computational hydraulics

130
WL | delft hydraulics Computational Hydraulics Version 2006-1 © 2005 Adri Verwey Lecture notes

Upload: peter-riad

Post on 22-Nov-2014

647 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Computational Hydraulics

WL | delft hydraulics

Computational HydraulicsVersion 2006­1

© 2005 Adri Verwey

Lecture notes

Page 2: Computational Hydraulics

Computational HydraulicsVersion 2006­1

Copyright © 2005, Adri Verwey

The right of Adri Verwey to be identified as the author of this work has been asserted in accordancewith the Copyright, Designs and Patents Act 1988

Lecture notes

Page 3: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3

Contents

1 Introduction...............................................................................................................7

1.1 Introductory remarks......................................................................................7

1.2 Unsteady flow hydraulics ..............................................................................8

1.3 Numerical methods......................................................................................11

1.4 Mathematical modelling model ...................................................................11

2 Introduction to numerical methods.......................................................................17

2.1 Introduction..................................................................................................17

2.2 Introduction to finite difference approximations .........................................18

2.3 The Euler scheme ........................................................................................18

2.4 The improved Euler scheme ........................................................................21

2.5 The implicit scheme.....................................................................................22

2.6 The Newton­Raphson scheme .....................................................................22

2.7 A more formal analysis of accuracy ............................................................23

2.8 Stability........................................................................................................26

2.9 Consistency and convergence ......................................................................27

2.10 The choice of a time step .............................................................................27

2.11 Reservoir routing .........................................................................................29

2.12 Routing of a decayable pollutant through a reservoir ..................................33

2.13 Non­uniform steady flow in channels..........................................................34

2.14 An inverse scheme for the backwater curve computation ...........................38

2.15 Non­uniform flow in non­uniform channels................................................40

2.16 What have we learnt?...................................................................................41

2.17 Questions and small assignments ................................................................41

Page 4: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4

3 Basic Unsteady Channel Flow Equations .............................................................43

3.1 Introduction..................................................................................................43

3.2 Continuity equation .....................................................................................43

3.3 Momentum equation....................................................................................44

3.4 Transformation to the characteristic form....................................................45

3.5 The significance of the characteristics.........................................................48

3.6 The method of characteristics ......................................................................51

3.7 More complex boundary conditions ............................................................55

3.8 The formation of positive and negative hydraulic jumps ............................57

3.9 The limited practical importance of the method of characteristics..............59

3.10 Questions and assignments ..........................................................................60

4 Introducing Numerical Solutions for Partial Differential Equations.................61

4.1 Introduction..................................................................................................61

4.2 The advection equation................................................................................63

4.3 The characteristic solution ...........................................................................64

4.4 Finite difference schemes ............................................................................65

4.5 Characteristic solutions on a fixed grid .......................................................70

4.6 Introducing diffusion ...................................................................................72

4.7 An explicit finite difference scheme............................................................73

4.8 Explicit schemes for the combination of advection and diffusion...............76

4.9 Implicit schemes for the diffusion equation.................................................77

5 De Saint Venant equations and their solutions.....................................................81

5.1 Introduction..................................................................................................81

5.2 The continuity equation ...............................................................................82

5.3 The momentum equation .............................................................................84

5.4 Numerical solutions .....................................................................................88

Page 5: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5

5.5 Description of hydraulic structures..............................................................92

5.6 Topological model schematisation...............................................................94

5.7 Hydraulic model schematisation..................................................................95

5.8 Boundary­ and initial conditions..................................................................97

5.9 Model calibration and validation .................................................................99

6 Mathematical modelling of floods .......................................................................101

6.1 Introduction................................................................................................101

6.2 Flood model requirements .........................................................................101

6.3 The role of new data collection technologies ............................................103

6.4 The nature of flood wave propagation.......................................................104

6.5 Deformation of flood waves ......................................................................105

6.5.1 The role of varying celerities ........................................................105

6.5.2 The role of the diffusion term.......................................................106

6.5.3 The role of the lateral flow terms..................................................107

6.6 Link to hydrologic flood routing models ...................................................107

6.7 Two­dimensional modelling of floods .......................................................108

6.8 Integrated 1D/2D modelling ......................................................................113

6.9 Exercise......................................................................................................116

7 Water Hammer .....................................................................................................117

7.1 Introduction................................................................................................117

7.2 Water Hammer Equations..........................................................................119

7.3 The Method of Characteristics for Water Hammer....................................125

7.4 Exercise......................................................................................................128

8 References..............................................................................................................129

Page 6: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6

Page 7: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7

1  Introduction

1.1 Introductory remarks

The  topic  of  computational  hydraulics  is  dealing  with  the  question  how  waterresources engineers and planners can be assisted in dealing with complex hydraulicproblems. When these problems are very local, they can generally be addressed byusing  empirical  relationships and  a well  trained engineer  usually  is  equipped withmethods and tools dealing with it. In these cases, the use of laws and relationships inhydraulics is often limited to steady flow approximations.

For  larger  scale  problems,  however,  the  unsteady  nature  of  flows  becomes  moredominant  and  methods  used  will  become  more  complex.  Whereas  until  variousdecades ago, the focus has been on developing approximations, partly empirical, ofthe full hydrodynamic behaviour of the water system, the use of computers has madeit  possible  to  describe  hydraulic  systems  quite  accurately.  Over  the  past  decadesenormous progress has been made in developing simulators or mathematical modelsfor  all  kinds  of  hydraulic  systems,  such  as  rivers,  drainage  networks,  irrigationnetworks, water distribution networks etc.

Currently, the level of accuracy of such simulators is primarily limited by the qualityof data available  to construct and calibrate the models. A variety of good softwarepackages  is available  to construct  such models. However, good schematisations ofhydraulic systems in models requires some insight in the laws and techniques behindthese modelling systems in order to use them correctly in building one’s own model.

In this series of lectures we address this need by providing insight into the nature ofone­dimensional  unsteady  flow.  After  the  introduction  of  the  unsteady  flowequations,  the link between the equations and the physical system is shown by thecharacteristic  celerities  of  disturbances  propagating  along  channels.  This  providesthe basis for the numerical schemes developed to solve the equations. Moreover, itshows  clearly  the  effect  of  boundary  variations  and,  in  particular,  the  effects  ofcontrol of hydraulic systems.

With this understanding as a basis, numerical method is  introduced. First, only theso­called  ordinary  differential  equations  are  treated,  enabling  us  to  do  simplebackwater  computations,  water  quality  simulation  in  well  mixed  reservoirs  etc.However, at  the same time numerical concepts and  their evaluation are  introducedrelating to the accuracy, stability, robustness and efficiency of numerical operations.This will serve as a necessary basis for those who want to develop their own models,as well as for those applying existing modelling systems.

Page 8: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8

Subsequently,  numerical  descriptions  of  more  complex  problems  described  bypartial differential equations are discussed, primarily to provide enough insight as abasis  for good mathematical modelling practice. Also here,  the  role  and choice ofnumerical parameters in mathematical model simulation is emphasised.

Finally,  the overall  construction of good mathematical models  is discussed. Basedupon a clear  idea about  the objective of model use,  rules  for  the most economicaland correct schematisation are developed, starting with a topological schematisationof the system. In addition, the derivation of correct physical parameters is discussed,such as  those describing channel conveyance, storage and  lateral flows. Moreover,the possibilities and  limitations of such models  is discussed, with special attentiongiven to the use of models under extrapolated conditions, such as often the case inthe modelling of floods.

1.2 Unsteady flow hydraulics

In teaching, the topic of hydraulics is generally first introduced from the steady flowconcept.  In  principle,  it  would  be  more  logical  to start  with  the  unsteady  flowconcept  and  than  introduce steady  flow as a  special case of unsteady  flow.  In  thiscase  a  clear  indication  has  to  be  made  of  the  underlying  assumptions  and  thesimplification  of  the  problem.  In  each  application  these  assumptions  have  to  beverified.

It  should  be  realised  that  a real  steady  flow  does  not  exist  in  nature.  There  willalways  be  some  small  variations  in  the  flow  distribution,  even  if  there  are  noobservable water  level variations. The steady  flow is a concept of our engineeringmind, which sometimes can simplify engineering without unacceptable differencesfrom reality. However,  the danger exists  that engineers  turn  too easily  towards theconcept of steady flow, even in cases where this is a quite wrong schematization ofreality and where this approach may lead to quite wrong conclusions.

For this reason, it is important to familiarize oneself with problems which typicallyshow more significant variations both in  time and  in space. Hydraulic problems inchannels  are  governed  by  two  important  concepts: storage  and conveyance.  Forincompressible  flow,  the  first  concept  deals  with  water  volume  conservation.  Thesecond concept deals with balance of  forces  acting upon  the water mass and  theireffect on the momentum balance. Of particular importance in this description is themagnitude of flow momentum losses due to channel friction relative to the gain ofmomentum due to gravity or other forces.

Before  we  can  discuss  more  in  detail  the  difference  between  steady  and  unsteadyflow,  the  concept  of boundary  conditions  has  to  be  introduced.  In  general,  one  isonly  interested in a specific part of a hydraulic system. To illustrate  this idea,  it  isuseful  to  consider  the  hydrological  cycle.  Water  evaporates  from  the  sea  surface,precipitates  partly  above  land  and  flows  via  the  land  surface,  or  via  infiltrationthrough the subsurface, to the rivers and, in most cases, back to the sea. Let us nowconsider  the river part of  this cycle, or even a small part of  this  river system. Thelink  to  the  upstream  part  of  this  river  subsystem  is  specified  in  the  form  of  aboundary condition and, more specifically, as the upstream boundary condition.

Page 9: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9

The  link  to  the  lower  part  of  the  river  system,  or  to  the  sea,  is  specified  as  thedownstream  boundary  condition.  In  the  sequel,  we  will  discuss  these  boundaryconditions in more detail, including the question of the real need for such conditionsin our computations.

The question of the flow type is very much linked to the nature of the changes at theboundaries of  the area described  (or modelled). When  the part of  the  river  systemstudied adapts  its state only slowly to  the changes at  the boundaries,  the system isconsidered  to be unsteady. However, when  the  river  system adapts  its  state nearlyinstantaneously  to  the  changes  at  the  boundaries,  the  system  is  said  to  be  quasi­steady and some steady flow concepts might be used. This is usually the case whenlocal  or near­field problems are  studied,  such as  local  structures with  their  typicalbackwater effects.

One of the important parameters influencing this ease to adaptation is the storage inthe  system.  If  this  storage  capacity  is  large  compared  to  the  difference  betweeninflow and outflow the time scale of adaptation is also large. It is very likely, then,that  we  will  observe  a  strongly  unsteady  flow  phenomenon.  If,  however,  there  islittle storage capacity available between the boundaries, the adaptation of the state ofthe  system  to  the  new  boundary  conditions  may  be  fast  and  the  flow  may  passthrough a sequence of nearly­steady states. This adaptation is also dependent on thefacility  of  the  flow  to  accelerate  or  decelerate.  If  the  adaptation  of  flow  particlevelocities  to  changing  boundary  conditions  is  fast,  the  system  will  pass  through  aseries of nearly­steady states. Where the adaptation is slow compared to the changesat the boundaries, the result will be clearly an unsteady flow.

These concepts are best illustrated by giving some practical examples.

Flood waves in rivers

Floods in a river are the result of the surface­ and subsurface runoff generated duringperiods of intense rainfall. This response usually leads to a typical hydrograph shapedischarge and water level variation in the river, which is more pronounced when therain is uniformly distributed over the period of the rain event. However, as rainfall isgenerally  not  uniformly  distributed  in  time,  the  discharge  distribution  from  thecatchments into the river is usually less irregular. While the flood wave propagatesdown  the  river  it  undergoes  further  deformations  due  to  varying  storage  andconveyance characteristics of the river channel and due to additional lateral inflowsfrom  other  catchments.  These  processes  together  form  a  typical  unsteady  flowphenomenon,  which  can  only  be  studied  by  simulations  on  the  basis  of  unsteadyflow equations.

Flow in an urban drainage or combined sewer system

Drainage  from  urban  catchments  is  to  be  seen  as  a  special  case  of  flood  routing.Differences with a rural catchment are the faster response to the rainfall, the smalleramount  of  storage  usually  available  and  the  more  important  role  of  channelconveyance,  compared  to  channel  or  reservoir  storage.  In  systems  with  drainagepipes,  the open channel flow may temporarily change into a pressurized flow. Theunsteadiness of the phenomenon, however, is very pronounced.

Page 10: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0

Despite these differences, it will be shown in the sequel that these problems requirethe same modelling tools as the ones used for the study of flood routing in rivers.

Flow in a desert wadi

In  wadis,  the  unsteady  nature  of  the  flow  is  even  more  pronounced  than  in  manyother  rivers, due  to  the  infiltration of  the water  into  the  river  and  flood plain bed.This  leads  to  the steepening up of  the flood wave front. Also,  if often leads  to  thecomplete disappearance of the flood wave after some time.

Flow in irrigation systems

Flow  in  irrigation  systems  is  usually  controlled  for  the  optimum  use  of  the  waterresources. This control introduces variations in time. A fast control may even lead tothe formation of hydraulic jumps travelling along the channel. Although the designof  the  irrigation  canals  is  often  based  on  steady  flow  concepts,  the  performanceunder operation usually requires checks on the basis of unsteady flow computations.

Flow over or through a hydraulic structure

The description of flow through a hydraulic structure within a river branch is usuallybased  on  an  assumption of  steady  flow.  The  discharge  at  each moment  in  time  isdirectly  dependent  on  the  water  level  boundary  conditions.  Although  these  waterlevels  may  vary  rather  fast,  the  discharge  generated  will  respond  more  or  lessinstantaneously.  The  immediate  adaptation  of  the  flow  to  changing  boundaryconditions is the result of the lack of storage between the upstream and downstreamsection  and  the  presence  of  a  relatively  small  water  mass  to  be  accelerated  ordecelerated.  As  will  be  shown  in  the  sequel,  the  possibility  to  link  a  steady  flowchannel element to channel elements where the flow has a distinctly unsteady nature,depends on the relative importance of the various terms of the equations describingthe flow problem.

Flow in pipe networks

Flow in pipe networks for water distribution in a town is often computed as steadyflow. For given constant water demands at various places in town and constant waterlevels  in  reservoirs,  the  flow  and  pressure  distribution  over  the  complete  networkcan  indeed  be  computed.  These  computed  pressures  can  be  checked  againstminimum pressure  requirements. However,  the assumption of constant demands  isan  oversimplification  of  reality.  Water  demands  usually  have  daily  and  weeklycycles.  Reservoirs  may  be  filled  during  the  night  at  cheaper  electricity  rates  andemptied  during  the  day,  when  demands  are  higher.  Fire  fighting  may  suddenlychange  the  water  demands  over  the  network.  These  varying  demands  and  storagelead  to  unsteady  flow  phenomena  in  pipe  networks,  although  these  are  still  oftencomputed as series of quasi­steady states. Complete unsteady flow may occur as aresult  of  sudden  changes  caused  by  failures  or  misoperation  of  the  distributionnetwork. This may cause unacceptable water hammer and cavitation effects. In thiscase computations are based on the use of the full unsteady flow equations for pipeflow,  including  storage  of  water  resulting  from  water  compressibility  and  pipediameter expansion.

Page 11: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1

1.3 Numerical methods

Although  numerical  methods  have  been  developed  already  for  centuries,  thepossibilities  offered  by  computers  have  given  a  strong  impulse  to  the  furtherdevelopment of  these  methods. With numerical methods one  tries  to  solve  sets  ofdifferential equations,  such as  the De Saint Venant equations for unsteady  flow  inriver­ and channel systems. In the derivation of the differential equations one startswith finite control volumes for the definition of balance equations and than assumesthat  these  volumes  reduce  to  an  infinitesimal  small  size.  Under  this  assumption,these equations provide a correct and valid description of continuous flows.

With numerical methods this process is reversed and balance equations are derivedover finite control volumes, starting from the differential equations. For this reason,one cannot expect that this procedure leads to the same results as those which mighthave been obtained by solving the partial differential equations directly. However, inmost  cases  such  solutions  do  not  exist,  particularly  when  the  equations  are  non­linear.  This,  unfortunately,  is  usually  the  case  when  solving  practical  problems  inhydraulics.

Currently,  for  nearly  all  applications  in  hydraulics,  numerical  methods  have  beendeveloped that work well and have the potential of limiting the differences betweenexact solutions and the approximate solutions. In these lectures we are discussing thedifferences  by  dealing  with  concept  such  as  consistency,  stability,  robustness  andeconomy  of  numerical  operations.  In  particular,  it  will  be  shown  how  partialdifferential  equations  can be  transformed  into  linear  finite difference equations,  towhich extent these linearization’s require iterations and what sort of algorithms existto solve the systems of equations in an economical way.

It will also be shown, wherever applicable, that numerical behaviour is related to thephysical behaviour described. Most obvious  is  the  relation between boundary datarequirements  and  the  way  changes  at  boundaries  are  affected  by  the  hydraulicsystem. However, also the performance of iteration techniques are influenced by thephysical behaviour of the system.

The objective of dealing with numerical methods in this lecture series is to provideenough background  information  to serve as a basis  for  the correct development ofmodels and for the best choice of modelling systems offered for use in a project.

1.4 Mathematical modelling

Modelling  has  become  a  frequently  used  tool  for  studies  in  hydraulic  andenvironmental engineering. Whereas in the past many engineers turned to physicallybased models or simplified descriptions for  the support of engineering studies,  theincreasing  availability  of  personal  computers  and  the  powerful  developments  incomputer graphics,  data bases  and on­line  control,  software has  brought  computersupport to the desk of consulting engineers. In line with these developments we alsosee  a  strongly  increased  availability  and  use  of  mathematical  modelling  softwaretools.

Page 12: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2

For a better understanding of what a model represents, let us look at one of the manypossible ways of defining such a tool:

a  model  is  a  physical  or  mathematical  description  of  a  physical  system,including the interaction with  its outside world, which can be used to simulatethe effect of changes in the system itself or the effect of changes in the conditionsimposed upon it.

In  the  development  of  a  mathematical  model  one  may  distinguish  the  followingmain elements:

· definition of objectives· schematisation· equations and conditions· solution algorithm· software choice or development· data collection· model calibration· model verification· simulations

Definition of objectives

Definition of objectives is a very important and often underestimated element in thedecision process which leads to the use of a model. The first question to be posed iswhether a model can add important information to what is already understood abouta system. It also  involves  the estimation of  the possibility  to save project costs byusing a model and the economic value that may be attached to the development anduse of the model. This process will also lead to the choice of the level of complexityof  model  description.  The  use  of  models  is  generally  associated  to  their  use  forsimulations. However,  another  interesting  field of  application  is  in  the  analysis  ofpossible  hypothesis  about  empirical  relations.  Finally,  models  define  relationsbetween  the  various  variables  describing  a  state  of  a  physical  system  andconsequently  models  may  be  used  for  data  consistency  checking.  As  typicalexamples  of  model  objectives  in  the  fields  of  environmental,  hydraulic  andhydrological engineering one may mention:

· effects of hydraulic works;· simulation of the impacts of floods;· on­line flood forecasting;· flood prediction;· design of urban drainage systems;· simulation of the impacts of dam breaks;· study of field irrigation water supply;· control of salt intrusion in estuaries;· BOD­DO computations along rivers;· ecological effects of heat loads from power plants;· estimation of sedimentation in reservoirs;

Page 13: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 3

· soil remediation studies;· effects of sewerage overflows upon the receiving waters;· consistency checking of water quality data;· consistency checking of hydrological data.

Model schematization

The  schematisation  of  the  physical  system  follows  from  the  complexity  of  theprocesses and the economical interest in studying these processes in all their details.The  use  of  simplified  models,  based  on  a  simplified  description  of  the  physicalprocesses is only justified if the results of the model can still be used reliably in thedesign process. In other words, if the results still fall within the reliability range ofdata  used  by  the  designer.  All  processes  in  nature  are  of  a  three­dimensional  andunsteady nature. The choice in the model schematisation is primarily:

· choice of the number of spatial dimensions;· choice of time variability.

From  the  spatial  dimensions  and  the  time,  the  modeller  selects  one  or  moreindependent  variables x,y,z  or t,  or  other  independent  variables  if  certaintransformations are applied, e.g. r and  in a polar coordinate system. Such a choiceis  strongly  linked  to  the  model  objectives.  For  example,  a  reservoir  can  beschematized into a single point, if one wants to study the water level variations andthe  reservoir  outflow  as  a  function  of  time.  The  same  reservoir,  however,  willrequire  a  three­dimensional  schematization  in  space  in  a  study  of  wind­inducedcirculations or velocity patterns following from density stratification.

Equations and boundary conditions

A mathematical model is based primarily on the choice of equations describing thestate  of  the  physical  system.  Water  levels,  discharges,  velocities,  temperatures,salinities  etc.  are  so­called  state  variables or  dependent variables. One  equation  isneeded for each of these variables describing the state of the physical system. Mostof these equations are balance equations of mass, or, simplified, of volumes. Otherequations  are  based  on  balances  of  other  physical  quantities,  such  as  momentum,energy or  turbulence. Often, also,  simplified forms of  these equations are used  forthe description of processes within our computational domain in space and time. Inspace this domain might represent the axis of a river flowing from town A to town Bfurther downstream and  in  time  the duration of a  typical  flood wave,  including anantecedent  period.  Additional  conditions  have  to  be  provided  at  the  modelboundaries, to specify the interaction of the outside world with the domain describedby  our  model.  These  conditions  will  follow  from  the  nature  of  the  physicalprocesses, translated into mathematical conditions through the equations describingthe system.

Page 14: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 4

Solution algorithms

The  balance  equations  in  space  and  time  provide  us,  generally,  with  partialdifferential equations. These equations are transformed from a continuous form intoa discrete  form by writing  them out as  relations between variables at points  in  thecomputational  domain.  Such  formulations  are  based  on  finite  differences,  finiteelements or boundary integrals and provide systems of linear equations. Completedwith a linearized formulation of boundary conditions and special elements, such ashydraulic  structures,  the  total  system  of  linear  equations  may  be  solved  with  avariety of algorithms, ranging from simple Gaussian elimination as a direct matrixsolver,  to  iterative  techniques such as  the conjugate gradient method. The solutionalgorithm usually has to follow a specific sequence of operations, consistent with thephysical links in the system.

Software

For  most  environmental  studies  standard  software  tools  are  available.  For  simpleproblems  engineers  usually  turn  to  spread  sheet  packages,  whereas  for  problemsrelated to open channel flow in networks, reservoirs,  flow in pipe networks, sewersystems, water hammer, coastal management, short waves computations etc. varioussoftware  products  are  available,  developed  at  specialized  hydraulic  researchinstitutes.  The  use  of  these  packages  assures  a  flexible  user  environment  and  areliable solution of all sorts of numerical problems.

Data collection

Over the past years more and more effort has been spent on the collection of all sortsof  data  and  the  processing  and  storage  of  these  data  in  data  bases.  However,  formodel  development,  data  available  in  data  bases  is  not  always  sufficient,  as  thecalibration  of  models  often  requires  data  measured  over  short  periods  in  time,available at various locations simultaneously. For this reason, the models are usuallyset up with whatever data available in  the standard data base, completed with datacollected during some specially organised campaigns.

Model calibration and verification

Some data required for a model can be collected directly in the field. Examples aresalinities,  channel  cross­sections,  discharges,  water  levels  and  concentrations  ofdissolved  substances.  Some  data  can  only  be  collected  with  a  certain  degree  ofuncertainty, such as the details of the topography in the flood plains. Other types ofdata cannot be measured at all, such as Manning numbers and diffusion coefficients.Such  data  can  only  be  estimated  on  the  basis  of  a  sound  engineering  judgement,based on the interpretation of recorded values of other variables and parameters. Themore uncertainty we have in the model parameters, the more we are dependent on agood  set  of  calibration data. The  fit between measurements  and  computations andthe  knowledge  of  the  processes  enables  the  adjustment  of  the  parameters  until  anacceptable  fit  has  been  obtained.  For  model  calibration  one  will  usually  select  anumber of events, which are complementary to each other in terms of the calibrationparameters.

Page 15: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 5

A  calibration  of  a  river  model,  for  example,  will  typically  start  with  low  flowcalibration  and  finish  up  with  the  calibration  of  some  typical  flood  events.  Thisprocedure  allows  for  the  calibration of  channel  roughness parameters,  prior  to  thecalibration of flood plain conveyance and storage parameters. After completion of amodel  calibration  the  model  should  be  verified  on  a  set  of  data  not  yet  used  forparameter estimation. However,  in practise  it  is not easy  to  reserve such a  set andeven  if  such  verification  runs  are  made,  the  differences  between  model  andprototype performance may lead to lengthy arguments about the quality of the modeldata. In other words, why should one trust the results of verification more than theresults of a model calibration?

Simulations

Once  the  model  has  been  accepted  it  can  be  used  for  the  typical  simulationsfollowing from the definition of the model objectives. It should be kept in mind thatthe  use  of  the  model  with  modified  parameters  may,  in  turn,  modify  otherparameters. As an example, the construction of river embankments may also changethe  bed  roughness.  The  use  of  such  models,  therefore,  should  always  beaccompanied with sound engineering judgement based on a thorough knowledge ofthe physical processes.

Page 16: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 6

Page 17: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 7

2 Introduction to numerical methods

2.1 Introduction

This chapter deals with the solution of problems described on the basis of one singleindependent  variable,  such  as  x  or t.  A  typical  example  is  the  simulation  of  flowthrough a reservoir, where water level variations in the horizontal plan are neglectedand  the point water  level fluctuates in  time as a  result of  time­variations in  inflowand outflow. The water volume balance leads to an ordinary differential equation ofthe  first  order  which  can  conveniently  be  solved  by  a  finite  differenceapproximation.

Another typical example connected to this problem is the description of the variationin time of the concentration of a chemical substance in the reservoir water, assumingthat this reservoir is well­mixed. The balance equation for this substance also leadsto an ordinary differential equation with time as the independent variable.

In  a  further  extension  one  may  consider  the  interaction  of  various  substances,leading  to  coupled  systems  of  first­order  ordinary  differential  equations.  A  well­known example  is  given by  the Streeter­Phelps equations, describing  the decay oforganic pollutants and the effects on the oxygen concentration in a well­mixed pond.The same set of equations is found by considering the BOD and DO concentrationsin a particle of water moving with the stream velocity in a river and neglecting theinfluence of  exchange by diffusion between various water particles. Although  thisset of equations may be described as a function of time, it might also be convenientto apply a transformation which takes the channel axis x as the independent variable.Such  transformation  facilitates  the  inclusion  of  typical  influences  along  the  river,such as point effluent loads, weirs providing additional reaeration and the effects ofvariations in the channel topography on stream velocity and reaeration.

Although the simplest problems of this category can be studied by exact solutions ofthe  differential  equations,  the  more  flexible  formulation  of  model  equations  andparameters  requires  solutions  formulated  by  numerical  schemes,  such  as  finitedifference  schemes  or  finite  element  schemes.  In  the  sequel,  a  range  of  finitedifference approximation are introduced and discussed in terms of accuracy, stabilityand convergence of solutions.

Figure 2.1  Sketch of a cylindrical groundwater reservoir

Page 18: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 8

2.2 Introduction to finite difference approximations

Let  us  consider  one  of  the  simplest  ordinary  differential  equations  expressing  thevolume balance of groundwater in a cylindrical reservoir as shown in Figure (2.1).Assuming a constant reservoir surface area A, a constant porosity n and an outflowdefined as a linear function of the hydraulic head h, the water level is described bythe continuity equation and Darcy law, respectively, as

dhnA Qdt

= - ; Q kAh= -

or, by elimination of Q,

Article 2. dh hdt

a= - (2.1)

where   is a linear reservoir coefficient.

This equation has the exact solution

0th h e a-= (2.2)

where h0 is the initial water level in the reservoir.

This exact  solution  is given here primarily with  the purpose of comparing variousnumerical  schemes,  solved  with  a  variety  of  numerical  parameters  for  theseschemes. The numerical schemes that will be introduced successively are the

· Euler scheme;· Improved Euler scheme;· Implicit scheme;· Newton­Raphson scheme.

The numerical parameter in this example is the time step of numerical integration  t.

2.3 The Euler scheme

For  the  definition  of  a  finite  difference  approximation  we  will  first  return  to  theconcept of derivatives and  the differential equations  that may be constructed  fromthese. The meaning of Equation (2.1) is that at any point along t, the derivative dh/dtto the function h(t) is equal to the value of the right hand side of that equation.

Page 19: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 9

Figure 2.2  Situation sketch for the definition of a derivative (tangent) to a function h(t)

Keeping in mind (Figure 2.2) that this derivative is defined as

0

( ) ( )imt

dh h t t h tLdt tD ®

+ D -=

D(2.3)

one may use the inverse of this definition to construct a finite difference scheme ofEquation (2­3) on the basis of the approximation

1n nndh h h h h

dt t ta

+D -@ = @ -

D Dor

( )1 1n nh t ha+ @ - D (2.4)

where  it  should  be  noted  that n  is  introduced  as  a  counter  for  the  time  step  andwritten as a superscript to  the variable h or  to any other quantity defined at a gridpoint  at  time  t=n t.  This  notation  should  not  be  confused  with  an  exponent.  Thenumerical  scheme  introduced  this  way  is  called  an  Euler  scheme.  The  right  handside of Equation (2.6) is taken at time t=n t. Assuming that the value of h is knownat that point, we call such a scheme a forward difference scheme as we construct asolution  forward  in  time  proceeding  from  a  point  where  the  solution  is  alreadyknown.

Figure 2.3  Sketch  of  a  finite  difference  approximation  as  the  inverse  of  the  definition  of  aderivative at a point A at t=n t

Page 20: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 0

Figure (2.3) also shows that for any non­linear solution the finite difference schemeintroduces at each time step an error , defined as the difference between the exactsolution of the equation and the solution obtained with the scheme. From the figureit  may  also  be  concluded  that  this  error  usually  increases  with  an  increasing  timestep.  It  will  also  be  clear  that  the  error  depends  on  the  curvature  of  the  function,expressed  by  the  influence  of  the  higher­order  derivatives.  In  other  words,  forsolutions deviating slowly from straight lines one may take larger time steps than forsolutions  which  deviate  fast  from  straight  lines,  if  one  wants  to  obtain  the  samerelative accuracy of the solution.

