 -10,3 2,3 -2,4 -1,9 -1,1 0,02 712 700 a 2,43 0,49 0,15 0,24 0,28 0,27 4,75 0,32 0,20 0,14 0,07 0,10
Wie auf Grund der AbfluBabnahme wahrend des Versuches zu erwarten, werden bei den weiter stromabwarts vom Einspeisepunkt gelegenen Beobachtungspunkten die Abweichungen zwischen den gemessenen und berechneten Konzentrationsveriaufen bei einem AbfluB von 700 m^/s geringer.
Im Falie der gröBten Stofftransportzeitabweichung (8,6% bei FluBkilometer 122) handelt es sich bei einer Transportzeit von 2,8 Stunden um eine Abweichung in der Ankunftszeit der Markier-stoffwelle von circa 15 Minuten (bezogen auf das Konzentrationsmaximum). Die Tatsache, daS der Markierstoff sich zu Beginn hauptsachlich im Stromstrich befindet und dadurch schneller als mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit transportiert wird, könnte die Abweichung auf dieser noch verhaltnismaBig kurzen Distanz zur Einspeisung erklaren.
M a r k i e r v e r s u c h 0 9 / 8 8
^ c
- e - TQ«m -t.— Tbor
11D 120
Abb. 4 . 1 . Vergleich berechneter und gemessener Stofftransportzeiten bei (\t^„M^„ = 712 m^/s. M a r k i e r v e r s u c h 0 9 / 8 8 -B- 712 m3/s -it— 700 m3ys 110 120 130 140 150 F 1usskm. 160 170 1B0
Abb. 4.2. Prozentuale Abweichung zwischen ge-messener und berechneter Stofftrans-portzeiten nach Gl.(3.4).
In Abb.4.1 sind die gemesse-nen und berechneten Stoff-transportzeiten graphisch dar-gestellt. Abb.4.2 zeigt die prozentuale Abweichung zwi-schen diesen Transportzeiten nach Gl.(3.4).
Tabelle 4.4 enthalt die bei der Verifikation ermittelten Disper-sionskoeffizienten. Es zeigte sich, daB die betrachteten unterschiedlichen Abfiüsse von 700 und 712 m^/s einen ver-nachlassigbaren EinfluB auf den Wert dieses Koeffizienten ha-ben. Abb.4.3 gibt die Entwik-klung des Dispersionskoeffi-zienten ab AIbbruck wieder. Der Mittelwert auf der Ver-suchsstrecke liegt in der Grö-Senordnung von 65 m^/s. Er ist damit um ein Drittel kleiner als beim Markierversuch 07/89 mit einem mittleren TagesabfluB von 1068 m^/s am Pegel Rhein-felden, was der Beziehung des Koeffizienten mit dem AbfluS nach Gl.(3.3) entspricht.
2 9 -Tabelle 4 . 4 . Dispersionskoeffizienten Beobachtungspunkt [FluBkm.] 122.0 n 130.2 143.5 155.9 163.8 179.8 Dispersionskoeff. D^ 49 58 82 64 53 73 CM 8 0 o M a r k i e r v e r s u c h 09/88 / / / R ' \ \
X
--y
Ay
140 ISO F Iusskm.Abb. 4 . 3 . Entwicklung des Dispersionskoeffizienten zwi-schen AIbbruck und Basel bei Onheinfeiden = 7 1 2
m^/s.
In den Abbildungen 4 . 4 bis 4.9 *). werden die gemessenen und berechneten Konzentrati-onsveriaufe für einen AbfluB von 7 1 2 mVs am Pegel Rheinfelden miteinander verglichen.
*) Bei der benutzten voriaufigen Version 2.1 führen die in den Abbildungen 4 . 4 bis 4 . 9 abgedruckten Bildschirmdarsteilungen des Alarmodells noch den Titel "Alarmmodell Rhein 2 . 0 " .
