Das Projekt "Vorhaben: Numerische Simulation des Emsästuars (MudEstuary-B)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Mit der Durchführung des Verbundprojekts MudEstuary soll ein maßgeblich weiterentwickeltes numerisches Verfahren zur Verfügung stehen, welches die Tidedynamik und den Transport von schlickhaltigem Material in Ästuaren in Abhängigkeit von der Rheologie und der Turbulenz berechnen kann. Weiterhin ist ein Hauptziel anhand der Untersuchung historischer Zustände des Emsästuars ein tieferes Verständnis der Tidedynamik durch Flüssigschlick sowie der Bedingungen, unter denen ein so erheblicher Flüssigschlickanfall wie in der Ems auch in anderen Ästuaren entstehen kann. Der Fokus des Teilprojekts B der Bundesanstalt für Wasserbau liegt auf der numerischen Simulation des Emsästuars. Die wesentlichen Arbeitsschritte des Teilprojekts B umfassen: (i) Weiterentwicklung des Simulationsmodells unter Zusammenführung von Turbulenz- und rheologischem Modell, (ii) Anwendung und Validierung des neuen Simulationsansatzes in einem bestehenden Emsmodell, (iii) Integration des im Teilprojekt A entwickelten Viskositätsmodels, (iv) Anwendung des erweiterten Modellverfahrens auf das Emsästuar sowie Untersuchung historischer Systemzustände. Insbesondere im Hinblick auf die Verschlickungsproblematik des Emsästuars werden mit diesem beantragten Projekt neue Erkenntnisse gewonnen, die bereits in laufenden sowie in zukünftigen Sedimentmanagementstrategien (mit dem Fokus auf Feinsedimente) berücksichtigt werden können. Das weiterentwickelte Modellverfahren mit der neuen Modellviskosität aus Turbulenz und Rheologie ermöglicht darüber hinaus, zukünftig erforderliche Maßnahmen zur Rückentwicklung ungünstiger Systemzustände auch in ihrer Wirkung auf Schlicktransport und Schlickakkumulation fachlich abgesichert zu untersuchen und zu beurteilen. Weiterhin soll durch eine Übertragung der Erkenntnisse der Ems auf andere Ästuare überprüft werden, ob diese ebenfalls gefährdet sind, zu einem schlickdominierten System zu werden.
Das Projekt "Leitantrag; Vorhaben: Untersuchungen und Entwicklung eines Ansatzes zur Modellviskosität zwischen Turbulenz und Rheologie (MudEstuary-A)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität der Bundeswehr München, Institut für Wasserwesen, Professur für Hydromechanik und Wasserbau durchgeführt. Zur Modellierung der Dynamik von Flüssigschlicken wurde in den vorangegangenen KFKI-Projekten MudSim A und B (03 KIS 66-67) ein numerisches Modellsystem entwickelt, welches die komplexen rheologischen Eigenschaften dieser Fluide erfassen kann. Dieses Modell beinhaltet allerdings nur die Rheologie dieser Flüssigschlicke und kann bislang nicht den kontinuierlichen Übergang vom Flüssigschlick über die Suspension in das eventuelle vorhandene Klarwasser mit freier Turbulenz erfassen. Dabei wird das viskose Verhalten von Wasser durch Turbulenzmodelle, während das viskose Verhalten von Flüssigschlick durch rheologische Modelle beschrieben wird. Für diese Ansätze soll im beantragten Projekt ein kontinuierlicher Übergang entwickelt werden, so dass die Beeinflussung der Tidedynamik in den Ästuaren mit Flüssigschlickanfall durch einen Modellansatz beschrieben werden kann. Nach einer Literaturrecherche wird ein Laborversuch entwickelt, in welchem die Turbulenzdämpfung in einer geschichteten Schlicksuspension untersucht werden kann. Der Laborversuch wird mit möglichst natürlichen Schlicken bestückt, so wie sie in der Ems vorkommen. Im Laborversuch werden dann die turbulenten und die rheologischen Eigenschaften des geschichteten Wasser-Schlick-Systems ermittelt und mit dem Modellviskositätsansatz nachgerechnet, wodurch dieser validiert werden soll. Weitere Laboruntersuchungen werden zur Erfassung des Einflusses der Salinität und die biologische Aktivität auf die Rheologie der Flüssigschlicke durchgeführt. Ein solcher Ansatz ist vor allem deshalb notwendig, um die zunehmende Verschlickung des Emsästuars zum einen durch die Modellierung historischer Zustände ursächlich zu verstehen und auf diesen Erkenntnissen aufbauend Lösungsansätze für das Emsästuar zu erarbeiten. Deshalb wird das so gewonnene Modell zur turbulenten und rheologischen Viskosität wird im Teilprojekt B in die Simulationsmodelle der BAW eingearbeitet.