Let us demonstrate the effect of the choice of time step by solving Equations (2.1)and with the Euler scheme of Equation (2.4) for the following data:

h0  = 10 mm  = 0.1 day­1

Table  2.1  shows  results  at  T=4  days  for  the  exact  solution  of  the  equations,compared with numerical solutions obtained with Equation (2.4) for time steps  t =0.5 days, 1.0 day and 2.0 days respectively. Differences between the exact solutionand the numerical solution are 1 %, 2 % and 4.5 %, respectively. It is also observedthat  the  errors  are  larger  than  those  found  at  T  =  2  days,  demonstrating  theaccumulative effect of  the errors during  the  integration of  the differential equationalong the time axis.

Table 2.1  Influence of the numerical scheme and the time step on the accuracy of results

time Exact Euler Improved Euler Implicit(days) t=½

(days)t=1

(days)t=2

(days)t=1

(days)t=2

(days)t=1

(days)t=2

(days)0.0 10.00 10.00 10.00 10.00  10.00 10.00 10.00 10.000.5 9.50 9.501.0 9.05 9.03 9.00 9.05 9.00 9.051.5 8.57 8.602.0 8.19 8.15 8.10 8.00 8.19 8.20 8.19 8.182.5 7.74 7.783.0 7.41 7.35 7.29 7.41 7.38 7.413.5 6.98 7.044.0 6.70 6.63 6.56 6.40 6.71 6.72 6.70 6.69

Page 21: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 1

Figure 2.4  Various derivatives used in the finite difference approximation: (a) derivative used inthe Euler scheme; (b) ideal choice of derivative bringing the solution from point A topoint B; (c) approximate derivative used in the centred schemes

2.4 The improved Euler scheme

From Figure (2.4) it  is observed that one possible way of reducing the errors is byselecting  a  better  location  for  the  derivative  along  the  time  axis.  A  good  locationwould  be  a  place C,  approximately  halfway  the  time  levels  n t  and  (n+1) t.However,  the exact  location of  the point  is not known, due  to  the  influence of  thehigher­order derivatives on the shape of the solution function. Moreover, even if thisexact  location  would  be  known,  the  solution  of  the  function  is  not  known  at  thispoint and, hence the value of the derivative. The principle of a better positioning ofthe derivative leads us to the improved Euler scheme based on an additional iterationof  the  solution.  As  a  first  step  in  the  improved  Euler  method  the  value  of  hn+½,halfway the time step, is approximated by

( )½ 1 ½n nh t ha+ @ - D (2.5)Substitution of this approximate value in the expression of the derivative gives thefinite difference approximation over the total time step from grid point n to (n+1) as

n nnh h h

ta

++-

@ -D

or1 ½n n nh h t ha+ +@ - D (2.6)

Results of this scheme, also given in Table (2.1), show considerable improvementsin  accuracy,  with  errors  of  0.15  %  and  0.3  %  for  time  steps  of  1.0  and  2.0  days,respectively. Even considering that the amount of computational work done with theimproved Euler  scheme  is  approximately  twice  the amount of work done with  thenormal Euler scheme, the improvement in terms of efficiency is still remarkable.

For an equivalent computational effort the improved Euler scheme produces only 15%  of  the  error  of  the  normal  Euler  scheme.  Although  similar  improvements  inaccuracy  are  not  always  obtained  for  all  problems,  the  example  demonstrates  thepotential of efficiency improvements by using higher­accurate numerical schemes.

Page 22: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 2

2.5 The implicit scheme

The numerical schemes introduced so far are based on the concept that the derivativeof the function is known at the initial point in the computation over a time step anddoes not change during that time step or, at best, is adapted in its value and locationduring  an  additional  iteration.  A  next  logical  step  for  improvement,  then,  is  toinclude the variables composing the derivative in the expression for the yet unknownvariable h at time level (n + 1) t. For Equation (2.1) this leads to a centred implicitfinite difference scheme of the form

( )1

1½ ½n n

n nh h h ht

a a+

+-@ - +

D

or1 1 ½

1 ½n nth h

taa

+ - D=

+ D(2.7)

For the given value of   and a time step of 1 day this leads to the simple relation

1 0.9048n nh h+ = .

Results  of  this  computation  are  shown  in  Table  (2.1).  The  errors  are  0.017%  and0.13%  for  time  steps  of  1.0  and  2.0  days,  respectively.  In  terms of  accuracy,  thisapproach  gives  another  considerable  improvement  over  the  earlier  introduced  so­called explicit  schemes. Although  this  conclusion may not  be  generalized  to  othernumerical  schemes  without  exceptions,  the  implicit  schemes,  in  general,  have  thepotential of providing more accurate results, at lower computations cost, due to thebetter centring of  the  finite difference equations. However,  for problems involvingmore unknown variables,  the  implicit schemes lead  to systems of  linear equations,which have to be solved simultaneously through matrix operations.

In most cases the overall solution algorithm leads to more numerical operations pertime step. However, this is generally compensated by the much larger time steps thatcan be taken. As a consequence, currently most numerical algorithms are based uponimplicit  schemes. Apart  from  the higher  accuracy, another  important  advantage ofimplicit schemes is their improved stability or robustness behaviour, as discussed in§ 2.8.

2.6 The Newton­Raphson scheme

One special form of implicit schemes is the Newton­Raphson scheme. Although theNewton­ Raphson approach is generally presented as a method for solving nonlinearequations,  we  introduce  it  here  as  an  approach  to  the  formulation  of  linear  finitedifference schemes and notably the linearization of individual terms and coefficientsin the scheme.

Page 23: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 3

Assume,  for  example,  that  the  coefficient   in  Equation  (2.1)  is  given  as  a  linearfunction of h by the relation

0 1a a ha = +

where a0 and a1 are constants. Substitution into Equation (2.1) gives

20 1

dh a h a h Fdt

= - - = (2.8)

where F  is  a  general  function  of h.  An  implicit  finite  difference  scheme,  centredhalfway the time step, could be written as

½nh F Ft

D= + D

D

As F is a function of h, the Newton­Raphson approach gives

( )0 12dFF h a a h hdh

D = D = - + D

leading to the finite difference scheme

( )0 11 ½ 2

n

n

F tht a a h

DD =

+ D +(2.9)

The advantage of this approach is that the change in the value of the coefficient  isalready  partly  taken  into  account  during  the  integration  over  the  time  step.  FromEquation (2.13) one may conclude that the process is not yet ideal, as the value of hin  the  right  hand  side  of  the  expression  is  taken  at  grid  point n,  whereas  thesubstitution of a value at grid point (n+½) would be more precise. Referring, again,to  the  implicit  scheme  of  §  2.5,  the  value  of   would  be  taken  at  grid  point  n,whereas  an  improved centring would  require  an additional  iteration,  similar  to  theapproach  followed  in  the  improved  Euler  method.  The  Newton­  Raphson  implicitscheme is generally used without such additional iteration as in most cases this extrastep is hardly cost effective.

2.7 A more formal analysis of accuracy

Although  the  concept  of  accuracy  was  discussed  on  the  basis  of  a common  senseapproach and such a reasoning should always accompany the use of numerical andphysical  concepts,  it  is  also  useful  to  introduce  more  fundamental  analysistechniques. One of the most frequently used tools for the analysis of the accuracy ofnumerical schemes is the Taylor's series expansion.

Page 24: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 4

Referring to Equation (2.2) and assuming a continuous behaviour of the function hand all its first and higher­order derivatives in time, the value of h at grid point n+1can be expanded from its value at grid point n through the infinite Taylor's series

1

1 !

nk kn n

kk

t d hh hk dt

¥+

=

æ öD= + ç ÷

è øå (2.10)

with all derivatives taken at grid point n. In Equation (2.10) k! should be read as “kfactorial”, defined as the product 1*2*3*… .*k.

It will be useful to discuss the meaning of the term under the summation sign in apragmatic  way.  The  term  tk  refers  to  a  step  in  time  raised  to  the  power k  andcancels, at least in magnitude, against the contribution dtk. The notation dkh has themeaning of expressing differences in function values at points in the vicinity of thepoint  where  the  Taylor's  series  is  expanded  upon  and  has  a  value  comparable  inorder of magnitude to the average function value at these points. As the value of k!increases rapidly with increasing k, it may be expected then that the contribution ofthe  higher­order  derivative  terms  in  this  expanded  series  decreases  rapidly  withincreasing k.

Referring to Equation (2.10), one may divide all terms by  t to give

1 2 2 3

2 3 . . .2 6

n nnn nh h dh t d h t d h h o tt dt dt dt

+ æ ö æ ö- D Dæ ö= + + +ç ÷ ç ÷ç ÷D è ø è ø è ø(2.11)

where h.o.t. refers to all higher­order terms in this series expansion. Substitution ofthe Euler scheme of Equation (2.4) into Equation (2.11) and dropping the superscriptn provides

2 2 3

2 3 . . .2 6

dh t d h t d hh h o tdt dt dt

TE

aD D

= - - - +

-14444244443

(2.12)

Comparison of Equation (2.12)with Equation (2.1) leads to a difference TE betweenthe  differential  equation  and  the  Euler  scheme  defined  with  the  intention  to  solvethis equation.

This difference TE is called the truncation error of the finite difference scheme. Forthe  improved  Euler  scheme,  Figure  (2.3)  visualizes  this  truncation  error  by  themagnitude .  For  the  special  case  of  Equation  (2.1),  the  magnitude  of  all  higher­order  derivatives  can  be  expressed  in  terms  of  the  value  of h  at  those  points,  asshown for constant  by successive differentiation of the equation with respect to t.

Page 25: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 5

At all points in time this gives the truncation error in the form

2 32 . . .

2 6h hTE t t h o ta a

= D - D + (2.13)

From Equation  (2.13)  it  is  readily  seen  that  by decreasing  t  in  the  integration ofEquation (2.1), the total error in h decreases linearly with  t with respect to the firstterm in the right hand side of Equation (2.13) and decreases even faster than linearlywith respect to the remaining terms in the truncation error. A truncation error of thistype is said to be of first order in  t or simply O( t), while the numerical scheme issaid to be first order accurate.

As the numerical integration proceeds in time, the errors of each individual time stepare accumulated. It should be remarked here that the accumulative error for any  t issubject  to a decay by virtue of  the meaning of Equation (2.1) and for any realistictime step  t the accumulated error will tend to zero for t à . Another interestingobservation regarding the  truncation error  in  the numerical  integration of Equation(2.1) is the nearly­linear decrease of the error when reducing the time step  t from2.0  days  to  0.5  days,  as  shown  in  Table  2.  1.  This  behaviour  points  at  a  rapidlydecreasing influence of the higher­order derivatives in the truncation error, for thisapplication.

The much smaller truncation error in the implicit scheme of Equation (2.7) can alsoconveniently  be  demonstrated  by  a  Taylor's  series  expansion.  This  derivationfollows a more common introduction of Taylor's series in numerical schemes. Afterthe  selection  of  the  appropriate  centre  point  of  the  scheme  all  values  of  thedependent variables introduced at neighbouring grid points are expanded from thatcentre  point.  For  the  implicit  scheme,  centred  at  point  n+½,  the  Taylor's  seriesexpansion gives

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

2 32 3

2 3

2 32 3

2 3

½ ½1 ½ ½ . . .

2 6

­½ ­½1 ½ ½ . . .

2 6

t tdh d h d ht h t h o tdt dt dt

t tdh d h d ht h t h o tdt dt dt

a

a

æ öD D+ D + D + + + =ç ÷

ç ÷è øæ öD D

- D + - D + + +ç ÷ç ÷è ø

where all values of h and the derivatives with respect to time are taken at grid pointn+½. Expanding these expressions further leads to the equation

2 32 2

2 3

1 . . .8 24

TE

dh d h d hh t t h o tdt dt dt

aa

-

= - - D - D +144444424444443

(2.14)

which is the equation in reality solved by the implicit scheme.

Page 26: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 6

Considering,  again,  that  for  this  application  all  third­  and  higher­order derivativesare small, the remaining part of the truncation error is indeed much smaller than thatof Equation (2.12) for any realistic choice of  t. A realistic time step in this contextis a choice which relates  t to the value of   as discussed in § 2.10.

Figure 2.5  Oscillations and instabilities generated for large time steps: (a) exact solution; (b) stableoscillatory solution for  t=18 days; (c) unstable solution for  t=22 days

2.8 Stability

Despite the truncation error in the computation presented in Table (2.1) most resultsare  quite  acceptable  for  practical  purposes.  However,  it  is  interesting  to  observewhat kind of results would have been produced if the time step had been taken muchlarger. As an example, let us consider a time step of 25 days in an application of theEuler scheme for the same equation and data as used in Table (2.1). For successivetime steps the sequence of results would be 10, ­15, 22.5, ­33.75, 50.63, ­75.94 etc.,leading  to  infinity or  an  exponent overflow message on a digital  computer  after  asufficiently  large  number  of  time  steps.  In  any  hand  computation  the  sequence  ofoperations would have been interrupted after one or a few time steps as the resultswould appear to be unrealistic for any practical interpretation. A computation of thiskind is called an instability. In an unstable computation results will always exceed alimit which has been set by the engineer as a realistic maximum or minimum value,for which exceedance is not to be expected (Figure 2.5). A frequently used analysisfor the definition of stability criteria is based on the notion of amplification factorsbetween  results at  successive  time steps.  If  the absolute value of  the amplificationexceeds unity at each and every step in time, one has sufficient proof of the unstablenature of  the computation. The application of  this analysis  to  the Euler scheme ofEquation (2.4) gives

1

| | 1 1n

n

hA th

a+

= = - D £ (2.15)

as  a  stability  condition  for  the  scheme.  Since  t  is  definite  positive  the stabilitycondition for the Euler scheme is derived as  t   2.

Page 27: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 7

Applying the same reasoning to the implicit scheme of Equation (2.7) leads to

1 ½ 11 ½

tt

aa

- D£

+ D(2.16)

and  to  the conclusion that  the  implicit scheme is unconditionally stable. However,the stability limit of  t=20 days obtained for this application of the Euler scheme isfar beyond any time step that would be set as a maximum from the accuracy point ofview. Even for the implicit scheme the results obtained with this time step are veryinaccurate,  as h  drops  to  zero  over  the  first  time  step  and  remains  zero  over  allsuccessive  time  steps,  whereas  in  the  exact  solution  the  value  of h  decreasesexponentially from the given initial value and only approaches the value of zero fortà .

It may be  included that  the unconditional stability of  the  implicit scheme does nothave  special  advantages  in  this  application  to  the  solution  of  ordinary  differentialequations. When moving to applications on partial differential equations, however,the  increased  stability  of  the  implicit  schemes  will  turn  out  to  be  of  such  greatimportance  that  currently,  nearly  all  finite  difference  schemes  are  based  uponimplicit formulations.

2.9 Consistency and convergence

The  Taylor's  series  expansion  of  the  numerical  scheme  visualizes  the  differencebetween the differential equation as a continuous description of the physical systemand the finite difference equation as a discrete description on a set of grid points. As

t decreases, the difference between both equations reduces to the extent that theybecome  equivalent  as  tà0.  In  such  case  the  difference  equation  is  said  to  beconsistent  With  the  differential  equation.  In  the  case  of  ordinary  differentialequations  this  generally  implies  that  the  results  also  converge  towards  the  exactsolution as  tà0. An additional condition for such convergence  is  that  the  resultsare computed under stable conditions.

2.10 The choice of a time step

The choice of a time step in the numerical integration of the differential equation is abalance  between  the  maximum  tolerable  error  and  the  economy  of  the  numericaloperations.  In  any  model  application,  errors  are  introduced  from  the  followingsources :

· accuracy of basic data;· choice of additional parameter values;· model schematization;· choice of simulation data;· numerical errors.

Page 28: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 8

Of all these sources of errors the numerical error is easiest controlled and a generalrequirement  in  model  simulations  is  that  the  numerical  error  does  not  add  to  theuncertainties in the results introduced by the other sources. To satisfy this condition,the  numerical  error  should  be  of  an  order  of  magnitude  smaller  than  the  overallexpected error. So, if  the overall error is expected to be some centimetres in level,the admissible numerical error  should not exceed a  few millimetres. Whereas  it  isalready  difficult  to  estimate  the  magnitude  of  the  overall  error,  it  is  even  moredifficult  to estimate  the numerical error generated during one single  time  step andeven more so the accumulated effect over various steps.

As the truncation error contains higher­order derivatives, a first estimate of the timestep is based on an idea about the curvature of the solution function. Strongly curvedsolution  functions  require  smaller  computational  steps  than  solutions  with  moregentle variations.

Figure 2.6  Process of diminishing errors by reducing the time step  t

A  better  estimate  of  the  time  step  is  based  on  a sensitivity  analysis.  By  takingsuccessively smaller grid steps, solutions are compared and if the differences appearto be sufficiently small, similar computations can be made with that acceptable gridstep. It should be noted that the difference  obtained by successively halving thetime step is less than half the total numerical error , as shown in Figure (2.6), wherethis  total  numerical  error  at  a  given  point  in  time  is  plotted  as  a  function  of  thenumber of computational time steps N over a given period of integration. This leadsto the conclusion that it is more efficient to refine coarse grids than refining furtheralready fine grids.

In a pragmatic approach one might also  limit  the allowable change  in  the functionderivative over a  single  time step. For  the  simple Equation  (2.4),  this  condition  isequivalent to setting a maximum to the change in the value of h from one time stepto the other. Setting, for example, as a criterion that over a single time step a changeof 5% is allowed, this criterion leads to  t   0.05, or  t   0.5 days.

Even in this simple case, however, it remains difficult to estimate the accumulatedeffect of  this  error  over various  time steps.  In  an attempt  to do  so  and keeping  inmind the decaying nature of the error, the accumulated error E at time step n=N, isapproximated as

( )2

1½ 1

NN nn

nE t h ta a -

=

= D - Då (2.17)

Page 29: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 2 9

where  in  this  notation  N­n  represents  an  exponent.  In  principle,  it  is  possible  tofollow  the  magnitude  of  E  during  the  computational  process,  assuming  that  theeffect of third­ and higher­order derivative contributions to the truncation error arenegligible. Such an approach, however, is not practical for more complex problemsand it is better to turn to sensitivity analysis for determining an acceptable time step.

2.11 Reservoir routing

Consider a reservoir with a level­dependent storage area A, an inflow Qi given as ahydrograph and a level­dependent spillway outflow Q0, as shown in Figure (2.7).

Figure 2.7  Sketch of a reservoir with spillway flow

Reservoir  volume  balance  and  spillway  flow  are  given  by  the  following  set  ofequations

( )i odhA Q t Qdt

= - (2.18)

( )1.50 1.71 crQ m L h h= - (2.19)

whereA  ­ level dependent surface area of the reservoir;h  ­  reservoir  water  level  above  a  general  reference  (e.g.  mean  sea  level

MSL);hcr  ­ level of the spillway crest;L  ­ length of the crest;m  ­ discharge coefficient.

In  principle,  Equation  (2.19)  may  be  substituted  into  Equation  (2.18)  to  give  onesingle  equation  with h  as  the  only  dependent  variable.  However,  in  general  it  ispreferred  to  do  such  substitutions  at  the  level  of  the  numerical  formulation  afterlinearization of the equation and/or the finite difference formulation.

In a simple Euler approach the equation reads as follows:

( )1.5

0 1.71n ncrQ m L h h= - (2.20)

Page 30: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 0

( ){ }1n n n ni on

th h Q t QA

+ D= + - (2.21)

where n, again, has the meaning of a superscript indicating the grid point along thetime axis. To demonstrate the computational algorithm, a small example is workedout with the following data:

hinitial= 24.70 mt(hours)

Qi(t)(m3/s)

h(m)

A(h)m2

hcr= 24.00 m 0 50 24 0.4*106

L = 30 m 1 150 25 0.8*106

t = 1 hour 2 360 26 1.0*106

m = 1.1 3 340 27 1.1*106

The results of the computation are given in Table (2.2).

Table 2.2  Results of the reservoir routing simulation with the Euler method

time(hrs)

gridpoint

hn

(m)Qo

n

(m3/s)Qi

n

(m3/s)An

(m2)h

(m)0.0 0 24.700 33.05 50 6.80*105 0.0901.0 1 24.790 39.62 150 7.16*105 0.5552.0 2 25.345 88.02 360 8.69*105 1.1273.0 3 26.472 219.32 340

With reference  to Figure (2.8)  it  is  readily seen that  the  time step of 1 hour  is  toolarge,  as  the  error  introduced  by  using  a  reservoir  surface  area  at  time  n t  issignificant. Moreover, the use of the discharge at time n t contributes to the error inthe time derivative, although it does not affect the volume balance in a direct way.

Figure 2.8  Volume error at successive time steps in reservoir routine using the Euler scheme

A  much  improved  formulation  is  based  on  the  Newton­Raphson  approach.  Apartfrom  the  better  centring  of  the  derivative  of  Equation  (2.23)  the  variation  in  thesurface area  is  included  implicitly. Although  this variation  is  only  introduced as  alinear  function,  it  is  a  great  improvement  over  including A  as  a  constant  over  acomputational step, defined at time level n t.

Page 31: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 1

For the Newton­Raphson formulation the equations are rewritten in the form

( )( ) ( )1 , ,= - =i o i odh Q t Q F h Q Qdt A

(2.22)

and discretized, jointly with Equation (2.20), as

½nh F Ft

D= + D

D(2.23)

( )n

n n oo o o

dQQ Q Q h hdh

æ ö+ D = + Dç ÷è ø

(2.24)

where

( )( )

( )( )21 1

i oi o

nn n

i o i on n

F F FF Q Q hQ Q h

dAQ Q Q t Q hA dhA

¶ ¶ ¶D = D + D + D

¶ ¶ ¶

æ ö= D - D - - Dç ÷è ø

(2.25)

and

( )0.51.5*1.71*ocr

dQ m L h hdh

= - (2.26)

Special  attention  is  drawn  to  the  use  of  Q0(hn)  in  Equation  (2.24)  instead  ofsubstituting  the already known value Q0

n. As  shown  in Figure  (2­9)  the value Q0n

was obtained from a linearized Q­h relation at time level (n­1) t (line a at point A).The solution should proceed from point B along the line b during the next time step.If in the right hand side of Equation (2.24) Qo

n had been used instead of Qo(hn), thesolution would proceed from point C along the dotted line c and the accumulation oferrors  over  various  time  steps  would  bring  us  further  and  further  away  from  thecorrect Q­h relation. Note that for consistency reasons this correction is not includedin the volume balance equation.

Figure 2.9 Linearization of the Q0­h relation

Page 32: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 2

The coefficients in the two linear equations can be collected to the form

11 12 1

21 22 2

o

o

a h a Q ba h a Q b

D + D =D + D =

(2.27)

or

A x b- -

= (2.28)

with matrix A and vectors x-

 and b-

 given as

11 12 1

021 22 2

; ;ha a b

A x bQa a b

- -Dé ùé ù é ù= = =ê úê ú ê úDë û ë ûë û

(2.29)

where

( )( )

( )( )( )

11

12

021

22

1

2

2 1

1

1

2 ½

nnn n

i on

n

n ni i o

n no o

A dAa Q t Qt A dh

a

dQadh

a

b Q t Q Q

b Q Q h

æ ö= + - ç ÷D è ø=

æ ö= ç ÷è ø

= -

= + D -

= -

(2.30)

Elimination of  Q leads to

1 2

11 21

b bha a

+D =

+(2.31)

1 11Q b a hD = - D (2.32)

The  computation  over  the  same  time  steps  as  taken  for  the  demonstration  of  theEuler method gives  results  as  shown  in Table  (2.3). The  results,  indeed,  are  morerealistic than those of Table 2.2. However,  the differences between Q0

n and Q0(hn)indicate that it is advisable to use a smaller time step of integration.

Page 33: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 3

Table 2.3  Results of the reservoir routing simulation with the implicit Newton­Raphson method

time (hrs)  gridpoint

hn  (m)  Q0n  (m3/s)  Q0(hn) (m3/s)  Qi(t)

(m3/s)An*105

(m2)dA/dh*105 (m)

dQ0/dh(m2/s)

0.0 0 24.700  33.05 33.05 50 6.80 4.00 70.821.0 1 24.992  53.73 55.75 150 7.97 4.00 84.312.0 2 25.688  114.45 123.78 360 9.38 2.00 109.983.0 3 26.379  199.71 207.02 340

time (hrs)  gridpoint

a11 a21 b1 b2 h (m)  Q0 (m3/s)

0.0 0 388 70.8 133.9 0.00 0.292 20.681.0 1 491 84.3 402.5 ­2.03 0.696 60.722.0 2 573 110.0 481.1 ­9.33 0.690 85.273.0 3

2.12 Routing of a decayable pollutant through a reservoir

Let us consider next a similar reservoir which is polluted by a decayable substancewith  concentration  c.  Assuming  that  the  reservoir  volume  can  be  schematized  aswell mixed and introducing a first order decay, with reaction coefficient k, gives

( ) i i od cV c Q cQ k cVdt

= - - (2.33)

or

( ) i i odc dhV c cA c Q cQ k cVdt dt

+ = - - (2.34)

Substitution of Equation (2.18) into Equation (2.34) and division of all terms by thereservoir volume V leads to

( )ii

Qdc c c kcdt V

= - - (2.35)

where the volume V, as a function of the reservoir level, follows from the integrationof  the  surface  area A along h.  Such  integration  is  best  based  upon  a  simpletrapezium rule as the surface area, obtained from planimetering a topography from amap,  is  never  accurate  enough  to  justify  higher­accuracy  integrations  of  the  A­hrelation,  such  as  the  Simpson's  rule  or  even  integrations  based  on  cubic  splinefunctions. Moreover,  linear A­h relations are used  in  the Newton­Raphson methodand the use of the trapezium rule for the integration of the V­h relation is consistentwith this approach. Although in a quick analysis the dilution coefficient

iQDV

= (2.36)

is often set as a constant, giving for Equation (2.35) the exact solution

( )( ) ( )0 1k D t k D t

iDc c e c e

k D- + - += - -

+(2.37)

Page 34: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 4

We will focus here on the general case where D is a function of time and the exactsolution  of  Equation  (2.35)  does  not  exist.  The  simplest  numerical  solution  ofEquation (2.35) is, again, based on the Euler method, giving

( )1 nn n nii

Qc c t c c kc tV

+ æ ö= + D - - Dç ÷è ø

(2.38)

Numerical solutions have the advantage over analytical solutions that all parameterscan  easily  be  made  a  function  of  the  dependent  variables c  and h  and  of  theindependent variable t.

Examples of such further generalization of relations both in the water quantity andquality part are:

· outflow partly given as a user demand, possibly affected by reservoir operationlevels;

· inclusion  of  the  effects  of  precipitation  to  and  evapotranspiration  from  thereservoir surface in a longer term water balance simulation;

· stage dependent width of the spillway crest;· controlled spillway crest level as a function of h or t;· the use of m, calibrated as a function of the reservoir level;· various sources of pollutant inflows into the reservoir;· decay described as a function of the time­varying water temperature;· inclusion of additional substances, such as dissolved oxygen with dependence on

wind­generated reaeration, photosynthesis, bottom sediment processes etc.

Again, in this example more accurate results are obtained for a given time step withthe  improved  Euler  method  and  implicit  methods,  including  the  Newton­Raphsonformulation. As the water balance is not affected by the pollutant concentration, anyimplicit  technique  leads  to  a  system  of  linear  equations  with  the  unknownconcentration  at  the  new  time  level  decoupled  from  the  unknown  level  and  outflowing discharge. It is also rather common to simulate the water quantity part first,write results to a data base and subsequently retrieve the necessary information in aseparate  water  quantity  computation.  We  will  return  to  this  approach  whendiscussing water quality studies in rivers, coastal areas and in reservoirs where theassumption of a well mixed estuary is not correct.

2.13 Non­uniform steady flow in channels

As an example of computations which describe steady processes with variations inthe  spatial  x­direction  let  us  consider  the  backwater  computation  in  a  uniformchannel.  A  typical  channel  cross­section  is  shown  in  Figure  (2.10),  including  theconveyance K plotted as a function of the water level, where

2 /3

1

1jj

j jj j

K A Rn=

= å (2.39)

Page 35: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 5

with

nj = Manning roughness coefficient for the sub section j;Aj = sub area of the cross­section j;Rj = local hydraulic radius of the sub area j;jj = number of vertical slices used in the integration across the section.

Figure 2.10  Cross­section and cross­sectional parameters used in the non­uniform flow computation

Assuming  the  absence of  lateral  flow,  the  steady  state  De  Saint  Venant  equationsreduce to the form

tancons tQ Q= (2.40)2 2

0 2

1 0d Q dh QIgA dx A dx K

æ ö+ + + =ç ÷

è ø(2.41)

Further differentiation of the first term of Equation (2.41) gives, for constant Q,

2 2

03 21 0Q dA dh QIgA dh dx K

æ ö- + + =ç ÷

è ø(2.42)

or2

02 2

11

dh QIdx Fr K

æ ö= +ç ÷- è ø

(2.43)

with the dimensionless Froude number Fr defined as a function of the flow velocityu, the cross­sectional area A and the storage width b, as

2 22

3

s

u Q dAFr A gA dhgb

= = (2.44)

For  a  given  discharge,  the  right  hand  side  of  Equation  (2.43)  is  a  function  of  thewater level above the channel bottom, giving

( )dh F hdx

= (2.45)

Page 36: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 6

Table (2.4) gives an example of such function F(h), where it is readily seen at whichdepth the equilibrium slope is reached. This depth, for which F(h) = 0, is called thenormal depth.

