Ursachen von Instabilitäten finden

Einleitung

Wenn die Netzdaten soweit vervollständigt sind, dass die Kanalnetzsimulation startet, läuft die Berechnung zumeist problemlos ab. In seltenen Fällen aber ist die numerische Lösung überfordert, und die Berechnung bricht ab mit einer Meldung im Stile von:

"Schacht xy: Wasserspiegel mehr als 10 m über Gelände"

Leider ist der Schacht, an dem das Modell letztendlich ausrastet, von der eigentlichen Ursache oft weit entfernt, und so herrscht oft eine gewisse Ratlosigkeit, wie man des Problems Herr werden kann. Glücklicherweise hat DHI im Laufe der Jahre einige Methoden entwickelt, um das Problem einzugrenzen1) Natürlich wird auch der Berechnungskern ständig weiterentwickelt, damit die numerische Lösung auch kritischen Situationen meistert. . Im Folgenden wollen wir einige Ansätze vorstellen.

Vorab detaillierten Simulationslauf erstellen

Zur Vorbereitung der eigentlichen Problemsuche empfiehlt es sich, eine Ergebnisdatei zu erstellen, die lediglich den Zeitraum unmittelbar vor dem Abbruch umfasst.

(1) Entnehmen Sie den genauen Zeitpunkt des Abbruchs der Fehlermeldung, oder sehen Sie nach dem letzten Zeitschritt, der vor dem Abbruch in die Ergebnisdatei geschrieben worden ist.

(2) Führen Sie eine neue Simulation durch, aber setzen Sie das Simulationsende kurz (beispielsweise eine Minute) vor den Abbruch.

(3) Benutzen Sie die Ergebnisdatei aus Schritt (2) als Hotstartdatei für einen Simulationslauf, bei dem Sie sich dem Abbruch mit einer hohen zeitlichen Auflösung nähern. Dazu stellen Sie den Simulationsschritt auf eine Sekunde, oder Sie weisen MIKE URBAN in der dhiapp.ini mit FIXED_DECIMAL_TIMESTEP einen noch kleineren Zeitschritt zu.

(4) Speichern Sie die Ergebnisse zu jedem simulierten Zeitschritt, indem Sie im im Editor "MOUSE-Berechnung", Register "Abflusstransport" hinter "Speichern alle" für Stunden, Minuten und Sekunden jeweils den Wert 0 angeben.

Falls die Simulation nicht mehr abbricht, wenn Sie den Zeitschritt im Schritt (3) reduzieren, können die unten angeführten Methoden trotzdem helfen, die Ursache der Instabilität zu finden. Eventuell müssen Sie auf die Verringerung des Zeitschrittes verzichten, und lediglich Schritt (4) anwenden, um jeden berechneten Zeitschritt auch analysieren zu können.

Methoden zur Eingrenzung der Problemstellen

Instabilitäten können sich durch verschiedene Effekte ankündigen:

starke Änderung von Wasserspiegel, Durchfluss oder Fließgeschwindigkeit

Schwingungen von Wasserspiegel, Durchfluss oder Fließgeschwindigkeit

Fehler in der Wasserbilanz

Die folgenden Methoden sollen Ihnen helfen Gebiete einzugrenzen, wo diese Effekte auftreten.

Auswertung der PRF-Ergebnisdatei in MIKE View

Dieses Werkzeug steht für res1d-Ergebnisdateien (MIKE 1D-Berechnungskern) nicht zur Verfügung. Folgen Sie den weiter unten beschriebenen Methoden.

MIKE View bietet ein eigenes Werkzeug, um Instabilitäten aufzufinden, und zwar unter "Werkzeuge > Berechnen > Instabilität". Das Werkzeug berechnet Elemente, an denen eines der beiden folgenden Kriterien verletzt wird:

Maximale Änderung: Die Änderung vom vorangehenden zum nächsten Zeitschritt überschreitet einen bestimmten Wert. Die maximale Änderung kann entweder relativ zum vorangehenden Zeitschritt angegeben werden (Parameter A), oder absolut (Paramter B), oder beides.

Oszillation: Die Anzahl der lokalen Minima und Maxima überschreitet einen bestimmten Wert pro festgelegtem Zeitintervall.