Das Projekt "Sub project: Deep-seated fluid flow processes, seismic faulting and mud volcanisms in a mature collision zone; The backstop to the Mediterranean Ridge accretionary prism" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Zentrum für marine Umweltwissenschaften durchgeführt. Convergent plate margins are important locations of mass transfer processes and tectonic activity. However, the so-called subduction factory has rarely been studied by scientific ocean drilling. It comprises (i) the small loop (where frontal accretionary prism is characterised by mostly dewatering), the intermediate loop several tens to hundreds of kilometres behind the toe (where out-of-sequence-faults and other pathways funnel deep-seated material to the ocean), and (iii) the big loop (where material is either recycled in the mantle, or emitted along the volcanic arc). The intermediate loop has never been drilled by DSDP, ODP or lODP, and only active proposal 555-full3 addresses this area in the Hellenic Subduction Zone (HSZ), Eastern Mediterranean. Three major faults south of Crete, all superbly imaged geophysically and one juxtaposed by an active mud volcano, provide evidence for fluid (and mud) ascent from several km depth in the backstop to the accretionary prism. To assist this 4* proposal in SPC ranking and OTF scheduling, and to test a number of critical hypothesis in subduction factory research linking hydrology and tectonics, we propose: - to carry out a research cruise (RV Poseidon) to deploy flow meters, take gravity cores and collect in situ pore pressure data at the proposed drill sites, - to use existing geotechnical as well geochemical data plus those collected during the cruise and from the fluxmeters to numerically model fluid flow at the boundary between the accretionary complex and its hinterland (i.e. the intermediate loop ofthe subduction factory between Eurasia and Africa), and - to relate physico-chemical processes along the active faults to be penetrated to the geochemical findings from hydrothermal experimenls and long-term deployments.
Das Projekt "Vorstudien zur Entwicklung eines rheologischen Moduls für UnTRIM" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Problemdarstellung und Ziel: Die Simulation des hoch komplexen Fließverhaltens von Flüssigschlick stellt weiterhin eine Herausforderung in der aktuellen Forschung und Entwicklung im Wasserbau im Küstenbereich dar. Zwar sind in den letzten Jahren einige Fortschritte in der Simulation der Flüssigschlickdynamik erzielt worden (z.B. Wehr, 2012), hinsichtlich der gegenseitigen Wechselwirkung zwischen Flüssigschlick und Wassersäule besteht jedoch weiterhin Forschungsbedarf. Das langfristige Ziel ist es ein rheologisches Modul für Simulationsverfahren wie z.B. UnTRIM zu entwickeln, welches auch die Interaktion von Flüssigschlick und Wassersäule berücksichtigt. Hierfür sind jedoch zunächst Vorstudien zwingend erforderlich: Basierend auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft werden vorhandene Modellansätze mithilfe von Laborversuchen validiert. In dem Forschungsprojekt soll eine erste Untersuchung der Interaktion von Flüssigschlick (Rheologie) und der darüber liegenden Wassersäule (Turbulenz) erfolgen. Zu diesem Zweck werden Laborversuche zur Turbulenz von granularen Suspensionen durchgeführt. Die Ergebnisse sollen langfristig in einem numerischen Modell zur Nachbildung der Versuche implementiert und die Machbarkeit und Validität des numerischen Verfahrens analysiert werden. Anhand der Ergebnisse soll der weitere Forschungsbedarf und die nächsten Entwicklungsschritte zu Simulationsverfahren der Tidedynamik unter dem Einfluss von Flüssigschlick detailliert skizziert werden. Ergebnisse: Die Turbulenzsimulation in HN-Modellen erfolgt durch Turbulenzmodelle, wie beispielsweise ein k-epsilon Turbulenzmodell. Dabei werden nicht die einzelnen Wirbel aufgelöst, sondern die Effekte von Turbulenz betrachtet. Durch ein Turbulenzmodell wird demnach die Viskosität des Fluids um eine turbulente Viskosität ergänzt. Folglich wird die