MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord

Transkript

1 1 Kapitel MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord I følgende kapitel redegøres der for de forudsætninger, der danner grundlag for simuleringer af hydrodynamikken i Hjarbæk Fjord. Der simuleres fire forskellige scenarier og resultaterne af disse præsenteres og behandles. Baggrundsinformation findes i bilag C og D. 1.1 Formål Formålet med simuleringen af Hjarbæk Fjord er at skabe et visuelt billede af hydrodynamikken i fjorden. Den opstillede model skal herefter bruges til at vurdere konsekvenser ved ændring af Virksund-dæmningens udformning. Det er ydermere hensigten, at den hydrodynamiske model skal kobles med en eutrofieringsmodel. 1.2 Forudsætninger En model for Hjarbæk Fjord og Lovns Bredning er sat op fra bunden i MIKE 12. Arbejdet bag dette vil ikke blive præsenteret i dette kapitel, der henvises til bilag C for anvendte randbetingelser og en gennemgang af arbejdet med at opstille modellen og få den til at køre. På Figur 1.1 ses netværksskelettet for modellen. På figuren er der angivet, hvilke randbetingelser der anvendes til simuleringen og hvor disse er påført. 55

2 Kapitel 1 Lovns Bredning Vandstand (øvre og nedre lag) Salinitet (øvre og nedre lag) Temperatur (øvre og nedre lag) Jordbro Å Vandføring (øvre og nedre lag) Salinitet (øvre og nedre lag) Temperatur (øvre og nedre lag) Grundvand, bække og dræn Vandføring (øvre og nedre lag) Salinitet (øvre og nedre lag) Temperatur (øvre og nedre lag) Simested Å, Skals Å og Fiskbæk Å Vandføring (øvre og nedre lag) Salinitet (øvre og nedre lag) Temperatur (øvre og nedre lag) Nedbør Temperatur Figur 1.1 Netværksskelettet for MIKE12. De røde bokse angiver randbetingelser i modellen og de sorte/blå streger angiver midtpunktet af modellens beregningsmæssige transekt. Akser i UTM-kordinater. 1.3 Kalibrering og validering Den opsatte model kalibreres på plads, ved anvendelse af vandstands- og salinitetsmålinger i perioden 2. januar 21 til 19. december 21. Valideringsperioden for den kalibrerede model er fastlagt til den 15. august december Denne lidt skæve periode, skyldes at inputparametre/komponenter samt valideringsparametre/komponenter er til rådighed i dette tidsrum, men dog i begrænset omfang. Modellen er kalibreret på plads og valideret i bilag D.2. 56

3 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord 1.4 Resultater af hydrodynamisk modellering Efter at modellen er kalibreret på plads i den nuværende situation er de hydrodynamiske forhold modelleret for samtlige situationer præsenteret i kapitel 9. Herefter er resultatfilerne blevet analyseret. I bilag CD-D findes animationer af de fire situationer. I Tabel 1.1 ses filnavnene på animationerne. Vertikalt snit gennem Hjarbæk Fjord og Lovns Bredning Situation 2m_August-November.avi Scenario 1 5m_August-November.avi Scenario 2 Bro_August-November.avi Scenario 3 Før1966_August-November.avi Tabel 1.1 Filnavne på animationer Middelværdier i forskellige modelsituationer For at give et hurtigt overblik over de hydrodynamiske ændringer, som alternative forhold ved Virksund vil give, præsenteres efterfølgende middelværdier for en række parametre i fjordens længderetning fra Simested Ås udløb (st. ) til Virksund-dæmningen (st. 13.4) for de fire situationer. Middel vandstand [m] Nuværende 5m sluse Bro Før 1966 Figur 1.2 Middelværdier af vandspejlsbeliggenhed ift. DNN for de fire modellerede situationer. Af Figur 1.2 ses, at middelvandstanden generelt falder med øget tværsnitsareal ved Virksund. En undtagelse fra dette er situationen med 5 m dyb sluse, hvor vandstanden nærmest slusen er lavest blandt alle situationerne. En mulig forklaring på dette er beskrevet i afsnit

4 Kapitel 1. Middel placering af haloklin [m] Nuværende 5m sluse Bro Før 1966 Figur 1.3 Middelværdier af springlagets beliggenhed ift. DNN for de fire modellerede situationer. Af Figur 1.3 ses, at haloklinen generelt stiger med øget tværsnit ved Virksund, med undtagelse af den nuværende situation. Dette er ikke ensbetydende med mere stabil lagdeling, da figuren ikke siger noget om gradienternes størrelser. Lagdelingens styrke tages op i afsnit Middel salinitet i øvre lag [ ] Nuværende 5m sluse Bro Før 1966 Figur 1.4 Middelsaliniteter i øvre lag i 21 for de fire modellerede situationer 58

