Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4403
Main Title: Multi-dimensional numerical simulation of flow and salinity transport processes in the Nile estuary in the context of sea level rise
Translated Title: Multidimensional numerische Simulation von Strömungs- und Salztransport-Prozessen in der Nilmündung im Kontext mit dem Meeresspiegelanstieg
Author(s): Mahgoub, Mohamed Elsayed Mohamed
Advisor(s): Hinkelmann, Reinhard
La Rocca, Michele
Referee(s): Hinkelmann, Reinhard
La Rocca, Michele
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der Nil teilt sich bei El-Qanater (ca. 20 km nördlich von Kairo) in die Flüsse Rosetta (westlich) und Damietta (östlich), welche das Nildelta umschließen und so die Nilmündung formen. Über diese beiden Flüsse gelangt das Nilwasser in das Mittelmeer. Der Abfluss wird über mehrere wasserbauliche Strukturen gesteuert. Die in dieser Arbeit betrachtete Wechselwirkung zwischen dem Nil und dem Mittelmeer beinhaltet den Transport von Wasser und Salz. Es handelt sich um eine umfassende Studie zur Untersuchung eines großen Gebiet mit komplexer Geometrie, für die mehrdimensionale Modelle für die Nilmündung aufgesetzt worden sind. Hierfür wurde das TELEMAC Modellierungssystem verwendet. Das Hauptziel der Forschung war es, den Ist-Zustand der Strömung und des Salztransports in der Nilmündung zu simulieren, um das Prozessverständnis zu verbessern und mögliche Änderungen aufgrund des zu erwartenden Anstiegs des Meeresspiegels zu untersuchen. Der Einfluss der Tide ist vernachlässigbar im Bereich der Nilmündung, daher sind die Salztransportprozesse hier besonders komplex. Der Ist-Zustand wurde auf der Grundlage der mittleren Strömungsbedingungen und des Meerwasserstands modelliert, um die Ausbreitung von Salzwasser im Nil zu untersuchen. Danach wurden Szenarien für den Anstieg des Meeresspiegels untersucht, um seinen Einfluss auf die Ausbreitung der Strömung zu bewerten. Mit TELEMAC2D wurde zunächst ein zweidimensionales Modell aufgesetzt, obwohl der Salzgehalttransport eine dichtegesteuerte Strömung und daher in erster Linie ein dreidimensionales Phänomen ist. Die Fähigkeit von TELEMAC2D, dichteinduzierte horizontale Flüsse zu simulieren, wurde mit zwei Fallstudien (rechteckiger und trapezförmiger Querschnitt) verifiziert, und daraufhin werde das Modell verwendet, um die Nilmündung zu simulieren. Da dichteinduzierte Strömungen die wichtigsten Prozesse für den Transport des Salzwassers zwischen dem Nil und dem Meer sind, wurde mit TELEMAC3D ein 3D-Modell erstellt, um solche Prozesse in zwei Fallstudien von Lock-Exchange Experimenten zu simulieren und umso das Modell zu verifizieren. Die Ergebnisse des numerischen Modells wurden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Das Modell zeigte eine hohe Genauigkeit, und es wurde daraus geschlossen, dass TELEMAC3D für die Simulation solcher Prozesse geeignet ist. Es wurde auch festgestellt, dass eine nicht-hydrostatische Simulation und die Verwendung von komplexen Turbulenzmodellen zu einer höheren Genauigkeit führen. Darauf aufbauend wurde ein 3D-Modell für das Nilmündung erstellt, um die dichteinduzierten Strömungen zu simulieren und die Schichtung des Salzgehalts im Nil zu bewerten. Das Modell simuliert komplexe Prozesse auf einer komplexen natürlichen Geometrie. Der Salzkeil im Nile eine geschichtete Flüssigkeit, in welcher der Salzgehalt von unten in Richtung der Oberfläche abnimmt. Der Salzkeil fluktuierte, obwohl stationäre Randbedingungen gesetzt wurden, und stagnierte nicht, wie es eigentlich zu erwarten war. Dies könnte durch das schwache Gleichgewicht zwischen barotropem und baroklinem Gradienten im Bereich der Nilmündung verursacht werden. Sowohl für das 2D- als auch für das 3D-Modelle der Nilmündung wurden drei Szenarien für den Anstieg des Meeresspiegels analysiert, um die Auswirkungen zu untersuchen. Basierend auf den Ergebnissen der Modelle wurde festgestellt, dass sich das Salzwasser flussaufwärts bewegt und jede Erhöhung des Meeresspiegels eine weitere Intrusion der Salzwasserfront verursacht. Die Intrusionslänge erhöhte sich um 1,2 km, 5,1 km und 6,6 km bei einem Meeresspiegelanstieg von jeweils 0,24 m, 0,69 m und 1,0 m. Um die aktuelle Salzintrusion im Falle des Anstiegs des Meeresspiegels nicht zu erhöhen, sollte die Einleitung an der Edfina Staustufe erhöht werden. Das würde jedoch den Wasserhaushalt des Landes beeinflussen, da eine erhöhte Abgabe einen erheblichen Wasserverlust darstellt. Vergleicht man die 2D- und die 3D-Modelle, sind die hydrodynamischen Ergebnisse in Bezug auf die Wasserstände und Abflüsse ähnlich; das Strömungsfeld ist jedoch anders, da Sekundärströmungen nur im 3D-Modell abgebildet werden können. Für den Salztransport war die Intrusionslänge im 3D-Modell deutlich höher. Die Schichtung des Salzkeils ist nur im 3D-Modell zu sehen. Das 2D-Modell kann zur Berechnung von Wasserständen und Fließgeschwindigkeiten verwendet werden. Für den Salztransport ist das 3D-Modell aber besser geeignet, und das 2D-Modell kann nur als grobe Schätzung verwendet werden.
