Simulation und Analyse der hydrologischen und morphologischen Entwicklung der Tideelbe für den Zeitraum von 2013 bis 2018; Teilprojekt 2: Modellbildung und Parametrisierung; Project acronym: ELMOD

Abstract

Dieses Projekt wurde im Rahmen der Forschungsinitiative "ELMOD" durchgeführt, deren Ziel die Simulation und Analyse hydrologischer und morphodynamischer Prozesse im Tideästuar der Elbe ist. Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel von ELMOD besteht in der Entwicklung physikalisch konsistenter Parametrisierungen für zentrale sedimentbezogene Prozesse und deren Integration in fortgeschrittene hydro-morphodynamische Simulationsmodelle. Kohäsive Sedimente spielen in Ästuarsystemen eine dominierende Rolle, da sie Trübungsmaxima, Fluid-Mud-Bildung, Schichtung sowie die Sohlenentwicklung maßgeblich steuern. Gleichzeitig stellt ihre Modellierung eine der größten Herausforderungen der Sedimentdynamik dar, da sie durch eine starke Kopplung zwischen mikroskaligen Partikelwechselwirkungen, nicht-newtonscher Rheologie, Konsolidierungsprozessen und großskaliger Hydrodynamik gekennzeichnet ist. Die vorliegende Arbeit adressiert diese Herausforderung durch die Entwicklung, Validierung und Integration eines physikalisch konsistenten, mehrprozessbasierten Modellierungsrahmens für die Dynamik kohäsiver Sedimente innerhalb eines einheitlichen eindimensional vertikalen (1DV) hydro- morphodynamischen Modells. Das Projekt folgt dabei einem strikt hierarchischen physikalischen Konzept: ausgehend von interpartikulären Kräften und der Mikrostruktur von Flocken, über das rheologische Verhalten von Suspensionen und Konsolidierungsdynamiken, bis hin zum sedimentären Transport und der morphodynamischen Entwicklung auf Ästuarskala. Die erste zentrale Komponente des Projekts ist die physikalisch basierte Modellierung der Flockulation. Die Flockulation bestimmt die effektive Partikelgröße, Dichte und das Sinkverhalten kohäsiver Sedimente und stellt damit den grundlegenden Ausgangspunkt der gesamten Prozesskette dar. Bestehende Flockulationsmodelle basieren häufig auf konstanten oder nur schwach physikalisch begründeten Annahmen zur Fließgrenze, was ihre Vorhersagefähigkeit außerhalb enger Kalibrierbereiche deutlich einschränkt. Zur Überwindung dieser Limitation wurde in dieser Arbeit eine neue theoretische Formulierung der Flockfließgrenze entwickelt, die direkt aus interpartikulären Bindungskräften und physikalisch realistischen Annahmen zur Flockstruktur abgeleitet ist. Während zurWahrung der Modellrobustheit eine konstante fraktale Dimension beibehalten wurde, wird die Fließgrenze explizit als flockgrößenabhängige Größe formuliert. Dadurch kann die zunehmende strukturelle Festigkeit größerer Flocken physikalisch konsistent erfasst werden. Umfangreiche Validierungen anhand von Labordaten zeigen, dass die neue Formulierung sowohl die transiente als auch die Gleichgewichts-Entwicklung der Flockgröße deutlich verbessert vorhersagt. Diese Entwicklung schafft eine physikalisch robuste mikroskalige Grundlage für alle nachfolgenden sedimentbezogenen Prozessbeschreibungen im Modellrahmen. Die zweite Hauptkomponente des Projekts befasst sich mit dem rheologischen Verhalten kohäsiver Sedimentsuspensionen. Bei hohen Konzentrationen zeigen solche Suspensionen ein stark nichtnewtonsches Verhalten, das durch scherverdünnende Viskosität, Fließspannung und Gedächtnis gekennzeichnet ist. Dieses Verhalten beeinflusst maßgeblich die Turbulenzdämpfung, die vertikale Schichtung und den Impulstransport in hyperturbiden Ästuaren wie der Ems und der Elbe. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein erweitertes rheologisches Modell vom Cross-Typ entwickelt, in dem die effektive Viskosität explizit von der Feststoffkonzentration, der Flockgröße und mikroskopischen Strukturparametern abhängt. Diese Formulierung stellt eine direkte konstitutive Kopplung zwischen Flockulationsdynamik und kontinuierlichem Impulstransport her. Validierungen mit Sedimentproben aus der Ems bestätigen, dass das Modell das experimentell beobachtete scherverdünnende Verhalten über einen breiten Bereich von Scherraten und Konzentrationen zuverlässig reproduziert. Damit wird eine physikalisch konsistente rheologische Schließung bereitgestellt, die direkt mit den Turbulenz- und Transportgleichungen des hydro-morphodynamischen Modells kompatibel ist. Die dritte Kernkomponente behandelt den Konsolidierungsprozess kohäsiver Sedimente nach der Ablagerung. Die Konsolidierung steuert den Übergang von flüssigkeitsähnlichen Suspensionen zu mechanisch stabilen Sedimentsohlen durch Porenwasserabfluss, Eigengewichtskompaktion und die Ausbildung eines tragfähigen Partikelnetzwerks. Dieser Prozess bestimmt maßgeblich die langfristige Sohlenentwicklung, Erodierbarkeit und morphodynamische Rückkopplungen. Eine zentrale Herausforderung der Konsolidierungsmodellierung besteht in der physikalisch konsistenten Identifikation des Gelpunkts sowie des Übergangs von permeabilitäts- zu effektivspannungsdominiertem Verhalten. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Gelkonzentration entwickelt, die auf den Ableitungen der rheologischen Viskosität basiert. Dadurch wird ein physikalisch fundiertes Kriterium für den Beginn der Netzwerkbildung bereitgestellt. Zusätzlich wurde eine zweite kritische Konzentration identifiziert, die den Übergang zur effektivspannungsdominierten Konsolidierung markiert. Auf Basis dieser beiden Schwellenwerte wurde eine neue Parametrisierung der effektiven Spannung und der vertikalen Konsolidierungsrate abgeleitet, die explizit zwischen permeabilitätsgesteuerten und mechanisch kontrollierten Regimen unterscheidet. Validierungen mit Sedimentproben aus der Ems zeigen, dass das Modell das beobachtete Konsolidierungsverhalten zuverlässig abbildet und eine robuste Beschreibung der langfristigen Sohlenentwicklung ermöglicht. Die vierte Hauptkomponente befasst sich mit der Sinkgeschwindigkeit träger Partikel in turbulenten und wellenbeeinflussten Strömungen. Die Sinkgeschwindigkeit stellt den zentralen Transportmechanismus für vertikale Sedimentflüsse dar und kontrolliert direkt die Kopplung zwischen Schwebstoffdynamik, Ablagerung und Konsolidierung. Im Gegensatz zu klassischen Sinkformeln für ruhende Strömungsbedingungen sind Ästuare durch starke Turbulenzanisotropie, oszillatorische Bewegung und nichtlineare Widerstandseffekte geprägt. Daher wurde eine neue physikalisch basierte Parametrisierung der Sinkgeschwindigkeit aus der zeitlich gemittelten Partikelkraftbilanz hergeleitet. Die Formulierung berücksichtigt explizit nichtlinearen Widerstand, virtuelle Masse und Basset-Geschichtskräfte. Zudem wurde ein neuer dimensionsloser Parameter eingeführt, der turbulenzinduzierte Anisotropie physikalisch konsistent beschreibt. Umfangreiche Validierungen anhand direkter numerischer Simulationen, Laborversuche in offenen Gerinnen sowie Messungen unter oszillatorischen Strömungsbedingungen zeigen, dass das Modell sowohl erhöhte als auch reduzierte Sinkgeschwindigkeiten über einen breiten Bereich von Strömungsregimen und Partikelgrößen realistisch erfasst. Die abschließende Projektkomponente besteht in der vollständigen Integration aller entwickelten Teilmodelle in ein einheitliches eindimensional-vertikales hydro-morphodynamisches Modell. Der Modellrahmen koppelt Impulsbilanz, Turbulenzschließung, Schwebstofftransport, Rheologie, Sinkprozesse, Konsolidierung und Sohlenentwicklung in einer ganzheitlichen Formulierung. Eine zentrale Innovation dieses Projekts ist die globale Parametrisierungsstrategie, die es erlaubt, physikalisch konsistente Parameter über alle Teilmodelle hinweg zu verwenden, anstatt jedes Teilmodell separat zu kalibrieren. Der integrierte Modellrahmen wurde exemplarisch auf die Ems als hyperturbiden Testfall unter realistischen Tidebedingungen angewendet. Über Flut-, Stillstands- und Ebbphasen hinweg zeigte das neue Modell signifikant verbesserte Vorhersagen der vertikalen Geschwindigkeitsprofile, Schwebstoffkonzentrationen und Geschwindigkeitsgradienten im Vergleich zu etablierten Parametrisierungsansätzen. Ein besonders wichtiges Ergebnis ist, dass das