The solution can easily be found in a Newton­Raphson approach, where, followingthe usual notation, a subscript i has been introduced as a grid point counter along thex­axis. The implicit finite difference scheme reads as

½ii i

i

h dFF hx dh

D æ ö= + Dç ÷D è ø(2.46)

or

1 ½

ii

i

F xhdF xdh

DD =

æ ö- Dç ÷è ø

(2.47)

For the cross­sectional data given in Figure (2.10), a discharge Q=3.40 m3/s, a bedslope  I0=­10­4,  the  uniform  flow  depth  is  found  for  dh/dx=0,  or  Q2=­K2I0,  givingK=340 m3/s and h=1.00 m from the conveyance function shown in Table (2.4). Atthe  downstream  end  of  the  channel  the  flow  is  controlled  by  a  weir  with  a  freeoverflow given by Equation (2.19) with parameter values:

m  = 1.1 (weir coefficient);L  = 11.0 m (weir crest length);hcr  = 2.00 m (weir crest level),

giving a water level above the bottom just upstream of the weir of h0=2.30 m. Thevalue  serves  as  the  downstream  boundary  condition  for  the  non­uniform  flowcomputation.  In  the  situation sketch of Figure  (2.11) attention  is drawn  to  the  factthat  the  numerical  integration  of  Equation  (2.43)  proceeds  in  the  negative  x­direction, requiring a negative value for the distance step  x.

A  suitable  choice  for  this  distance  step  follows  from  the  consideration  that  in  thefirst integration step the change in h should be limited to a reasonably small fractionof  the  difference  between  the  downstream  boundary  water  depth  and  the  uniformflow  depth.  Considering  that  the  Newton­Raphson  approach  gives  fairly  accurateresults, a first step  h = 0.10 m, covering approximately 10 % of the total difference,should be acceptable. Linear interpolation in Table 2.3 gives a value K = 1498 m3/sat  the  downstream  boundary.  For  a  friction  slope  Q2/K2 =  0.052  *  10­4,  giving  adifference  of  0.95  *  10­4  with  the  bed  slope,  a  choice  x  =  ­1000  m  satisfies  thecriterion selected. Completing the table with the water level gradient function F ofEquation (2.43) for the given discharge (Table 2.4), the upstream water depths canbe computed by applying Equation (2.47). Results are shown in Table (2.5) over adistance of 12 km upstream of the weir.

Page 37: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 7

Figure 2.11  Positive backwater upstream of a hydraulic structure

Table 2.4  Cross­sectional data given as a tabulated function of the depth, including dischargedependent functions for Q = 3.4 m3/s (see also Figure 2.10)

waterdepth h(m)

bs (m) A (m2) K (m3/s)  Q2/K2 *10­4  Fr F *10­4  (dF/dh)*10­4

(m­1)1.0 10.0 9.00 340 1.000 0.126  0.000

1.5121.5 11.0 14.25 688 0.244 0.066  0.756

0.3122.0 12.0 20.00 1143 0.088 0.042  0.912

0.1002.5 20.0 28.13 1734 0.038 0.032  0.962

Table 2.5  Non­uniform flow computation based on the Newton­Raphson implicit approach (a)and compared with results of the Euler method (b)

(a) Newton­  Raphson (b) Euler

x(m)

gridpoint i

hi(m)

Fi*10­4

(dF/dh)i*10­4

(m­1)

h(m)

hi(m)

Fi*10­4

h(m)

0 0 2.300 0.942 0.100 0.369  2.300 0.942 ­0.094­1000 1 2.206 0.933 ­0.093­2000 2 2.113 0.923 ­0.092­3000 3 2.021 0.914 ­0.091­4000 4 1.930 0.890 0.312 0.335  1.930 0.890 ­0.089­5000 5 1.841 0.862 ­0.086­6000 6 1.755 0.836 ­0.084­7000 7 1.671 0.809 ­0.081­8000 8 1.595 0.786 0.312 0.296  1.590 0.784 ­0.078­9000 9 1.512 0.760 ­0.076­10000  10 1.436 0.659 ­0.066­11000  11 1.370 0.559 ­0.056­12000  12 1.327 1.314

The  results  are  also  computed  by  using  the  Euler  scheme  which  differs  from  theNewton­ Raphson scheme by the second term in the denominator of Equation (2.47).Assuming that the Newton­Raphson results are rather accurate, for this distance step,the  Euler  scheme  produces  results  which  might  be  considered  acceptable  forpractical  use. Although  the difference of  1.3  cm at  x=­12000 m will  still  increasefurther  upstream,  the  cross­section  schematization,  the  constant  bed  slope  and  thechoice  of  roughness  coefficients  will  give  rise  to  significantly  larger  uncertaintiesabout the correct water levels.

Page 38: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 8

For another observation we refer to Table (2.4). The number of levels for which thecross­ sectional parameters are given is fairly small and produce unacceptable errorsin  the  linear  interpolation  of  these  values.  The  errors  introduced  are  most  likelylarger  than  those  caused by using  a  lower  accuracy numerical  integration  scheme.Although  this  might  be  acceptable  in  a  quick  analysis  by  hand  computation,  anycomputer code would be programmed to set up the table with much smaller steps.This  table  step  size  should  not  exceed  substantially  the  step  h  in  the  numericalintegration. For our problem it would have been advisable  to present  the functionsbs, A, K, Fr and F at intervals of 10 cm.

The advantage of the Newton­Raphson scheme over the Euler scheme is the higheraccuracy  obtained  at  the  cost  of  the  simple  additional  computation  of  thedenominator of Equation (2.47). For a comparison of its efficiency with that of thenormal Euler scheme let us recompute the solution with a four times larger distancestep, as shown in Table (2.6).

Table 2.6  Recomputation of the backwater curve with  x=­4,000 m

(a) Newton­  Raphson (b) Euler

x (m) gridpoint i

hi(m)

Fi*10­4

(dF/dh)i*10­4

h(m)

hi(m)

Fi*10­4

h(m)

0 0 2.300 0.942 0.100 0.369 2.300 0.942 ­0.377­4,000 1 1.931 0.890 0.312 0.335 1.923 0.888 ­0.355­8,000 2 1.596 0.786 0.312 0.296 1.568 0.777 ­0.311­12,000  3 1.300 1.257

The Newton­Raphson approach still maintains its high accuracy during the first twosteps. During the third step the effect of the large table step in felt in the correctionthrough the term dF/dh. The difference of 1.7 cm with the computation taking  x =­1,000 m, would certainly have been much smaller if Table (2.4) had been set up withsmaller steps  h. The result obtained with the Euler method for this case differs 7.0cm from the most accurate result and is quite unacceptable.

The  advantage  of  the  Newton­Raphson  scheme  becomes  clearer  when  negativebackwaters  with  much  stronger  water  profile  curvatures  are  computed.  Suchcomputations  start  from  downstream  boundary  conditions  with  depths  below  thenormal depth h=1.00m. There  is no doubt  that  the Newton­Raphson scheme  is  farmore efficient in its application than the Euler scheme.

2.14 An inverse scheme for the backwater curvecomputation

It has been demonstrated that once the table of the function F of Equation (2.45) hasbeen constructed for a uniform cross­section, the numerical operations for the non­uniform flow computation are  fairly simple. For uniform channels with a  constantbed slope we will now introduce a scheme which combines a high accuracy with anextreme  simplicity.  The  computation  of  depths  with  the  Newton­Raphson  methodintroduced  in  the  previous  section  is  an  asymptotic  process,  requiring  continuouscomputations with ever decreasing changes in the depth.

Page 39: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 3 9

Of course, one could have decided to increase the distance step as the depth comescloser and closer to the normal depth.

However, returning to Equation (2.45), one could also introduce a numerical schemetaking equal steps  h in the dependent variable h, a so­called inverse scheme. Theadvantage of this approach is that the right hand side of the equation, being only afunction of h, can be centred without requiring the iteration of the improved Eulerscheme. The simple inverse scheme looks as follows:

1/ 2i

i

hxF +

DD = (2.48)

and results are shown in Table (2.7) for steps  h = 0.10 m. These results are basedon  the  same  interval  for  presenting  topographic  data  as  given  in  Table  (2.4).Interpolation at x = ­ 8,000 m in Table (2.7) gives a depth of 1.596 m, which onlydiffers 0.1 cm from the result obtained with the Newton­Raphson scheme. At x = ­12,000  m,  however,  the  difference  is  0.5  cm,  which  difference  must  mainly  beattributed to the Newton­Raphson integration based on too large table intervals (gridpoint 9­10).

The normal depth h=1.00 m is found at x = ­33 km, whereas theoretically this shouldbe at x = ­ . However, this deviation is of no practical importance at all. Althoughthe  inverse  scheme  is  very  handy  for  uniform  channel  computations,  it  looses  itsadvantage or even does not work at all in applications where the channel parametersvary along the channel axis.

Table 2.7  Results of the inverse scheme for  h = 0.10 m

i xi (m) hi (m) Fi+½ * 10­4 xi (m)0 0 2.300

2.25 0.9370 ­1,0671 ­1,067 2.200

2.15 0.9270 ­1,0792 ­2,146 2.100

2.05 0.9170 ­1,0913 ­3,237 2.000

1.95 0.8964 ­1,1164 ­4,353 1.900

1.85 0.8652 ­1,1565 ­5,509 1.800

1.75 0.8340 ­1,1996 ­6,708 1.700

1.65 0.8028 ­1,2467 ­7,954 1.600

1.55 0.7716 ­1,2968 ­9,250 1.500

1.45 0.6804 ­1,4709 ­10,720 1.400

1.35 0.5292 ­1,89010 ­12,610 1.300

1.25 0.3780 ­2,64611 ­15,256 1.200

1.15 0.2268 ­4,409

Page 40: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 0

12 ­19,665 1.1001.05 0.0756 ­13,228

13 ­32,893 1.000

2.15 Non­uniform flow in non­uniform channels

Let  us  now  consider  the  somewhat  more  complex  case  of  steady  flow  in  non­uniform channels. For such channels the cross­sectional area is a function of both hand x, giving the variation in the x­t space

A AdA dx dhx h

¶ ¶= +

¶ ¶(2.49)

ordA A A dhdx x h dx

¶ ¶= +

¶ ¶(2.50)

Equation (2.43) should now read as

2 2

02 2 3

11

dh Q Q AIdx Fr K gA x

æ ö¶= + -ç ÷- ¶è ø

(2.51)

For the solution of this equation it is most practical to process the function F (x, h)as a tabulated function at equal depth steps  h, starting from a reference point nearthe  channel  bottom.  It  is  advisable  to  choose  a  h  that  has  the  same  value  at  allcross­sections given along the river. For each river section, between two successivecross­section points, a set of parallel lines is found along which F (x, h) reflects thechange  in F along x, while keeping h constant. This approach will  require at eachcross­section  the processing of one  table  reflecting  the values dA/dx applicable  tothe left hand channel section and another table reflecting their values applicable tothe right hand section.

The Newton­Raphson integration now proceeds with the scheme

½ ½ii i

i i

h F FF x hx x h

D ¶ ¶æ ö æ ö= + D + Dç ÷ ç ÷D ¶ ¶è ø è ø(2.52)

or2½

1 ½

ii

i

i

FF x xxh

F xh

¶æ öD + Dç ÷¶è øD =¶æ ö- Dç ÷¶è ø

(2.53)

in  an  integration  performed  over  an  integer  number  of  distance  steps  along  eachsuccessive channel section marked by its end cross­sections and its  local referenceslope.  Again  here,  the  procedure  is  most  efficient  if  only  one  Newton­Raphsoniteration is made per  time step and care is  taken that  the distance steps are not  toolarge.

Page 41: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 1

Some final remarks:

1. Both  methods  applied  to  uniform  and  to  non­uniform  channels  can  easily  beextended to include the effects of lateral flows.

2. Both  methods  apply  to  fully  irregular  cross­section  geometry  and  allow  for  avariation of roughness coefficients across the channel.

3. The methods are applicable for any formulation of the friction laws entered intothe integration of the channel conveyance K.

4. The efficient inverse scheme of Equation (2.48) can, in general, not be applied tonon­uniform channel flow computations.

5. Both methods can be applied to sub critical flow (Fr<1) and to supercritical flow(Fr>1),  if  the  appropriate  direction  of  integration  (algorithmic  structure)  isfollowed.

2.16 What have we learnt?

In this Chapter we introduced various numerical methods for the solution of (sets of)ordinary differential equations. Many of these problems can simply be programmedin  Excel.  This  is  very  straightforward  in  cases  where  equation  parameters  areconstants. Cases with non­linear parameters can still be programmed easily by usingmacros for the function descriptions.

When programming solutions for incidental application it is recommended to use thesimple  Euler  method  and  to  make  sure  that  a  sufficiently  small  grid  step  is  used.Higher  accuracy  methods  only  justify  the  additional  effort  of  programming  andtesting of the code when repetitive use of this code is made and a single computationis not  finalized  instantaneously. With  the current computer speed  this  is no  longerthe case for the relatively simple problems programmed in Excel.

The  higher  accuracy  integration  methods  have  been  introduced  primarily,  as  theprinciples demonstrated are commonly applied in the numerical methods for solvingpartial  differential  equations.  Applications  of  iterative  methods  as  applied  in  theimproved Euler method, implicit schemes and Newton Raphson principles, will bediscussed in Chapters 4, 5 and 6.

2.17 Questions and small assignments

1. Extend the computation of all cases shown in Table (2.1) up to T = 6.0 days.

2. Explain in your own words why the improved Euler method is more attractive inuse than the standard Euler method.

3. Determine  the  type  of  numerical  scheme  used  in  the  well­known  reservoirrouting equation

( )1 2 1 212

S I I O Ot

D= + - -

D

Page 42: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 2

where  S  = reservoir storage ;  I  = reservoir inflow ;

    O  = reservoir outflow,

with subscripts 1 and 2 referring to time levels n t and (n+l) t respectively.

4. Explain why the resulting functions in Table (2.1), both obtained with the Eulermethod and the implicit scheme, is below the exact solution. Also explain whythe  resulting  function obtained with  the  improved Euler method  lies  above  theexact solution.

5. Find with a computation carrying more decimal positions  than shown in Table(2.1) the ratio between the errors obtained with the Euler scheme and the implicitscheme for a time step of 1 day. Discuss this ratio in the light of the truncationerrors for both schemes.

6. Verify Equation (2.14).

7. Show  with  a  more  precise  computation  of  the  results  of  the  implicit  schemecomputation in Table (2.1) that at T = 4 days the error obtained with  t = 2 daysis  four  time  larger  than  the  error  obtained  with  t  =  1  day.  Explain  thisdifference from the truncation error of the scheme as shown in Equation (2.14).

8. Give the fourth order derivative term of the truncation error of Equation (2.14).

9. Define an Euler scheme for Equation (2.1) based on a numerical integration inthe negative time direction and show that the scheme is unconditionally unstable.

10. Extend the computation shown in Table (2.2) with one additional time step.

11. Extend the computation shown in Table (2.3) with one additional distance step.

12. Extend the computation shown in Table (2.5) with one additional distance step.

13. Explain  why  the  depths  calculated  with  the  Euler  scheme  in  Table  (2.5)  aresmaller than those obtained with the Newton­Raphson scheme.

14. Explain why in Table (2.6) the depth obtained in a computation with a distancestep of 4 km is smaller than the depth obtained with a 1 km step.

15. Recompute the solution of Table (2.7) with  h = 0.05 m over the range 2.1   h 2.3 m. Comment on the results.

16. Explain what sort of problems may result from the application of Equation (2.48)for the computation of non­uniform channel flow.

Page 43: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 3

3 Basic Unsteady Channel Flow Equations

3.1 Introduction

Unsteady  channel  flow  will  be  first  derived  for  a  simple  uniform  channel  of  unitwidth, a horizontal bottom with  friction along  the walls and  the bottom neglected.Referring to Figure (3.1), the water depth is symbolized by h and the average flowvelocity by u. These variables u and h  are usually called  the dependent variables,defined as  functions of  the independent variables x  (space coordinate) and t  (timecoordinate). The definition of  two dependent variables  requires  the  formulation oftwo equations for  their solution. In channel flow these equations are usually basedupon  volume  and  momentum  conservation.  The  volume  conservation  approachassumes  incompressible  flow  and  constant  water  density.  This  is  a  quite  realisticassumption  for  free  surface  fresh  water  channel  systems.  The  equation  followingfrom this volume conservation principle is called the continuity equation.

Figure 3.1  Control volume along a channel axis

3.2 Continuity equation

The  derivation of  the  equation  is  based on  the  concept  that  over  a  given  time  thedifference between inflow to and outflow from a control volume along the channelbalances  the  change  in  the  storage  in  this  control  volume  over  this  same  time.Referring, again, to Figure (3.1), it is readily seen that the inflow per unit time intothe control volume, or the flux of water volume through the upstream cross­section,is given by

inflow = uh

Assuming that both u and h are continuous functions of x, the outflow at thedownstream section of the control volume can then be defined as

outflow = uh +   (uh) dxx

¶¶

Page 44: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 4

The storage in the control section per unit time is expressed in terms of the change inwater level as

storage =   (h dx)t

¶¶

based on the concept  that for continuous water  level changes with  initial depth h0,the depth h1 after a step in time dt equals

1 0h =   +  dth h t

¶¶

Balancing terms gives the continuity equation in the form

h +   (uh) = 0t x

¶ ¶¶ ¶

(3.1)

Differentiating out the second term leads to another, often used, form

h h u + u   + h   = 0t x x

¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

(3.2)

3.3 Momentum equation

It should be recalled that momentum is defined as the product of velocity and mass.The total momentum M of the fluid contained in our control volume of unit width,therefore, is defined as

M = u   h dxr

where M and u are both vectors acting along the channel axis. Over a certain step dtin time, the change of M is balanced by the net amount of momentum carried by thefluid  velocity  through  the  boundaries  of  the  control  volume  and  the  impulsegenerated  by  the  forces  acting  upon  it.  Both  quantities  are  to  be  taken  with  theircomponent  acting  in  the x­direction. Following  the  same principles  as used  in  thederivation of the continuity equation, the net amount of momentum carried with theflow velocity is defined by

a = u uh ­ [u uh +   (u uh) dx ]M xr r r¶

where the first term refers to the inflow of momentum and the term within braces tothe outflow of momentum per unit time.

We will furthermore recall Newton's second law

F dt = d(mu)

Page 45: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 5

where F is a force acting on the fluid with mass m and velocity u. The product of theforce  and  the  time  period  over  which  it  is  acting  is  called  an  impulse.  Newton'ssecond law states that this impulse generates a change in momentum.

Figure 3.2  Forces acting on a horizontal uniform channel section

Under  the  simplifications  introduced  above,  the  only  forces  acting  on  the  controlvolume  are  the  hydrostatic  forces  at  the  upstream  and  downstream  ends  of  thecontrol section. Integrating the hydrostatic pressures over the verticals (Figure 3.2)gives the net force

½ ½ ½2 2 2dF =  g  ­ [ g  +   ( g ) dx ]h h hxr r r¶

¶Balancing  all  terms  over  a  unit  time  step  leads,  after  division  of  all  terms  by  theconstant dx, to the equation

( ) ( ) ( )2 ½r r r¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

2uh  +  u h +  g = 0ht x x

Dividing, furthermore, all terms by the constant , leads to

( )2(¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

h  uh) +    u h  + gh = 0t x x

(3.3)

Differentiating out  the product  terms  in  the derivatives,  substituting  the continuityequation and dividing all the remaining terms by h, leads to

u u h + u   + g   = 0t x x

¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

 (3.4)

3.4 Transformation to the characteristic form

Although the form in which the set of continuity and momentum Equations (3.1) and(3.3)  is  shown  is  very  convenient  for  the  formulation  of  solutions  on  the  basis  offinite  differences,  it  is  useful  to  introduce  a  transformation  which  enables  us  tounderstand better the meaning of these equations. For this purpose we will introducethe auxiliary variable

Page 46: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 6

c =  gh (3.5)

Multiplication of Equation (3.1), substitution of Equation (3.3) it and division of allterms by c gives

c c u2   + 2u   + c   = 0t x x

¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

(3.6)

Similarly, the substitution of Equation (3.4)into Equation (3.3)s

u u c + u   + 2c   = 0t x x

¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

(3.7)

The  set  of  Equations  (3.5),  (3.6)  represents  the  characteristic  form  of  the  flowequations. The special significance of this form will become clear when respectivelyEquation  (3.5)  is  added  to  and  subtracted  from  Equation  (3.6),  to  give  the  set  ofequations in the form

 (u+2c) + (u+c)   (u+2c) = 0t x

¶ ¶¶ ¶

(3.8)

and

 (u ­ 2c) + (u ­ c)   (u ­ 2c) = 0t x

¶ ¶¶ ¶

(3.9)

Before drawing any conclusions from these relations, we will introduce the generalmathematical  formulation expressing  the change of  the value of a  function f whenmoving from a given point P to a neighbouring point Q.

Figure 3.3  Relation between function values at neighbouring points

As  shown  in  Figure  (3.3),  this  change  results  from  the  partial  derivatives  of  thefunction in t­direction and x­direction respectively as

f fdf  =   dt +   dxt x

¶ ¶¶ ¶

(3.10)

or, after division of both sides by dt

Page 47: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 7

df f dx f   +dt t dt x

¶ ¶=

¶ ¶(3.11)

Taking for f the function u+2c, readily shows by comparison of Equations (3.7) and(3.10) that along the line with direction

dx = u+cdt

(3.12)

the expressiond  (u+2c) = 0dt

(3.13)

holds, while the comparison of Equations (3.8) and (3.10) shows that along the linewith direction

dx = u ­ cdt

(3.14)

the expression

d  (u ­ 2c) = 0dt

(3.15)

holds (Figure 3.4).

Figure 3.4  Characteristic directions and their Riemannn invariants

The  line  with  the  direction  expressed  by  Equation  (3.11)  is  called  the c+characteristic, whereas  the  line  with  the  direction  expressed  by  Equation  (3.13)  iscalled the c­ characteristic.

The integration of Equation (3.12) gives

+u+2c = = constantJ (3.16)

whereas the integration of Equation (3.14) yields the expression

Page 48: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 8

­u ­ 2c = = constantJ (3.17)

In this formulation J+ and J­ are the so­called Riemann invariants. For the simplifiedchannel flow equations these invariants have constant values along the so­called c+and c­  characteristics  respectively.  When  introducing  additional  terms  in  theequation,  such  as  lateral  flow,  bottom  slope  and  bottom  friction,  these  Riemanninvariants will contain correction terms and will no longer be "invariant".

3.5 The significance of the characteristics

The conditions derived along the characteristics enable us to compute solutions fromknown conditions at an earlier point in time. Referring to Figure (3.5), it is seen thatthe state of the fluid at point P can be computed from given states at points A and B.Given, for example, that at point A, u=1.0 m/s and h=5 m, while at point B, u=1.2m/s and h=4.8 m, the Riemann invariants are computed as J+ = u+2Ögh = 15 m/s atthe points A and P, and as J­ = u­2Ögh = ­12.52 m/s at the points B and P. Solvingthese two equations representing the Riemann invariants at point P gives u=1.24 m/sand h=4.83 m.

Figure 3.5  Characterisitics leaving from points A and B, defining the solution of the flow state at apoint P

The significance of  the characteristics, however, goes far beyond the possibility  tomake such computations. The fact that along the characteristics a special condition isvalid, implies that they pass on some information on the state of the fluid. In otherwords, the characteristics are to be seen as lines along which information on the stateof the fluid propagates. The uniqueness of the equivalence between Equation (3.10)on the one hand and Equations (3.7) and (3.8) on the other hand, implies that theselines along which information propagates are unique lines and that information onlytravels along just these characteristics.

The  auxiliary  variable c  introduced  in  Equation  (3.4)  appears  to  get  a  specialmeaning  as  part  of  the  direction  of  the  characteristics. For  the  special  case  whereu=0, both characteristic directions have the same magnitude, though their signs areopposite  (Figure  3.6a).  As c  is  a  function  of  the  water  depth,  this  means  that  theeffect  of  any  disturbance  or  control  at  a  point  along  the  river,  propagates  in  bothchannel directions with the same speed, which is a function of the square root of thewater  depth.  The  variable c  gets  here  the  meaning  of  a celerity  with  whichdisturbances propagate in stagnant water.

Page 49: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 4 9

Figure 3.6  Characteristic directions for: (a) and (b) subcritical flow; (c) critical flow and (d)supercritical flow

For velocities u>0, the characteristic directions no longer have the same magnitudeand,  at  a  particular  point,  information  on  the  fluid  state  travels  faster  in  thedownstream  then  in  the  upstream  direction  (Figure  3.6b).  For  increasing  watervelocities  this  leads  to  the  particular  case  where  the  celerity c  equals  the  watervelocity u  (Figure 3.6c) and at  this point  information  is no longer able  to  travel  inthe upstream direction. Introducing the Froude number, defined as

| |uFr =g h

(3.18)

it  is  readily  seen  that  for  the  situation  of  Figure  (3.6c),  where  u=c,  the  Froudenumber equals unity. This special case is called critical flow, whereas the cases ofFigures  (3.6a,  3.6b),  where  the  Froude  numbers  are  less  than  unity,  represent subcritical  flow.  For  water  velocities  exceeding  the  celerity c,  the  Froude  numbersexceed unity and the flow is called super critical (Figure 3.6d).

From Figure (3.6) it is readily seen that for the case of sub critical flow, the state ofthe  fluid  at  any  point  of  space  and  at  any  point  in  time  is  controlled  by  both  theupstream and the downstream conditions. In the case of super critical flow, however,the state of the fluid is only controlled by the upstream conditions. So, if at any pointA at a channel, we have supercritical flow, downstream control of the conditions atA is  impossible, as  long as  the super critical state at A  is maintained. It should benoted, however, that this supercritical state may change into a subcritical state whendownstream control, by a weir  for example, generates  a  region of  subcritical  flowupstream  of  the  control  structure  to  the  extent  that  this  subcritical  flow  regionreaches point A.

From Figure  (3.6)  it may also be  concluded  that  it  takes a  certain  time before  theeffect of the opening of the gate at the upstream end of an irrigation channel reachesthe point where the water is required. Taking, for example, a channel with stagnantwater  at 1 meter depth, giving a celerity of 3.13 m/s,  it  lasts nearly 1 hour beforeadditional water  reaches a demand point after  the further opening of a gate 10 kmupstream.

Page 50: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 0

Figure 3.7  Regions of determinacy of the state at a point P for various flow conditions

To  make  these  principles  even  more  clear,  Figure  (3.7)  shows  various  cases  ofsubcritical  and  supercritical  flow,  where  the  shaded  areas  show  the region  ofdeterminacy  of  the  state  at  point P.  Any  disturbance  or  control  within  the  shadedregion will have some effect on the water velocity and depth at point P, while anydisturbance or control outside the shaded region will not be able to affect conditionsat point P.The  propagation  of  information  along  the  characteristics  will  also  determine  theinitial­ and boundary condition requirements for the solution inside a computationaldomain,  bounded  in  the  x­t  plane  by  the  lines  t=0  and  t=T  and  the  lines  x=0  andx=L. Referring first to Figure (3.8a), point A at time t=0 receives two characteristicscoming from outside the computational domain. If point A would have been locatedinside  the  computational  domain,  the  solution  would  have  followed  from  theRiemann invariants along the two characteristics passing through it, much similar tothe  situation  sketched  in  Figure  (3.5).  With A  located  at  the  boundary  of  thecomputational domain, it  is can be concluded that the information on the Riemanninvariants has to be replaced by initial conditions, as we have no information on thestate of the fluid outside our computational domain and the values of the Riemanninvariants associated with it.

Figure 3.8  Relation between characterisitic directions and the boundary­ and initial datarequirements

Similarly,  at  point B  in  Figure  (3.8a),  one  characteristic  arrives  from  inside  thecomputational  domain  and  is  supposed  to  carry  information  from  another  pointwithin  the computational domain. The other characteristic arrives  from outside  thedomain,  where  the  computation  is  not  made  and  the  information,  which  wouldnormally be passed on via the Riemann invariant, has to be replaced by a boundarycondition.  Such  boundary  condition  is  usually  provided  in  the  form  of  a  givenvelocity, water level, discharge or stage­discharge relationship.

Page 51: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 1

The  same  applies  to  point C,  where  one  characteristic  carries  information  frominside the computational domain, while the other characteristic comes from outsideand requires a boundary condition to replace the information which would otherwisebe provided by its Riemann invariant.

Figure  (3.8b) shows  the case of supercritical  flow with positive u. The problem iscompletely upstream controlled and  two upstream boundary conditions are neededfor a solution. We define this need as a two­point boundary condition against a one­point  boundary  condition  for  the  case  of  subcritical  flow,  given  in  Figure  (3.8a).Initial data requirements are the same as for the subcritical flow case and two­pointinitial data are required for all types of flow. Usually, values for u and h are to begiven.

Figure (3.8c), finally, shows the case of a supercritical flow with velocity u  in  thenegative x­direction.  For  the  same  reasons  as  pointed  out  earlier,  this  systemrequires  two­point  initial  data  and  two­point  boundary  data  at  the  upstream  end,which in this case is located at the point x=L.

From the discussion above the general conclusion can be derived:

one  initial­  or  boundary  condition  is  required  for  every  characteristicentering the computational domain,

where entering is defined by following the characteristic forward in time.

3.6 The method of characteristics

In § 3.3 we have introduced the Riemann invariants and the computation of the statevariables u and h with these Riemann invariants. Where necessary, these Riemanninvariants are complemented with the initial­ and boundary conditions. We may nowproceed to the description of a complete solution algorithm, defined as the methodof characteristics.

This  method  is  based  on  the  construction  of  a  network  of  points  where  the  statevariables are computed. As shown in Figure (3.5), from a given set of two points onthe  network  a  new  point  may  be  constructed  by  drawing  a  characteristic  of  onefamily  from  one  point,  which  intersects  with  a  characteristic  of  the  other  familydrawn from the other point.  In general,  these directions are not known initially, asthey depend on the solution of the state variables at the intersecting point. However,the  solution of  these  state variables can be  found  through  the Riemann  invariants,even if the exact location of the point is not known yet. The nearly exact direction ofthese characteristics can then be drawn based on the average characteristic directionat the connecting points.

The  procedure  is  best  explained  by  considering  a  practical  example.  Figure  (3.9)shows the application of the method on the problem of closing a gate in an irrigationcanal. Initially, the water flows at steady state with a velocity of 1.0 m/s at a depth of1.60  meter. The  gate  is  closed  over  a  period  of  100  seconds,  controlled  to  give  alinearly decreasing water velocity immediately downstream of the gate.

Page 52: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 2

This assumption serves our exercise, as most gate control operations are based uponwater level sensoring. For a further simplification in this example it is also assumedthat  the downstream channel  is very long and that  the wave, generated by the gateclosure, is not reflected at a downstream side.

Figure 3.9  Hodograph and physical planes for a graphical solution of the computations alongcharacteristics

For ease of computation the acceleration due to gravity  is  taken as g=10 m2/s. Forthe initial steady state, the following data can be derived:

c+ = u+ Ögh = 5.00 m/sc­ = u­ Ögh = ­3.00 m/sJ+ = u+2Ögh = 9.00 m/sJ­ = u­2Ögh = ­7.00 m/s

The  disturbance  generated  by  the  gate  operation  will  travel  in  the  downstreamdirection with  a  celerity  c+=5.00  m/s.  This  implies,  for  example,  that  at  a  point Lmeter downstream of  the gate,  the  flow remains undisturbed over a period of L/c+seconds.

Page 53: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 3

As a result, one may expect a steady state region downstream of the gate, shown asregion A  in  Figure  (3.9).  This  is  the  region  enclosed  by  the  lines  (t=0;  x 0)  and(x=5.00 t; x 0).

The solution will first be defined at points along the t­axis, immediately downstreamof the gate.As  a  first  step  a  set  of  points  will  be  selected  and  numbered  from  1  onward  atintervals of 25  seconds. Subscripts u  and d will be used  for  the  locations of  thesepoints upstream and downstream of the gate respectively.

Let  us  first  consider  the  solution  of  the  problem  downstream  of  the  gate.  Thesolution  at  point  1d  of  Figure  (3.9)  is  found  by  applying  the  boundary  conditionu=0.75 m/s at t=25 s (Figure 4.9b), and the condition that the Riemann invariant J­=­7.00 m/s at  point 1d,  as  it  keeps  its  constant value with which  it  arrives along  thenegative characteristic from the steady state region A. The solution of this set of twoequations gives h=1.50 m.

Similarly,  the  solution  at  points  2d,3d  and  4d  is  found  by  applying  the  velocityboundary condition combined with the Riemann invariant carried along the negativecharacteristic arriving from the steady state region A as:

point 2d: u=0.50 m/s & J­=­7.00 m/s ­­> h=1.41 m;point 3d: u=0.25 m/s & J­=­7.00 m/s ­­> h=1.31 m;point 4d: u=0.00 m/s & J­=­7.00 m/s ­­> h=1.22 m.

A summary of these data is shown in Table 3.1.

Table 3.1 Data at various characteristic net points of the physical plane

Point u(m/s)

h(m)

q(m2/s)

gh(m/s)

c+(m/s)

c­(m/s)

2 gh (m/s)

J+(m/s)

J­(m/s)

0 1.0 1.60 1.600 4.00 5.00 ­3.00 8.00 9.00  ­7.00

1d2d3d4d

0.750.500.250.00

1.501.411.311.22

1.1250.7050.3280.000

3.883.753.623.50

4.634.253.883.50

­3.13­3.25­3.37­3.50

7.757.507.257.00

8.508.007.507.00

­7.00­7.00­7.00­7.00

1u2u3u4u

0.640.380.170.00

1.761.861.932.03

1.1250.7050.3280.000

4.204.314.394.50

4.844.694.564.50

­3.56­3.93­4.22­4.50

8.408.628.799.00

9.009.009.009.00

­7.76­8.24­8.62­9.00

Let  us  now  turn  to  points  x 0  away  from  the  boundary  and  draw  the  positivecharacteristic leaving from point 1d. Conditions at all points along this line are givenby  the same Riemann invariants: J+ = u+2Ögh = 9.00 m/s and J­ = u­2Ögh = ­7.00m/s. Consequently,  the  same  solution  is  found  at  all  points  along  this  line,  givingu=0.25 m/s and h=1.50 m. This characteristic,  then,  is  a  straight  line defined by acelerity c+ = u1+Ögh1 = 4.63 m/s.

Page 54: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 4

Similarly, the positive characteristics leaving from points 2,3 and 4 must be straightlines with celerities of 4.25, 3.88 and 3.50 m/s respectively.The  region  between  the  positive  characteristics  leaving  from  points  1d  and  4d  isdefined as a simple wave region, characterised by straight (positive) characteristicsof  one  family  and  curved  characteristics  of  the  other  family.  However,  it  is  notnecessary  here  to  draw  the  curved  c­  characteristics,  as  the  visualisation  of  theselines does not add any essential information on the state of the flow in such a simplewave region.

For  the  same  reason,  only  the  characteristics  bordering  a  steady  state  region  aredrawn and none of the characteristics inside the steady state region.

Having defined a  simple wave  region one might define a complex wave  region  asone where both families of characteristics are curved lines, indicating that velocitiesand  depths  vary  from  point  to  point  in  both  directions.  In  such  a  complex  waveregion a network of both  families of characteristics  is drawn. This situation wouldoccur if the simple wave generated from points 1d to 4d would be reflected against adownstream  boundary  as  could  easily  be  verified  by  introducing,  for  example,  aconstant water level condition at a point, say, 400 m downstream of the gate. As willbe explained later, however, we do not want to carry the presentation of the methodof characteristics too far and refer the interested reader to standard text books on thetopic (e.g. Abbott, 1979).

However,  as  an  example of  a  curved characteristic  and  for demonstration purposeonly,  consider  the  negative  characteristic  between  point  1d  and  the  steady  stateregion A shown in Figure (3.9). The direction of this characteristic is varying frompoint  to  point,  as  follows  from  the  varying  J+­values,  while  moving  along  thischaracteristic from point 1d to region A. As a reasonable approximation the averagedirection is taken as

­ ­1d A­1d   A

 + ­3.13 ­ 3.00c c ­ 3.07 m/sc 2 2® = = =

and the approximate characteristic is drawn backward in time, leaving from point 1until its arrival at the steady state region.

From this procedure it may be concluded that, although the method of characteristicsis generally considered a quite accurate solution of the simplified partial differentialequations describing channel  flow,  it does not  represent an exact  solution of  thesedifferential  equations.  The  approximation  is  in  the  location  of  the  points  of  thenetwork. The solution of the simplified equations at the network points, however, isexact. The more generally  applied  finite difference methods,  to  the  contrary, haveexact locations of the network­ or grid points, while the solution of the equations atthese points, as a rule, are approximations of the true solutions.

Page 55: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 5

3.7 More complex boundary conditions

Let us now consider  the upstream part of  the channel, where  the water velocity  isreduced and the flux of momentum from upstream is likely to lead to a piling up ofthe water against the control structure. The effect of any control will be travelling inupstream direction with the celerity c­ = ­3.00 m/s.As  also  in  this  case  some  time  will  elapse  before  the  disturbance  reaches  anupstream point along the canal, we will also find here a steady state region shown asD in Figure (3.9).The solution upstream of the gate requires gate boundary conditions. These are notthe  same  as  given  for  the  downstream  part,  as  the  velocities  given  are  related  tocross­sections  and  water  levels  just  downstream  of  the  gate.  The  solution  at  thisdownstream section, however, enables the combination of velocity and depth to givethe  specific  discharges,  which  are  the  same  just  upstream  and  downstream  of  thestructure.The  solution  of  the  state  at  point  1u  then  follows  from  the  computed  specificdischarge  q=udhd=1.125  m2/s  and  the  positive  Riemann  invariant  arriving  fromsteady state region D, J+ = u+2Ögh = 9.00 m/s. Substitution of one equation into theother  leads  to  a  third  degree  polynomial  in h,  which  requires  a  Newton­Raphsoniteration algorithm for their solution.

For non­computerized solutions it is therefore easier to turn to a graphical method.Graphically, the solution of any set of two equations is found at the intersection ofthe  lines  representing  these equations  in an appropriate coordinate system. For  thegiven problem, a suitable choice of the coordinates is a plot of values 2Ögh linearlyalong the vertical axis and values u along the horizontal axis. The plane formed bythese two variables is called the hodograph plane. The choice of  the vertical scaleleads  to  the  representation  of  the  Riemann  invariants  as  lines  under  45o  (Figure3.9c). By plotting the 2Ögh­axis vertically down, for subcritical flow the sign of thedirections coincides with  that of  the characteristic directions  in  the physical plane.This convention is quite convenient in its practical use.

Table 3.2  Data for drawing q­relations in the hodograph plane

qm2/s

um/s

hm

ghm/s

2 ghm/s

1.125 .60.70

1.871.61

4.324.01

8.658.02

0.705 .35.40

2.011.76

4.484.20

8.978.39

0.328 .18.16

1.822.05

4.274.53

8.539.06

Page 56: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 6

Figure  (3.10)  also  shows  various  boundary  conditions,  which  may  all  easily  bepresented in graphical form, such as u given (Figure 4.10c), h given (Figure 3.10d),a  given  specific  discharge q  (Figure  3.10e)  and  a  critical  flow  condition  (Figure3.10f). This last relation is a special form of a rating curve, or Q­h relation, which,for  the  simplified  channel  flow  equations,  would  normally  be  presented  as  a  u­hrelation.  The  plot  of  a  given  specific  discharge,  as  applied  at  point  2u  of  Figure(3.9c),  is  easily  made  by  selecting  a  number  of u­values  and  calculating  theassociated h­ and 2Ögh­values. It should be realised that q should always be plottedwith the appropriate sign.Also,  the  line  is  curved  and  requires  a  certain  number  of  computed  points  in  theexpected neighbourhood of intersection for a sufficient accuracy.

Figure 3.10  Various boundary conditions represented graphically in the hodograph plane

We return again to Figure (3.9c), which shows the hodograph plane belonging to thephysical plane of Figure (3.9a). The boundary conditions q=1.125, 0.705 and 0.328m2/s  at points 1, 2 and 3  respectively, are presented by  three different  lines  in  thehodograph  plane,  whereas  the  discharge  q=0  is  represented  by  the  line  u=0.  Thesolutions  at  points  1u,2u,3u  and  4u  are  shown  in  the  hodograph  plane  as  theintersections of the lines representing the specific discharge at those points and thecondition J+=9.00 m/s. The characteristics leaving  the  t­axis over  the period of  theclosure,  again,  define  a  simple  wave  region,  with  characteristics  now  convergingtowards  each  other.  Further  upstream  this  will  lead  to  the  intersection  of  these  c­characteristics. Such intersection of characteristics of the same family leads to two­valued  solutions  for  both u  and h  at  such  intersection,  or,  in  other  words,  to  theformation  of  a  hydraulic  jump.  It  should  be  realised  that  the  intersection  ofcharacteristics is found here on the basis of the equations which do not contain bedslope  and  bed  friction.  Where  these  terms  are  playing  a  significant  role  thecomputations become more complex and are the subject of another chapter.

Page 57: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 7

Although not frequent in nature or in man­made systems, such travelling hydraulicjumps are known phenomena, for example, as tidal bores in estuaries or as undularhydraulic jumps in tail race channels of peak power generating hydropower systems.

3.8 The formation of positive and negative hydraulicjumps

The  discussion  on  the  formation  of  hydraulic  jumps  is  simplest  presented  on  thebasis of an extreme operation mode of the gate. Figure (3.11) shows the case of aninstantaneous closure of otherwise the same problem as discussed in Figure (3.9).

Considering  first  the  upstream  side  of  the  gate,  the  positive  Riemann  invariantcarried from the steady state region D has to be combined with the condition u=0 atx=0, for t>0. As shown in the hodograph plane the solution of these two conditionsis u=0 m/s; h=2.03 m. The negative characteristic celerity is c­=­4.50 m/s, which isgreater than c­=­3.00 m/s found over the steady state region D.This  difference  in  celerities  leads  to  the  immediate  intersection  of  the  negativecharacteristic directions  just  upstream of  the gate  at  t=0 and  to  the  formation of  apositive hydraulic jump.

Page 58: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 8

Figure 3.11  Method of characteristics for the case of a sudden gate closure

We  have  assumed  that  despite  this  intersection  of  characteristics,  the  positiveRiemann invariant remains constant across the jump.We will,  furthermore, assume  that  the celerity of  the  jump is approximated by  theaverage  of  the  two  celerities  of  the  intersecting  characteristics  forming  this  jump.Both  hypotheses  have  been  investigated  and  appear  to  be  approximately  true  forsmall jumps (Abbott 1979). Based on these assumptions the celerity of the jump iscomputed at c­=­3.75 m/s.

The line representing this propagation in the physical plane separates the steady stateregion D from another steady state region C bordered by the line x=0, for  t>0 andthe path of the hydraulic jump.

Page 59: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 5 9

A similar construction at the downstream side of the gate gives a steady state regionB,  where  h=1.22  m.  Steady  state  regions A  and B  give  characteristic  celeritiesc+=5.00  m/s  and  c+=3.50  m/s  respectively,  which  show  diverging  directionsoriginating from point (x=0, t=0). Only at the very origin, a discontinuity is present,which  rapidly  spreads  along  x  while  travelling  downstream.  We  call  such  specialform of a discontinuity a negative hydraulic jump and the subsequent simple waveregion a centred simple wave.  In this simple wave region the characteristics drawncan  be  selected  freely  and  Figure  (3.11)  shows  the  choice  of  some  characteristicsrepresenting steps of 10 cm in h.

The results of the computation along x, at T=125 s are shown in Figure (3.11c). Thediscontinuity formed at the positive jump and the spreading negative hydraulic jumpin the downstream part are clearly recognised.

3.9 The limited practical importance of the method ofcharacteristics

The method of characteristics has the principal advantage of visualising the way inwhich flow disturbances or  the effects of flow control  travel  through the hydraulicsystem. As will be shown in the Chapters dealing with mathematical modelling, thestructure  of  the  net  of  characteristics  is  also  very  important  in  understanding  thenumerical procedures required for the practical solution of hydraulic phenomena. Inother words, a good understanding of the physics of a hydraulic phenomena guidesus  in  the  choice  of  appropriate  numerical  solution  techniques  and  their  numericalparameters. As already discussed in § 3.4, the characteristics show us the initial­ andboundary data requirements for any hydraulic engineering problem simulation.

However, where the concept of characteristics is very important to us, the method ofcharacteristics provides us only for simple practical cases with an algorithm for thecomputation of unsteady flow systems. For this reason we do not expand here on theinclusion  of  energy  generating  or  dissipating  terms,  such  as  gravity  terms  andbottom friction, especially not for non­uniform channels with irregular topographies.In this text we also do not show how to include lateral flows. Inclusion of such termsis much easier and flexibly handled in programmable solution algorithms based onimplicit finite difference schemes, as discussed in Chapter 5.

We will return, however, to the practical use of characteristics in the case of waterhammer and flood propagation simulations.

Page 60: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 0

3.10   Questions and assignments

3.10.1 Derive Equations (3.1) and (3.3) again for the case where a channelwidth b is introduced.

3.10.2 The  simplified  model  is  extended  with  a  lateral  flow  term,  byintroducing the lateral flow per unit width and length of the channel q(m/s).a. Derive the new form of Equations (3.1) and (3.3).b. Give the transformation to the characteristic form.c. Does  this  term  give  any  change  in  the  characteristicdirections?d. Derive the new expressions for the Riemann invariants.

3.10.3 Calculate u and h at point P of Figure (3.5) for the following data:Point A: u=0.5 m/s; h=3.00 m;Point B: u=0.6 m/s; h=2.80 m.

3.10.4 A rectangular channel of 10 meter width carries a discharge of 6 m3/s.For  a  water  velocity  u=2m/s,  calculate  the  state  of  the  flow.  Whatinitial  and  boundary  conditions  do  we  need  for  modelling  a  certainreach of the channel?

3.10.5 At  the downstream end of a  channel  the  flow  is  critical. A positivecharacteristic  arrives  at  this  boundary  carrying  a  Riemann  invariantJ+=7 m/s. Calculate the outflow velocity and depth.

3.10.6. A gate in an irrigation canal of unit width is closed over a period of 4minutes. The initial velocity of the water in the canal is 1.0 m/s at adepth of 0.9 m. Assume a linear decrease of the discharge during theclosure.

a.  Sketch  the  structure  of  the  characteristics  upstream  anddownstream  of  the  gate.  Take  a  total  time  of  8  minutes  and  achannel  length  of  2000  meter  upstream  and  downstream  of  thegate. Take one characteristic every 2 minutes (only for the purposeof  this  exercise,  as  for practical  solutions a  somewhat denser netwill be needed).

b.  Draw  the hodograph plane and solve  the depths and velocities atthe intersection points of the characteristics.

c.  Draw a more precise network of characteristics.d.  Draw  the water  level  and velocity  functions  along  the  canal  at  8

minutes after the initiation of the closure.e.  What is going to happen at a later moment in time?

3.10.7. Repeat the same exercise for an instantaneous closure of the gate.

Page 61: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 1

4 Introducing Numerical Solutions for PartialDifferential Equations

4.1 Introduction

Partial  differential  equations  are  introduced  when  the  dependent  variables  ofdifferential equations are a function of more than one independent variable. In manypractical applications these independent variables are x for space and t for time. Inthis case, derivatives of the dependent variables have fractions both in space and intime.  For  this  reason  we  speak  about  partial  derivatives,  when  dealing  with  aderivative along one of these two or more independent variables. Consequently, wespeak about partial differential equations when rates of changes of these dependentvariables are related along the various dependent variables.

Depending  of  the  nature  of  the  physical  processes,  these  partial  differentialequations can be classified as belonging to one of the following types:

· hyperbolic equations;· parabolic equations; and· elliptic equations.

The  classification  of  the  Equation  (s)  for  a  certain  problem  leads  to  distinctdifferences in which these equations are solved. Typical application areas for thesevarious classes are:

· hyperbolic  equations:  unsteady  surface  water  flow;  unsteady  flow  in  theunsaturated  soil  zone;  flood wave propagation;  transport of pollutants,  channelmorphology;

· parabolic type: dispersion of pollutants; flood wave peak dampening; dispersionof heat or energy;

· elliptic equations: steady surface water flow; steady ground­water flow.

The  difference  in  type  lies  in  the  way  in  which  disturbances  propagate  from  onepoint of a given (physical) system to other points. In the case of hyperbolic problemsit  takes  a  definite  time  before  a  change  of  the  state  of  the  system  at  one  pointinfluences  the state at another point. The effect of  these changes propagates alongso­called  characteristics,  or  lines  along which  disturbances  propagate. An  obviousexample  is  the  propagation of  flood  waves  along  rivers.  Generally,  it  takes  a  fewhours  or  a  number  of  days  before  a  rain  event  in  the  upper  catchments  leads  tofloods  at  locations  downstream.  In  parabolic  problems,  the  effect  of  a  changesomewhere in the system, immediately affects the state everywhere else. In this case,the characteristics travel at an infinite speed.

Page 62: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 2

In  a  step  further,  elliptic  problems  even  have  imaginary  characteristics  only  andthese lead to an even more pronounced effect of the influence of the change of thestate  at  one  single  point  on  the  state  of  the  total  system.  Examples  are  statedescriptions of steady surface water or ground­water flow. It should be realised thatthese are rather artificial descriptions, as true steady states do not exist in nature. Forthis reason, most parabolic or elliptic problems are solved as if one is dealing with ahyperbolic problem.

The simplest of the equations of hyperbolic type is the so­called advection equation(see  Equation  (4.3)).  Advection  describes  how  some  quantity,  such  as  mass,momentum, energy, heat, a pollutant etc. is transported by a carrier, such as water orair. When dealing with the water sector, there is a variety of problems which can bedescribed by equations where advection processes play an important role. Examplesare:

· convective momentum term in the unsteady flow equations. Although often notof much importance in most gradually varied flow situations, the advection term(or  convective  momentum  term)  plays  a  dominant  role  in  the  formation  ofhydraulic jumps, including the special appearances of moving hydraulic jumps,such as tidal bores;

· flood  wave  propagation,  as  a  special  case  of  the  application  of  unsteady  flowequations. Unsteady river­ or channel flow is described by the De Saint Venantequations.  These  form  a  set  of  second  order  partial  differential  equations  ofhyperbolic type with two characteristic directions. In the most common case ofsub  critical  flow,  these  characteristics  have  opposite  directions.  In  the  specialcase of flood wave propagation along rivers, gravity and friction play a dominantrole.  This  results  in  the  emergence  of  an  underlying  simplified  advection­diffusion equation, of which the advection part is only first order hyperbolic. Thecharacteristic direction of this part is shown to us by the propagation celerity ofthe flood wave peak;

· in  hydrology  also  the  movement  of  ground­water  in  the  unsaturated  zone  isbased  upon  a  combination  of  advection  and  diffusion  processes,  generallydescribed by the Richards equation. The advection part of this equation is drivenby gravity and by soil suction forces (matric forces). Due to the complex relationbetween soil permeability and soil moisture, the process is extremely non­linear,leading  to  the  propagation  of  soil  moisture  shock  fronts,  much  similar  to  thepropagation of hydraulic jumps in free surface flow;

· transport  and  dispersion  of  substances  in  water.  A  good  description  of  theseprocesses is essential for the assessment of water quality processes, such as thespreading of pollutants and heat, growth of algae,  sedimentation processes etc.An  important  element  of  this  description,  again,  is  the  advection  part  of  theadvection­dispersion equation.

Page 63: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 3

4.2 The advection equation

As  an  example,  consider  the  advection  of  a  conservative  matter  (e.g.  a  chemicalpollutant)  in  a  channel.  The  derivation  of  the  equation  describing  this  processproceeds via the introduction of a control element along the channel axis as shownin Figure (4.1).

Figure 4.1  Control element for the derivation of the advection equation.

As a first step,  the equation of mass conservation for water is derived. referring toFigure (4.1), the mass balance for a control element with length dx along the x­axisis  set  up  by  defining  the  change  in  storage  to  be  equal  to  the  difference  betweeninflow and outflow, or over a time period dt,

( ) ( )V dt Q Q Q dx dtt x

r r r r¶ ì ¶ üé ù= - +í ýê ú¶ ¶ë ûî þ

Replacing the volume V by the product of cross­sectional area A and distance stepdx it is found, for constant density  , that

0A Qt x

¶ ¶+ =

¶ ¶(4.1)

In  a  similar  way,  the  mass  balance  for  a  conservative  matter  in  the  water  withconcentration c can be derived as

( ) ( ) 0Ac Qct x

¶ ¶+ =

¶ ¶(4.2)

or, after differentiating out the terms of this equation and substituting Equation (4.1),

0c cut x

¶ ¶+ =

¶ ¶(4.3)

where the velocity u is defined as Q/A.

In this derivation it is assumed that the concentration c is uniformly distributed overthe cross­section. For the time being, it is also assumed that the cross­sectional area

Page 64: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 4

for  flow  is equal  to  the cross­sectional area  representing storage. Equation (4.3)  isvalid at every point of  the x­t plane and shows  the  relation at  the  solution surfacebetween the tangent in x­direction (to the function which shows the distribution of calong the river at a fixed time) and the tangent in t­direction (to the function showinghow c varies in time at a fixed point along the channel).

4.3 The characteristic solution

To  get  more  insight  into  the  meaning  of  Equation  (4.3)  let  us  consider  the  totalderivative

c cdc dt dxt x

¶ ¶= +

¶ ¶(4.4)

This equation simply states how the variation of c in any direction in the x­t plane iscomposed  of  variations  of c  along  the  t­  and  x­axis,  respectively.  Division  by dtshows that, by equivalence of the Equations (4.3) and (4.4) along the line

dx udt

= (4.5)

the condition holds that

0dcdt

= (4.6)

or,  after  integration of Equation  (4.6),  that c  remains constant  along  this  line. Theline  defined  by  Equation  (4.5)  is  called  the characteristic  of  Equation  (4.3).  InFigure (4.2) it is shown how a solution of Equation (4.3) is obtained, for the simplecase where u=constant and where, consequently, the characteristics are parallel linesin the x­t plane.

Figure 4.2   Solution of the advection equation with the method of characteristics.It  is  also  seen  that  a  solution  is  only  obtained  when  in  the  computational  domaininitial  data  are  defined  along  the  line  t=0  and,  where  an  upstream  boundary  is

Page 65: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 5

present,  also  boundary  data  along  the  line  x=0.  As  will  be  shown  later, thesecharacteristics play an important role in defining where initial­ and boundary dataare required, as well as the number and the type of  these conditions. For practicalapplications the method of characteristics  is not often applied  in  this  form, mainlybecause it has the disadvantage that it is not based upon a fixed grid in space.This makes it more complicated to include in the solution such processes as sourcesand sinks, decay and diffusion, which will be discussed later.

4.4 Finite difference schemes

On  the  grid,  shown  in  Figure  (4.3),  the  derivative  c/ x  can be  written  in  severalways in terms of finite differences and, at grid point (i,n) more in particular as

1n ni ic cc

x x--¶

@¶ D

backward difference approximation;

1 1

2

n ni ic cc

x x+ --¶

@¶ D

centred difference approximation;

1n ni ic cc

x x+ -¶

@¶ D

forward difference approximation.

Figure 4.3  Grid for defining finite difference schemes of the advection equation.

In a similar way finite difference approximations for  c/ t can be defined. For  theadvection  scheme  these  approximations  can  be  combined  to  nine  possible  finitedifference schemes, already. This number even increases when combinations of 1),2) and 3) are made by introducing, for example, other time levels than n t. Not allthese  schemes  will  give  satisfactory  results  and  it  is  needed,  therefore,  to  definecriteria for judging which scheme can be selected as the best out of the large numberof possible schemes.

Let  us  consider,  in  the  first  instance,  a  scheme  approximated  by  a  backwarddifference  in  the  x­direction  and  a  forward  difference  in  the  t­direction.  Equation(4.3) than reads as

Page 66: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 6

11 0

n n n ni i i ic c c cu

t x

+-- -

+ =D D

or, expressing cin+1 in terms of the other variables and defining

u trx

D=

D(4.7)

11 (1 )n n n

i i ic r c r c+-= + - (4.8)

This relation can be represented graphically by the operator shown in Figure (4.4).

Figure 4.4  Operator for the scheme of Equation Error! Reference source not found..

A solution using this scheme is shown in Figure (4.5) for the following data:

u  = 0.0185 m/s;x  = 100 m;t  = 0.75 hours.

Upstream boundary data are set as c=0 and the initial data are given by the Gaussiandistribution of the form

2½ ( )e

x

cm

s-

-= (4.9)

with mean value  =500 m and standard deviation  =100 m.

Page 67: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 7

Figure 4.5  Numerical solution of the advection equation using the scheme given by Equation (4.8)with r=½ and various values for  x.

Figure (4.5) shows the effect of varying numerical parameters on the solution. Theexact  solution  is defined by a  shift of  the  initial Gaussian distribution over 400 malong the x­axis. Numerically, the same solution is found for r=l. For r=½ the waveis  strongly  dampened.  This  effect  is  called numerical  diffusion  of  the  wave.  Thefigure also shows that a smaller value for  x, while maintaining the same value r=½,reduces the numerical diffusion. For a value r=2 the solution will not look realistic.Negative values for c are found as well as values greater than 1. These values cannotpossibly  be  correct  as  the  method  of  characteristics  shows  that  in  the  absence  ofsource­ and sink  terms extreme values for c are found along  the boundaries wherecharacteristics enter the computational domain. The problems faced here are relatedto the stability of the scheme.

It  is  clear  that not only  the  choice of a  specific  scheme  is  important  for obtaininggood results in a computation, but also the choice of the numerical parameters, suchas x and t,  for that scheme. The accuracy aspects of a particular scheme can bejudged by writing each term in a Taylor's series expansion from the selected centrepoint  of  the  scheme.  At  the  centre  point  (i,n)  we  obtain  for  the  scheme  given  byEquation (4.8):

2 2 3 31

2 3 . . .1! 2! 3!

n nnn ni i

i i i

t c t c t cc c h o tt t t

+ æ ö æ öD ¶ D ¶ D ¶æ ö= + + + +ç ÷ ç ÷ç ÷¶ ¶ ¶è ø è ø è ø

and( )32 2 3

1 2 3 . . .1! 2! 3!

n nnn ni i

i i i

xx c x c cc c h o tx x x-

-Dæ ö æ ö-D ¶ D ¶ ¶æ ö= + + + +ç ÷ ç ÷ç ÷¶ ¶ ¶è ø è ø è ø

Page 68: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 8

where h.o.t.  stands  for higher order  terms. Collecting  terms  in Equation  (4.8)  anddividing by t gives at point (i,n):

2 2 2 2 3 3 3

2 2 3 3 . . .2 2 6 6

c c t c r x c t c r x cu h o tt x t t x t t x

¶ ¶ -D ¶ D ¶ D ¶ D ¶+ = + - - +

¶ ¶ ¶ D ¶ ¶ D ¶ (4.10)

The  right  hand  side  of  this  equation  is  called  the  truncation  error  of  the  finitedifference scheme. It can be concluded that by using the scheme of Equation (4.8),another equation, containing higher order derivatives, is solved than the differentialequation (4.3). For looking more closely at the lowest order terms of the truncationerror, Equation (4.3) is differentiated with respect to t to give, for constant u,

2 2 2 22

2 2

c c c cu u ut x t t x x

¶ ¶ ¶ ¶= - = - =

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

Substitution of this relation into Equation (4.10) gives

( )2

2½ 1 . . .c c cu u x r h o tt x x

¶ ¶ ¶+ = D - +

¶ ¶ ¶(4.11)

Referring already to Equation (4.17), it will be shown in Chapter 4 that this equationadds diffusion to the advection equation. For the example of Figure (4.5), with r = ½and  x = 100 m, the numerical diffusion coefficient is 0.463 m2/s. Comparison ofFigure (4.5) with Figure (4.9) of § 4.7 confirms the magnitude of the diffusive effectof the truncation error.

Equation  (4.11)  shows,  furthermore,  that  the  lowest  order  term  of  the  truncationerror  goes  to  zero  for  r=1.  The  computed  results  for  r  =  l  indicate  that  a  furthersubstitution will cancel out all the higher order terms in the truncation error for thisspecific value of r, to give the exact solution of the differential equation. For values r= ½ the numerical diffusion can be reduced by taking smaller and smaller values for

x.  In  the  limit,  for  x  ­­>  0,  the  truncation  error  will  go  to  zero  (see  Equation(4.11))  so  that  the  numerical  solution  converges  towards  the  true  solution  ofEquation (4.3). This convergence will not be found for the solutions with r=2. It canbe  shown  that  for  this  r­value  subsequent  reduction  of  x  will  give  a  solutiondeviating more and more from the true solution. The results become more and moreunstable. There are several ways in which this stability problem can be investigated:

1. by interpreting the dominant effects of the truncation error of the scheme;2. by showing that the values in the computational domain will always remain

between the extreme values specified at the boundaries;3. by an analysis based on the role of characteristics on the solution (Courant­

Friedrich­Lewy or CFL­condition);4. by  a  Fourier  series  analysis  of  the  solution  function  and  its  transformation

from one time level to another.

Ad 1) For positive values of the numerical diffusion coefficient in Equation (4.10),the solution will be dampened within the computational domain.

Page 69: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 6 9

Negative  diffusion  coefficients  are  physically  unrealistic  and  would  lead  toamplification  of  the  solution.  This  would  affect  most  strongly  the  shorter  wavelengths  as  those have  the  largest  values  for  2c/ x2.  In  this way,  small  errors willrapidly be blown up to large values. This leads to the conclusion that only positivediffusion coefficients will give stable results and thus, from Equation (4.11), that rshould not exceed unity.

Ad 2) The exact solution of Equation (4.3) shows that extremes in the computationaldomain should always remain between minimum and maximum values given at theboundaries  of  this  domain.  It  can  be  shown  that  the  scheme,  indeed,  gives  valueswhich are limited by the extremes at the boundaries for r 1 (Abbott, 1979).

Ad  3)  Referring  to  Figure  (4.7)  and  following  the  characteristics  through  point(i,n+l),  the  scheme  will  be  stable  when  the  characteristic  intersects  the  line  t=n tbetween  the  grid  points  (i­1,n)  and  (i,n),  as  in  this  case  ci

n+1 is  found  from  aninterpolation of earlier computed results. When the intersection of the characteristicand the line t=n t is outside the line element between the points (i­l,n) and (i,n), thevalue  ci

n+1 follows  from  an  extrapolation  of  data  and  the  scheme  will  becomeunstable. The time step can be compared with the time tc required to travel alongthe  characteristic  over  a  distance x.  The  ratio  t/ tc  is  defined  as  the  Courantnumber Cr. For Cr 1 the scheme will be stable and it will be unstable for Cr>1. Thiscase is shown in Figure (4.7) when, for the characteristic leaving the point (i­1,n+1)backward in time, the numerical scheme of Equation (4.8) is applied at the grid point(i­1,n).

Ad 4) A solution at time level n t is decomposed into the Fourier seriesjx ikikn n n jjl

j k kk k

c e epp

x x= =å å (4.12)

whereim = indicator for imaginary numbers;k  = wave component number;

kn  = wave amplitude at time level n t;

L  = length of the computational domain along x;ii  = highest grid point number over domain L.

Stability of the solution is guaranteed if, in the transformation of the solution fromtime level n t to time level (n+l) t by the scheme, none of the wave amplitudes  k

n

are amplified. Substitution of Equation (4.12) into Equation (4.8) gives

11 (1 )m m m

i i ii k i k i kn nii ii iik ke re r e

p p px x

-+ ì ü

= + -í ýî þ

or1

1 mkn ik ii

k nk

A r epx

x

+

= = - + (4.13)

Page 70: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 0

For a specific wave component the amplification |Ak| is defined as the length of thevector  composed of  the  real  and  imaginary parts  of  Equation  (4.13).  From  Figure(4.6) it can be concluded that |Ak|  1 for r 1.

Figure 4.6  Argand wave amplification diagram for the scheme of Equation (4.8)

Table 4.1  Example of unstable solution of Equation (4.8) for r=2

i => 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10x (m) => 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

n t (s)0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 01 200 0 ­1 2 0 0 0 0 0 0 0 02 400 0 1 ­4 4 0 0 0 0 0 0 03 600 0 ­1 6 ­12 8 0 0 0 0 0 04 800 0 1 ­8 24 ­32 16 0 0 0 0 05 1000 0 ­1 10 ­40 80 ­80 32 0 0 0 06 1200 0 1 ­12 60 ­160 240 ­192 64 0 0 07 1400 0 ­1 14 ­84 280 ­560 672 ­448 128 0 08 1600 0 1 ­16 112 ­448 1120 ­1792 1792 ­1024 256 09 1800 0 ­1 18 ­144 672 ­2016 4032 ­5376 4608 ­2304 512

10 2000 0 1 ­20 180 ­960 3360 ­8064 #### #### #### ­512011 2200 0 ­1 22 ­220 1320 ­5280 #### #### #### #### ####12 2400 0 1 ­24 264 ­1760 7920 #### #### #### #### ####13 2600 0 ­1 26 ­312 2288 #### #### #### #### #### ####14 2800 0 1 ­28 364 ­2912 #### #### #### #### #### ####15 3000 0 ­1 30 ­420 3640 #### #### #### #### #### ####

4.5 Characteristic solutions on a fixed grid

The accuracy of the scheme given by Equation (4.8) is rather low for many practicalapplications. It may be possible to choose r­values equal or close to unity on someparts of the grid, but varying velocities may make it necessary to work with lowervalues elsewhere. Reduction of  x  increases rapidly  the number of operations andmay demand much computer time.

Page 71: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 1

Higher accuracy schemes introduce the need to define relations between more gridpoints. Programming wise this may lead to a rather complicated organisation. For arelatively  clear  and  accurate  procedure  we  will  return  now  to  the  method  ofcharacteristics.  For  the  fixed  grid,  as  shown  in  Figure  (4.7),  one  may  follow  thecharacteristic line from grid point (i,n+l) back to the time level n t.

Figure 4.7.  Characteristic solution on a fixed grid.

As  the  value  for  c  remains  constant  along  this  characteristic,  the  accuracy  of  thesolution  technique depends on  the  accurate positioning of  the  intersection point  attime  level  n t  and  on  an  accurate  interpolation.  For  a  constant  velocity u  and  alinear interpolation between c­values at points (i­l,n) and (i,n) it is found that

11

n n ni i i

u t x u tc c cx x

+-

D D - D= +

D D

This relation is equivalent  to  the finite difference scheme given by Equation (4.8).The advantage of this method is that it can be extended to Courant numbers greaterthan  unity  (r>1; see  Figure  (4.7).  An  improvement  of  the  accuracy  is  obtained byusing  a  cubic  spline  function  interpolation  (Preissmann  and  Holly,  1977).  In  thisinterpolation not only the values for c are used at the grid points (i­l,n) and (i,n), butalso their first derivatives in x. The interpolation is than given by

11 1 2 3 4

1

n nn n ni i i

i i

c cc c cx x

a a a a+-

-

¶ ¶æ ö æ ö= + + +ç ÷ ç ÷¶ ¶è ø è ø(4.14)

with2

1

2 1

23

24

(3 2 )

1

(1 )

(1 )

r r

r r x

r r x

a

a a

a

a

= -

= -

= - D

= - - D

(4.15)

Preissmann  and  Holly  describe  the  computation  of  c/ x  values  via  an  advectionscheme. As under simplified conditions the advection does not alter the shape of thetranslated function, it must be possible to find an equation for the advection of boththe  first  and  the  higher  order  derivatives.  For  the  fractioned  step  approachesdescribed later, this procedure, however, cannot be followed. A simpler, but also lessaccurate procedure, is found by approximating the derivatives from earlier computedc­values as

Page 72: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 2

1 1

2

n ni ic cc

x x+ --¶

@¶ D

(4.16)

The results obtained with this method of characteristics, using cubic spline functionsfor  interpolation,  show a  rather  low  numerical  diffusion.  However,  some parasiticwaves still appear in the tail of the function.

4.6 Introducing diffusion

The  derivation  of  the  equation  for  advection­diffusion  processes  proceeds  verysimilar to the one for advection alone. Referring again to Figure (4.1), the advectionthrough the element boundary has to be increased with the contribution of molecularand turbulent exchange processes that can be described by Fick's law as

dispersioncT DAx

¶= -

where D is a diffusion coefficient. The balance equation now reads

( ) ( ) cAc Qc DAt x x x

¶ ¶ ¶ ¶æ ö+ = - -ç ÷¶ ¶ ¶ ¶è ø

or,  assuming  that  the  effects  of  spatial  variation  in  cross­section  and  diffusioncoefficients can be neglected,

2

2

c c cu Dt x x

¶ ¶ ¶+ =

¶ ¶ ¶(4.17)

The contribution of molecular diffusion to D is negligible in practical applications.Furthermore, in a schematization where u and t are averaged over the cross­section,the value of D is much larger than following from turbulent diffusion alone. Much ofthe  spreading  of  the  matter  along  the  channel  axis  is  caused  by  differentialadvection. Differences in advection are caused by velocity variations in the verticalprofile, in the direction perpendicular to the flow lines, as a result of spiral flow inbends, due to storage elements along the channel banks etc. The combined effect ofturbulent  diffusion  and  differential  advection  is  called  dispersion,  so  that  D  inEquation (4.17) generally stands for a dispersion coefficient.

Equation (4.17) has an exact solution defined as

( )

( )2

0 4½( , )

2

x utDtMc x t e

A Dtp

--

= (4.18)

where  M0  is  the  total  mass  of  a  tracer  which  is  injected  instantaneously  anduniformly  distributed  over  the  complete  cross­section.  The  initial  distribution  is

Page 73: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 3

defined as a Dirac delta distribution, which tends to be dispersed along the channelaxis  as  a  Gaussian  distribution  with  mean  value  =x+ut  and  with  a  standarddeviation  = 4Dt .

For an initial Gaussian distribution the value of  0 can be transformed into a value,defined as the time which it would have taken to come from a delta distribution tothe given Gaussian form. This leads to

20

0 4t

Ds

= (4.19)

and the exact solution defined as

( ){ }

( ){ }( )

20

040½

0

( , )2

x x utD t tMc x t e

A D t tp

- +-

+=+

(4.20)

where M0,  in  this case,  is  the  total mass of  the  tracer  integrated along  the channelsection at time t=0.

4.7 An explicit finite difference scheme

Exact solutions are defined only for very particular cases. The following limitationsof the applicability can be mentioned:

· the solution is defined only for single point instantaneous sources ;· the channel characteristics are often not constant along x.

More  general,  again,  practical  solutions  are  found  with  finite  differenceapproximations, which will be demonstrate here,  in  the first  instance, on a schemefor the diffusion part of the equation only, given by

2

2

c cDt x

¶ ¶=

¶ ¶(4.21)

Consider a grid, as shown in Figure (3.8).

Figure 4.8  Operator for an explicit scheme for the diffusion equation.

Page 74: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 4

The time derivative can be given as a forward finite difference approximation in theform

1n ni ic cc

t t

+ -¶@

¶ D

The second derivative in x is approximated as

2½ ½

2

1 1

1 12

2

n n

i i

n n n ni i i i

n n ni i i

c cc c x x

x x x x

c c c cx x c c c

x x

+ -

+ -

- +

¶ ¶æ ö æ ö-ç ÷ ç ÷¶ ¶ ¶ ¶ ¶æ ö è ø è ø= @ @ç ÷¶ ¶ ¶ Dè øæ ö æ ö- -

-ç ÷ ç ÷D D - +è ø è ø =D D

Substitution of these finite difference approximations into Equation (4.21) gives thescheme, with cj

n+1 expressed in terms of variables at time level n t,

11 1(1 2 )n n n n

i i i ic rc r c rc+- += + - + (4.22)

where

2

tr Dx

D=

D(4.23)

As the value at grid point (i,n+l) is computed explicitly from known values at timelevel  n t,  it  is  customary  to  call  this  an explicit  scheme.  At  a  later  stage  we  willintroduce a somewhat refined definition for the types of finite difference schemes. ATaylor's  series  development  shows  that,  in  reality,  we  are  solving  with  the  finitedifference scheme (4.22) the equation

2 2 42

2 2 4

1 + h.o.t.2 12

c c t c cD D xt x t x

¶ ¶ -D ¶ ¶- = + D

¶ ¶ ¶ ¶

An analysis similar to the one for the advection equation leads to the cancellation ofthe lowest order terms in the truncation error for r=1/6. However, for this same valueof r, cancellation of the higher order terms does not occur. A complete analysis willlead to the conclusion that, for this scheme, it is impossible to find any r­value whichwill produce the exact solution.

As an example, consider a channel section of length L, where initially a conservativepollutant  with  concentration c  is  present,  given  as  a  Gaussian  distribution  withstandard  deviation  = x.  Selecting  a  distance  step  x=100  m  and  a  dispersioncoefficient D=0.463 m2/s, a time step  t=l hour will give an r­value   1/6.

Page 75: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 5

Figure 4.9  Results with the numerical scheme of Equation (4.22) for various values of r.

Consistent with the theory of partial differential equations, the solution requires one­point initial data at t=0 and one point boundary data at x=0 and x=L. In the case ofthis example, constant values c=0 have been set at both boundaries. For the secondorder space derivative of this parabolic partial differential equation, both boundarydata could also have been given as first order derivatives of c along x.

In Figure (4.9), a comparison is shown between the exact solution for this problemand numerical solutions obtained for different grid steps. With respect to the choiceof  the grid  steps  it  is  interesting  to note  that, unlike  for  the advection scheme,  thehighest accuracy is not found at the limit of stability. For practical applications it isbest  to choose a grid which gives  r­values around 1/6. However, Figure  (4.9) alsoshows that the differences are minor. This is certainly true when compared with thesensitivity of numerical parameters in advection schemes. In all cases, it is importantto make sure  that  the  stability  limit  r=½  is never exceeded. The existance of  suchlimit  can  be  investigated  again  with  a  Fourier  series  analysis,  to  give  anamplification factor

21 4 sin2

km xA r D= - (4.24)

so that, since the sin2­term is definite positive, the stability condition |A|  1 impliesthat

½r £ (4.25) or

2

2xtD

DD £ (4.26)

Page 76: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 6

4.8 Explicit schemes for the combination of advection anddiffusion

For a first discussion, let us return to the advection scheme given by Equation (4.8).Comparing the Taylor's series expansion of this scheme shown by Equation (4.11),to  the  advection­diffusion  Equation  (4.17)  it  is  seen  that  physical  and  numericaldiffusion are equal when

( )½ 1D u x r= D - (4.27)

In principle, advection­diffusion processes could be computed with a scheme for theadvection  equation  alone,  by  selecting  numerical  parameters  which  just  give  thecorrect  amount  of  diffusion  by  satisfying  Equation  (4.27).  In  practice  this  cannoteasily be  realised as u  varies  in general with x  and t  and  the grid  steps cannot beadjusted  from  one  to  the  other  grid  point.  Furthermore,  the  numerical  diffusioncoefficient has been derived from the idealized case where u and D are constant. Itis,  therefore,  more  practical  to  combine  a  diffusion  scheme  with  a  scheme  foradvection,  which  has  a  numerical  diffusion  which  is  small  as  compared  to  thephysical diffusion.A convenient approach is the fractioned step method where the contributions to thevariations in c by advection and dispersion are solved sequentially. As a first step,the equation

0advection

c cut x

¶ ¶+ =

¶ ¶(4.28)

is solved, so as to give the c­values at (n+l) t resulting from transport alone, whileas a second step the equation

2

2dispersion advection

c c c cDt t t x

¶ ¶ ¶ ¶æ ö æ ö= - =ç ÷ ç ÷¶ ¶ ¶ ¶è ø è ø(4.29)

is  solved,  giving  the  complete  solution  for  advection  and  dispersion  together.Equation (4.28) can, again, be solved with the fixed grid characteristic method usingthe spline function interpolation (see Equation (4.14)), giving intermediate values cj*defined  by  advection  alone. Subsequently,  the  dispersion  step  can  be  given  in  thefinite difference form as

1 * * * *1 1

2

2ni i i i ic c c c cD

t x

+- +- - +

@D D

or

1 * * *1 1(1 2 )n

i i i ic rc r c rc+- += + - + (4.30)

Page 77: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 7

The  advection­diffusion  equation  can  easily  be  extended  to  the  two­dimensionalcase, giving

2 2

2 2x yc c c c cu v D Dt x y x y

¶ ¶ ¶ ¶ ¶+ + = +

¶ ¶ ¶ ¶ ¶(4.31)

where  y  is  the  direction  in  the  horizontal  plane  orthogonal  to  x,  v  is  the  watervelocity  in  y­direction  and  Dx  and  Dy  are  dispersion  coefficients  in  x­  and  y­direction, respectively. This equation can be solved, following the same principles,in the sequence of fractioned steps:

1)   advection along x;2)   advection along y;3)   dispersion along x;4)   dispersion along y.

4.9 Implicit schemes for the diffusion equation

The  stability  criterion  for  the  diffusion  scheme  of  Equation  (4.22)  limits  the  timestep of the solution method and this is not always desirable. For this reason implicitschemes can be introduced, which have less stringent stability conditions. As shownin Figure  (4.10),  in  implicit  schemes  the unknown variables at  the new  time  level(n+1) t are connected by the partial definition of  the space derivative of Equation(4.21) at the new time level as

( )( ) ( ){ }1

1 1 11 1 1 12 1 2 2

n nn n n n n ni ii i i i i i

c c D c c c c c ct x

q q+

+ + +- + - +

-@ - - + + - +

D D  (4.32)

where  defines a weighting of the space derivative between the time levels n t and(n+1) t. This equation can be rewritten to the form

1 1 11 1

n n ni i i i i i ic c ca b g d+ + +

- -+ + = (4.33)

where

( ) ( )( ) ( )1 1

1 2

1 1 2 1 1

i

i

i

n n ni i i i

rr

r

r c r c r c

a qb qg q

d q q q- +

= -

= += -

= - + - - + -

(4.34)

As an alternative,  the  implicit  finite difference scheme may be written  in  terms ofchanges c from time level n t to (n+1) t as

( ) ( ){ }1 1 1 12 2 2n n nii i i i i i

c D c c c c c ct x

q- + - +

D@ - + + D - D + D

D D(4.35)

which can be written in a form similar to that of Equation (4.33).

Page 78: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 8

Figure 4.10  Grid for the implicit scheme of the diffusion equation

The system of Equations  (4.33) can be solved with  the double sweep algorithm, aspecial  form  of  the  Gauss  elimination,  based  upon  tri­diagonal  materices.  In  thisalgorithm,  in  a  first  sweep  the  coefficients  in  the  lower  diagonal  are  eliminated,starting  with  the  left  hand  boundary  condition.  In  a  second  sweep  values  for  theunknows are computed, by subsequently eliminating the upper diagonal coefficients.

Figure 4.11  Schematic presentation of the tri­diagonal double sweep matrix solution algorithm

Schematically,  the algorithm is presented  in Figure (4.10). Assuming  the  left handand right hand boundary conditions, respectively, to be of the form

0 0 0 1 0c cb g d+ = (4.36)

1ii ii ii ii iic ca b d- + = (4.37)

Gaussian elimination of the lower diagonal leads to the set of equations

1 * 1 *1

n ni i i ic cg d+ +

-+ = (4.38)

with the new coefficients in the matrix (now marked with a superscript *), computedfrom grid point 1 until ii­1 by the relations

** * 1

* *1 1

; i ii i

i i

d adgg db ag b ag

-

- -

-= =

- -(4.39)

Page 79: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 7 9

For  the  more  general  case  of  non­linear  equations,  with  coefficients  derived  as  afunction of x, also the coeficients ,  and  in Equation (4.33) will get a subscript i.These subscripts will than also appear in the relations given by Equation (4.39).

The elimination is started by assigning the starting values for the new coefficients atgrid point 0 by substitution of  the boundary relation given by Equation (4.36)  intoEquation (4.33) applied at gid point 1, giving

* *0 00 0

0 0

;g dg d

b b= = (4.40)

The same result would also have been obtained simply by setting the value of  0 tozero  in  Equation  (4.39).  In  this  case  the  assignment  of  new  values  for  i

*  and  i*

could have started at grid point 0 instead of 1.

After  completion  of  the  first  sweep,  the  right  hand boundary value  is  obtained bysubstitution of the boundary relation given by Equation (4.37) into Equation (4.39)at point ii­1. Successive back substitution (back sweep) of the values for c leads tothe overall solution of the system of equations.

Page 80: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 0

Page 81: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 1

5 De Saint Venant equations and theirsolutions

5.1 Introduction

In Chapter 3  the unsteady channel  flow equations were  introduced for canals withsimple rectangular cross­sections. These equations will now be extended to the moregeneral case of irregular cross­sections. In this approach, the flow in rivers and othertype  of  channels  is  assumed  to  be  correctly  defined  by  the  state  variables  ordependent variables discharge, Q and water level,  as a function of the independentvariables t for time and x for space.

Basic assumptions and/or limiting conditions are:

· the discharge is sufficiently well defined as the integral of the velocities througha  cross­section,  perpendicular  to  the  x­axis  and  perpendicular  to  the  flowvelocity vectors in the flood plain;

· the water level is constant along the cross­section. This implies that at any timethe water level at all points along a given cross­section should rise or fall at thesame  rate.  This  assumption  is  generally  justified when  the widths of  river  andflood plain are of the same scale and free of obstacles such as natural levees orembankments;

· the water  level  slope or gradient  in  the x­direction  is constant along  the cross­section. However, it should be noted that in case this condition is not satisfied,correction  factors  may  be  applied  to  reduce  significantly  errors  in  the  modelparameters, as discussed in this contribution.

Quantitative analysis of the two state variables requires two independent equations.Usually, the following equations are used:

· the  continuity  equation,  based  upon  volume  conservation  in  a  control  volumedefined between two successive points along the channel axis;

· the momentum equation, based upon the conservation of momentum, includingthe effect of impulses generated by forces acting upon the water contained in thecontrol volume.

Making, furthermore, the following assumptions:

· the pressure distribution in the vertical is hydrostatic;· the resistance relationship for steady flow is also applicable for unsteady flow;

and· the bed slope is moderately steep, so that the cosine of the slope can be replaced

by unity,

Page 82: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 2

De  Saint  Venant  (1871)  derived  the  following  equations  (presented  in  a  slightlyadapted form here):

sl

A Q +   = qt x

¶ ¶¶ ¶

(5.1)

{ }2

2

1 0Q QQ Q+ ( ) +

gA t x A x Kz¶ ¶ ¶

+ =¶ ¶ ¶

(5.2)

where As is the cross­sectional area representative for storage over a control volume(m2), t the time (s), Q the discharge (m3/s), x the position along the channel axis (m),ql the lateral discharge per unit length of channel (m2/s), A the flow conveying cross­sectional area (m2),  the stage or water level above a selected horizontal referenceplane (m) and K  the channel conveyance (m3/s). The meaning of the parameters inthese equations becomes clear when we follow the derivation of these equations.

5.2 The continuity equation

The continuity equation for channels with arbitrary cross­section can be derived onthe basis of the same principles as applied to the case of the simplified rectangularprofile, as described in Chapter 3.  It should be realised  that  in channels and riverswith  arbitrary  cross­sections  even  the  topography  between  two  successive  cross­sections  is  irregular. For  this  reason, we will  base  the derivation of  the  continuityequation upon a storage volume V( ), as a function of stage .

Figure 5.1    Control volume for the derivation of the continuity equation

From Figure (5.1) it is readily seen that the following volume conservation equationholds:

lV Q +   dx = q  dxt x

¶ ¶¶ ¶

As for each control volume between two successive points along x, the volume is afunction of the water level, the following substitution can be made

Page 83: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 3

ssurfV dV=     =  dx= A bt d t t t

V V VV

¶ ¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶ ¶

(5.3)

where Asurf is the storage area in the horizontal plane defined between twosuccessive control sections. It is common practice, however, to define the storage asa cross­section property. For this reason, we usually transform the parameter Asurf  toa parameter linked to a cross­section, by introducing a storage width bs of thechannel. This level dependent channel cross­section storage parameter bs is definedas Asurf (for a given level) divided by the distance between two successive controlsections (Equation (5.3)). This definition leads to the continuity equation of thecommonly used form

s lQ   +  qb t x

V¶ ¶=

¶ ¶(5.4)

Integration of bs  over  the height  of  the  cross­section  leads  to  the definition of  thestorage cross­section

( )b

s sz

A b dzV

V = ò  (5.5)

as  introduced earlier  in Equation (5.1). It should be realised that  the storage cross­section parameters bs and As are often different from the parameters B and A used inthe  momentum  equation  (see  §  5.3).  These  differences  will  be  discussed  in  moredetail in § 5.7.

The  second  important  parameter  in  the  continuity  equation  is  the  lateral  flow.Examples of lateral flow contributions, either positive or negative, are:

· catchment  runoff  hydrographs,  either  given  as  point  sources  or  as  distributedsources. These consists both of surface water and ground­water components;

· drainage releases, for example, via pumps;· irrigation water extraction;· flow over side weirs;· water  exchange  at  the  river  bed,  possible  linked  to  a  ground­water  storage

description;· rainfall and evapotranspiration directly linked to the water surface.

Page 84: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 4

5.3 The momentum equation

For  the  derivation  of  the  momentum  equation  we  will  limit  ourselves  here  to  apragmatic derivation. Recalling § 3.3, with the derivation of the momentum equationfor a uniform rectangular cross­section, one of the intermediate forms has been

2 h (uh) +   ( h) + gh   = 0ut x x¶ ¶ ¶¶ ¶ ¶

(5.6)

Referring  to  Figure  (5.2),  the  momentum  equation  of  the  overall  cross­section  isobtained by integrating each term of Equation over the width.

Figure 5.2    Cross­section for the integration of the momentum equation

Integration of the first component leads to the acceleration term

j j j jo o

Q   ( )dy      dyu h u ht t t

B B¶ ¶ ¶= =

¶ ¶ ¶ò ò

Integration of the second component leads to the convective momentum term

22 2i i j j

o o

Q   ( ) dy    ( ) dy  (  u Q)  (   )u h u hx x x x Ab b

B B¶ ¶ ¶ ¶= = =

¶ ¶ ¶ ¶ò ò

where  is the Boussinesq coefficient of velocity distribution. It corrects for the factthat we have used the average flow velocity u  in the integration of the momentumcarried  by  the  flow  through  the  cross­section,  instead  of  the  local  velocities.Consequently,  the  value  of   is  greater  than  unity.  It  should  be  noted  that  theimportance  of  this  convective  momentum  term  is  generally  limited  and  in  mostpractical  applications  the  value  of ß  is  simply  set  to  unity.  In  some  practicalapplications the value of ß is even set to zero, which means that the complete term isneglected (see diffusive wave approximation of Chapter 6).

Page 85: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 5

Figure 5.3    Definition of the gravity component

Integration of the second component leads to the combined hydrostatic pressure andgravity term

j jO O

 g    dy g     dy gAh hx x xV V VB B¶ ¶ ¶

= =¶ ¶ ¶ò ò

In the integration it has been assumed that the term  (zb+h)/ x, or  / x, is constantacross the section. In order to separate the effects of hydrostatic pressure gradientsand gravity,  the term can be split up again on the basis of a kind of representativedepth hr above a representative bottom level zbr as follows

0br r r

rz h hgA  gA  gA  I

x x x xV ¶ ¶ ¶¶ æ ö æ ö= + = +ç ÷ç ÷¶ ¶ ¶ ¶è øè ø

(5.7)

It can be concluded from Equation (5.7) that the way in which we define this bottomlevel does not affect the results of computations. This definition is a product of ourmind and not that of the river itself. The river feels for its flow only the effect of thewater  level slope (combined with cross­sectional parameters) and not  that of a bedslope, as such.

Finally, a friction term has to be added. This friction description is rather empiricaland it is common practice to follow the same definition as applying to steady flow.

In steady flow, the bottom friction for sub section j of the cross­section is supposedto balance the gravity term, or

) rt obottom jj(  =   g h I

Furthermore, t =t (u2) for turbulent flow, leading to the Chezy relation

1/ 2oj jj = Cu h I

or to the Manning relation

Page 86: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 6

2 /30j j

j

1 =   h   Iun

Proceeding with the Manning relationship and taking into account the side slope ofthe bottom profile, the local depth is generally replaced by a local hydraulic radiusRj, giving

2 /30j j

j

1 =   R Iun

For unsteady flow, the slope expressed by this shear force relation deviates from thebottom slope and for each sub section a friction slope may be introduced defined as

2 2

2

2/31

2j j j

f 2j

j jj

Qu AI

KA R

n

= =æ öç ÷ç ÷è ø

where Kj is the channel conveyance for subsection j.

As per definition of a one­dimensional schematisation If is constant over the cross­section, integration of the friction term over this cross­section leads to a contributionto the momentum equation is given as

2

f 2

QIK

= (5.8)

with the total channel conveyance K defined as

2 /3

=

= åjj

j jjj 1

1K    A  Rn

(5.9)

where jj is the number of sub sections in the channel cross­section.

The concept of the total conveyance of a cross­section is based on the integration orsummation of the contributions Kj for individual vertical slices of the cross­section.For  each  individual  slice  (Figure  5.2)  the  concept  of  the  hydraulic  radius  is  usedwhere

jj

j

A =RP

(5.10)

with the wet perimeter Pj representing the contact length of water and channel bed.

Page 87: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 7

It should be remarked that the concept of a wet perimeter is based on the assumptionthat the shear force is equal at all points along this perimeter. This is approximatelytrue for a small sub­section or slice of the channel cross­section. However, it is nottrue for the complete cross­section, as the local shear force is a  linear function of thelocal depth. It is, therefore, strongly advised not to use the concept of the hydraulicradius for rather irregular cross­sections. For such sections one should always workwith  the concept of  the conveyance, or discharge capacity K, obtained through  theintegration of the local conveyance across the section.

In  the  special cases where  the hydraulic  radius concept can be used  for  the oveallcross­section, the Manning and Chezy coefficients are related through

2 /31Q K I AR In

= = (5.11)

and

1/ 2Q K I CAR I= = (5.12)

giving the relation between the Manning and Chezy coefficients as

1/ 6 1/ 61 1C R ; or n Rn C

= = (5.13)

It is quite well accepted that the Manning coefficient is more constant with depththan the Chezy coefficient. Especially at relatively low flow depth, such as occurringon flood plains, it is recommended to use the Manning coefficient for the frictiondescription.

The terms of the momentum equation can now be collected to give the form

0

2r

r 2

hQ Q |Q |Q +   ( ) + gA  +   + gA 0gAIt x A x K

b ¶¶ ¶=

¶ ¶ ¶(5.14)

Division of all terms by gA gives the equation in dimensionless form as

{ }2

r0r 2

kinematic wave

diffusive wave

dynamic wave

Q Qh1 Q Q+ ( ) + I 0gA t x A x K

¶¶ ¶+ + =

¶ ¶ ¶ 14243

144424443

1444444442444444443

(5.15)

which  is  equivalent  to  Equation  (5.2).  Equation  (5.12)  also  shows  how  themomentum  term  can  be  simplified when  some parts  of  this  equation  are  of  lesserimportance.  These kinematic  wave  and diffusive  wave  approximations  will  bediscussed in § 6.4.

Page 88: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 8

5.4 Numerical solutions

Hydraulic  modelling  techniques  for  1D  are  currently  based  upon  the  numericalsolution of the de Saint Venant equations, including the full convective momentumterm.  These  numerical  solutions  are  nearly  exclusively  based  upon  implicit  finitedifference methods. These offer the advantage of unconditional numerical stability,while the various robustness problems of the past, relating to non­linear effects andflooding  and  drying  of  channels  and  flood  plains,  have  been  solved  satisfactorily.The  application  of  finite  elements  and  finite  volume  techniques  does  not  providespecific advantages as, in 1D modelling, most of these techniques lead to equivalentforms derived through finite difference formulations.

Numerical methods for the de Saint Venant equations may be based upon so­calledstaggered  and  non­staggered  schemes.  The  first  category  represents  formulationswhere  the dependent variables Q and   are defined alternatingly at successive gridpoints along the x­axis. For non­staggered schemes, however, the variables Q and are  defined  at  the  same  grid  points.  At  first  sight  this  last  definition  offersadvantages through the availability of the state variables discharge and water level atthe  same  points  along  the  channel  axis.  It  has  been  shown,  however,  that  thestaggered  grid  approach  offers  distinct  advantages  over  non­staggered  grids  byguaranteeing the convergence of numerical solutions and the better ability to handleflooding and drying of grid sections, as shown by Stelling et al. (1998).

For the numerical solution of the de Saint Venant Equations (5.1) and (5.2), we willconsider their Eulerian form per unit width of channel by first neglecting the lateralflow and further simplifying the equations to

( ) 0uht xV¶ ¶

+ =¶ ¶

(5.16)

and

0f

u uu uu g ct x x h

V¶ ¶ ¶+ + + =

¶ ¶ ¶(5.17)

where  is the water level defined as   = h+zb with h defined as the local water depth(m)  and zb  as  the  local  bottom  level  (m), u  the  flow  velocity  (m/s)  and cf  thedimensionless bottom friction coefficient.

Figure 5.4    Staggered grid for unsteady channel flow

Page 89: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 8 9

Referring to Figure 1 and to Stelling and Duinmeijer (2003) for further details, thestaggered  grid  approach  requires  that  alternatingly  at  ­  and  u­points,  Equations(5.16) and (5.17) are transformed into finite difference form (see also Abbott (1979),Cunge et al.  (1986), Hirsch (1990) and Toro (1999)). Taking a  ­point as  the onlyfeasible  choice  for  the  transformation  of    the  continuity  equation,  the  finitedifference form relates three successive unknowns 1

1/ 2niu +- , 1n

iV +  and 11/ 2

niu ++  defined at

the time level (n+1) t to known values at time level n t as

1 * *1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 0

n n n n n ni i i i i ih u h u

t x

q qV V+ + ++ + - -- -

+ =D D

(5.18)

where( ) 11n n nu u uq q q+ += - + (5.19)

and

t = the time step along the t­axis (s);x  = the space step along the x­axis (m);

n = a superscript denoting the time step number along t;i = a subscript denoting the space step number along x;

= the time step weighting coefficient.

The symbol * in Equation (5.18) indicates that the value of h at this grid point has tobe  approximated  by  its  nearest  available  upstream  value  along  the  grid.  For  apositive  flow  direction,  for  example,  this  means  that  hi+½  is  approximated  by  thevalue of hi.

Equation (5.18) can be reformulated as

1 1 11/ 2 1/ 21 1 1 1n n n

i i i i i i iu ua b V g d+ + +- ++ + = (5.20)

where  1i,  1i,  1i  and  1i are  the  coefficients  of  the  linearized  implicit  finitedifference scheme.

Equation (5.18) can also be rewritten to provide a choice of time step that guaranteesthe computation of positive water depths, as follows

11/ 2 1/ 2 11n n n n n

i i i i it th u h u hx x

q q+ + ++ - -

D Dæ ö= - +ç ÷D Dè ø(5.21)

For

1/ 2 1/ 20 0n ni iu and uq q+ +- +³ ³ (5.22)

Equation (5.21) shows that for these positive water velocities and for positive waterdepths, the velocity Courant number condition

Page 90: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 0

1/ 21/ 2

1; orni n

i

t xu tx u

qq

++ +

+

D D£ D £

D(5.23)

can be applied to provide a sufficient condition for obtaining positive water depths atthe new time level. This implies that for the time step limitation of Equation (5.23)newly computed water levels can never fall below the bottom of the channel. As aconsequence, no artificial bottom slots or other arrangements are required to avoidnumerical  robustness problems  for  small water depths. A  similar condition can bederived for negative flow directions.

Following the same procedure as applied to the continuity equation, the momentumEquation (5.17) can now be defined at a velocity point, by the finite difference form

( )11

1/ 2 1/ 21/ 2 1/ 2 1*

1/ 2

, 0n nn n n ni in ni i i i

f ni

u uu u a u u g ct x h

q qV V++ + +

+ ++ + +

+

- -+ + + =

D D(5.24)

where  the  symbol *  has  the  same  meaning  as  in  Equation  (5.18)  and  a(un,un)  is  ageneralization of the discretization of the convective momentum term.

Appropriate  formulations  for  a(un,un)  follow  from  the  physical  conditions,  asdetailed by Stelling and Duinmeijer (2003). In the paper it is shown that the correctformulation  of  the  convective  momentum  term  depends  on  the  way  in  which  theconvective  speed  of  momentum  is  interpolated  on  the  grid.  As  a  rule,  thediscretization is based upon a transformation of the convective momentum term to

1 ( )u uq qu ux h x x

¶ ¶ ¶ì ü= -í ý¶ ¶ ¶î þ(5.25)

and its discretization

* *1 1 1

1/ 21/ 2

1 i ii i i ii

i

u q u q q quu ux x xh

+ + ++

+

æ ö- -¶-ç ÷ç ÷¶ D Dè ø

; (5.26)

where

*1 1/ 2 1/ 21/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2;

2 2i i i i

i i i iih h q qh q and q h u+ - +

+ + + +

+ += = =

Also here the value of *h has the same meaning as in Equation (5.18) The values of*ui are missing at  ­points on the grid and are approximated by first order unwindingas

* *­1/ 2 1/ 2 ­1/ 2 1/ 2­1/ 2 1/ 2, 0 , 0

2 2i i i i

i i i iq q q qu u if and u u if+ +

+

+ += ³ = <   (5.27)

For positive flow direction this yields the simple expression

Page 91: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 1

_

1/ 2 1/ 2_

1/ 2

i i i

i

q u uuux xh

+ -

+

-¶ æ öç ÷¶ Dè ø

; (5.28)

This momentum conservative approximation is applied in cases of gradually variedflow or in flow expansions. Referring to Stelling and Duinmeijer (2003) again, thisformulation should not be used in strong flow contractions, as this will breed energy.Instead, the energy head conservation formulation should be used, given by

2

2u uu g gx x x g

V Væ ö¶ ¶ ¶

+ = +ç ÷¶ ¶ ¶ è ø(5.29)

and, for positive values of u, the energy head conservative upwind discretization

( )2 2

1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 21/ 2 1/ 2

12 2

i i i ii i

u u u uuu u ux x x

+ - + -- +

- -¶ æ ö= + ç ÷¶ D Dè ø; (5.30)

For negative flow velocity, this complete expression is shifted one grid point in thepositive  x­direction.  Comparison  of  Equations  (5.28)  and  (5.30)  leads  to  theconclusion that the difference in obtaining momentum or energy conservation lies inthe way in which the convective velocity of momentum is interpolated from the flowfield.

Terms  in  Equation  (5.24)  including  (5.26)  or  (5.30)  can  be  collected  to  give  thegeneralized relation

1 1 11/ 2 12 2 2 2n n n

i i i i i i iua V b g V d+ + ++ ++ + = (5.31)

By successive elimination of all equations at u­points, the remaining set is given by

1 1 11 1

n n ni i i i i i ia V b V g V d+ + +

- ++ + = (5.32)

and is solved by applying elimination or conjugate gradient techniques, as discussedfurther down in this contribution.

The numerical discretization  is  second order  accurate  for all  terms of  the de SaintVenant  equations,  except  for  the  convective  momentum  term,  which  is  first  orderaccurate. For many practical applications the convective momentum term is of lesserimportance and this lower discretization accuracy is quite acceptable then. However,nearly  second  order  accuracy  can  be  achieved  by  up  winded  second  orderextrapolation of u­values, combined with slope limiters, as described by Stelling andDuinmeijer (2003), again.

In  rapidly  varied  flow  the  convective  momentum  term  becomes  locally  dominant.Modelling  these  types  of  flow  requires  an  appropriate  implementation  of  theconvective momentum  term. By  doing  so,  Delft  Hydraulics’  SOBEK package  has

Page 92: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 2

been  enabled  the  highly  accurate  and  robust  modelling  of  phenomena  such  assupercritical flow in steep channels and moving hydraulic jumps.

The  numerical  scheme  given  by  Equations  (5.20)  and  (5.31)  only  provides  linearequations  at  internal  grid  points.  At  channel  boundaries,  additional  equations  arerequired. As the de Saint Venant equations are of second order hyperbolic type, oneboundary  condition  is  required  for  each  of  its  characteristic  lines  entering  thecomputational domain. Boundary condition requirements for 1D river models werediscussed  extensively  by  Cunge,  Holly  and  Verwey  (1986).  Here  we  will  limitourselves  by  stating  that,  in  most  practical  applications,  inflowing  discharges  arespecified  at  the  upstream  ends  of  channels  entering  the  flood  model  domain  andwater  levels  or  rating  curves  at  channels  leaving  the  model  domain.  At  internalboundaries,  such  as  channel  junctions,  usually  a  modified  continuity  equation  isapplied,  jointly  with  water  level  compatibility  at  all  channel  boundaries  at  thatjunction.

5.5 Description of hydraulic structures

Nearly  all  flood  simulation  models  are  dealing  with  hydraulic  structures,  such  asdams,  weirs,  bridges  etc. The  length  of  the  hydraulic  structure  along  the  x­axis  isusually supposed to be negligible on the scale of the river or channel and thereforethe structure can be seen as one single point along x, where both water­ and energylevels  are  discontinuous  and  the  de  Saint  Venant  equations  do  not  apply.  At  thispoint  a  relation  is  established  between  the  upstream  water  level,  the  dischargethrough the structure and the downstream water level. In this relation it is assumedthat  the  upstream  water  level  is  taken  at  the  nearest  point  just  upstream  of  thestructure,  where  vertical  accelerations  can  still  be  neglected.  Similarly,  thedownstream  water  level  is  taken  at  the  nearest  location  just  downstream  of  thestructure, where the flow can be seen as nearly horizontal and the structure flow nolonger contributes to the energy dissipation. Usually, it is also assumed that storageof water around  the  structure  is negligible,  so  that  the  relationship  is applicable atany  moment  in  time.  On  this  basis,  there  is  a  variety  of  ways  in  which  the  flowthrough hydraulic structures can be formulated:

· in  most  cases  hydraulic  structure  descriptions  are  based  upon  empirical  lawsrelating  the  discharge  through  the  structure  to  the  upstream  and  downstreamwater level. The relation has the general form

( ),crest up downQ Q V V= (5.33)

where up  is  the water  level upstream of  the  structure  (m), Qcrest  the dischargethrough  the  structure  (m3/s)  and down  the  water  level  downstream  of  thestructure  (m).  This  formulation  includes  the  possibility  of  using  energy  levelsinstead of water levels. Equation (5.33) may be linearized to

up crest downQa V b g V d+ + = (5.34)

Page 93: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 3

where  ,  ,   and   are the local values of non­linear coefficients at a given stateof the flow. A wide variety of structure descriptions is available from literature,e.g. the classical books of Chow (1959), Henderson (1966) and, more recently,Chanson (1999);

· as  an  alternative,  the  state  of  the  flow  in  the  section  just  upstream  of  thestructure, where  the  flow is  contracted and vertical accelerations occur, can bedescribed  by  an  energy  conservation principle. Similarly,  the  state  of  the  flowjust  downstream  of  the  structure,  where  the  flow  expands  with  energy  lossesassociated  to  it,  can  be  described  by  a  momentum  and  impulse  balancerelationship.  By  internal  elimination  of  unknowns  in  these  relationships,  thewater  level  at  the  structure  crest  or  at  its  most  contracted  section  can  beeliminated and a relation similar to Equation (5.34) is obtained;

· in cases where it is difficult to define the state of the flow in terms of equations,laboratory experiments may be set up  to define a matrix relating upstream anddownstream  water  levels  to  the  structure  discharge.  As  an  alternative,  thestructure may be modelled in detail by a 3D numerical code, leading to a similarset  of  matrix  coefficients.  Conditions  are  that  a  fine  grid  is  used,  and  that  thecode  is  based  upon  an  appropriate  numerical  description  of  convectivemomentum terms and the effect of turbulence.

In all cases shown above, the structure equations could be based upon energy levels,instead  of  water  levels.  Through  suitable  transformations,  these  relations  can  bereworked to the form of Equation (5.34) Similar descriptions can be made for localenergy loss descriptions along a channel.

Appropriate  linearization  of  Equation  (5.33)  or  of  the  other  structure  flowdescriptions, leads to a numerical scheme of the form of Equation (5.31). In the totalset of equations for channel flow this structure relationship replaces the momentumequation that is generally applied between successive  ­points.

In the case of a closed structure or a discharge specified by a pump, the coefficients  and    of  Equation  (5.31)  are  both  zero  and  the  structure  presents  itself  as  an

internal boundary condition with a discharge given. In  the case of free flow in  thepositive  x­direction,  only  the  coefficient    equals  zero,  showing  also  in  thenumerical relationship that the structure discharge is only dependent on the upstreamwater level.

In literature an abundant number of structure equations can be found (Chow, 1959,Henderson, 1966 and, more recently, Chanson, 1999).Implementing  these  in  a  numerical  code  requires  attention  for  dischargecompatibility between  the  various  flow  states,  especially  at  the  transition betweenfree and submerged flow. Incompatibility in the definition of the discharge may leadto oscillations  in  the computed  flow,  in particular at  the moment of  flow reversal.Problems may be suppressed by defining some inertia to the structure flow. This isimplemented  by  adding  a  small  term  to  the  coefficients    and  .  The  numericalstructure behaviour is generally better when applying an energy relationship in  theaccelerating  flow  section  upstream  of  the  structure  combined  with  a  momentum­impulse relationship for the section downstream of the structure.

Page 94: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 4

Where  appropriate,  energy  losses  may  be  added  to  the  description  of  flow  in  thecontracted  section.  Internal  elimination  of  local  variables  leads,  again,  to  arelationship as given by Equation (5.31) . In all cases, the different flow states onlyaffect the computation of the coefficients  ,  ,   and   and have no bearing on thesolution algorithm of the resulting system of equations.

5.6 Topological model schematisation

Mathematical models for the simulation of flow in river­ and channel networks arebased upon the De Saint Venant equations, hydraulic structure equations and initial­and  boundary  conditions.  The  modeller  has  to  simplify  the  complete  system  to  achoice of schematization objects which will give a satisfactory representation of thephysical  behaviour  of  the  hydraulic  system.  Two  processes  are  of  primaryimportance: storage and conveyance.

The actual model construction will start with the selection of the network branches:the topological schematisation. In this process it will be decided up to which level ofdetail network branches are to be included in the schematization. If too many minorchannels are included, the amount of work in data preparation may be unnecessaryhigh.  In  addition,  model  simulations  may  become  too  slow.  The  practice  of  goodmodel  construction  requires  a  good  insight  into  the  relative    importance  of  thesecontributions.

Starting with conveyance, let us discuss the following issues:

· what  is  the  relative contribution of a channel  to  the overall  conveyance of  thesystem? For a good judgement, the Manning equation shows that if two channelsgive  flow  into  the  same  direction,  their  relative  importance  is  found  bycomparing  their  conveyance.  Applying  the  Manning  concept,  Equation  (5.11)shows, for example, that for similar roughness, a channel with half the width anddepth  of  a  reference  channel,  has  only  16  %  of  the  discharge  capacity  of  thatreference channel;

· can a minor channel form a short cut? Not only the conveyance of a channel isimportant. Certain channels may provide a short cut to the flow from one part ofthe network to the other. Even for small conveyance values the discharges maybecome substantial due to a steep water level slope. Special attention has to begiven to a possible over bank flow at higher stages;

· is the water level always the same all over the channel cross­sections? If this isnot  the  case  it  may be decided  to  split  the  channel up  in  two or more parallelbranches  and  describe  cross  flow  between  the  parallel  channels  via  cross­channels  or  hydraulic  structure  descriptions.  In  general,  such  schematisationslead to significantly more complex model networks.

This  last  point  is  also  important  for  the  correct  representation  of storage in  themodel.  Natural  levees  along  rivers  may  delay  the  storage  in  the  flood  plain  andhence,  affect  the  celerity  of  flood  wave  propagation  along  the  river  and  thedampening of flood wave peaks.

Page 95: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 5

Other questions addressed are:

· is a storage area well connected to the network? This means, for example, that itcan be fed with the correct conveyances by flow from all relevant directions;

· are there any barriers in the flood plain? If part of the flood plain is schematizedas a storage element, it may contain various embankments or levees. Examplesare  levees  raised  around  paddy  fields.  During  floods,  part  of  the  describedstorage area may not get flooded at all.

Finally, lateral  flows  may  have  their  impact  on  the  topological  schematisation  asfollows:

· should we extend the schematisation to include part of a tributary? For example,how far does the backwater influence the tributary and does this effect justify theinclusion  of  part  of  the  tributary  in  the  topological  schematisation?  If  ameasuring station is available to provide the  lateral flow time series,  it may bequite far from the main river. In this case the schematisation may be extended toinclude this location;

· should we couple other models  to our hydrodynamic model? For  example,  theexchange of surface water with the sub soil may be substantial or it may at leastbe  important  in  relation  to  the  objective  of  the  model  development.  Rainfall­runoff models may become an  integrated part of  the  total description.  In  floodwave propagation the role of  infiltration of surface water  into the sub soil mayhave to be included in the model.

5.7 Hydraulic model schematisation

Once decisions have been made about  the  channel network  schematisation and  itsvarious  model  elements,  choices  have  to  be  made  about  equations  and  theirassociated data.  In most cases, channel  flow will be based upon  the description ofthe full De Saint Venant equations, although also mixed models may be constructed.It  could  make  sense,  for  example,  to  describe  the  flow  in  upstream,  steep  riverbranches with hydrologic models or artificial neural networks (ANNs), whereas  inthe  principal  rivers  the  full  De  Saint  Venant  equations  are  applied.  In  all  cases,however,  the  models  must  include  representative  values  for  channel  storage  andconveyance,  whether  these  are  specified  directly  or  hidden  in  the  parameters  of  ahydrologic  model.  In  principle,  the  model  must  compensate  for  conveyance  orstorage which has been neglected in the topological schematisation.

One  important  decision  is  the  choice  of distance  step  x,  which  should  be  basedupon a good representation of the hydraulic processes. The choice is based upon:

· The wave length modelled. A rule of thumb is to model waves with at least 50 to100 grid point along important wave components;

· The  representation  of  the  local  variations  in  hydraulic  parameters,  such  assudden contractions and expansions;

· Placement  of  grid  points  closely  around  hydraulic  structures  or  otherdiscontinuites in the system.

Page 96: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 6

Channel  conveyance  is  described  at  cross­sections.  Under  all  circumstances  thesecross­sections must be lines perpendicular to the direction of mean velocities. In thecase of meandering rivers these cross­section alignments have to be defined on thebasis  of  sound  engineering  judgement.  A  complicating  factor  is  the  change  ofvelocity vector directions with changing stage.

For  man­made  channels  the  specification  of  cross­section  parameters  is  ratherstraight  forward.  As  the  dimensions  are  usually  quite  accurately  known,  the  mostsensitive  input  parameter  is  the  roughness  coefficient.  For  simple  channelgeometries, the use of the hydraulic radius as an approximation of a representativedepth  is  quite  acceptable.  The  hydraulic  radius  is  defined  as  the  surface  of  theconveying cross­section divided by the wet perimeter (Equation (5.11) or (5.12)) andassumes  a  uniform  distribution  of  the  shear  force  along  this  wet  perimeter.  Forcross­sections with varying depths this assumption is incorrect. The local shear forcein  the  cross­section  is  a  linear  function  of  the  local  depth.  For  this  reason,  theconveyance  of  compound  channels  has  to  be  based  upon  a  summation  of  theconveyances of  individual  sub­sections where  for  each of  them  this  shear  force  ismore or less uniform (Equation (5.9)).

An  advantage  of  such  integration  is  that  each  sub  section  can  be  given  its  ownroughness  value.  Another  advantage  is  that  by  keeping  track  of  the  individualcontribution of the sub sections to the overall conveyance of the channel, computeddischarges  can  be  redistributed  across  the  section  to  provide  water  velocities  foreach  sub  section.  This  ability  may  be  important  in  simulating  water  quality  ormorphological processes in flood plains where the use of local velocities is required.In the integration, contributions of sub sections with small conveyance are withoutany  loss of accuracy added  to  those of  the other sub sections. There  is no need  toneglect the conveyance of shallow and highly resistant parts of the cross­sections asthese may still give substantial contributions during floods or may be  important  inthe overall assessment of the morphologic or water quality behaviour.

One  of  the  basic  assumptions  in  a  one­dimensional  schematisation  is  the use  of  aconstant  water  level  slope  all  along  the  cross­section.  In  meandering  channels,however,  the  slope  may  be  quite  different  for  different  sub  sections.  One  way  toinclude this effect in the derivation of the conveyance is by giving each sub section aweight  in  the  integration, as a  function of  the distance  to  its equivalent part  in  thenext cross­section. Equation (5.11) will then be modified as follows

( )( )

( )( )

½ ½2/3

½ ½

jj

j jjj 1 j

1Q K    A  Rnx x

V V

=

D D= =

D Då

or

( )2 /3

½/

jjj j

j 1 j j

A  RK

x xn=

=D D

å (5.35)

Page 97: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 7

where x  is  the distance  for which  the cross­section parameters  are  representativealong the x­axis and xj a similar value for sub section j.

Storage  parameters  usually  are  given  as  a  function  of  stage  and  linked  to  cross­sections. For uniform channels, as often designed in  irrigation and drainage systems,the  storage  width  is  equivalent  to  the  flow  width.  Storage  width  data  are  simplyextracted from cross­section  information. In natural rivers, however, meandering andirregular  flood  plain  topography  requires  more  complex  procedures.  §  5.2  gives  anextensive  discussion  of  the  correct  definition  of  the  storage  width  parameter bs.  Itfollows  that  storage  parameters  have  to  be  extracted  from  information  provided  bytopographic  maps,  currently  mostly  available  in  the  form of digital  elevation models(DEMs) in GIS. For successive compartments along the river axis, approximate waterlevel slopes have to be assumed to extract from these maps storage area as a function ofstage.  Division  of  these  areas  by  the  length  of  the  compartment  along  the  x­axis,provides the parameter values for bs. For models of lesser economic value, proceduresmay be simplified, if needed.

Storage  connected  to  channels  which  have  been  neglected  in  the  topologicalschematisation must be added to the model as additional storage. In the cross­sectionsthe compensation can be made in the form of additional storage width. It can also beintroduced in the schematisation in the form of additional storage areas at nodes. It isrecommended  to  keep  track  of  the  changes  that  this  correction  phase  has  given  inparameter  values  derived  during  the  primary  phase  of  schematisation.  It  is  alwaysadvised to keep good records of all the steps taken in the development of a model andthe way the model parameters have been defined. Without such records it is practicallyimpossible  to  introduce future  improvements or modifications correctly. This  is evenmore  so  when  various  persons  are  involved  in  the  model  development  and/or  thedevelopment takes place over a considerable length of time.

Hydraulic  structures  may  be  described  by  their  empirical  relationships,  by  theapplication  of  an  energy  conservation  principle  upstream  and  a  momentumconservation  principle  downstream  or  by  specifying  the  discharge  water  levelrelationships in matrix form. In case of empirical relationships, care must be taken thatthe  parameters  describing  free  flow  and  submerged  flow,  successively,  give  aconsistent computed discharge at the moment of transition from one flow state to theother.  If  applicable,  additional  entrance  energy  losses  must  be  specified.  Compositecross­sections of  the structure  require an adaptation of  the  topological schematisationby  defining  parallel  structures.  Similar  to  the  definition  of  conveyance,  the  totaldischarge through the composite structure is defined by adding up the contributions ofthe individual structure components.

5.8 Boundary­ and initial conditions

In relation to boundary conditions two issues are important: the location of a modelboundary and the condition applied at this point. The location depends on the modelobjective. For models meant to study hydraulic problems, a strict rule for a boundarylocation is that the boundary data given at this point should not affect the outcomecomputations of various scenarios.

Page 98: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 8

In other words, the model changes introduced with these scenarios and the resultingchanges  of  the  hydraulic  state  at  the  boundaries  of  the  models  should  not  reflectback on the study area. Exceptions to this rule are rare, but may be justified in somecases of water quality modelling, for example.

There  are  various  ways  in  which  this  can  be  achieved.  Water  levels  at  a seaboundary of a river model are generally not affected by the river discharge. Usually,it is safe to use a sea boundary as a boundary location in a river model and providewater levels as boundary condition.

In other cases it must be guaranteed that the downstream river boundary is located ata sufficient distance from the area studied. How far, depends on how an error, or achange  in  the downstream boundary condition, affects  the area under study. In  thefirst place, this depends on the magnitude of the error or change. In the second placethis  depends on  the  hydraulic  characteristics of  the  river. A  good  measure  for  therequired  distance  is  the  length  of  a  backwater  effect.  In  case  of  doubt  it  isrecommended to do a sensitivity analysis on the effect of an error in the downstreamboundary condition.

At upstream boundaries the same reasoning applies. In this case the scenario appliedshould not  reflect back on  the data or condition applied at  the upstream boundary.Also here, the required distance follows from an analysis of backwater effects.

The type  of  boundary  condition  follows  from  the  theory  of  characteristics,  statingthat  one  boundary  condition  has  to  be  given  for  each  characteristic  entering  thecomputational domain.  In practice, however,  this always means  that one boundarycondition is given at each boundary of the model. For sub critical flow this is usuallya discharge hydrograph at an upstream end and water  levels or a  rating curve at adownstream end.

A rating curve at  the upstream end will usually lead to model instabilities as suchcondition  will  be  nearly  equivalent  to  the  information  contained  in  the  channeltopography.  In  this  way,  this  boundary  condition  does  not  provide  additionalinformation  that  is  not  already  available  and  the  state  of  the  flow  remainsundetermined.  A  rating  curve  conflicting  with  the  topographic  information  leadsmathematically to indeterminacy of the solution and hence, to instabilities.

At downstream boundaries, usually water levels or rating curves are given. In riverapplications one could define this as a weak boundary condition, as it will be shownin  Chapter  6  that  the  wave  propagating  in  a  river  is  usually  an  advection  typephenomenon, only requiring an upstream boundary condition. This implies that forthe  use  of  the  full  hydrodynamic  equations  the  downstream  boundary  conditionbecomes redundant.

For similar reasons,  it  is sufficient  in practice to give only one upstream boundarycondition  for super  critical  flow.  The  other  condition  is  already  implied  in  therelation between topographic data and the water level slopes following from this.

Page 99: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 9 9

At  the  downstream  boundary,  any  condition  given,  will  at  worst  lead  to  incorrectresults  over  a  small  stretch  of  the  downstream  region.  As  a  rule,  the  downstreamboundary  condition  given  will  turn  the  outflow  locally  into  a  state  of  sub  criticalflow.Initial data are simplest supplied by starting up flow simulations on a dry bed or alow initial water depth. In the case of tidal models this specification is replaced by aconstant  mean  sea  level  initially  and  zero  discharges  throughout.  In  tidal  flow,usually two tidal cycles are sufficient to arrive at a consistent set of  initial data, atleast  in  terms  of  water  levels.  Most  modelling  systems  provide  the  option  ofgenerating a set of consistent initial data and writing this state to a file to be used asa so­called hot­start file for further simulations.

