Hydrodynamics and sediment dynamics in the near vicinity of a

Hydrodynamics and sediment dynamics in the near vicinity of a

Hydrodynamics and sediment dynamics in the near vicinity
of a submarine cable connecting Ilha Grande Island and the
continent in Brazil.
LUZ MARÍA GARCÍA GARCÍA
M.Sc. Thesis: 159 pages
Abstract:
In this study a three dimensional numerical model was developed to reproduce the
hydrodynamic conditions in the vicinity of a submarine cable. The cable connects Ilha Grande
island, in the Brazilian state of Rio de Janeiro, and the continent. The Delft 3D modelling system
developed by Delft Hydraulics in The Netherlands was employed to carry out the simulations.
Different open sea boundary condition approaches were tested. Sensitivity analyses with
respect to the physical and numerical parameters led to the main model settings.
Due to the specific location of the submarine cable in a channel connecting two water bodies
with different thermohaline properties, the investigation of the importance of density driven
currents was also carried out. Furthermore the importance of the wind on the currents was also
verified.
Despite of the lack of adequate field measurements, the ability of the model to reproduce the
observed water levels and current velocities in the area resulted to be reasonably good. The
standard deviations of the residuals ("model results-measurements") regarding water levels
were in general under 20 cm. With respect to the phase lags, the standard deviations of the
residuals resulted usually below 70 min. The current velocities were reproduced according to
the values usually observed in the field.
The stability of the bed material in the vicinity of the cable was investigated for different
conditions. It was found that even under extreme wind conditions, the critical values of shear
stresses were not exceeded in the region of the submarine cable.
LUZ MARÍA GARCÍA GARCÍA
M.Sc. Thesis: 159 Seiten
Kurzfassung:
In dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales numerisches Modell entwickelt, welches die
hydrodynamischen Bedingungen im Bereich eines Unterwasserkabels simuliert. Das Kabel
verbindet die Insel Ilha Grande im brasilianischen Bundesstaat Rio de Janeiro mit dem Festland.
Zur Durchführung der Simulation wurde die Modellierungssoftware Delft 3D von Delft
Hydraulics, Niederlande verwendet.
Es wurde verschiedene Ansätze für die Randbedingungen an den seewärtigen Modellgrenzen
untersucht. Ausgehend von einer Sensitivitätsanalyse wurden alle wichtigen Modelleinstellungen
hinsichtlich der physikalischen und numerischen Modellparameter getroffen.
Die besondere Lage des Unterwasserkabels in einer schmalen Verbindung zwischen
zwei Wasserkörpern mit unterschiedlichen thermohalinen Eigenschaften erforderte die
Untersuchung dichteinduzierter Strömungen. Zusätzlich wurde die Bedeutung des Windes für das
Strömungsfeld gezeigt.
Obwohl Messwerte wichtiger Parameter nicht zur Verfügung standen, erwies sich das Modell
als geeignet, die gemessenen Wasserstände und Strömungsgeschwindigkeiten zu simulieren.
Die Standardabweichung zwischen berechneten und gemessenen Wasserständen liegt im
allgemeinen unter 20 cm. Bezüglich der Phasenverschiebung beträgt die Standardabweichung
unter 70 min. Die Ergebnisse des Modells für Strömungsgeschwindigkeiten liegen ebenfalls
im Rahmen der Messungen.
Die Stabilität der Bodensedimente in der Umgebung des Kabels wurde unter
verschiedenen Bedingungen untersucht. Selbst im ungünstigsten Fall großer Windstärken wird der
kritische Wert der Schubspannungen in diesem Bereich nicht überschritten.
LUZ MARÍA GARCÍA GARCÍA
M.Sc. Thesis: 159 página
Resumen:
En este estudio se desarrolló un modelo numérico tridimensional con ei objetivo de reproducir
Ias condiciones hidrodinámicas en Ias proximidades de un cable submarino. El cable conecta
Ia isla de Ilha Grande, en ei estado brasileno de Rio de Janeiro, y ei continente. El sistema de
modelaje numérica, Delft 3D, desarrollado en Holanda, fue empleado para llevar a cabo Ias
simulaciones.
Se estudió ei efecto de sets diferentes de condiciones de frontera. Se llevaron a cabo análisis
de sensibilidad con respecto a los parâmetros físicos y numéricos permitiendo Ia definición de
los parâmetros dei modelo.
Debido a Ia específica localización dei cable submarino en un canal estrecho que conecta dos
masas de água de diferentes propiedades termohalinas, se investigo Ia importância de Ias
comentes generadas por gradientes de densidad. Adicionalmente también se estúdio ei efecto
dei viento.
A pesar de Ia escasez de campo, Ia abilidad dei modelo para reproducir los niveles de água
medidos y Ias velocidades de comente en ei área, resultó ser razonablemente bueno. Lãs
desviaciones estándar de los resíduos ("resultados dei modelo-mediciones") con respecto a los
niveles de água fueron en general menores de 20 cm. Lãs deviaciones estándar teniendo en
cuenta Ias diferencias de fase resultaron ser normalmente menores de 70 min. Lãs velocidades
de comente reprodujeron los valores normalmente observados en ei campo.
La estabilidad de los sedimentos en Ia vecindad dei cable se investigo bajo extremas
condiciones de viento. Se obtuvo que, incluso bajo condiciones extremas de viento, los valores
críticos de esfuerzos de cizalla nunca se exceden en Ia región dei cable submarino.