A l a x - n n o d e l l Kliein 2 . 0 UEKIFIBAXION ALBBRUCK -E i n l e i - t u n g Beobach-tung Da-tun U n f a l l s - BASEL (09/^88 > Rhein km 1 1 3 . 5 Rliein km 122 27/^09 1988 O7:00 Masse D i s p . k o e f f . 2 5 6 . 5 5 kg ( = 1 0 e . 6 X ) | 49 (m2/'s> Zei-t OX 2:02 0X 2:23 OX 2:44 OX 3:05 OX 3:26 OX 3:47 OX 4:07 OX 4:28 OX 4:49 OX 5:ie C (mg/'l .052 .108 .069 .O30 .017 .008 1 (1> PgUp PgDn Max: . 108 Zei-t: ex 3:05 ex 7S-t
Abb. 4.4. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Laufenburg.
A l a z - n n o d e l l Kite i n 2 . 0 UEKIFIKAXION AI.BBRUCK -E i n l e i - t u n g Be o l>ac h-tun g Da-tun U n f a l l s - BASEL. (OS/'SS) Khein kn 1 1 3 . 5 Rhein kn 1 3 0 . 2 27/^09 1988 0 7 : 0 0 Masse D i s p . k o e f f . 1 9 6 . 6 8 kg ( = ie4.6>C>| 58 ( n 2 / ' s ) Zei-t OX 5:08 OX 5:45 ex 6:22 OX 7:oo OX 7 : 3 7 OX 8:14 OX 8 : 5 1 OX 9 : 2 9 0 X 1 0 : 0 6 0 X 1 O : 4 3 C ( u g / ' l 3 . 0 O 4 3 6 . 8 8 2 4 6 . 7 2 7 1 9 . 2 4 7 9 . 3 7 4 5 . 4 3 4 2 . 8 2 1 1 . 2 6 8 . 5 0 8 1 ( 1 > P g U p P g D n M a x : 5 5 . 1 7 5 Z e i - t : OX 6 : e s exi2s-t
Abb. 4.5. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Holzbrücke Stein-Sackingen. . :> :
3 1 -A l a n a n o d e l l R h e i n 2 . 0 UERIFIKAXION ALBBRUCK -E i n l e i - t u n g B e o b a c h-tun g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( 0 9 X 8 8 > R h e i n k n 1 1 3 . 5 R h e i n k n 1 4 3 . 5 2 7 / ^ 0 9 1 9 8 8 O 7 : O 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 3 9 . 5 8 k g ( = 9 7 . S X > 8 2 ( n 2 / ' s > Z e i - t e x 8 : 4 2 OX 9 : 5 8 O X l l : 1 3 O X 1 2 : 2 8 OX 1 3 : 4 4 O X 1 4 : 5 3 e x 1 6 : 1 5 e x i 7 : 3 0 e x 1 8 : 4 5 0 X 2 0 : 0 1 C ( u g / 1 ) .oeo . oeo . eee 8 . 6 6 9 1 6 . 4 5 6 i e . 3 7 9 4 . 5 9 9 2 . 3 5 4 • ' ^ ^ .eoo 1 ( 1 ) P g U p PgDn 11 Max: 1 6 . 4 7 3 D 6 . 4 7 3 Ze i -t: e x 13 : 3 7 eX13S-t eX23S-t
Abb. 4 . 6 . Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsverlauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Riburg-Schwörstadt.
A l a n a n o d e l l R h e i n 2 . 0 UERIFIKAXION ALBBRU(3C -E i n l e i - t u n g B e o b a c h - t u n g D a - t u n U n f a l l s - BASEL ( e 9 , ^ 8 8 > R h e i n k n 1 1 3 . 5 R h e i n km 1 5 5 . 9 2 7 / ' 0 9 1 9 8 8 0 7 : 0 0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 3 8 . 5 9 k g ( = 1 0 0 . 8 X > 6 4 ( n 2 / ' s > Z e i - t C ( u g / 1 ) 0 X 1 3 : 3 0 O X 1 4 : 4 6 0 X 1 6 : 0 2 O X 1 7 : 1 9 . 0 0 0 . 0 0 0 1 . 1 5 2 8 . 9 4 8 0 X 1 8 : 3 5 1 5 . 1 8 4 0 X 1 9 : 5 1 0 X 2 1 : 0 8 0 x 2 2 : 2 4 0 X 2 3 : 4 0 IX 0 : 5 7 1 ( 1 > 9 . 8 5 2 4 . 3 6 6 2 . 2 3 3 . 7 0 3 . 0 0 0 P g U p P g D n C ( u g / l ) 2 0 . 0 1 0 . 0 -. 0 _ 0 X 1 : y^: / / / + / y + ' ' ' _ . 1 ' 1 0 X 1 7 S - t 15 . 1 8 5 Max: 1 5 . 1 8 5 Z e i - t : 0 X 1 8 : 3 5 1 0X22S1i Z e i - t IX 2S1;
Abb. 4 . 7 . Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Augst.