Zähigkeit von Wasser also künstlich erhöht. In diesem Projekt wurden Viskositäten von Flüssigkeiten durch Analysen am Rheometer im Labor nachgemessen. Die Rheometermessungen wurden sowohl mit reinem Wasser wie auch mit granularen Suspensionen für unterschiedliche Feststoffgehalte durchgeführt. Ziel der Messungen war es durch gezielte Messeinstellungen, also sehr hohen Scherraten im CSR-Modus, turbulente Fließbedingungen im Messgerät zu erzeugen. Die Turbulenz - als wirbelndes, chaotisches Fließen - führt zu zusätzlichem Energieverlust, was in den Messergebnissen als Anstieg der Viskosität bzw. Zähigkeit zu erkennen ist. In den Rheometerversuchen konnte in Abhängigkeit der Temperatur, des Spaltabstands und der Scherrate ein eindeutiger Anstieg der dynamischen Viskosität nachgewiesen werden. Dies bestätigt die Theorie der Viskositätserhöhung mit Hilfe von Turbulenzmodellen. In weiteren Messungen wurden granulare Suspensionen mit 'Nanopearls' hergestellt. Es erfolgte eine gezielte Verwendung von Nanopearls, da sie eine Dichte vergleichbar mit der von Wasser haben. (Text gekürzt)
Das Projekt "Verbesserung von Methoden und Verfahren der BAW zur Entwicklung und belastbaren Beurtei-lung von Maßnahmen zur Reduzierung des Schwebstofftransportes in die Unterems" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. 1 Problemdarstellung und Ziel. 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Das Emsästuar ist ein ausgeprägtes flutstromdominantes System. Dies führt durch den stromaufgerichteten Schwebstofftransport zu einer erheblichen Verschlickung der Unterems. Um Maßnahmen zur Reduzierung des Schwebstofftransportes in die Unterems zu untersuchen und belastbar zu beurteilen, sollen Methoden und Verfahren der BAW im Rahmen dieses FuE-Projekts weiterentwickelt und verbessert werden. Basierend auf den Ergebnissen des Aktionsprogramms Ems (BAW, 2010) sollen die dafür notwendigen Untersuchungen mit den hydrodynamisch morphologisch numerischen Modellen der BAW durchgeführt werden. Das Projekt umfasst folgende Forschungsschwerpunkte: - Es sollen wasserbauliche Maßnahmen zur Reduzierung des stromaufwärtsgerichteten Schwebstofftransports sowie der Verschlickung der Unterems entwickelt und objektiv eingeschätzt werden. Hierfür sind verschiedene mögliche Lösungsvarianten mit dem HN-Modell UnTRIM, welches mit dem numerischen Sedimenttransportmodell SediMorph gekoppelt wird, zu untersuchen und soweit möglich in ihrer Wirksamkeit zu optimieren. - Die entwickelten wasserbaulichen Maßnahmen umfassen zudem hydraulische Querbauwerke deren Wirkung im Nahbereich durch das UnTRIM-Modell unter bestimmten Bedingungen nicht ausreichend physikalisch (und numerisch) genau berechnet werden kann. Hierfür sollen ggf. Modelle, die die lokale Wirkung von Bauwerken auf die Hydrodynamik adäquat berücksichtigen können, zur Absicherung der UnTRIM-Ergebnisse herangezogen werden. - Die numerischen Modelle UnTRIM und SediMorph unterliegen einer ständigen Weiterentwicklung und Optimierung. Neue oder überarbeitete Modellansätze, wie z.B. zur Modellierung der Turbulenz oder der Sinkgeschwindigkeit (konzentrations- und turbulenzabhängig), sowie weitere Modellverfahren, wie z.B. Delft3D, sollen überprüft werden. Auch die Wechselwirkung zwischen Wasserkörper, Flüssigschlick und (fester) Sohle ist ein entscheidender Prozess für die Hydro-, Schwebstoff-, und Morphodynamik der Unterems. Mit dem im KFKI-Forschungsvorhaben entwickelten Flüssigschlick-Modell MudSim (Wehr, 2012) sollen hierfür weitere Analysen sowie eine Integration der Software in die Programmumgebung der BAW erfolgen. - Untersuchungen zu den Folgen eines Klimawandels wurden in den Forschungsprojekten KLIWAS (Seiffert et al., 2014) und KLIMZUG-Nord bei der BAW durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sich sowohl durch einen Meeresspiegelanstieg als auch durch veränderte Abflussverhältnisse die Unterhaltungssituation der Schifffahrtsstraßen in den Ästuaren weiter verschlechtern wird. Deswegen sollten Lösungsvarianten hinsichtlich dieser möglichen Veränderungen geprüft werden.