5 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord Middel salinitet i nedre lag [m] Nuværende 5m sluse Bro Før 1966 Figur 1.5 Middelsaliniteter i nedre lag i 21 for de fire modellerede situationer. Af Figur 1.4 og Figur 1.5 ses, at saliniteten stiger i begge lag ved øget tværsnit ved Virksund. De modellerede saliniteter for bro-situationen og situationen før 1966 er stort set identiske. Stigningen fra nuværende situation til de nævnte er i størrelsesordenen 1½ Lagdelingens styrke i forskellige modelsituationer Lagdelingens styrke er estimeret ved at beregne potentiel energi anomalier, φ, i fjordens længderetning for hver af situationerne. Der er brugt en simplificeret form af beregningsgangen anvendt i kapitel 8. Dette er beskrevet i bilag D.1. Der er beregnet månedsmiddelværdier af φ i februar samt i de kritiske måneder for iltsvind, juli-september. På Figur 1.6 til Figur 1.13 er parvist gengivet hhv. haloklinens placering og φ i fjordens længderetning fra Simested Ås udløb (st. ) til Virksund-dæmningen (st. 13.4) for de fire situationer i de pågældende måneder. Det ses, at høj φ-værdi (numerisk) generelt følger høj placering af haloklin. 59

6 Kapitel 1 Haloklin kl. 12 Dybde [m] Nuværende 5 m. sluse Bro Før 1966 Bund Figur 1.6 Beliggenhed af haloklin i MIKE 12 for de modellerede situationer d kl Februar Potentiel energi anomali [J/m 2 ] Nuværende 5 m sluse Bro Før 1966 Figur 1.7 Potentiel energi anomali i længderetningen af Hjarbæk Fjord ved forskellige modelsituationer i februar, 21. 6

7 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord Haloklin kl. 19 Dybde [m] Nuværende 5 m. sluse Bro Før 1966 Bund Figur 1.8 Beliggenhed af haloklin i MIKE 12 for de modellerede situationer d kl Juli Potentiel energi anomali [J/m 2 ] Nuværende 5 m sluse Bro Før 1966 Figur 1.9 Potentiel energi anomali i længderetningen af Hjarbæk Fjord ved forskellige modelsituationer i juli,

8 Kapitel 1 Haloklin kl. 15 Dybde [m] Nuværende 5 m. sluse Bro Før 1966 Bund Figur 1.1 Beliggenhed af haloklin i MIKE 12 for de modellerede situationer d kl August Potentiel energi anomali [J/m 2 ] Nuværende 5 m sluse Bro Før 1966 Figur 1.11 Potentiel energi anomali i længderetningen af Hjarbæk Fjord ved forskellige modelsituationer i august,

9 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord Haloklin kl. 15 Dybde [m] Nuværende 5 m. sluse Bro Før 1966 Bund Figur 1.12 Beliggenhed af haloklin i MIKE 12 for de modellerede situationer d kl September Potentiel energi anomali [J/m 2 ] Nuværende 5 m sluse Bro Før 1966 Figur 1.13 Potentiel energi anomali i længderetningen af Hjarbæk Fjord ved forskellige modelsituationer i september, 21. Af graferne ses, at lagdelingen er svagere i februar end i sommermånederne for alle situationer, hvilket også var forventet. Ydermere ses, at en fjernelse af dæmningen ved Virksund (situation 2 og 3) skaber mere stabil lagdeling end hvis dæmningen og slusen bibeholdes (situation og 1). Dette taler imod hypotese 1 om at større tværsnitsareal ved Virksund vil nedbryde lagdelingen, jf. kapitel 8. 63

10 Kapitel Kontrol af Froudes tal i den nuværende sluse Iagttagelsen om øget stabilisering af lagdelingen ved alternativerne har ledt til spekulationer om MIKE 12 modellen regner rigtigt på trods af, at modellen er valideret. Det har voldt store problemer at modellere slusen, jf. bilag C.3.2, så det er nærliggende at undersøge nærmere om forholdene her bliver modelleret korrekt. Dette kontrolleres ved at undersøge om der forekommer strygende bevægelse gennem slusen i simuleringen, idet MIKE 12 ikke regner korrekt når strygende bevægelse forekommer [DHI, 22a]. Dette skyldes, at modellen ser bort fra hydrauliske spring ved overgang mellem strømmende og strygende bevægelse, og blot foretager en udglatning mellem de to strømningstyper. Dermed bliver hydrodynamikken ikke korrekt modelleret i det kritiske område ved slusen, hvis strygende bevægelse forekommer. Strygende bevægelse forekommer ved Froudes tal over 1 [Pedersen, 1988]. Det almene Froudes tal er beregnet for strømningen i det øvre lag mens det densimetriske Froudes tal er beregnet for strømningen i nedre lag gennem slusen (bilag D.2). Tallene er gengivet på Figur 1.14 og Figur Froudes tal [-] januar februar marts april maj juni juli september oktober november Figur 1.14 Froudes tal for øvre strømning gennem slusen ved MIKE 12 modellering af situation. Positive værdier indikerer strømning ud af Hjarbæk Fjord og negative værdier strømning ind i Hjarbæk Fjord. 64

