Numerical modelling of the coastal processes in Dithmarschen Bight incorporating field data

Rahbani, Maryam

The main purpose of this dissertation is to investigate the applicability of numerical models in the study of the sediment transport in a tidal channel of the Dithmarschen Bight in the North Sea. The field data collected at different stages of the neap-spring tidal cycle was used for the evaluation of hydrodynamic and sediment dynamic of Delft3D package (Delft Hydraulics, The Netherlands) numerical model. The package was employed in both two and three dimensional. The investigation was conducted in two stages. At first the performance of the two dimensional model (2DH) was appraised against the field data. The model was calibrated and validated at this stage. Afterwards, the assessment and comparison of the three dimensional model results (3D) with the field data and also with the two dimensional model results was investigated. It was found that both the 2DH and 3D models are capable of predicting hydrodynamics of the area in good agreement with the field data. It was also observed that the effect of waves on water levels and current velocities was not significant under moderate conditions. The comparison of the modelled and measured suspended sediment concentration showed some disagreements especially during ebb current, due to some model shortcomings and to some measuring approximations and methods. The lack of precise techniques for deriving or calculating settling velocity and critical bed shear stresses were found to be the main sources for the model shortcoming. Two sources of error were also suggested relevant to the limitations of the measuring coverage and devices. The first was insufficient field measurements of grain size distributions, specifically on the tidal flat area; the second was the use of transmissometer device for deriving suspended sediment concentration at shallow water regions. Furthermore the difference between results, i.e. the current velocity and the suspended sediment concentration from the two and the three dimensional simulations are not significant as a result of well-mixed nature of the area. Thus, the use of the 3D model may not be justified with the currently available data for the area of investigation. However, the 3D model made it possible to find some weak points and deficiencies in the overall model. The three dimensional model has also provided very useful information about the flow and sediment dynamics of the area and the type of data required for further studies. Finally it was concluded that at this specific area of investigation to develop a model capable of predicting both hydrodynamic and sediment dynamics in agreement with those in the field, we do need to improve both measuring techniques and also model capability in the tidal flat area.

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt bei der Evaluierung der Anwendbarkeit von numerischen Modellen zur Untersuchung des Sedimenttransports im Prielsytem der Dithmarscher Bucht in der Nordsee. Naturdaten, gemessen während verschiedener Phasen im Tidenzyklus, wurden zum Aufbau und zur Auswertung der Modelle des Delft3D-Pakets (Delft Hydraulics, Niederlande) genutzt. Es wurde sowohl ein 2-, als auch ein 3-dimensionales Model erstellt. Die Untersuchung wurde in zwei Schritten ausgeführt. Zunächst wurde das 2-dimensionale Modell (2DH) anhand der Messdaten evaluiert. In diesem Schritt wurde das Modell kalibriert und validiert. Darauf aufbauend wurde das 3-dimensionale Modell (3D) erstellt und mit Hilfe der Naturmessungen und der Ergebnisse des 2DH-Modells bewertet. Die Untersuchung ergab, dass beide Modelle in der Lage sind, die Hydrodynamik des Interessengebietes in guter Übereinstimmung mit den Messwerten wiederzugeben. Weiterhin wurde festgestellt, dass der Einfluss von Wellen auf die Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten unter moderaten Bedingungen nicht signifikant ist. Der Vergleich von modelliertem und gemessenem Sedimenttransport in der Wassersäule ergab einige Unterschiede, speziell während der Ebbphase. Dies liegt an einigen Beschränkungen des Modells, der Messgenauigkeit und den Messmethoden. Der Mangel an präzisen Techniken zur Bestimmung oder Berechnung von der Fallgeschwindigkeit und der Sohlschubspannung wurden als Hauptgründe für die Beschränkung des Modells identifiziert. Zwei Fehlerquellen lagen bei der Dichte der Feldmessungen und bei der Wahl der Messgeräte. Der erste betriff die ungenügende Messdichte bezüglich der Korngrößenverteilung der Wattenflächen, der zweite die Verwendung eines Transmissometers zur Messung der Sedimentkonzentration im Flachwasser. Beim Vergleich der Ergebnisse des 2- und 3-dimensionalen Modells, vor allem bei Fließgeschwindigkeit und Sedimenttransport, waren nur geringe Unterschiede erkennbar. Hier bringt die Verwendung eines 3D-Modells unter den gegebenen Umständen, ohne genügende Messwerte, keine signifikanten Vorteile. Gleichwohl wurden durch die Verwendung des 3D-Modells Schwachstellen und Mängel des allgemeinen Modells offengelegt. Das 3D-Modell trug ferner zum besseren Verständnis der Hydrologie und des Sedimenttransports im Untersuchungsgebiet bei. Ebenso wurde ein Überblick geschaffen über die Art von Messungen, welche für eine weitere Entwicklung des 3DModells erforderlich sind. Als abschließende Erkenntnis wurde festgestellt, dass sowohl die Messtechniken als auch die Modellkapazität verbessert werden muss, um ein gut funktionierendes Hydrodynamik- und Sedimenttransportmodell für das vorliegende Interessengebiet zu erstellen.

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Rahbani, Maryam: Numerical modelling of the coastal processes in Dithmarschen Bight incorporating field data.

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