5.9 Model calibration and validation

Calibration  of  a  model  is  the  process  of  removing,  or  at  least  reducing,  theuncertainties in the choice of model parameter values. In principle, nearly all modeldata  can  be  collected  from  the  field,  except  for  the  roughness  values.  Theseparameter  values  can  only  be  obtained  indirectly  by  comparison  of  measured  andcomputed  variables,  such  as  water  levels  and  discharges.  In  principle,  a  modelcalibration could focus only on the optimization of roughness coefficient values.

However,  in  practice  there  are  uncertainties  also  in  relation  to  cross­section  data,flood  plain  topography,  lateral  flow  data  and  inflowing  hydrographs.  This  meansthat  in  a  calibration  also  the  correctness  of  storage  parameters  and  measuredhydrographs will have to be checked and possibly corrected. Part of the uncertaintyis  also  caused by  the  schematization of  the  real  system  into  the model. Neglectedstorage and conveyance and an inappropriate compensation for these missing effectsalso influence the calibration results.

It is possible, then, that corrections are applied to the wrong parameters and still leadto  reasonable  calibration  results.  As  will  be  shown  in  Chapter  6,  flood  wavepropagation  celerity  and  dampening  both  depend  on  storage  and  conveyance.  Anerror in the storage could, therefore, be corrected through the channel resistance andstill  improve  calibration  results.  It  is,  however,  not  certain  that  the  sameimprovement is maintained under extrapolated conditions.

For  river  channels,  calibration  of  roughness  data  should  proceed  from  lowerdischarges to higher discharges. Only after the roughness values in the main channelhave been calibrated, those of the flood plain should be determined.

Model validation  is meant  to provide confidence  in  the quality of a calibration.  Inprinciple, model validation should be applied on a case representing an extrapolationof  the calibration events. Many models are developed for use beyond  the range ofdata for which they could be calibrated. Flood models, for example, often are usedfor  studies  on  flood  frequencies  of  several  hundreds  of  years  and  it  cannot  beexpected that data of such events is available for model calibration.

Moreover, one of  the principal problems with model calibration is  that  results  thathave been measured during low frequency events, are not very reliable.

Page 100: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 0

Rating  curves  for  these  low  frequencies  are  rather  unreliable  as  measurementconditions  are difficult  and  the  staff of  catchment  authorities generally have otherworries  than getting  the most  accurate discharge measurements  during an extremestorm event.

Only water  levels have a  reasonable chance of being  reliable, also during extremeconditions. A possibility, therefore, is the extrapolation of rating curves on the basisof the use of local 2D models, based upon an accurately measured topography andcalibration of roughness values during the higher frequency events.

However,  this  approach  is  not  common  practice  yet.  On  the  other  hand,  PublicWorks  in  The  Netherlands  uses  detailed  2D  models  of  the  flood  plains  of  theprincipal  rivers  for  their  calibration  of  1D  models.  These  1D  models  can  than  beused with more confidence in the range of extreme events. It should be realised thatthis  procedure  is  feasible only  if  these 2D models  are based upon very  small  sizegrid cells.

Page 101: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 1

6 Mathematical modelling of floods

6.1 Introduction

All  over  history,  floods  have  challenged  scientists  and  engineers  to  master  thisphenomenon,  both  by  developing  mathematical  descritions  and  by  taking  floodprotection measures. Over the past decades, these efforts even have increased. In thefirst place, because a rapidly increasing world population has shown a strong driveto settle in flood prone coastal zones and river flood plains. In addition, there is anincreasing awareness about climate changes which appear  to bring more and moreprecipitation to river catchments. There also are numerous intellectual challenges, asscientific and  technological developments  in a wide  range of  fields open up manynew ways of supporting flood related studies.  In particular,  important progress hasbeen made in computer speed and in new measuring technologies.

Although  numerical  methods  for  solving  unsteady  flow  equations  were  developedalready half a century ago, e.g. Arakawa (1966), it was only recently that numericaltechniques  behind  flood  simulation  models  have  reached  an  acceptable  level  ofperfection.  Hydraulic  engineers  and  hydrologists  are  now  able  to  model  flow  inchannels  and  over  flood  plains,  irrespective  of  their  bathymetric  or  topographiccomplexity;  irrespective  of  the  number  and  location  of  embankments  for  floodprotection,  roads  and  railways  and  irrespective  of  the  number  and  complexity  ofhydraulic structures and the way we control these.

6.2 Flood model requirements

Flood  simulation  models  may  have  different  requirements,  depending  on  theirobjective.  Criteria  for  the  selection  of  the  appropriate  tool  are  often  based  on:engineering staff time needed for model development, overall consultancy time forproduct delivery, speed of computation, completion time for a simulation, accuracylevel  of  results,  data  requirements,  numerical  robustness,  user­friendliness  of  thesoftware  and  possibly  others,  depending  on  the  objective  of  the  model.  Theseobjectives may be related to flood risk analysis, flood forecasting, flood control andbe based upon a variety of causes, such as storms, dam or dike breaks, hurricanes,typhoons or similar low atmospheric pressure phenomena. Recently (2004) attentionhas  also  been  drawn  once  again  to  the  devastating  effects  of  tsunamis.  All  theseapplication  areas  of  numerical  models  have  their  own  requirements,  as  will  bediscussed briefly in the sequel.

In many countries, insurance companies are using flood risk maps, sometimes basedupon relatively simple and quick estimates obtained via simple rules in GIS. In thesecases  it  is  assumed  that  the  value  of  insured  property  does  not  justify  the  morecomplex laws defining the detailed flow of water.

Page 102: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 2

If  the  economic  interest  is  greater,  a  first  improvement  is  found  by  applying  1D(one­dimensional)  steady  flow  models  with  GIS  post  processing  to  developtopography  based  flood  frequency  contour  lines  (e.g.  FEMA  procedures:www.floodmaps.fema.gov/fhm/).  However,  there  is  a  tendency  now  to  base  floodrisk analysis on more detailed combined 1D and 2D unsteady flow models for floodprone  areas  with  valuable  assets  and  a  complex  infrastructure.  Federal  and  localgovernments have also become more aware of the potential of using such models forevacuation  planning.  In  The  Netherlands,  for  example,  more  than  60  %  of  thecountry  is  subject  to  flood  risk  and  for  most  of  these  areas  integrated  1D and  2Dhydrodynamic  models  have  been  developed  to  study  the  effects  of  potential  dikebreaks  and  to  provide  guide  lines  to  authorities  in  setting  up  evacuation  plans.Besides  producing  flood  depths,  these  models  have  to  be  capable  of  providingaccurate estimates of flood wave propagation celerities over dry beds.

Flood forecasting sets quite different requirements. Speed of producing a forecast isone of the most important criteria, especially in areas where flash floods occur. Forthis reason, numerical models behind a river catchment flood forecasting system areusually  1D  hydrodynamic  models,  gradually  replacing  the  simpler  hydrologicalrouting techniques.  There is a tendency to include partly 2D hydrodynamic models,which is already common practice in flood forecasting systems for coastal areas andseas.  Numerical  models  for  flood  forecasting  are  usually  embedded  in  a  floodforecasting platform, such as  the Delft FEWS system (Werner et al., 2004), whichhas recently been installed in the UK to provide flood forecasts for nearly all riverbasins in the country.

Important  criteria  for  numerical  models  supporting flood  control  are  accuracy,flexible  schematization  options,  numerical  robustness  and  consultancy  time  formodel development and use. Currently, state­of­the­art for flood control is the use ofcombined 1D and 2D models (e.g. Hesselink, 2003). The former use of flood cellshas been replaced by complete 2D flow descriptions, whereas sub­grid channel flowis still better described in 1D. Flood control models should be based upon reliablephysical descriptions and schematizations, as part of their use is in extrapolation ofcalibrated  models  to  extreme  situations  which  have  never  occurred.  One  of  thereasons  to  build  models  for  flood  control  is  the  study  of  downstream  impacts,especially  cross  border  effects.  Downstream  impacts  of  flood  control  are  changedflood  wave  celerity  and  changed  flood  peak  attenuation.  Higher  flood  wavecelerities  result  from deepening of  the  river and  the construction of embankments.This, in turn, leads to increased peak floods downstream. The construction of floodretention  areas  has opposite  impacts  and  may be  used  to  compensate  the  negativeimpacts.  Model  selection  criteria  then  follow  from  the  detail  in  which  potentialeconomic, environmental and social impacts have to be studied.

The  analysis  of  floods  caused  by dam­  and  dike  breaks  requires  extremely  robustnumerical methods, especially  for  the description of  flooding of dry  areas  and  thecorrect propagation of the wave front. Moreover, model accuracy, partly based uponthe  ability  to  describe  the  full  hydrodynamic  equations,  is  important,  as  will  bediscussed in the section on software and model validation. As dam­ and dike breaksimulations are nearly always made for the prediction of their potential effects, datafor model calibration is rarely available.

Page 103: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 3

The quality of the model fully depends on its descriptive capabilities of the physicalsystem  in  terms  of  topographic  and  roughness  data,  the  representativeness  of  theequations  and  the  numerical methods applied. However,  it  has  to  be kept  in mindthat  the overall model accuracy also follows from the quality of  the description ofthe dam failure mechanism and the assumptions made here.

Floods  generated  by  the  passage  of  low atmospheric  pressure  zones  such  ashurricanes, typhoons and the geologically induced tsunamis require the modelling of2D  flow  in  coastal  zones,  seas  and  oceans  and  may  set  requirements  such  as  thedescription of Coriolis forces, the use of spherical coordinates and curvilinear grids,the  specification  of  moving  atmospheric  pressure  fields,  special  ways  of  handlinginitial  data  etc.  A  possible  integrated use  of  1D,  2D  and  3D  models  may  provideadvantages here.

6.3 The role of new data collection technologies

Models need good quality data if one wants to draw reliable conclusion from theiruse.  In  addition  to  developments  in  numerical  methods,  new  technologies  for  thecollection of data have recently led to complete changes in the selection of the typeof numerical models. In particular, the development of GPS and DGPS technologyhas  led  to  far  cheaper  methods  of  collecting  bathymetric  and  topographic  data(Moglen and Maidment, hsa025). In turn, this has led to the gradual replacement ofthe hydrograph based hydrologic models by the bathymetric and topographic basedhydrodynamic  or hydraulic  models.  Similarly,  the  collection  of  detailed  digitalterrain data in river and coastal flood plains has led to the replacement of 1D modelsby 2D models.

Let  us  first  consider  the  impact  of  LIDAR.  The  use  of  this  laser  technology,scanning  the  earth  surface  with  laser  beams  from  airplanes  or  helicopters,  hasprovided the means to generate highly accurate digital elevation models at  relativelow  cost.  As  an  example,  the  whole  area  of  The  Netherlands  has  been  remappedover  the  past  years,  with  an  accuracy  of  approximately  10  cm  in  the  vertical  at  adensity of 1 point per 16 m2. Total cost of this project was approximately 10 millioneuro,  or  approximately  250  euro  per  km2  (Verwey,  2001).  This  new  topographicinformation  has  been  essential  for  the  flood  risk  analyses  and  the  evacuationplanning studies mentioned earlier.

Also river bathymetries are obtained at relative low cost now by boats equipped withmultibeam echo sounders. Also here, the position of the boat is recorded via DPGS,while  the  spatial  sound  signals  record  bottom  depths  relative  to  the  boat  at  anaccuracy of approximately 10 cm in the vertical. At a typical boat speed of 4 m/s anda swat width of  the order of magnitude of  the river depth,  the bathymetry of quitelarge  river  beds  can  be  obtained  in  a  few  days.  Experiments  are  also  being  madewith  laser beams in  the green  range, as  these are able  to pass  through clean waterand enable the application of LIDAR technology also for river bathymetries.

In similar ways other technologies are advancing rapidly enabling large amounts ofdata to be collected at relatively low cost.

Page 104: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 4

Worth mentioning are the ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) technology fortidal  discharge  measurements  and  the  increased  precision  of  spatially  distributedprecipitation measurements with radar.

6.4 The nature of flood wave propagation

The  set  of  Equations  (5.1)  and  (5.11)  forms  the  so­called kinematic  waveapproximation for flood propagation, if the slope I  is  taken as the bed slope. Aftersubstitution of Equation (5.11), or the kinematic wave part of Equation (5.15), intoEquation  (5.1)  and  neglecting  the  lateral  flow  term,  a  further  simplication  isachieved of the form

0Q Qct x

¶ ¶+ =

¶ ¶(6.1)

with a flood wave celerity c (m/s) expressed as

1

s

dQcb dh

= (6.2)

It  is  important  to  realise  that,  as  an  essential  assumption  in  the  derivation  of  thiskinematic  wave  form,  the channel bed  slope  has  been  used  in  the  conveyancerelationship. Equation (6.1) has the form of an advection equation which expressesthat  flood waves propagate with a celerity c which is  inversely proportional  to  theavailable channel storage width bs (m) and a linear function of the derivative of thelocal flow rating curve. The characteristic celerity of  this kinematic wave is  lowerthan  the  celerity  of  the  dynamic  wave  characteristic  in  the  same  direction.  Asdiscussed  by  Abbott  (1979)  it  is  this  mechanism  that  leads  to  roll  waves  at  floodwave fronts, limiting their propagation speed (see also Stoker, 1957).

The  first  order  partial  differential  equation  (6.1)  also  expresses  that  along  itscharacteristic celerity c the discharge remains constant, and so does the peak of theflood wave. In other words: there is no dampening effect of the flood peak. Thoughthis  is  approximately  true  for  rivers  with  steep  slopes,  the  stretches  with  milderslopes require a  lesser simplification of  the De Saint Venant equations. Following,for example, Chaudhry (1993) and defining I of Equation (5.11) as the water levelslope / z, substitution of the last three terms of Equation (5.15) into Equation (5.1)gives the so­called diffusive wave approximation

2

2

Q Q Qc Dt x x

¶ ¶ ¶+ =

¶ ¶ ¶(6.3)

with a flood wave diffusion coefficient D (m2/s) derived as

2 s

KDb I

= (6.4)

Page 105: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 5

Including the lateral flow term the diffusive wave approximation reads

2

2

Q Q Qc D cqt x x

¶ ¶ ¶+ = +

¶ ¶ ¶(6.5)

Returning  to  Equation  (5.15)  again,  the  variable I represents  the  bed  slope  in  thecase of  the kinematic wave approximation and the water  level slope in  the case ofthe  diffusive  wave  approximation.  The  description  based  upon  the  full  set  ofEquations (5.1) and (5.15) is defined as the full dynamic wave description.

6.5 Deformation of flood waves

6.5.1 The role of varying celerities

Returning to Equation (6.2), it  is readily seen that for constant celerity at all waterlevels,  there  is  no  deformation  of  the  flood  waves.  The  waves  are  just  translatedalong  the  river  axis.  However,  in  practice  the  wave  celerity c  generally  increaseswith  increasing  river  discharge,  especially  when  the  river  banks  are  steep  (Figure6.1a). Moreover, when the flood waves arrive at bank level, the storage width oftenincreases more  rapidly  than  the  increase  in dQ/dh,  resulting  in  a  temporary dip  inthis celerity function (Figure 6.1b). When the water level rises further, the celeritiesstart increasing again.

Figure 6.1  Flood wave celerity for various cross­section shapes

The higher celerities for increasing discharges cause a steepening of the wave at thefront and a stretching of the falling limb of the flood hydrograph (Figure 6.2). This isthe most common form of flood wave deformation in natural river systems.

Figure 6.2  Flood wave deformations resulting from celerity varying with stage

Page 106: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 6

6.5.2 The role of the diffusion term

Equation  (6.3) shows  that along  the characteristic  line c=dx/dt  the  flood peaks aredampened by the integral of the diffusion term. As the diffusive wave approximationof the De Saint Venant equations may include other effects as well (e.g. the form ofEquation  (6.5)),  extending  the  number  of  terms  of  the  right  hand  side,  we  willdiscuss these various contributions in a fractioned step approach.

Returning now to  the  right hand side  terms of Equation  (6.3),  the  influence of  thediffusion fraction can be written as

2

1 2

dQ Q(  = D)dt x

¶¶

(6.6)

which gives the equation for flood peak attenuation as

2

1 2peak

Q = D   dtdQx

æ ö¶ç ÷¶è ø

(6.7)

The  diffusion  mechanism  is  commonly  explained  by  the  fact  that  the  water  levelslope  during  rising  water  level  is  steeper  than  the  bed  slope.  Consequently,  thedischarge at the wave front is higher than might be expected from the rating curveand  the  water  balance  in  that  section  forces  a  lowering  of  the  wave  peak.  This  isfurther enforced by the lower discharges at the rear of the wave as compared to thedischarge which would follow from the stage­discharge relationship. Here, the waterlevel slopes are smaller than the bed slope (Figure 6.3).

Figure 6.3  Illustration of the effect of varying water level slopes on flood wave deformation

Returning to Equation (6.7), it is readily seen that this fraction gives a dampening ofthe wave peak, as the term ¶2Q/¶x2 is negative, while it leads to an increase of thedischarge at the front and at the rear of the wave, where ¶2Q/¶x2 is positive.

Observation  of  the  diffusion  coefficient  given  by  Equation  (6.4)  leads  to  aninteresting paradox. It is a well known phenomenon that an increase in storage alsoincreases  the  dampening  of  flood  waves.  This,  however,  does  not  followimmediately  from  Equation  (6.4),  which  shows  a  decrease  in  the  wave  diffusioncoefficient with  increasing storage width of  the  river.  It  should be  realised  that anincrease  in  storage  width  also  decreases  the  flood  wave  celerity,  leading  to  aproportional decrease in the flood wave length. Consequently, the contribution of the

Page 107: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 7

term ¶2Q/¶x2 shows a quadratic  increase in  the wave dampening. Furthermore, thedecrease  in  the  wave  celerity  increases  the  travel  time,  or  the  time  over  whichEquation (6.7) is integrated, over a given stretch of the river, compensating for thedecrease  in  the  diffusion  coefficient.  Taking  all  these  effects  into  account,  anincrease  in  the  storage  width  by  a  factor  two,  gives  a  total  increase  in  waveattenuation of a factor four.

6.5.3 The role of the lateral flow terms

Including  also  the  effect  of  lateral  flow,  Equation  (6.5)  shows  its  influence.Applying, again, the fractioned step approach, the contribution of the lateral flow tothe change in peak discharge is given by

2dQ(  = c q)dt

(6.8)

or

2 peak peakdQ cq dt q dx= = (6.9)

Equation (6.9) simply tells us that the peak value of the flood wave is increased bythe total lateral flow added to the flood as its peak travels along the river.

Interesting conclusions can now be drawn on the case where flood water infiltratesinto the soil as the flood passes the flood plain. As the infiltration is a loss of water,the  lateral  flow  is  negative  and  leads  to  a  reduction  of  discharges  along  the  pathsgiven  by  the  characteristics.  A  typical  infiltration  function  along  the  flood  wavewould  show  the  highest water  losses during  the  passage  of  the  front  of  the  wave,which shows up as a pronounced effect when the bed material is highly permeable.A high porosity of the bed material, gravel for example, causes a rapid increase inthe infiltration when water is made available by the wave. During the further rise ofthe  water  level,  the  stream  width  increases  and  increases  the  storage  volumeavailable for infiltration. At the passage of the peak, the infiltration is more or lesscompleted and the function drops down to zero.

A  typical  response  of  this  infiltration  is  a  pronounced  steepening  up  of  the  floodwave front. This is why such floods may have a very short lead time for warning thepopulation  and  may be  quite  destructive.  A  typical  example  is  given  by  floods  inwadis. However, also in more moderate climates this effect is known. Note that it isnecessary  in  such  cases  to  include  in  a  model  the  effect  of  exchange  with  theground­water,  as  the  typical  wave  deformation  found  in  this  case  cannot  becalibrated by modifying friction parameter values.

6.6 Link to hydrologic flood routing models

Equations  (6.1)  and  (6.3)  are  rarely  used  in  discretized  form  anymore.  However,they are useful for the flood modeler as to provide insight into the physical nature offlood wave propagation. Moreover, they link hydrologic and hydraulic flood routing

Page 108: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 8

techniques.  By  applying  a  Taylor’s  series  expansion  to  the  Muskingum  equation,Cunge (1969) has demonstrated that the well­known hydrological Muskingum floodrouting  technique  emulates  the  solution  of  the  advection­diffusion  Equation  (6.3).This insight provides guidelines for a suitable choice of the Muskingum parameterson the basis of the expressions for c and D (Equations (6.2) and (6.4), respectively).

The  numerical  Muskingum  method  belongs  to  the  class  of  hydrological  routingtechniques. These methods are based upon  the notion  that  flood wave propagationcharacteristics  can  be  derived  from  measured  flood  hydrographs  along  the  river,rather than from detailed topographic information, as discussed in the WMO reporton flood forecasting models by Serban et al. (2005). The basis of these methods isthat flood wave propagation and diffusion behavior can be represented by a limitednumber of parameters, which can be calibrated from observed hydrographs. Usuallythere are only two parameters, as in the case of the Muskingum routing method. Thelimitation  of  this  assumption  is  clearly  shown  by  analyzing  the  stage  dependentexpressions for celerity and diffusion given by Equations (6.2) and (6.4). Althoughthe  current  methods  for  flood  routing  are  far  more  precise,  there  are  still  manysituations where the use of hydrological flood routing techniques is still justified. Inmany  river  catchments,  and  especially  in  tributaries,  the  collection  of  detailedinformation  on  river  bathymetry  and  flood  plain  topography  is  economically  notalways justified, despite the emergence of relatively cheap new technologies.

An alternative to hydrological forecasting methods is provided by newly developedartificial  neural  network  (ANN)  concepts  (Minns  &  Hall,  hsa018).  Also  thistechnology  relies  on  measured  hydrographs  to  derive  relationships  betweeninflowing  and  out  flowing  hydrographs,  though  in  practice  ANN’s  are  mostlyapplied  to  the  development  of  relationships  between  rainfall  and  river  catchmentrunoff.

Both  hydrological  routing  and  ANN  techniques  provide  limited  reliability  for  therange of events outside those used for calibration. However, this is exactly the rangeone is interested in when dealing with extreme flood events, which rarely occur andfor which measurements are even more rarely available. So even though ANNs andother data­driven modelling techniques may prove quite valuable in e.g. determiningrainfall­runoff relations (Solomatine, hsa021), physically based descriptions, such asprovided by hydraulic routing techniques and based upon the full use of Equations(5.1)  and  (5.2),  offer  better  extrapolation  possibilities  than  hydrological  routingmethods  or  ANN  based  models.  For  this  reason,  we  will  focus  on  hydraulicmodelling  techniques  in  the  sequel. However,  it  should be  realized  that  simplifiedequations, such as Equation (6.5), remain useful, as these offer us a good insight intothe  physical  nature  of  flood  propagation,  in  particular  the  concepts  of  flood  peakarrival time and the attenuation of peak discharges.

6.7 Two­dimensional modelling of floods

In  the modelling of  floods,  flows often  take  short cuts  through  flood plains wherethe  1D  description  may  become  quite  inaccurate.  This  is  even  more  the  case  fordam­ or embankment failures, where the flow may leave the flood plain completelyand  inundate  natural  terrains.  For  this  reason  the  two­dimensional  (2D)  shallow

Page 109: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 0 9

water equations will be  introduced. Following  the same principles as  for 1D flow,these equations read

( ) ( ) 0h uh vht x y

¶ ¶ ¶+ + =

¶ ¶ ¶(6.10)

2 2( ) 0bf

u u vh zu u uu v g ct x y x h

+¶ +¶ ¶ ¶+ + + + =

¶ ¶ ¶ ¶(6.11)

2 2( ) 0bf

v u vh zv v vu v g ct x y y h

+¶ +¶ ¶ ¶+ + + + =

¶ ¶ ¶ ¶(6.12)

where  we  now  also  introduce  the y­axis,  orthogonal  to  the  x­axis,  with  its  flowvelocity v  (m/s) associated  to  it. The  friction  term, with  the dimensionless  frictioncoefficient cf,  has  in  both  momentum  equations  a  shear  force  component  derivedfrom the quadratic head loss description along a stream line of  the 2D flow. Basicassumptions are similar to those given for the 1D equations, as far as applicable inthis form of schematization.

Figure 6.4    Staggered grid for 2D flow simulations

Referring to the 2D grid shown in Figure 2, a volume conservative finite differenceform of the continuity equation is given by

1 * *, , 1/ 2, 1/ 2, 1/ 2, 1/ 2,

* *, 1/ 2 , 1/ 2 , 1/ 2 , 1/ 2 0

n n n n n ni j i j i j i j i j i j

n n n ni j i j i j i j

h u h ut x

h v h vy

q q

q q

V V+ + ++ + - -

+ ++ + - -

- -+ +

D D-

=D

(6.13)

Page 110: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 0

( ) ( )

( )

11/ 2, 1/ 2, 1, ,

11 12

2 21

1/ 2, 1/ 2, 1/ 2,

*1/ 2,

, ,

0

n n n ni j i j i j i jn n n n

n n ni j i j i j

f ni j

u ua u u a v u g

t x

u u vc

h

q qV V+ + ++ + +

++ + +

+

- -+ + + +

D D

æ ö+ç ÷

è ø =

(6.14)

( ) ( )

( )

1, 1/ 2 , 1/ 2 , 1 ,

21 22

221

, 1/ 2 , 1/ 2 , 1/ 2

*, 1/ 2

, ,

0

n n n ni j i j i j i jn n n n

n n ni j i j i j

f ni j

v va u v a v v g

t y

v u vc

h

q qV V+ + ++ + +

++ + +

+

- -+ + + +

D D

æ ö+ç ÷

è ø =

(6.15)

where the symbol * has the same meaning as in Equation (5.18) again and a11(un,un),a12(vn,un),  a21(un,vn)  and  a22(vn,vn)  are  generalizations  of  the  discretization  of  theconvective momentum term.The long double bar over the velocity in the friction term means that this velocity isobtained by averaging over values at four surrounding grid points. The friction termrequires special  treatment  in case of  flooding of dry  terrain. At  the wave  front  thewater  velocity  rapidly  accelerates  from  zero.  Overshoot  of  velocities  can  beprevented by a predictor corrector approach.

The convective momentum terms are subject to the same principles as discussed forthe  1D  approximations.  For  example,  for  positive  flow  velocities  the  momentumconservative discretization of the term a12(un,vn) is given by

1 1/ 2, 1/ 2 1/ 2, 1/ 2, 112

1/ 2,

( , )x

v j i j i jn nxi j

q u ua v u

yh+ - + + -

+

-æ öç ÷Dè ø

; (6.16)

whereas it is given by1/ 2, 1/ 2, 1

1/ 2, 1/ 212 ( , )x i j i jn ni j

u ua v u v

y+ + -

+ --æ ö

ç ÷Dè ø; (6.17)

for  the  energy  conservative  discretization.  In  the  first  expressionx

v q means  thespecific  discharge  in  y­direction,  averaged  over  two  surrounding  points  along  thelocal  x­axis.  In  the  last  expression

xv   has  the  same  meaning  in  relation  to  the

velocity v.

The treatment of the convective momentum terms shown above is numerically veryrobust and allows for the correct description of the effects of sudden expansions andcontractions and similar changes  in  the  topography, such as steps  in  the bed  level.Moreover, it allows for the 2D simulation of supercritical flows and the propagationof hydraulic jumps.

Page 111: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 1

Figure 6.5    Layout of the instantaneous dam break experiment

Figure 6.6  Top view of results of the numerical scheme of Equations (6.13), (6.14) and (6.15) (lower half),compared with video monitored measurements in a physical model (upper half)

As  described  by  Stelling  and  Duinmeijer  (2003),  the  correct  modelling  of  thesephenomena has been demonstrated  in a software validation study, where results ofthe numerical scheme of Equations (6.13), (6.14) and (6.15)   were compared withvideo monitored measurements in a physical model (Figure 6.6). The set­up consistsof two reservoirs with different water levels, separated by a wall. The wall containsa gate which can be lifted. The width of both reservoirs is 8.30 m, the length of the

Page 112: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 2

upper reservoir 2 m and the length of the lower reservoir 29 m. The gate has a widthof 0.4 m and has been placed at the middle of the wall.

The  numerical  experiment  was  made  on  a  grid  of  0.1*0.1  m,  giving  a  total  ofapproximately 25000 grid cells. The time step was set to 0.005 s. The gate was liftedat a speed of 0.16 m/s, to produce a flow spreading out into a 2­dimensional plain.Initial data were set at a depth of 0.60 m for the upstream reservoir and a depth of0.05 m for the downstream reservoir.

Figure 6.7  Comparison of measured and computed wave front position at various times (see case Figure 4)

Figure 4 shows the results of this simulation. The upper half of this figure presents avideo recorded view from above. The lower part of the figure presents the computedresults. It is clearly seen that the front propagation, the propagation of the hydraulicjump and the side spreading of the wave are represented reasonably well. Figure 5shows  a  comparison  of  the  measured  and  computed  position  of  the  wave  front  atvarious times.

Simulations were made with various Manning roughness coefficients and both for aninitially wet and a dry downstream reservoir. For the propagation of the flood on thedry bed  the Manning  roughness  turned out  to be a  sensitive parameter.  If  for dambreak  models  a  reliable  topography  is  available,  the  roughness  parameter  remainsthe  only  parameter  to  be  estimated.  Currently,  researchers  are  focusing  on  betterdescriptions of roughness parameters by deriving depth dependent relationships on

Page 113: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 3

the basis of vegetation characteristics, e.g. Uittenbogaard (2003), Rodriguez (2004)and Baptist (2005).

6.8 Integrated 1D/2D modelling

In  flood  modelling,  there  are  numerous  practical  examples  where  flows  are  bestdescribed by combinations of 1D and 2D schematizations. An obvious example  isthe flooding of deltaic areas, often characterized by a flat topography with complexnetworks  of  natural  levees,  polder  dikes,  drainage  channels,  elevated  roads  andrailways  and  a  large  variety  of  hydraulic  structures.  Flow  over  the  terrain  is  bestdescribed  by  the  2D  equations,  whereas  channel  flow  and  the  role  of  hydraulicstructures  are  satisfactorily  described  in  1D.  Flow  over  higher  elevated  lineelements,  such  as  roads  and  embankments  can  be  reasonably  modeled  in  2D  byraising  the  bottom  of  computational  cells  to  embankment  level.  However,  for  ahigher  accuracy  of  the  numerical  description  adapted  formulations  have  to  beapplied, such as energy conservation upstream of overtopped embankments.