11 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord 1 8 Densimetrisk Froudes tal [-] januar februar marts april maj juni juli september oktober november Figur 1.15 Densimetrisk Froudes tal for nedre strømning gennem slusen ved MIKE 12 modellering af situation. Positive værdier indikerer strømning ud af Hjarbæk Fjord og negative værdier strømning ind i Hjarbæk Fjord Af Figur 1.14 og Figur 1.15 ses tydeligt, at forudsætningen om Froudes tal mindre end 1 ikke er overholdt i store dele af modelleringsperioden. Det formodes, at dette resulterer i forkert modellering af de nuværende forhold i Hjarbæk Fjord, hvilket kan forklare de uventede observationer i afsnit Følsomhedsvurdering I MIKE 12 defineres to medrivningsfaktorer, R1 og R2, som bestemmer størrelsen af den medrivning der sker fra øvre til nedre lag og omvendt. Denne størrelse ligger i intervallet -,5, afhængig af lokale forhold [DHI, 22a]. I dette projekt er regnet med værdien,1 for begge parametre, jf. Skive Fjord-modellen [Limfjordsovervågningen, 22a]. Her efterprøves hvilken effekt en ændring af medrivningsfaktorerne til,5 vil få på haloklinens placering. Figur 1.16 og Figur 1.17 viser forskellen i haloklinens placering for hhv. et længdeprofil på et tilfældigt udvalgt tidspunkt samt for haloklinens middelplacering gennem hele fjorden i 21. Sammenligningerne viser, at højere medrivningsfaktorer sænker haloklinen. Dette viser, at der ligger en betydelig usikkerhedsfaktor i valget af medrivningsfaktorer. Medrivningsfaktorerne er dermed en vigtig kalibreringsparameter. Da der ikke foreligger profilmålinger for 21, har der ikke været adgang til empiriske værdier af haloklinens placering, som medrivningsfaktorerne kunne kalibreres ind efter. 65

12 Kapitel Placering af springlag [m] ,1,5 Bund Figur 1.16 Placering af haloklin d i scenario 3 ved medrivningsfaktorer på R=,1 og R=,5. Middel placering af springlag [m] januar 1 februar 1 marts 1 april 1 maj 1 juni 1 juli 1 august 1 september 1 oktober 1 Figur 1.17 Middel-placering af haloklin gennem Hjarbæk Fjord for scenario 3 i 21 ved medrivningsfaktorer på R=,1 og R=,5. Anvendelsen af lave medrivningsfaktorer kan eventuelt være grunden til, at haloklinen får højere placering og at φ øges ved de alternative scenarier, modsat forventning, jf. afsnit Dette skyldes, at en øget gennemstrømning koblet med lave medrivningsfaktorer muligvis forårsager at større mængder saltvand 1 lægger sig i bunden af Hjarbæk Fjord, med deraf følgende hævet haloklin og stærkere lagdeling. Dette er er dog kun spekulationer, som burde undersøges, men det er der pga. tidsbegrænsning afgrænset fra. 1 Som givetvis vil have relativt højere densitet end for den nuværende situation, idet indstrømning fra dybere lag i Lovns Bredning forventes at have højere densitet end de øvre vandmasser. 66

13 MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord 1.5 Eutrofieringsmodel i MIKE 12 På trods af at der i afsnit er stillet spørgsmålstegn ved korrektheden af MIKE 12 s modellering af de nuværende forhold er det forsøgt at opstille en eutrofieringsmodel (EUmodel) i MIKE 12. Dette er behandlet i bilag E. Efter nogen tids arbejde med EU-modellen har det ikke været muligt at opstille en tilfredsstillende model. De fejlslagne forsøg kan ikke umiddelbart tilskrives HD-modellen, men idet pålideligheden af HD-modellen er usikker er det valgt ikke at bruge mere tid på at få EU-modellen til at køre, og i stedet bruge arbejdsressourcerne på andre felter. 1.6 Sammenfatning Der er opstillet en MIKE 12 model for Hjarbæk Fjord og Lovns Bredning, som efter justering gav indtryk at kunne modellere den nuværende situation foruden de alternative scenarier for forholdene ved Virksund. Ved analyse af resultaterne fra modellen er det dog sandsynliggjort, at modellen ikke kan simulere de komplicerede forhold ved slusen i Virksund-dæmningen korrekt. Det formodes, at dette har resulteret i en fejlmodellering af hele modellen, hvilket er årsag til en u- ventet modsigelse af den grundlæggende hypotese om mindre lagdeling ved realisering af de opstillede alternativer. En yderligere usikkerhedsfaktor er valget af medrivningsfaktorer, som påvirker resultatet betragteligt. I kapitel 14 sammenlignes resultaterne af modelleringerne vha. MIKE 12 og MIKE 3. Dette kan yderligere kaste lys over, hvorvidt MIKE 12 regner forkert i den givne situation. 67