Das Projekt "Strömungsprozesse in Flüssigschlick: Mathematische Modellierung und numerische Simulation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Angewandte Mathematik durchgeführt.
Das Projekt "Sub project: MeBoCORK: Development of borehole observatories for MeBo (MARUM Meeresboden- Bohrgerät): Application to the seismogenic Nankai Trough subduction zone, Japan" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Zentrum für marine Umweltwissenschaften durchgeführt. Approximately 90 percent of the seismic moment on Earth is released in often devastating subduction zone earthquakes (EQs). In the Integrated Ocean Drilling Program (lODP), the study of seismogenesis along an active convergent margin plays a key role in the form of a multi-expedition effort named 'NanTroSEIZE' (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment). To date, eight expeditions (lODP Expeditions 314-316, 319, 322, 326, 332-333) drilled 12 sites along a transect from the incoming plate across the frontal accretionary prism to the forearc basin. In the near future, the deepest hole will tap into the seismogenic portion of the subduction megathrust using Riser drilling. The proponent participated in three of the NanTroSEIZE expeditions, most recently as co-chief scientist overseeing the successful recovery of a mini-CORK and the installation of a mini-CORK and a full CORK observatory (Exp 332). This proposal aims lo reach two major scientific milestones:(i) In addition to the German component of the lODP borehole observatory network (i.e. mini- CORKs during Legs 319 and 332 plus some contribution to the full CORK), we want to extend the long-term monitoring efforts to active mud volcanoes some 30 km landward of Site C0009. These features carry gas hydrates and deep-seated fluids, most likely tapping into the seismogenic zone at a depth of several km below seafloor, and are also overlying an area of high strains and a locked plate boundary-thrust.(ii) The second goal is to develop a smart MeBo (MARUM Meeresboden-Bohrgerät) CORK observatory to be installed in two of these mud volcanoes. These observatories will be self-contained and monitor pore pressure and temperature as proxies for strain and fluid flow near terminal depth of the borehole. Their hydraulic lines can further be used for geochemical (osmo-sampler) and microbiological (FLOCS units) monitoring and sampling.The underlying reason for the engineering effon of smart observatories for MeBo is founded in the new lODP Science Plan where specialist rigs such as MeBo are discussed as ECORD's contribution from 2013-2023. So far, CORKs or other sophisticated long-term devices were restricted to DVs Joides Resolution and Chikyu, however, we here present an affordable solution for versatile, multi-disciplinary MeBo borehole instruments. The proposed system is to be installed by MeBo alone and data can be retrieved by ships of opportunity. A seafloor extension, to be deployed and recovered by ROVs (during and/or after the anticipated lODP expedition) can add capability and payload, and hence represent the means for more than decade of monitoring. Data recovery will be from ships of opportunity and hence frequently possible.Funding for MeBo drilling and ROV installations in the Nankai mud volcano field has already been granted (RV Sonne cruise SO222 in summer 2012) and is brought into the project as in kind contribution.
Das Projekt "Sub project: Site survey data evaluation IODP Proposal 633" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR) durchgeführt. IODP drilling proposal (Costa Rica Mud Mounds) aims to enhance the general understanding of complex forearc dewatering processes of the erosive subduction system off Costa Rica and Nicaragua. Scientific evaluation recently resulted in a high ranking of the drilling proposal. Major sites of dewatering planned for drilling are mounds, related to mud diapirism/volcanism and precipitation of authigenic carbonates, and large-scale slides related to the subduction of seamounts. New pre-site survey seismic data was collected during a cruise of R/V Marcus Langseth in 2008 at the proposed sites of Mound Culebra and Mounds 11&12. These new data - together with the reprocessed pre-existing geophysical data - were submitted to the IODP safety panel for a final decision and scheduling of the R/V Joides Resolution leg. The new data are of exceptionally high quality and allow a detailed analysis of the processes that control fluid migration in the Costa Rican margin. Therefore we propose to (1) investigate the role of the acoustic basement for the fluid ascent, (2) understand the effect of mud volcanism on the gas hydrate system and the interactions between gas hydrate formation and dissociation with the fluid ascent from the deep sources, and (3) to invert the seismic data for gas and gas hydrate concentrations. The extension of the project will provide a wealth of geological information and further promote the drilling proposal.
