Numerikus modellezési feladatok a Dunántúlon 2015. február 10. A Balaton szél keltette vízmozgásainak modellezése Torma Péter Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Tavak vízmozgásai és jelentőségük
Horizontális diszkretizáció Számított állapotváltozók: sebességkomponensek vízszint És további skalárok: hőmérséklet hordalék koncentráció vízminőségi változók stb
Vertikális diszkretizáció
Áramlás 2D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt Mélység-átlagolt áramkép Hosszú távú folyamatok leírhatók így pl. hordalékmozgás Szél Felszíni áramlás Fenék közeli áramlás Mélység-átlagolt
Áramlás 3D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt. Sebesség mélység menti változását is számítjuk.
2D vagy 3D leírás Felszíni sebességmező Mélység-átlagolt sebességmező
Részecske útvonala 2D modell alapján 3D modell alapján
Térbeli folyamatok Hőmérsékleti rétegződés kialakulása: - napi ciklussal, - de akár hosszabb távon is szélcsendes időben. Stabil rétegződés Instabil rétegződés
Vízfelszín mozgása: kilendülés (HD modellek számítják) Balatonfűzfő Siófok Keszthely
Vízfelszín mozgása: hullámzás (Hullámzás modellek számítják) Hullámmagasság Hullámzás periódus ideje Permanes és nempermanens állapotok egyaránt Hullámmagasság és hullámgerincek
Modell igazolás: Kyrill vihar
Vízlengés számítása Első alkalmazás: Kyrill-vihar, 2007 január Max. szélsebesség: 90 km/h (nem széllökés!) Tó hossz-tengelyével párhuzamosan fújó szél. Több, mint 1 m vízszintkülönbség a tó két végén. Vízszínkilendülés és lecsengésének számítása teljes 3D térbeli modellel.
Modell igazolás: 1997 és 1998-as mérések
Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége Szélmező OMSZ modellből (WRF) felbontás: 900 m z = 10 m felszín felett C 10 =? τ - a szél-csúsztatófeszültség U 10 - a szélsebesség 10 m-en ρ - a levegő sűrűsége Belső határréteg fejlődés figyelembe vétele?
irány ( ) v (m/s) irány ( ) v (m/s) Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége
v (m/s) Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége É ÉNY NY
Modell igazolás: tanulságok Eltérések lehetséges okai Szél-csúsztatófeszültség nem elegendően pontos számítása: Térbeli változékonyság (orográfiai, mikrometeorológiai hatások) Időbeli változékonyság Terepmodell hibái Meteorológiai modell esetén 900 m-es felbontás 10 m-re a felszín felett kezdődik a modellezett tartomány: Felszíni folyamatok közelítő számítása (pl. hasonlósági elmélettel). Ezáltal mikro léptékű változások, mint a határréteg fejlődés figyelmen kívül hagyása
z Belső határréteg fejlődés a tó felett z z z 0,land u 1 < u 2 < u 3 z 0,water u 1 u 2 u 3 LAND WATER Meghajtási hossz: N-NW wind Feszültség: x
Határréteg fejlődés hatása az áramlásra
Szélmező interpoláció Állomások mérési adatai alapján szélmező számítása a teljes tófelületre Figyelembe veszi és számítja: szélirány eltérést, belső-határréteggel kialakuló szél-csúsztatófeszültség eloszlást, Parti és tavi állomásokat is képes felhasználni visszafelé is számolja határréteg fejl. Extrapolációra is képes legyen.
Számított vízszint ingadozás Balatonfűzfő Balatonszemes Keszthely
Alkalmazási területek Beavatkozások várható hatásának vizsgálata: kotrás kikötők építése hullámtörők építése stb. Áramlás és fenékcsúsztató feszültség Hullámzás
Alkalmazási területek Számos lehetséges helyzet modellezése békeidőben : Partvédő művek tervezéséhez tervezési segédletek létrehozása: Félempirikus összefüggések alkalmazásán túl modellezéssel támogatott tervezés Vízszín kilendülés különbőz szélirányok és szélsebességek esetére Elöntés- és veszélytérképezés (szabályozási vízszint megváltozásával újraszámolandó) Szél keltette vízmozgás: Szélmérési adatsorok részletes statisztikai vizsgálata jellemző irányok és nagyságok meghatározásra.
Szélmeghajtás számítása mérések alapján Balatoni Viharjelző Rendszer keretében zajló mérések: Szél Léghőmérséklet Vízhőmérséklet Páratartalom Pontbeli mérésekből interpolációs eljárással térbeli szélmező, amely tó feletti szélviszonyok sajátosságait figyelembe veszi.
Balatoni hidrodinamikai előrejelző rendszer Közép-Európa legnagyobb tava: A = 600 km 2, h átl = 3,5 m Tókezelők operatív feladatai: megfelelő vízminőség biztosítása kiktötők kotrása, fenntartása; elöntés és hullámzás elleni védelem; bajba jutottak mentése; havária események kezelése... Valós idejű leírása a tó aktuális és közeljövőbeli környezeti állapotának, vagyis a vízbiztonság megteremtése Hidrodinamikai előrejelző és döntéstámogató rendszer
Előrejelző rendszer felépítése
Torma Péter torma.peter@epito.bme.hu Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem