Hydrodynamic Processes

Report 2 Downloads 148 Views
Modeling the Delaware Hydrodynamic Processes Influencing Transport  in the Upper Delaware Estuary      January 2017

Ramona McCullough, PhD: Sci‐Tek Consultants Paula Kulis, PhD, PE: CDM Smith Philip Duzinski, PE: Philadelphia Water Department

Background

Introduction Develop a 3D hydrodynamic and water quality model of the upper Delaware  Estuary for PWD’s Green City, Clean Waters program Main purpose: modeling dissolved oxygen and bacteria Correct transport dependent on accurate representation of • Area of interest (grid resolution, bathymetry, etc.) • Realistic boundary conditions (tributaries, run off, industrial and  municipal inflows) • Hydrodynamics  water level and velocity tidal asymmetry and overtides non‐tidal processes (local and remote wind effects, river flows) PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | BACKGROUND

Study Area RM 61.8 – RM 134.4 City of Philadelphia at RM 91‐111 Key processes • Reflected progressive tidal  wave • Increasing tidal head with  maximum at Trenton, NJ • Vertically well mixed • Salinity intrusion (has little  hydrodynamic influence in  our model area)

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | BACKGROUND

Model Selection Processes that need to be well  Environmental Fluid Dynamics Code  represented in numerical model: (EFDC) • Includes hydrodynamic and  • Energy dissipation water quality component • Propagation of tidal wave  • Part of USEPA Total  along estuary Maximum Daily Load  • Conversion to turbulent  (TMDL) toolbox kinetic energy available for  • Modified version of the  EFDC USEPA version 1.01 mixing • Curvilinear, orthogonal grid  • Net non‐tidal transport with sigma vertical layers

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | BACKGROUND

Model Setup

Model Domain fine

coarse

Delaware River from RM 61 – 134 (117  km) including tidal portion of: • Schuylkill River  • Darby/Cobbs Creek • Frankford Creek  • Pennypack Creek   all  receive CSO discharges 2 grid configurations (5 vertical layers) • Fine:  for detailed representation of  model domain and validation 9746 elements 17 m – 650 m

• Coarse: higher model efficiency for  Water Quality study 2860 elements 33 m‐1140 m 4:1 grid cell  ratio with fine grid PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | MODEL SETUP

Boundary Conditions – Hydrological,  Oceanographic, Meteorological • Tributaries: USGS  discharge • Southern open  boundary: water level  from NOAA’s Delaware  City tidal gage • Wind: (NCDC/NOAA  Ports/PWD) stations at • • • • •

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | MODEL SETUP

Trenton‐Mercer Philadelphia Airport Wilmington Burlington Buoy C

Boundary Conditions ‐ Anthropogenic • Combined sewer outfalls  from Philadelphia,  Camden, Chester and  Wilmington • Industrial and municipal  Permitted Dischargers • Direct storm water runoff

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | MODEL SETUP

Calibration ‐ Bottom Roughness • Spatially variable • Roughness increases going  upstream • Based on 2003 sediment  inventory study  (Sommerfield &Madsen)

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | MODEL SETUP

Fine Grid Results

Validation Data Tide Gages and Current Meters • NOAA  • PWD (Woods Hole  Group)

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | FINE GRID RESULTS

Statistical and Harmonic Analysis Water Level

Station Marcus Hook Philadelphia Burlington Newbold

RMSE [m] 0.038  0.050 0.081 0.102

Skill Factor [‐] 0.999 0.999 0.997 0.996

Amplitude Error

Phase Error Phase Error

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | FINE GRID RESULTS

Velocity

Station Buoy C Buoy B db0301 Buoy A Amplitude Error

Phase Error

RMSE (m/s) 0.073 0.059 0.093 0.094

Skill Factor 0.997 0.993 0.993 0.988

Tidal Analysis Water Level

Progressive Wave

Velocity

Tidal Asymmetry – Overtide ratios M4/M2 and M6/M2

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | FINE GRID RESULTS

Subtidal Analysis no Local Wind

with Local Wind

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | FINE GRID RESULTS

Coarse Grid Results

Statistical and Harmonic Analysis Water Level Station Marcus Hook Philadelphia Burlington Newbold

RMSE (m) 0.060 0.043 0.090 0.105

Velocity Skill Factor 0.998 0.999 0.997 0.996

Station Buoy C Buoy B db0301 Buoy A

Amplitude Error

Phase Error

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | COARSE GRID RESULTS

RMSE (m/s) 0.038  0.050 0.081 0.102 Amplitude Error

Phase Error

Skill Factor 0.999 0.999 0.997 0.996

Tidal Analysis Water Level

Progressive Wave

Velocity

Tidal Asymmetry – Overtide ratios M4/M2 and M6/M2

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | COARSE GRID RESULTS

Discussion • • •



Model can represent complex processes and resulting transport dynamics Harmonics, Statistical Analysis • RMSE, amplitude error within acceptable range • Harmonic phase errors are small compared to periods Validated shallow water overtides – good representation of: • Progressive waves • Tidal asymmetry • Subtidal signal • Tidal energy transfer captured well  important for transport  modeling Key findings: • Local winds have non‐negligible impact on transport • Coarse grid resolution does not negatively impact validation criteria

PHILADELPHIA WATER DEPARTMENT | DISCUSSION

Thank You! Questions?