Das Projekt "Forschungsinitiative 'Wasser und Sicherheit' LUH" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hannover, Ludwig-Franzius-Institut für Wasserbau, Ästuar- und Küsteningenieurwesen durchgeführt. Umweltschäden und Hochwasser: Entwicklung von Messverfahren und Methoden zur Bestimmung von Flüssigschlickparametern - in-situ und Labor
Das Projekt "Numerische Simulation der Dynamik von Flüssigschlick (MudSim)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Problemstellung und Ziel: In vielen Bereichen der Deutschen Küste führt eine zunehmende Verschlickung von Häfen, Hafenzufahrten und Teilabschnitten der Ästuare zu hohen Unterhaltungskosten. Besonders in strömungsberuhigten Zonen akkumuliert der Schlick und konsolidiert letztendlich. Diese konsolidierten Schlickschichten sind nur mit hohem Aufwand zu mobilisieren oder abzutragen. Fragestellungen des Suspensionstransports werden mit hydrodynamischen numerischen Modellverfahren untersucht. Die derzeitig etablierten und erprobten Modellverfahren sind jedoch kaum in der Lage die Dynamik von Flüssigschlick (fluid mud, hochkonzentrierte Schlicksuspension) zu simulieren. Dies begründet sich in den besonderen rheologischen Eigenschaften von Flüssigschlick. Das Fließverhalten von Flüssigschlick entspricht nicht einem Newtonschen Fluid, wie Klarwasser. Jedoch basieren die hydrodynamischen numerischen Modelle in der Regel auf diesem Ansatz. In diesem Forschungsprojekt soll daher ein bestehendes und bewährtes hydrodynamisches Modellverfahren für die Simulation von Flüssigschlick erweitert werden. Bedeutung für die WSV: Mit Hilfe des Verfahrens MudSim sollen zukünftig erforderliche Maßnahmen auch in ihrer Wirkung auf Schlicktransport und Schlickakkumulation untersucht werden können, um Bau- und Unterhaltungsmaßnahmen im Hinblick auf die Minimierung dieser Prozesse ausrichten zu können. Zudem sollen hiermit bestehende und zukünftige Managementstrategien zur Umlagerung und Unterbringung hoch konzentrierter Schlicksuspensionen und konsolidierter Schlicke verbessert werden. Untersuchungsmethoden: Grundlegend für die Entwicklung neuer Methoden zur numerischen Simulation von Flüssigschlick sind die Erforschung rheologischer Eigenschaften und die Bestimmung der charakterisierenden Parameter zur Beschreibung von Flüssigschlick. Einer der wichtigsten charakterisierenden Parameter für das Verhalten von Flüssigschlick ist der Feststoffgehalt, bzw. die dazu proportionale Dichte. Dieser Parameter wird für die numerische Modellierung genutzt, indem der Wasserkörper und die Schlicksuspension in Schichten gleicher Dichte unter Annahme einer stabilen Schichtung unterteilt werden. Diese Schichten gleicher Dichte, Isopyknen, bilden die vertikale Diskretisierung im Modell. Jeder Isopykne wird ein bestimmtes rheologisches Verhalten (Newtonsches, nicht-Newtonsches Fluid) zugeordnet. Der konzeptionelle isopyknische Modellansatz ist besonders für die Modellierung stark geschichteter Strömungen geeignet. Das isopyknische Modell ist um die entscheidenden Transportprozesse wie Deposition, Konsolidierung, Entrainment und Fluidisierung sowie um rheologische Ansätze für Schlicksuspensionen zu erweitern. Die Rheologie von Flüssigschlick wird über den Spannungstensor im Modell realisiert. Durch rheometrische Laboruntersuchurigen werden Zusammenhänge von Schubspannung und Scherrate sowie Viskosität und Scherrate in Abhängigkeit von der Suspensionskonzentration ermittelt. usw.
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