Another example is the flood propagation in a meandering river, with shortcuts viathe flood plain when over bank flow occurs. In large scale models, the flow betweenthe  river banks  is  satisfactorily described by  the de Saint Venant equations solvedwith 1D grid steps several times the width of the channel. An equivalent accuracy ofdescription in 2D would require a large number of grid cells, with step sizes being afraction  of  the  channel  width.  However,  flow  in  the  flood  plain  may  be  betterdescribed in 2D and may allow for 2D grid steps often exceeding the width of  theriver.

For  this  reason, hybrid 1D and 2D schematizations are often used. Basically  thereare two approaches: one with interfaces defined between 1D and 2D along verticalplanes  and  the  other  approach  with  schematization  interfaces  in  almost  horizontalplanes.

Coupling along vertical planes, gives a full separation in the horizontal space of the1D  and  2D modeled  domains.  In  the  1D  domain  the  flow  is  modeled with  the  deSaint Venant equations applied over  the  full water depth. The direction of  flow  inthe 1D domain is assumed to follow the channel x­axis and in the model it carries itsmomentum in this direction, also above bank level. Without special provisions, thereis  no  momentum  transfer  accounting  applied  between  the  1D  and  2D  domains.Momentum and volume entering or  leaving  the 2D domain at  these  interfaces, aregenerated by the compatibility condition applied. As a result, the coupling cannot beexpected  to  be  momentum  conservative.  Depending  on  the  numerical  solutionapplied,  the  linkage  may  either  be  on  water  level  or  on  discharge  compatibility.Particular  care  has  to  be  taken  in  applying  this  form  of  schematization  if  waterquality processes are to be included in the model.In a model coupled along an almost horizontal plane, 2D grid cells are placed abovethe 1D domain, as  shown  in Figure 6.  In  this  schematization,  the de Saint Venantequations are applied only up to bank level. Above this level, the flow description inthe 2D cell takes over. For relatively small channel widths compared to the 2D cellsize, errors in neglecting the effect of momentum transfer at the interface are minor.For  wider  channels  it  is  recommended  to  modify  each  2D  cell  depth  used  in  the

Page 114: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 4

momentum equation by adding a layer defined by the local hydraulic radius for thatpart of the 1D cross­section which underlies a 2D cell.Further refinements are possible, including terms describing the momentum transferbetween the 1D and 2D domains.

Numerical solutions are obtained by discretizing separately the 1D and 2D domains.Assuming  that  for  both  domains  implicit  numerical  schemes  are  applied,  theinterface compatibility conditions can be modeled either as an explicit or an implicitlink.  Applying  explicit  links,  first  the  solutions  for  the  1D  and  2D  domains  aregenerated  sequentially.  Subsequently,  exchange  flows  are  computed  and  added  aslateral  flows  at  the  next  time  step.  Implicit  links  are  based  upon  water  levelcompatibility.  These  equations  are  then  added  to  the  complete  sets  of  equationsgenerated  separately  for  the  1D  and  2D  domains.  There  are  many  approaches  tosolving the complete set of equations. With the current state of the art, it is no longernecessary  to  apply  for  the  1D  domain  different  solvers  for  so­called  simply  ormultiply connected channel networks. Similarly, in 2D there is no real need anymorefor  alternating  direction  algorithms,  as  the  efficiency  of  the  conjugate  gradientsolvers has increased significantly over the past years.

Figure 6.8  Coupling of 1D and 2D domains in SOBEK

As  an  example,  Delft  Hydraulics  has  developed  its  combined  1D2D  packageSOBEK    for  the  modelling  of  integrated  fresh  water  systems  (www.sobek.nl;www.wldelft.nl). The 1D part of hybrid models is based upon the numerical schemeof Equation (5.20) and (5.31). The 2D part is described by the single step 2D schemegiven by Equations (6.13), (6.14) and (6.15). For efficiency reasons,  the continuityequations  for  the  1D  and  2D  domains  are  combined  into  one  single  equation  atpoints where 1D grid sections underlie a 2D cell. As a first step in reducing the totalnumber of equations, SOBEK eliminates all  equations at velocity grid points. Thesecond  step  in  the  solution  algorithm  is  the  elimination  of  a  large  number  ofunknowns  by  applying  a  minimum  connection  search  between  unknown  waterlevels. As a rule, this leads to an efficient elimination of nearly all unknowns of the1D domain and a substantial number of unknowns in the 2D domain.

Page 115: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 5

This direct solver carries its elimination on, until nearly every second equation in the2D domain has been eliminated. Beyond this point, it  is more economical to applythe conjugate gradient solver to solve the remaining set of equations.

Apart  from  its  efficiency,  an  additional  advantage  of  eliminating  nearly  everysecond  2D  equation  is  the  improved  conditioning  of  the  resulting  matrix.  Thisfollows from the fact that elimination of an unknown water level at a 2D grid pointhas  the  effect  of  increasing  the  spatial  distance  between  the  remaining  adjacentpoints, where water levels are still unknown. This, in turn, reduces Courant numbersand as a  consequence,  it  leads  to changed coefficients at  the main diagonal of  thematrix which is now more dominant in relation to the other diagonals, e.g. Verwey(1994).

Figure 6.9  Flood modelling of the Vallei and Eem area, The Netherlands

An  example  of  a  combined  1D2D  model  is  shown  in  Figure  7.  It  represents  theschematization of a model of the Eem Valley area in The Netherlands applied in astudy of the potential effects of a River Rhine dike breach.This model has been used to provide information on warning lead times and flooddepths for evacuation planning. The Rhine branch upstream of the breach has beenmodeled in 1D. At its upstream end a design hydrograph was specified, whereas thedownstream boundary condition of this  relatively short branch is given by a ratingcurve.  Such  a  short  downstream  reach  is  permissible  as  the  rating  curveautomatically corrects for most of the effects of flow deviated through the breach atthis  boundary.  The  breach  itself  has  been  described  in  1D  as  a  structure  with  avelocity dependent breach growth.

Page 116: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 6

North of the dike the 1D link discharges into the 2D domain, given by a 100 * 100m  grid  with  bottom  levels  derived  from  a  digital  elevation  model  and  resistancecoefficients derived from land use maps. Elevated roads and railways are presentedas flow barriers by raising the underlying cell bottom levels up to the levels of theseembankments.  The  resulting  flood  depths  presented  in  Figure  7  clearly  show  theeffect  of  the  1D  channel  in  the  schematization.  Due  to  their  greater  depth,  floodwaves propagate  faster  in  these channels  than over  land. Further downstream,  thisleads to first signs of the progressing flood wave already one or two days before themain flood arrives.

6.9 Exercise

At a discharge measuring station a cross­section is measured as shown below.

a) Compute  the  conveyance  of  the channel  for  levels  h=2.00 m and h=3.00  m,respectively.  The  Manning  numbers  vary  along  the  cross­section  and  theirvalues have been indicated in Figure 6.8..

b) Compute discharges for both levels given an approximate bed slope I0=10­3.c) Compute approximate flood wave celerities for the given water levels. Explain

the difference in the celerities.d) During the passage of a flood wave, the water level rises from 2.00 m to 3.00

m  above  the  reference  level  over  a  period  of  10  minutes.  Compute  theapproximate deviation between the water level slope and the bed slope. (Note:transform the time to a length via the wave celerity).

e) Compute  the  approximate  difference  in  percentage  between  the  expectedmeasured discharges and the discharges based on a rating curve.

Figure 6.10  Cross­section for the computation of flood wave propagation celerities

Page 117: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 7

7 Water Hammer

7.1 Introduction

Water  hammer  is  the  phenomenon  of  high­amplitude  pressure  waves  travelling  inpipes,  caused  by  the  rapid  changes  in  the  velocity  of  the  transported  fluid.  Thesevariations usually  result  from  the  operation of  flow­  and  pressure  control  devices,such as valves, pumps and turbines.

D

d slot

Figure 7.1  Sketch of pipe with artificial slot at the top to represent storage effects of pipe expansionand water compressibility

In principle, the equations used for the computation of these pressure waves are thesame as those derived for open channel flow. As an analogy one may consider a pipewhich has an artificial slot at  the  top,  in which a  free surface water  level may riseafter complete filling of the pipe (Figure 7.1).

The wetted area of the slot represents the storage of water resulting from changes inthe water pressure. The storage capacity consists of three principal contributions:

1. the elasticity of  the pipe wall which  leads  to a pipe cross­section expansion atincreasing water pressure. It  is evident  that  this type of storage depends on thecross­section shape and on the wall material properties and its composition.

2. compressibility  of  the  water,  which  usually  is  neglected  in  free  surface  flowcomputations. In the case of water hammer, however, the compressibility plays adominant  role.  As  the  free  surface  flow  equations  are  based  upon  a  volumebalance, the compression of the water represents a virtual water storage;

3. compressibility of air bubbles or vacuum bubbles contained in the water;

Water hammer is important in engineering for the following reasons:

1. high  pressures  may  build  up  in  a  pipe  line  to  the  extent  that  it  may  lead  tobursting of the pipe;

Page 118: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 8

2. vacuum  bubbles  may  be  generated  when  the  pressure  drops  to  values  belowapproximately  30%  of  the  atmospheric  pressure.  The  resulting  cavitation  ishighly aggressive to the pipe material and may lead to considerable damage;

3. in other cases, air may be entrained in the fluid at moments and locations wherethe pressures are low.

For these reasons, any design related to transport of fluid in pipes should be checkedagainst  the  risk  of  water  hammer  damage.  There  are  various  reasons  why  waterhammer  may  occur.  For  details,  reference  is  made  to  text  books,  e.g.  Chaudhry(1987). Typical reasons are:

· instantaneous  or  very  fast  valve  closure.  Many  of  us  know  this  phenomenonwhen closing a  tab at home. A wrong design of  the valve may cause a suddendeceleration  of  the  water  flow  and  a  high  pressure  builds  up  due  to  thetransformation of momentum of the water into an impulse;

· sudden energy demand changes in a hydropower station or turbine failure;· pump failure, for example, by a power cut. At the upstream end of the pump the

pressure will increase, while at the downstream end a negative wave is generatedwhich may cause cavitation or implosion of the pipe;

· burst of a pipe line, which in turn generates pressure surges along the pipe.

In many cases  it  is  the way of operating  the system that causes  the water hammerproblems.  In  other  cases  there  may  be  accidental  causes.  In  the  design  of  thehydraulic system such operation problems may be foreseen and water hammer maybe prevented by designing anti­water hammer arrangements. Examples are:

· strict  control  of  valve  manipulations.  As  will  be  shown  by  the  computationalprocedure, slow closure of valves reduce the over pressures. Slow has to be seenin relation to the length of the pipe and the celerity with which pressure surgesare travelling along the pipe;

· design and construction of a  surge chamber as  closely as possible upstream ofthe  turbine  or  pump.  This  surge  chamber  serves  as  an  escape  for  the  pressurewave and reduces effectively the dangerous operation time of closure;

· closed and vented air vessels, which have a function similar to surge chambers.However, in this case the surface is formed by a pressurized air chamber. Thesedevices are used, for example, at the downstream end of sewer pumps in order toprevent excessive under pressures;

· fly wheels, which prevent the sudden change of the pump rotational speed;· by­passes with a check­valve placed in parallel to a pump. It opens during pump

rundown and supplies water to the pipe downstream of the pump;· pressure  release  valves,  which  open  when  the  water  pressure  exceeds  a

maximum value admitted.

For a more extensive list of options reference is made again to the literature in thisfield.  As  water  hammer  computations  may  be  complex,  use  is  often  made  ofstandard  software  packages,  such  as  the  WANDA  system  of  Delft  Hydraulics(www.wldelft.nl).  However,  simple  problems  may  also  be  investigated  by  usingExcel. The next paragraphs provide the basis for setting up such computations.

Page 119: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 1 9

7.2 Water Hammer Equations

For a discussion on the water hammer equations reference is made to the open channelflow equations (Chapter 5), given here as

sH Q   +  = 0b t x

¶ ¶¶ ¶

(7.1)

2Q H fQ +   + gA   +   Q | Q | = 0t x A x 2DA

æ ö¶ ¶ ¶ç ÷¶ ¶ ¶è ø

(7.2)

where

  Q  = pipe discharge (m3/s);  H  = piezometric head above any horizontal reference level (m);  bs  = storage width due to fluid compressibility and pipe expansion (m);  A  = cross­sectional area of the pipe (m2);  f = Darcy­Weisbach friction factor;  D  = pipe diameter (m).

In the momentum equation the friction term has been replaced by a term based on theDarcy­Weisbach concept. In this form, the coefficient expresses the energy head lossDH as the fraction of the velocity head which is lost over a pipe length equivalent toits diameter D. For a length L of the pipe the head loss is then defined as

2L uH = fD 2g

D (7.3)

In  water  hammer,  the  role  of  the  convective  momentum  is  small  and  usuallyneglected. Introducing, furthermore, a characteristic celerity a as

s

Aa = gb

(7.4)

the water hammer equations are best known in the form

2

gA H Q   +  = 0t xa

¶ ¶¶ ¶

(7.5)

Q H f + gA   +   Q | Q | = 0t x 2DA

¶ ¶¶ ¶

(7.6)

The physical behaviour of water hammer is easily understood by transforming  theseequations into the form

Page 120: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 0

gA Q   H  + a  = 0t a x

¶ ¶æ öç ÷¶ ¶è ø

(7.7)

Q gA + a    H = Et x a

¶ ¶ æ öç ÷¶ ¶ è ø

(7.8)

where E is to be seen as a sink term representing the effect of friction losses.

fE Q|Q|2DA

= - (7.9)

Successive addition and subtraction of Equations (7.8) and (7.7) gives

gA gA  Q +   H  + a    Q +   H = Et a x a

¶ ¶æ ö æ öç ÷ ç ÷¶ ¶è ø è ø

(7.10)

gA gA  Q   H   a    Q   H = Et a x a

¶ ¶æ ö æ ö- - -ç ÷ ç ÷¶ ¶è ø è ø(7.11)

Referring  to  the  concept  of  total  derivatives,  as  introduced  in  Chapter  3,  Equations(7.10, 7.11) express the integration of the equation

d gA  Q +   H = Edt a

æ öç ÷è ø

(7.12)

along the characteristic line, or simply characteristic, defined by

dx = adt

(7.13)

and the integration of

d gA  Q   H = Edt a

æ ö-ç ÷è ø

(7.14)

along the characteristic line

dx = adt

- (7.15)

Neglecting the influences of friction, Equation (7.12) represents the condition

gAQ +  H = constanta

(7.16)

Page 121: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 1

along the positive characteristic given by Equation (7.13), while Equation (7.14) leadsto

gAQ  H = constanta

- (7.17)

along the negative characteristic, given by Equation (7.15).

Before discussing the role of these equations in the algorithm leading to the solutionof  water  hammer  problems,  let  us  consider  again  the  meaning  of  the  characteristiccelerity a  in  relation  to  water  storage.  In  analogy  with  Hooke's  law  expressing  theelastic deformation of a string under the influence of the axial stress

=  Es e (7.18)

wheres = axial stress (N/m2);e = strain per unit length of the string;

  E = Young's modulus of elasticity.

The  compression  of  water  under  the  influence  of  changing  pressures  is  seen  as  anelastic process described by

dVdp = KV

- (7.19)

where

  dp  = change in fluid pressure (N/m2);  K  = bulk modulus of water elasticity (N/m2);  V  = water volume;  dV  = change of this water volume under the influence of pressure change dp.

For a control volume of length dx  the compression of fluid in the pipe can be madeequivalent to a virtual storage of an incompressible fluid in a virtual pipe slot by therelation

sVdV =  dp =    dH dxbK

- - (7.20)

where the change in pressure level dH is related to the change in water pressure dp, by

dp =  g dHr (7.21)

assuming  that  the  contribution  of  the  change  in  fluid density  in  this  relation  can beneglected.

Page 122: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 2

Substitution of (7.21) into (7.20) and replacing dV by Adx, gives

s g A=b K

r (7.22)

For the derivation of the effect of pipe deformation it will be assumed that the pipewall is elastic and that the pipe has expansion joints all along its axis. These jointswill prevent the development of axial stresses under the influence of changing waterpressure in the pipe. The general stress­strain relation for elastic pipe material underthe influence of stresses in axial and tangential direction reads as

1 2= =  Em es s (7.23)

wheres1  = hoop stress (tangential direction) (N/m2);s2  = axial stress (N/m2);m   = Poisson's ratio.

For the case where the axial stress cannot develop the equation reads, for a change intangential stress

1d =  Ees (7.24)

The  expression  of e  in  terms  of  the  change  in  the  circular  pipe  circumference  withradius r

1d(2 r) d= =2 r E

p sep

(7.25)

now leads to the relation

1dr d=r E

s (7.26)

or

1dA 2d=A E

s (7.27)

Referring to Figure (7.2) the change in pipe material stress is related to the change inpressure dp as

2dF = Ddp (7.28)

or

Page 123: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 3

12ed = Ddps (7.29)

D

P

tt

e

Figure 7.2 Forces on semi­cylinder under the influence of water hammer induced pressures

Substitution of Equations (7.29), (7.21) into Equation (7.27) gives

DdA =  gA   dHeE

r (7.30)

Relating this compression volume to the water storage in the fictive pipe slot gives

sDdV = dA dx =  g A   dH dx =  dH dxbe

r

or

sD=  g Ab eE

r (7.31)

The combined effects of water compressibility and pipe expansion leads to the virtualpipe slot width

s g A DK=   1 +bK eE

r æ öç ÷è ø

(7.32)

Substitution of this relation into Equation (7.41) gives the expression for the pressurewave celerity

K

a = DK1 +eE

r (7.33)

The effect of axial stresses and composite pipe walls requires a further generalisationof this equation to the form

Page 124: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 4

K

a = K1 +E

r

y(7.34)

with

D=e

y (7.35)

for the case of homogeneous elastic pipe material and the presence of expansion jointsall along the pipe.

Referring to Chaudhry (1987), the following relations can be derived for Y:

2D=  (1 ­  )e

y m (7.36)

for  the  case  of  thin­walled  elastic  conduits  anchored  against  axial  movementthroughout their length;

D=  (1 ­ 0.5 )e

y m (7.37)

for  the  case  of  thin­walled  elastic  conduits  anchored  against  axial  movement  at  theupper end;

 = 1  ;   E = Gy (7.38)

for the case of an unlined tunnel with a modulus of rock elasticity G, and

DE=GD + Ee

y (7.39)

for a steel­lined tunnel through rock.

For  values  of  the  various  material  properties  reference  is  made  to  literature  and  toTable 7.1 and Table 7.2 for some very common ones.

Page 125: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 5

Table 7.1 Pipe material properties

Material Modulus of elasticity E

(Gpa)

Poisson’s ratio

Mild steel 200 ­ 212 0.27

Polyethylene 0.8 0.46

Concrete 14 – 30 0.10 – 0.15

Cast iron 80 – 170 0.25

Table 7.2 Fluid properties

Fluid Temperature

(oC)

Density

(kg/m3)

Bulk modulus of elasticity K

(GPa)

Fresh water 20 999 2.19

Sea water 15 1025 2.27

Oil 15 900 1.5

7.3 The Method of Characteristics for Water Hammer

The method of characteristics is by far the most commonly used equation solver inwater  hammer  analysis.  In  the  discussion  of  Chapter  3  it  was  concluded  that  themethod  of  characteristics  is  a  rather  unpractical  approach  to  solving  free  surfaceflow  problems.  Most  of  the  reasons  given  there,  however,  do  not  hold  for  waterhammer analysis.  As  shown by Equations  (7.13, 7.15  and 7.33),  the  characteristicdirections for the water hammer equations usually are straight lines, which allow forthe construction of an equidistant network, as shown by the following example.

Consider  the  hypothetical  case  of  a  pipe  with  frictionless  flow  supplied  at  theupstream  end  from  a  large  reservoir  and  controlled  at  the  downstream  end  by  avalve, as shown in Figure (7.3). Data for this problem are given as follows:

Hres  = 50 mQ  = 1 m3/sA  = 1 m2

L = 1000 ma = 1000 m/sg = 10 m/s2

The  valve  is  closed  over  a  period  of  5  seconds,  controlled  to  provide  a  linearlydecreasing discharge over this time.

Page 126: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 6

The  characteristic  grid  for  this  problem  is  shown  in  Figure  7.4.  Initially  alldischarges and pressure levels are equal to 1 m3/s and 50 m respectively.

Referring, again, to Equations (7.16 and 7.17), the solution at point A1  is found bysolving the boundary condition

1AH  = 50 m

and by Equation (7.17) applied along the negative characteristic from point B0 to pointA1

1 1 0 0

3A A B BQ  ­ gA/a H   =  Q  ­ gA/a H   =  1 ­ 0.01*50  =  0.50 m /s

giving

1 1

3A AH  = 50 m; Q  = 1.0 m /s

Note that this solution is still equivalent to the initial steady state condition along thepipeline between A and B. This is explained by the fact that the effect of the valveclosure  starting  at  point B0  cannot  influence  conditions  at  the  upstream  boundarybefore  the  negative  characteristic  through  point  B0  has  arrived  at    point A1.  Thetriangle formed by the points A0, B0 and A1, therefore, is a steady state region.

The  solution  at  point B1  is  found  in  a  similar  way  by  combining  the  downstreamboundary condition at t=1 s, given as

1BQ  = 0.8 m3/s

with the condition along the positive characteristic passing from A0 to B1, given as

1 1 0 0

3B B A AQ  + gA/a H  = Q  + gA/a H  = 1 + 0.01*50 = 1.50 m /s

resulting in

1 1

3B BH  = 70 m; Q  = 0.8 m /s

Similarly,  solutions  at  subsequent  points  can  be  computed,  with  results  shown  inTable 7.3. The maximum pressure found at point B is 90 m water column.

The gradual valve closure gives a considerable operation improvement over the caseof  a  sudden  valve  closure.  Closing  the  valve  instantaneously  at  time  t=0  gives  apressure H=150 m at point B1, as can be verified easily by applying Equation (7.16)with QB1=0 m3/s. Further improvements are found by slowing the closure operationfurther  down.  This  example,  therefore,  demonstrates  clearly  the  origin  of  waterhammer problems and the essential approach to water hammer prevention.

Page 127: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 7

H

L

reservoir

supply pipe

Figure 7.3  Situation sketch of valve closure problem

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

t (s)

t(s)

Q (m3 /s)x (m)

0 100 0 1.0

A B

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Figure 7.4  Characteristic lines for the water hammer problem

Table 7.3   Pressures and discharges computed for the problem of valve closure

Point 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 variable

A 1.0 1.0 0.6 0.2 0.2 0.2 ­0.2 ­0.2 0.2 0.2 ­0.2 Q (m3/s)50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 H (m)

B 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Q (m3/s)50 70 90 70 50 70 70 30 30 70 70 H (m)

Page 128: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 8

7.4 Exercise

Water flows from a reservoir  through a horizontal pipe with a length L=10 km. Thereservoir water level HR is 50 m +MSL. The pipe has a diameter D of 1.00 meter. Atthe end of the pipe the outflow is controlled by a valve. The steady state water velocityu=2 m/s. The Darcy­Weisbach  friction  coefficient f  is  0.01.  Use g=10  m/s2  in  yourcomputations.

Questions

1. Compute the pressure distribution along the pipe line for the steady state flow,assuming that the energy loss at the valve can be neglected.

2. For the computation of Questions 3­7 we will assume that the complete energyloss along the pipe is now concentrated at the valve. Recompute the pressuredistribution.

3. Compute the characteristic pressure wave celerity for the data given below.4. Compute, with the rigid water column theory, the pressure increase at the pipe

end if the valve is closed over a period of 1 second. Is this pressure increaserealistic?

5. Compute the pressure increase with the water hammer theory for fast closure.6. Compute  the  pressure  as  a  function  of  time  at  the  location  of  the  valve  by

using the method of characteristics. Use a valve closure function which leadsto a linear decrease in out flowing discharge over a period of 1 minute. Neglectfriction.

7. While  keeping  the  other  parameters  constant,  what  will  be  the  effect  on  themaximum pressure increase if:a) the closure time is increased;b) the steel pipe is replaced by a PVC pipe;c) the pipe wall thickness is increased;d) the pipe diameter is increased;e) the pipe length is decreased;f) air is entrained into the flow.

8. Repeat the computations for the case where pipe wall friction is included andthe energy loss at the valve is neglected. Produce a graph of the results.

Additional data:

e  =  0.01 m;K   =  2 GPa;E   =  200 GPa.

The pipe has frequent expansion joints.

Page 129: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 2 9

8 References

Abbott,  M.B.  (1979). Computational  Hydraulics  –  Elements of  the  Theory  of  Free  SurfaceFlows, Pitman, London/San Francisco/Melbourne.

Arakawa,  A.  (1966).  Computational  design  for  long­term  numerical  integration  of  theequations  of  fluid  motion:  two­dimensional  incompressible  flow,  Part  I. Journal  ofComputational Physics. 1(1), 119­143.

Baptist.  M.J.  (2005). Modelling  floodplain  biogeomorphology.  Ph.D.  thesis,  ISBN90­407­2582­9,  193  pp.,  Delft  University  of  Technology,  Faculty  of  CivilEngineering and Geosciences, Section Hydraulic Engineering.Chaudhry,  M.H.  (1987), Applied  Hydraulic  Transients,  Van  Nostrand  Reinhold  CompanyInc., New York.

Chaudhry, M.H. (1993), Open­Channel Flow, Prentice Hall, Anglewood Cliffs, USA.

Chow, V.T. (1959). Open Channel Hydraulics, McGraw­Hill, New York.

Chanson,  H.  (1999). The  Hydraulics  of  Open  Channel  Flow,  Arnold  Publishers/Wiley,Paris/New York.

Cunge,  J.A.,  (1969).  On  the  subject  of  a  flood  propagation  computation  method(Muskingum method). Journal Hydrology Research 7, No.2.

Cunge, J.A., Holly, F.M. and Verwey, A. (1986). Practical Aspects of Computational RiverHydraulics  (420  pages),  Pitman  Publishing  Ltd.,  London,  Great  Britain,  1980.  Reprinted  atIowa Institute of Hydraulic Research, USA, 1986. (Also translated into Russian).

De  Saint  Venant,  B.  (1871).  Théorie  du  Mouvement  Non­Permanent  des  Eaux  avecApplication  aux  Crues  des  Rivières  et  à  l’Introduction  des  Marées  dans  leur  Lit,  ComptesRendus de l’Académie des Sciences, 73, pp. 148­154, 237­240.

Henderson, F.M. (1966). Open Channel Flow, McMillan Company, New York.

Hesselink, A.W., Stelling, G.S., Kwadijk J.C.J. and Middelkoop, H. (2003).  Inundation of aDutch river polder, sensitivity analysis of a physically based inundation model using historicdata. Water Resour. Res., 39(9), 1234.

Hirsch, C. (1990). Numerical Computation of Internal and External Flows, Wiley, New York.

Newton,  I.  (1687). Mathematical  Principles  of  Natural  Philosophy  (trans.  A.  Motte,  ed.  F.Cajuri), Berkeley University Press, California (1947).

Rodriguez Uthurburu, R, (2004). Evaluation of physically based and evolutionary data miningapproaches  for  modelling  resistance  due  to  vegetation  in SOBEK  1D­2D, M.Sc.  thesis HH485, UNESCO­IHE, Delft, The Netherlands.

Serban, P., Crookshank, N.L. and Willis, D.H.  (2005). Intercomparison of Forecast Modelsfor Streamflow Routing in Large Rivers, WMO, Geneva.

Page 130: Computational Hydraulics

Computational Hydraulics © 2005  Adri Verwey UNESCO ­ IHEVersion 2006­1

WL | Delft Hydraulics 1 3 0

Stelling,  G.S.,  Kernkamp,  H.W.J.  and  Laguzzi,  M.M.  (1998). Delft  Flooding  System:  apowerful  tool  for  inundation  assessment  based  upon  a  positive  flow  simulation,Hydroinformatics ‘98, Babovi  & Larsen (Eds.), Balkema, Rotterdam, 449­456.

Stelling,  G.S.  and  Duinmeijer,  S.P.A.  (2003).  A  staggered  conservative  scheme  for  everyFroude  number  in  rapidly  varied  shallow  water  flows. Int.  J.  for  Numer.  Meth.  Fluids, 43,1329­1354.

Stoker,  J.J.  (1957).  Water  Waves, Pure  and  Applied  Mathematics,  Vol.  IV,  IntersciencePublishers, New York.

Toro,  E.F.  (1999). Riemann  Solvers and  Numerical  methods  for  Fluid Dynamics,  Springer,Berlin.

Uittenbogaard,  R.  (2003). Modelling  turbulence  in  vegetated  aquatic  flows,presented  at  the International  workshop  on  RIParian  FORest  vegetated  channels:hydraulic,  morphological  and  ecological  aspects,  20­22  February  2003,  Trento,Italy.Verwey,  A.  (1994). Linkage  of  Physical  and  Numerical  Aspects  of  Models  Applied  inEnvironmental  Studies,  keynote  lecture  in: Proceedings of  the Conf.  on Hydraulics  in  CivilEngineering, Brisbane, Australia.

Verwey,  A.  (2001). Latest  Developments  in  Floodplain  Modelling  ­  1D/2D  Integration,keynote  lecture  in :  Proceedings  of  the  6th  Conf.  on  Hydraulics  in  Civil  Engineering,Hobart, Australia.

Werner,  M.G.F.,  van  Dijk,  M.  and  Schellekens,  J.,  (2004). DELFT­FEWS:  Anopen  shell  flood  forecasting  system,  in  Proceedings  of  the  6th  InternationalConference  on  Hydroinformatics,  Liong,  Phoon  and  Babovi   (Eds.),  WorldScientific Publishing Company, Singapore, 1205­1212.