A l a r m m o d e l l R h e i n 2 . 0 UERIFIKAXION ALBBRU(ac -E i n l e i - t u n g Beobach-tung Da-tun U n f a l l s - BASEL ( 0 9 / 8 8 > R h e i n k n 1 1 3 . 5 R h e i n km 1 6 3 . 8 2 7 / 0 9 1 9 8 8 O7:O0 M a s s e D i s p . k o e f f . 1 2 7 . 0 3 k s ( = i o e . 8 ; i > | | 5 3 (m2/'s> Z e i t 0 X 1 7 : 4 6 0 X 1 9 : 0 3 0 X 2 0 : 2 1 OX21:38 0 X 2 2 : 5 5 IX 0 : 1 2 IX 1 : 2 9 IX 2 : 4 7 IX 4 : 0 4 IX 5 : 2 1 1 ( 1 > Max: 1 3 . 7 6 2 C ( u g / l ) .OOO 1.O40 8.098 13.762 8.930 3.958 2.025 .637 PgUp PgDn Z e i - t : 0 X 2 2 : 5 5 1 3 . 7 6 2 OX17S-t IX 8S-t
Abb. 4.8. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Birsfelden.
A l a r m m o d e l l R h e i n 2 . 0 UERIFIKAXION ALBBRU(3C -E i n l e i t u n g Beobach-tung Da-tum U n f a l l s - BASEL ( 0 9 / 8 8 > R h e i n km 1 1 3 . 5 R h e i n km 1 7 9 . 8 ( K > 2 7 / 0 9 1 9 8 8 O7:0O M a s s e D i s p . k o e f f . 7 9 . 1 8 kg ( = 9 6 . 0 X > 1 7 3 ( m 2 / s > Z e i - t OX23:41 IX l : 1 9 IX 2 : 5 6 IX 4 : 3 4 IX 6 : 1 1 IX 7 : 4 9 IX 9 : 2 6 1 X 1 1 : 0 4 1 X 1 2 : 4 1 1 X 1 4 : 1 9 C ( u g / 1 ) .eoo .oeo . 4 1 5 4 . 2 9 1 6 . 8 4 3 4 . 2 3 7 1 . 8 9 1 . 9 6 8 . 3 0 3 .oeo 1 1 (1> PgUp PgDn] **^ . 8 5 4 Max: 6 . 8 5 4 Z e i - t : IX 6 : 0 3 eX18S-t
mzs-t
Abb. 4.9. Vergleich berechneter und gemessener Konzentrationsveriauf für den Beobach-tungspunkt Kraftwerk Kembs.
3 3
-SCHLUSSFOLGERUNGEN
Durch die weitere Aufteilung der FluBabschnitte zwischen Stein am Rhein und Basel wurde eine erhebliche Verbesserung in der Wiedergabe der FlieBzeiten durch das Alarmmodell erzielt.
Mit der durch diese Anpassung entstandenen neuen Modellversion 2.1 konnten die gemessenen Stofftransportzeiten des Markierversuches 07/89 mit einer Genauigkeit von
+_ 1 bis 2 % reproduziert werden.
Die gemessenen Stofftransportzeiten beim Markierversuch 09/88 wurden mit dem kalibrierten Modell mit einer Genauigkeit von durchschnittlich 2% vorhergesagt.
