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Geschiebetransport

Geschiebetransport. Vorlesung 1 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011. Jens M. Turowski , Eidg . Forschungsanstalt WSL. Übersicht. Einführung Relevanz des Geschiebetransports Prozess Geschiebetransport Geschiebe – Der Film Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach

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Geschiebetransport

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Presentation Transcript

  1. Geschiebetransport Vorlesung 1 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011 Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSL

  2. Übersicht • Einführung • Relevanz des Geschiebetransports • Prozess Geschiebetransport • Geschiebe – Der Film • Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach • Geschiebetransportberechnungen • Bewegungsbeginn • Transporteffizienz • Geschiebetransport in Wildbächen und Gebirgsflüssen

  3. Was ist Geschiebetransport? • Zwei Arten des Sedimenttransports in Flüssen • Schwebstofftransport • Korngewicht wird durch turbulente Kräfte getragen • Kein oder seltener Kontakt mit dem Bett • Geschiebetransport • Korngewicht wird am Bett getragen • Häufiger Kontakt mit dem Bett • Ob ein bestimmtes Korn als Schwebstoff oder als Geschiebe transportiert wird, hängt von den Korneigenschaften und der Hydraulik ab

  4. Bedeutung des Geschiebetransports Anteil Schwebstoff Einzugsgebietsgrösse / km2 Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010

  5. Bedeutung des Geschiebetransports • Wasserbau • Schleusen, Dämme, Brücken etc. • Naturgefahr • Bankerosion • Sedimentation • Wirtschaftsfaktoren • Schäden in Extremereignissen • Stauraumverlust, Spülungen • Wissenschaftliche Relevanz • Sedimenttransfer (Landschaftsentwicklung) • Gerinnedynamik • Felserosion / Abrasion

  6. Bedeutung des Geschiebetransports • Naturgefahr • Während eines Hochwassers in Baltschiederwurden mehr als 100‘000 m3Sedimente im Dorf abgelagert • Während der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch Geschiebe verursacht Baltschieder, Wallis, 2000

  7. Bedeutung des Geschiebetransports Schweibbach, Eisten, Wallis: Wasserfassung durch Geschiebetransport beschädigt

  8. Bedeutung des Geschiebetransports • Wissenschaftliche Relevanz • Sedimenttransfer • Gerinnedynamik • Felserosion

  9. Geschiebetransport als Prozess • Interaktion verschiedener, komplizierter Prozesse • Turbulenter Wasserfluss • Grosse Anzahl Teilchen (granuläre Prozesse) • Interaktion von beiden • Feldbeobachtung schwierig / aufwändig • Wenige Daten verfügbar • Schwierig zu simulieren • Probleme der Skalierung

  10. Geschiebetransport als Prozess • Zusammenspiel von Gerinnemorphologie, Sedimenttransport und hydrologischen / hydraulischen Prozessen • Hydraulik abhängig von Gerinnemorphologie und Hydrologie • Transport abhängig von Hydraulik und Gerinnemorphologie • Transport formt das Gerinne

  11. Geschiebetransport als Prozess • Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden • Bewegungsbeginn • Grenzabfluss • Topographie • Translation • Transportdistanz • Ablagerung • Grenzabfluss • Topographie

  12. Geschiebetransport als Prozess • Trinity River • Geschiebe – Der Film

  13. Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium • Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre)

  14. Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium • Geschiebesensoren: Geophonsystem • Misst „Impulse“, durch sich bewegende Körner • Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler Geschiebesammler Fangkorb Geophonsensoren

  15. Hochwasser im Erlenbach • Erlenbach – Als das Wasser kam • Erlenbach – Bigger, Better, Faster

  16. Transportereignisse im Erlenbach Discharge Impulses 20th June 2007 Discharge / m3/s Abfluss / m3/s Impulse Impulses 9th September 2007 Time / min Zeit / Min

  17. Geschiebetransportmessungen • Erlenbach: • Geschiebemessungen 2002-2010 • 1-Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316.5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

  18. Geschiebetransportmessungen Grosse Streuung • Erlenbach: • Geschiebemessungen 2002-2010 • 1-Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316.5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

