Multi-fraction Sediment Transport Modelling in MIKE 21 FM

Abstract

Elvemunninger og tidevannsbassenger spiller en viktig rolle i økosystemtjenester og menneskelige aktiviteter. Sengesammensetningen i slike kystmiljøer består av blandinger av sand og finstoff. Iterasjonen mellom de hydrodynamiske kreftene og de forskjellige sedimentfraksjonene fører til en ganske kompleks fysisk prosess. Imidlertid beskriver den numeriske modelleringen fortsatt sedimentfraksjonene i henhold til en frakoblet tilnærming. Av disse grunner utvikler DHI for tiden en ny multi-fraksjon sedimenttransportmodell som skal implementeres i MIKE 21/3 FM. Den nye formuleringen er utviklet og verifisert basert på flue laboratorieeksperimenter og en digital versjon av flue. Det er imidlertid behov for ytterligere undersøkelser angående feltforhold. Derfor har denne studien som mål å teste den nye DHI Multi-fraction Sediment Transport Model i et reelt tilfelle med feltforhold. Undersøkelsen evaluerer modellens ytelse ved å etablere en hydrodynamisk (HD) og sedimenttransportmodell for Ameland-innløpet. Vurderingen sammenligner de anslåtte suspenderte sedimentkonsentrasjonene ved bruk av den nye formuleringen med de tilsvarende målingene utført under MUSA-prosjektets feltkampanje. Den hydrodynamiske modellen fanger rimeligvis dynamikken fra offshore mot fastlandet. Lenger inne i bassenget (Holwerd brygge) gir det begrensninger når det gjelder modellering av vannstandstoppene og kummer. Modellen undervurderer de lave vannstandene mens den overvurderer de høye vannstandene - den maksimale absolutte forskjellen i begge tilfeller er ca. 15 cm. Ved kalibreringspunktet for dag 3 av MUSA-feltkampanjen er den simulerte strømhastigheten for toppstrømhastigheten ca. 0,6 m/s, mens den målte er ca. 1,0 m/s. Denne generelle undervurderingen av de modellerte strømhastighetene forklarer delvis vannstandsmisforholdet. Den nylig mudrede navigasjonskanalens batymetri er hovedkilden til usikkerhet i modellen. Overensstemmelsen mellom de modellerte og observerte strømhastighetene lenger unna den mudrede kanalen øker betraktelig. På dette stedet (dag 1 av MUSA-feltkampanjen) følger den anslåtte totale suspenderte sedimentkonsentrasjonen samme størrelsesorden som observasjonene. Når det gjelder sandfraksjonen, predikerer modellen rimeligvis det generelle mønsteret over tid. Modellen samsvarer også med samme størrelsesorden som de målte konsentrasjonene av suspendert finstoff. Derfor forutsier den nye DHI multi-fraksjon sedimenttransportmodellen rimelig dynamikken og størrelsen på suspendert sedimentkonsentrasjon når det gjelder sand- og finstofffraksjoner når drevet av nøyaktige hydrodynamiske påvirkninger.

Estuaries and tidal basins play an important role in ecosystem services and human activities. The bed composition of such coastal environments consists of mixtures of sand and fines. The iteration between the hydrodynamics forces and the different sediment fractions leads to a rather complex physical process. However, the numerical modelling still describes the sediment fractions according to a disconnected approach. For these reasons, DHI is currently developing a new multi-fraction sediment transport model to be implemented in MIKE 21/3 FM. The new formulation has been developed and verified based on flume laboratory experiments and a digital version of the flume. However, further investigation concerning field conditions is needed. Thus, this study aims to test the new DHI Multi-fraction Sediment Transport Model in a real case with field conditions. The investigation evaluates the model performance by establishing a hydrodynamic (HD) and sediment transport model for the Ameland Inlet. The assessment compares the predicted suspended sediment concentrations using the new formulation with the corresponding measurements carried out during the MUSA project field campaign. The hydrodynamic model reasonably captures the dynamics from offshore toward the mainland. Further inside the basin (Holwerd pier), it presents limitations concerning modelling of the water level crests and troughs. The model underestimates the low water levels whereas it overestimates the high water levels - the maximum absolute difference in both cases is approximately 15 cm. At the Day 3 calibration point of the MUSA field campaign, the simulated current speed for the peak ebb current speed is approximately 0.6 m/s whereas the measured one is approximately 1.0 m/s. This general underestimation of the modelled current speeds partially explains the water level mismatch. The newly dredged navigation channel bathymetry is the main source of uncertainty in the model. The agreement between the modelled and observed current speeds further away from the dredged channel considerably increases. At this location (Day 1 of the MUSA field campaign), the predicted total suspended sediment concentration follows the same order of magnitude as the observations. Regarding the sand fraction, the model reasonably predicts the general pattern over time. Also, the model matches the same order of magnitude of the measured suspended fines concentrations. Therefore, the new DHI Multi-fraction Sediment Transport Model reasonably predicts the suspended sediment concentration dynamics and magnitudes concerning sand and fines fractions when driven by accurate hydrodynamics forcings.