gesamte Modellsystem ausschließlich über das rheologische Teilmodell kalibriert wird und dennoch eine hohe Vorhersagegüte über die vollständig gekoppelte Prozesskette hinweg erreicht. Dies belegt, dass die wesentlichen physikalischen Mechanismen kohäsiver Sedimentdynamik im vorgeschlagenen Rahmen konsistent erfasst sind. Insgesamt etabliert dieses Projekt einen vollständigen, physikalisch konsistenten und vollständig integrierten Modellierungsrahmen für die Dynamik kohäsiver Sedimente in ästuariellen Systemen. Jedes einzelne Teilmodell basiert auf physikalisch fundierten Annahmen und wurde anhand experimenteller oder feldbasierter Daten validiert. Entscheidend ist jedoch, dass ihre Integration in einen einheitlichen Rahmen eine durchgängige physikalische Konsistenz entlang der gesamten Prozesskette von der Partikelskala bis zur Ästuarskala gewährleistet. Aus praktischer Sicht besitzt der entwickelte Rahmen eine hohe Relevanz für Bagger- und Sedimentmanagement, die Unterhaltung von Schifffahrtswegen, die Bewertung der Wasserqualität sowie für langfristige morphologische Prognosen unter veränderten hydrodynamischen und klimatischen Randbedingungen. Durch die Reduktion empirischer Feinabstimmungen und die Stärkung der physikalischen Basis zentraler Parametrisierungen wird die Vorhersagesicherheit deutlich erhöht und die Unsicherheit in ingenieur- und umweltrelevanten Entscheidungsprozessen verringert. Das Projekt eröffnet eine Reihe weiterführender Forschungsrichtungen. Dazu zählen die Erweiterung der globalen Parametrisierungsstrategie auf vollständig dreidimensionale hydro- morphodynamische Modelle, die Berücksichtigung von Partikelform-Effekten und Polydispersität in rheologischen und sinkgeschwindigkeitsbezogenen Formulierungen, die Integration biologisch beeinflusster Flockulationsprozesse sowie der Einsatz physik-informierter Machine-Learning-Ansätze zur Parameteridentifikation und Unsicherheitsquantifizierung. In Kombination mit klimawandelbedingten Randbedingungen bietet der vorgestellte Rahmen eine leistungsfähige Grundlage zur Untersuchung der langfristigen Entwicklung kohäsiver Sedimentsysteme unter sich ändernden Umweltbedingungen. Zusammenfassend liefert dieses Projekt einen umfassenden, physikalisch fundierten und intern konsistenten Modellierungsrahmen für die Dynamik kohäsiver Sedimente in ästuariellen Umgebungen. Durch die Vereinheitlichung von Flockulation, Rheologie, Konsolidierung, Sinkprozessen und großskaligem Transport innerhalb einer kohärenten Formulierung leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag sowohl zum wissenschaftlichen Verständnis als auch zur praktischen Simulationsfähigkeit eines der komplexesten Teilbereiche natürlicher Sedimenttransportsysteme. This project was carried out within the framework of the ELMOD research initiative, which aims at the simulation and analysis of hydrological and morphodynamical processes in the tidal Elbe estuary. The overarching scientific objective of ELMOD is to develop physically consistent parameterizations for key sediment-related processes and to integrate them into advanced hydro-morphodynamic simulation models. Cohesive sediments play a dominant role in estuarine systems by controlling turbidity maxima, fluid-mud formation, stratification, and bed evolution. At the same time, their modeling remains one of the most challenging aspects of sediment transport due to the strong coupling between micro-scale particle interactions, non-Newtonian rheology, consolidation processes, and large-scale hydrodynamics. The present work addresses this challenge by developing, validating, and integrating a physically consistent, multi-process modeling framework for cohesive sediment dynamics within a unified one- dimensional vertical (1DV) hydro-morphodynamic model. The project follows a strictly hierarchical physical concept: starting from inter-particle forces and floc microstructure, progressing through rheological suspension behavior and consolidation dynamics, and culminating in estuary-scale sediment transport and morphodynamic evolution.