3 5
-LITERATURVERZEICHNIS
Fischer, H.B., E.J.List, R.C.Y.Koh, J.lmberger und N.H.Brooks (1979) 'Mixing in inland and coastal waters'
Academic press. New York
Leibundgut, Ch., J . Petermann und B. Schudel (1988) Markierversuch Rhein "AIbbruck - Basel'.
Universitat Bern, Geographisches Institut, in Zusammenarbeit mit Naturaqua
Leibundgut, Ch., J. Petermann, B. Schudel, M. Gossauer und D. Morgenthaler (1989) Markierversuch Rhein "Rheinau - Basel".
Universitat Bern, Geographisches Institut, in Zusammenarbeit mit Naturaqua
Mazijk, A van und J. van Mierio (1991)
Kalibrierung des Alarmmodells für den Rhein anhand des Markierversuches 09/88 AIbbruck - Basel.
TU Delft, Fakultat für zivile Technik, Fachgruppe Gesundheitstechnik & Gewasserbewirt-schaftung und Rijkswaterstaat, Staatliches Amt für integrale Verwaltung der Binnen-gewasser und Abwasserreinigung RIZA, Marz 1991
Mazijk, A van und J. van Mierio (1991)
Kalibrierung des Alarmmodells für den Rhein anhand des Markierversuches 07/89 Rheinau - Basel.
TU Delft, Fakultat für zivile Technik, Fachgruppe Gesundheitstechnik & Gewasserbewirt-schaftung und Rijkswaterstaat, Staatliches Amt für integrale Verwaltung der Binnen-gewasser und Abwasserreinigung RIZA, Marz 1991
3 7
-ANLAGEN
SCHEMATISIERUNG DER VERSUCHSSTRECKE IM RHEINALARMMODELL
I. ABSCHNITTSEINTEILUNG DES RHEINS UND SEINER NEBENFLÜSSE Abschn. Nr. 80 81 1-6 von km. 24.7 64.4 103.0 b i s km. 64.4 103.0 242.5 Name der UasserstandsmeBstelIe RHEIN: Neuhausen-Flurlingen Rekingen Rheinfelden AARE MeBstelle bei km. 45.8 90.7 149.6 Abschnitts-lange [km] 39.7 38.6 139.5 km. Mündung/ Verzweigung 103.0 1
II. UNTERVERTEILUNG DER FLUSSABSCHNITTE IN TEILABSCHNITTE FluB RHEIN
1
1 Teilab-schnittnr. 8001 8002 8003 8004 8101 8102 8103 8104 8105 101 102 103 104 105 106 107 108 109 201 301 401 Anfangkm. 24.7 47.6 54.5 58.8 64.4 70.7 78.6 85.0 90.1 103.0 108.8 113.2 129.3 135.4 143.4 152.1 163.8 170.0 173.6 173.6 226.6 Lange [km] 22,9 6,9 4,3 5,6 6,3 7,9 6,4 5,1 12,9 5,8 4,4 16,1 6,1 8,0 8,7 11,7 6,2 3,6 53,0 53,0 7,7 Breite [m] 100 100 100 100 150 150 150 150 150 180 180 180 180 180 180 180 180 180 170 136 170III. STRUKTURIERUNGSSCHEMA DER FLUSSLAUFE FÜR DAS RHEINALARMMODELL MIT DEN EINSPEISUNGSSTELLEN DER TRACERVERSUCHE 09/88 (ALBBRUCK) UND 07/89 (RHEINAU) (226.6) [Kembs] (173.6) EINSPEISUNG ALBBRUCK [113.5] I (103.0) EINSPEISUNG RHEINAU [58.8] Basel Rheinfelden (149.6) -81-(64.4) • 80-(24.7) 82 Aare Rekingen (92.4) Neuhausen-Flurli ngen (45.8) LEGENDE *
+
81 (173.6)UasserstandsmeBstelle mit Q-H Relation Abschnittsgrenze
Nr. FluBabschnitt FluBkilometer
c3i;