  19. Geschiebetransportberechnungen • Semi-empirische oder Laborgleichungen • Abhängig von Schleppspannungen oder Abfluss und Neigung • Es gibt dutzende Gleichungen und es braucht Erfahrung, um zu wissen welche Gleichungen für bestimmte Bedingungen geeignet sind Bedload transport predictions for the Erlenbach with three commonly used bedload equations. Discharge / m3/s Bedload transport rate per unit width / m2/s Measured transport rates Meyer-Peter and Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock and Crowe (2003) Discharge Time / min

  20. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: • Beispiele: • Meyer-Peter & Müller (VAW), 1948 • Fernandez Luque & van Beek, 1976

  21. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

  22. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Shieldszahl Korngrösse des Bettmaterials

  23. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Shieldszahl Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials

  24. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl bei Bewegungsbeginn Transporteffizienz • Zwei empirische Parameter: • Transporteffizienz • Grenzwert des Bewegungsbeginns

  25. Bewegungsbeginn • Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung • Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

  26. Bewegungsbeginn – Shields Diagramm • Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten • Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns • Klarer Trend • Streuung (Faktor 2-3)

  27. Bewegungsbeginn – Shields Diagramm • Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07) • Diese Werte werden häufigfür Rechnungen benutzt

  28. Geschiebetransportmessungen Erlenbach Impulse Grenzabfluss? Abfluss / l/s

  29. Grenzabfluss • Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des Korns • Reibungswinkel • Herausragung • Lokale Hydraulik Abfluss Herausragung Bewegungs-richtung?

  30. Grenzabfluss – lokale Topographie • Transport wenn Abfluss > Grenzabfluss • Bettkonfiguration ändert sich ständig • Kein Transport wenn Abfluss < Grenzabfluss • Die Bettkonfiguration bei Bewegungsende wird gespeichert • Daraus folgt: Abfluss bei Beginn = Abfluss bei Ende vom vorherigen Ereignis

  31. Grenzabfluss – lokale Topographie • Beginn und Ende des Transports Aus: Turowski et al., GRL 2011

  32. Transporteffizienz • Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren Flüssen…) • Abhängig von derrelativen Abflusstiefe oderBettneigung • Gründe werdenerforscht… Aus: Rickenmann, WRR 2001

  33. Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Die beobachtete Abweichung ist besonders in steilen Gerinnen wichtig (im Gebirge!) Geschieberechnung für den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Discharge / m3/s Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m2/s Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcockund Crowe (2003) Abfluss Zeit / min

  34. Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Typische Beobachtungen: • Vorhersagen sind bei grossen Abflüssen besser • Hohe Variabilität der Transportraten Geschieberechnung für den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Discharge / m3/s Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m2/s Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Zeit / min

  35. Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Warum gibt es diese Abweichungen? • Sedimentverfügbarkeit • Topographie • Makrorauigkeit • Bettformen • Stufen-Becken Systeme • Breite Korngrössenverteilung • Anstehender Fels

  36. Aktive Hänge Anstehender Fels Stufen-Becken Systeme Grobe Blöcke

  37. Transport-limitiert Verfübarkeits-limitiert Sediment supply Alexander Beer, WSL

  38. Bedeutung der Gerinnemorphologie • Heterogenes Bett • Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert

  39. Bedeutung der Gerinnemorphologie • Grosse Ereignisse können stabile Strukturen im Bett aufbrechen • Dies beeinflusst das Transport-verhalten nachhaltig • Transporteffizienz • Bewegungsbeginn Aus: Turowski et al., ESPL 2009

  40. Zusammenfassung • Geschiebetransport ist wichtig für das Verständnis von: • Naturgefahren • Wasserbau • Wissenschaftlichen Fragen • Gesellschaft / Wirtschaft allgemein • Trotz Forschung seit mehr als 100 Jahren gibt es viele offene Fragen • Bewegungsbeginn / Grenzwerte • Translation • Ablagerung

  41. Was Sie wissen sollten • Grundlegende Geschiebeformeln • Einsteinzahl • Shieldszahl • Grenzwert • Shieldsdiagramm • Einfluss der lokalen Topographie • Transporteffizienz • Makrorauigkeit • Stufen-Becken Systeme • Sedimentverfügbarkeit

  42. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?

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