Das Ergebnis ist nur im Lageplan als "Instabilität..." dargestellt werden. Alle Elemente, die das Kriterium verletzen, erhalten den Wert 1 und werden rot dargestellt, alle anderen erhalten den Wert 0.

Bevor das abgeleitete Ergebnis in den Zwischenspeicher geladen wird, kann man eine Textdatei schreiben lassen. Die Textdatei enthält die Kriterien, sowie eine Liste der betroffenen Elemente.

Maximale Änderung
=================
Koeffizient: 0.010
Min. Unterschied 0.000
Geprüftes Intervall:Gesamte Simulation
Instabilität Node Water Level
================
B4.1502
B4.1501
B4.1500
B4.1491
B4.1200
B4.1520
B4.1510

MIKE View ist sehr schnell, und das ist ein großer Vorteil. Nachteilig ist, dass MIKE View nur JA oder NEIN ausgibt. Daher müssen Sie

zunächst einen Grenzwert wählen, und

dann darstellen, wo er überschritten wird.

Um die Problemstellen einzugrenzen, wird es notwendig sein, diesen Vorgang mehrmals zu wiederholen.

Praktischer wäre es, wenn sich die Kriterien farblich abgestuft darstellen ließen, beispielsweise die maximale Änderung des Durchflusses, oder die Anzahl der Schwingungen.

Auswertung der Ergebnisdatei in MIKE URBAN und ArcMap

Schwingungen lassen sich auf diese Weise nicht finden, aber zumindest lassen sich starke Änderungen des Wasserspiegels oder Durchflusses farblich abgestuft darstellen.

(1) Laden Sie die Ergebnisdatei in MIKE URBAN.

(2) Berechnen Sie die Minima des Wasserspiegels und des Durchflusses und exportieren Sie die Ergebnisse als Shape-Datei.

(3) Berechnen Sie die Maxima des Wasserspiegels und des Durchflusses und Exportieren Sie die Erbebnisse als Shape-Datei.

(4) Joinen Sie in ArcMap die minimalen mit den maximalen Shape-Dateien zusammen und berechnen Sie die Differenzen. Suchen Sie nach auffälligen Differenzen.

Indem Sie nicht die gesamte, detaillierte Ergebnisdatei nach MIKE URBAN laden, sondern nur bestimmte Zeitschritte auswählen, können Sie Ihr betrachtetes Zeitfenster verschmälern.

Auswertung der HTML-Zusammenfassung

Eine Möglichkeit wäre, die HTML-Zusammenfassung auszuwerten.

Da die HTML-Zusammenfassung nur bei einer regulär beendeten Simulation erstellt wird, muss man das Ende des Simulationslauf kurz vor dem bevorstehenden Abbruch ansetzen.

Anschließend überträgt man die HTML-Tabellen zur Analyse in eine Tabellenkalkulation, zum Beispiel mit Hilfe der Firefox TableTools2.

Mögliche Ursachen von Instabilitäten

Sobald Sie Bereich identifiziert haben, von dem die Instabilitäten ihren Ausgang nehmen, heißt es, nach ungünstigen Eigenheiten Ausschau zu halten, die unter ungünstigen Verhältnissen Instabilitäten auslösen können.

Die folgenden Beispiele stammen aus verschiedenen Supportfällen. Möglicherweise sind die Beispiele aufgrund des weiterentwickelten Berechnungskernes bereits obsolet, möglicherweise haben auch sehr exotische Rahmenbedingungen dazu geführt, dass die Modelle instabil geworden sind. Auch erhebt die Liste keinen Anspruch auf Vollständigkeit ände zusammenspielen, können sie Instabilitäten auslösen:

Eine große Haltungen trifft auf einen Schacht mit wenig Volumen.

Fünf, sechs oder mehr Haltungen treffen sich in einem Schacht.

Eine große und steile Haltung trifft auf auf eine kleine und flache Haltung.

Eine große und lange Haltung trifft auf eine kleine und kurze Haltung.

Düker, Wehre oder Pumpen erzeugen allzu scharfe Abflussspitzen.

Offene Punkte

Abbildung zu Zeitserie, Hotstart, Detailserie

Abbildung der Lagepläne aus MIKE View und aus MU/ArcMap

Link zu "Instability", aber auf Deutsch *

Instabilitäten vermeiden