The Nile River bifurcates at El-Qanater city (about 20 km north to Cairo) into two branches which are Rosetta branch (the western) and Damietta branch (the eastern), the two branches enclosing the Nile Delta and forming the Nile Estuary. The two branches discharge the Nile water into the Mediterranean Sea. The discharge of the two branches is controlled through several water structures. The interaction between the Nile and the Mediterranean Sea considered in this research includes water and salinity transport. Considered as a large scale case with a complex geometry, multi-dimensional models for the Nile Estuary were set up in this research, and the TELEMAC-MASCARET modeling system was used for this purpose. The main aim of the research was to simulate the current conditions of flow and salinity transport in the Nile Estuary to improve the process understanding and to investigate possible changes due to the anticipated sea level rise. The Nile Estuary is a tideless estuary, this type of estuaries are more complex in terms of salinity transport than tidy estuaries. The current status was first modeled based on the mean conditions of flow and sea water level, in order to investigate the propagation of saltwater inside the Nile. Then scenarios for the sea level rise were assessed to evaluate the influence of sea level rise on the propagation of gravity currents. A two-dimensional model was first set up using TELEMAC2D, although the salinity transport is density-driven flow and therefore it is mainly a three-dimensional phenomenon. The capability of TELEMAC2D to simulate flow driven by horizontal density differences was first checked using two case studies (rectangular and trapezoidal cross sections) and finally it was verified and hence it was used to simulate the Nile Estuary. As the density-driven flows (gravity currents) are the major phenomena that govern the transport of the saline water between the Nile and the sea, a 3D model to simulate these phenomena in two cases of lock-exchange experiments was first set up using TELEMAC3D in order to verify it. The results of the numerical model were compared with experimental results. The model showed high accuracy and it was concluded that the TELEMAC3D is capable of simulating such phenomena. It was also concluded that a non-hydrostatic simulation and the use of complex turbulence model achieve higher accuracy. Thereof, a 3D model for the Nile Estuary was set up to simulate the gravity currents and to assess the stratification of salinity in the Nile. The model simulated complex phenomena in a complex natural geometry. It was concluded that the salt wedge is a stratified fluid in which the salinity decreases from the bottom towards the surface where a layer of less brackish water exists. The salt wedge was fluctuating, although steady boundary conditions were imposed, and it was not stagnant as it was expected, which could be caused by the weak balance between barotropic and baroclinic gradients in tideless estuaries as the case of the Nile Estuary. For both the 2D and the 3D models of the Nile Estuary, three scenarios for the sea level rise were also analyzed to study its impact. Based on the results of the models, it was found that there was an intrusion for the saltwater inside the Nile, and any increase in the sea level will cause further intrusion. The intrusion length increased by 1.2 km, 5.1 km, and 6.6 km in case of sea level rise of 0.24 m, 0.69 m and 1.0 m, respectively. To keep the current status of balance, in terms of saltwater intrusion inside the Nile in case of sea level rise, the discharge of Edfina barrage has to be increased. However that would affect the water budget of the country as this water will be discharged into the sea being considered as losses. Comparing the 2D and the 3D model, the hydrodynamic results were similar in terms of water levels and discharge, however the flow field was different as the secondary currents could be seen only in the 3D model. For the salinity transport, the intrusion length was much higher in the 3D model. The stratification of the salt wedge can only be seen in the 3D model. So, the 2D model can be used for calculating water levels and average water velocity. For the salinity transport, the 3D model is more suitable, the 2D model can only be used as a rough estimation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64951
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4700
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4403
Exam Date: 30-Mar-2015
Issue Date: 23-Apr-2015
Date Available: 23-Apr-2015
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Numerische Simulation
Salztransport
Nilmündung
dichteinduzierte Strömungen
Numerical simulation
salinity transport
Nile estuary
gravity currents
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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