HYDRO_AS-2D im Dialog mit Anwendern weiterentwickeln

HYDRO_AS-2D  4.2 – leistungsstärker, stabiler, nutzerfreundlicher

Komplexe Aufgaben der Gewässerbewirtschaftung und des Hochwasserschutzes lassen sich mit HYDRO_AS-2D zuverlässig und effizient bearbeiten. Die HYDRO_AS-2D Entwicklung erfolgt bei Hydrotec entsprechend den Anforderungen aus der wasserwirtschaftlichen Praxis und nutzt aktuelle Entwicklungen der Informationstechnik, um die Software noch performanter und stabiler zu gestalten. Dabei arbeiten wir eng mit dem SMS-Entwickler Aquaveo zusammen und haben zukünftige fachliche Herausforderungen und Verbesserungen im Blick.
Diese Kernbotschaften des diesjährigen HYDRO_AS-2D Anwendertreffens in München kamen bei den ca. 150 Teilnehmern sehr gut an, wie die rege Beteiligung an den Diskussionen zeigte.
Die vielfältigen, konkreten Einsatzmöglichkeiten in der Praxis verdeutlichten Fachreferenten in ihren informativen Vorträgen u. a. aus den Bereichen Hochwasserschutz, Wehrsteuerung und Stofftransport.
HYDRO_AS-2D 4.2 ist seit August 2016 verfügbar. Es enthält neue Funktionen sowie nützliche entwicklungstechnische Verbesserungen für die Anwender.

Steuerung von Bauwerken und Strömung in Küstenbereichen abbilden

Wehre wie dieses in der Donau können durch Vorabsenkung im Hochwasserfall Retentionsvolumen schaffen.

HYDRO_AS-2D wurde um Randbedingungen für steuerbare Wehre und Gezeiteneinfluss erweitert. Damit ist es möglich, komplexe Steuerregeln wie z. B. eine Vorabsenkung zur Hochwasserretention zu optimieren oder die Steuerung eines Wehres nach einer Zeitreihe zu simulieren (s. Beitrag in Hydrothemen Nr. 30).
In Küstennähe wird der Wasserstand von Fließgewässern oft von den Gezeiten beeinflusst. Die daraus resultierenden Strömungen und Wasserstände kann man in HYDRO_AS-2D 4.x abbilden, indem man am Modellrand anstelle eines Energieliniengefälles einen Wasserstand oder eine Zeitreihe von Wasserständen als Randbedingung vorgibt.
Um die Strömungsverhältnisse an Deichen korrekt zu modellieren, sind Siele mit vorgegebener Durchflussrichtung definierbar.

Numerisch stabil rechnen

Zufluss- und Abflussbereiche können einfacher und geometrisch genauer abgebildet werden, da die numerische Stabilität bei der Berechnung von Zuflussund Abflussrandbedingungen erhöht wurde. Bisher übliche Zulaufstrecken können dadurch kürzer gewählt werden oder sogar entfallen.

Effizienter modellieren

HYDRO_AS-2D 4.2 erzeugt Ausgabedateien im neuen binären XMDF-Ausgabeformat, das SMS sehr schnell einlesen kann. Die Ergebnisdateien sind dadurch ohne Verzögerung in SMS verfügbar.
Die neue Ausgabedatei „timesteps“ enthält eine räumliche Analyse der internen Berechnungszeitschritte. Das ermöglicht Anwendern, die Stellen zu lokalisieren, die HYDRO_AS-2D mit sehr geringen Berechnungszeitschritten berechnet hat. Diese wirken wie ein Flaschenhals bei der Simulationsrechnung. Ist das Berechnungsnetz in diesen Bereichen optimiert, verkürzt sich die Rechenzeit meist deutlich.
Die Ausgabedatei „max_time“ gibt für jeden Knoten den Zeitpunkt des maximalen Wasserstands an. Anwender können so einschätzen, inwieweit die Hochwasserscheitel im Modell erreicht wurden und den Rechenlauf ggf. abkürzen.

HYDRO_AS-2D-Entwicklung nimmt zukünftige Verbesserungen schon ins Visier

Wir modernisieren auch die HYDRO_AS-2D Zusatzmodule weiter, um Anwendern ein effektives und flexibles Datenprocessing zu ermöglichen. Das für Anfang 2017 geplante Release von LASER_AS-2D 2.0 bietet eine deutlich schnellere Berechnung und ermöglicht die Bearbeitung von Eingangsdaten mit unterschiedlichen Rasterweiten (mehr dazu im Beitrag LASER_AS-2D 2.0).
Als besonders attraktive zukünftige Weiterentwicklung schätzen wir die Umstellung der Datenhaltung in SMS/HYDRO_AS-2D auf das Dynamic-Model-Interface ein. Jeder Modelldatensatz wird dann redundanzfrei gespeichert. Modell-Varianten lassen sich per „Drag and Drop“ im Modellverzeichnis erstellen. Sie werden mit den Originaldaten verlinkt sein und nur die jeweiligen Änderungen beinhalten. Durch diese Entwicklung wird die Qualität der Modelle deutlich steigen, da Modellierer nicht mehr mit Modellkopien arbeiten, bei denen Änderungen jeweils einzeln nachzupflegen sind.
Das Stofftransportmodul HYDRO_FT-2D wird programmtechnisch mit der HYDRO_AS-2D Entwicklung harmonisiert. Es wird dann einheitlicher und leichter zu bedienen sein sowie eine bessere Rechenperformance bieten. Zusätzliche mathematische Ansätze für Stofftransport und Sedimentation sollen das Anwendungsspektrum erweitern.

Langfristige Perspektive: Sensitivitätskarten

In der Praxis gibt es häufig die Anforderung, dass der Wasserspiegel oder die Fließgeschwindigkeit an einer bestimmten Stelle einen bestimmten Wert einhalten sollen. Die Frage, wo einzugreifen ist, um dies zu erreichen, lässt sich auch mit Modellrechnungen oft nur im Trial-and-Error-Verfahren lösen.
Mathematisch wird dieses Problem durch die Ableitung des numerischen Modells nach einer bestimmten Größe ausgedrückt. Das Ergebnis dieser integrierten Differentiation ist eine Karte der Sensitivität, die angibt, welcher Ort einen Einfluss auf die zu regelnde Größe hat. An diesem Konzept arbeiten wir zurzeit zusammen mit dem Lehrstuhl „Software and Tools for Computational Engineering“ der RWTH Aachen.

Dipl.-Math. Benedikt Rothe, Dr. rer. nat. Eva Loch, Dr.-Ing. Hartmut Sacher