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Geschiebetransport

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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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Presentation Transcript
geschiebetransport

Geschiebetransport

Vorlesung 1 für

Hydro 1 (Rolf Weingartner)

26. Oktober 2011

Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSL

bersicht
Übersicht
  • Einführung
    • Relevanz des Geschiebetransports
  • Prozess Geschiebetransport
    • Geschiebe – Der Film
  • Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach
  • Geschiebetransportberechnungen
    • Bewegungsbeginn
    • Transporteffizienz
  • Geschiebetransport in Wildbächen und Gebirgsflüssen
was ist geschiebetransport
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
bedeutung des geschiebetransports
Bedeutung des Geschiebetransports

Anteil Schwebstoff

Einzugsgebietsgrösse / km2

Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010

bedeutung des geschiebetransports1
Bedeutung des Geschiebetransports
  • Wasserbau
    • Schleusen, Dämme, Brücken etc.
  • Naturgefahr
    • Bankerosion
    • Sedimentation
  • Wirtschaftsfaktoren
    • Schäden in Extremereignissen
    • Stauraumverlust, Spülungen
  • Wissenschaftliche Relevanz
    • Sedimenttransfer (Landschaftsentwicklung)
    • Gerinnedynamik
    • Felserosion / Abrasion
bedeutung des geschiebetransports2
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

bedeutung des geschiebetransports3
Bedeutung des Geschiebetransports

Schweibbach, Eisten, Wallis:

Wasserfassung durch Geschiebetransport beschädigt

bedeutung des geschiebetransports4
Bedeutung des Geschiebetransports
  • Wissenschaftliche Relevanz
    • Sedimenttransfer
    • Gerinnedynamik
    • Felserosion
geschiebetransport als prozess
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
geschiebetransport als prozess1
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
geschiebetransport als prozess2
Geschiebetransport als Prozess
  • Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden
    • Bewegungsbeginn
      • Grenzabfluss
      • Topographie
    • Translation
      • Transportdistanz
    • Ablagerung
      • Grenzabfluss
      • Topographie
geschiebetransport als prozess3
Geschiebetransport als Prozess
  • Trinity River
    • Geschiebe – Der Film
erlenbach alptal kt schwyz wsl observatorium
Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
  • Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre)
erlenbach alptal kt schwyz wsl observatorium1
Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
  • Geschiebesensoren: Geophonsystem
    • Misst „Impulse“, durch sich bewegende Körner
    • Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler

Geschiebesammler

Fangkorb

Geophonsensoren

hochwasser im erlenbach
Hochwasser im Erlenbach
  • Erlenbach – Als das Wasser kam
  • Erlenbach – Bigger, Better, Faster
transportereignisse im erlenbach
Transportereignisse im Erlenbach

Discharge

Impulses

20th June 2007

Discharge / m3/s

Abfluss / m3/s

Impulse

Impulses

9th September 2007

Time / min

Zeit / Min

geschiebetransportmessungen
Geschiebetransportmessungen
  • Erlenbach:
  • Geschiebemessungen 2002-2010
  • 1-Minutendaten
  • 18990 Messpunkte
  • 316.5 Stunden
  • 128 Einzelereignisse

Impulse

Abfluss / l/s

geschiebetransportmessungen1
Geschiebetransportmessungen

Grosse Streuung

  • Erlenbach:
  • Geschiebemessungen 2002-2010
  • 1-Minutendaten
  • 18990 Messpunkte
  • 316.5 Stunden
  • 128 Einzelereignisse

Impulse

Abfluss / l/s

geschiebetransportberechnungen
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

geschiebetransportberechnungen1
Geschiebetransportberechnungen
  • Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  • Beispiele:
    • Meyer-Peter & Müller (VAW), 1948
    • Fernandez Luque & van Beek, 1976
geschiebetransportberechnungen2
Geschiebetransportberechnungen
  • Viele einfache Transportformeln haben die Form:

Einsteinzahl

Korngrösse des Bettmaterials

geschiebetransportberechnungen3
Geschiebetransportberechnungen
  • Viele einfache Transportformeln haben die Form:

Einsteinzahl

Shieldszahl

Korngrösse des Bettmaterials

geschiebetransportberechnungen4
Geschiebetransportberechnungen
  • Viele einfache Transportformeln haben die Form:

Einsteinzahl

Schleppspannung

Bettneigung

Shieldszahl

Hydraulischer Radius

Korngrösse des Bettmaterials

geschiebetransportberechnungen5
Geschiebetransportberechnungen
  • Viele einfache Transportformeln haben die Form:

Shieldszahl bei Bewegungsbeginn

Transporteffizienz

  • Zwei empirische Parameter:
    • Transporteffizienz
    • Grenzwert des Bewegungsbeginns
bewegungsbeginn
Bewegungsbeginn
  • Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung
    • Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik
bewegungsbeginn shields diagramm
Bewegungsbeginn – Shields Diagramm
  • Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten
    • Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns
    • Klarer Trend
    • Streuung (Faktor 2-3)
bewegungsbeginn shields diagramm1
Bewegungsbeginn – Shields Diagramm
  • Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07)
  • Diese Werte werden häufigfür Rechnungen benutzt
geschiebetransportmessungen2
Geschiebetransportmessungen

Erlenbach

Impulse

Grenzabfluss?

Abfluss / l/s

grenzabfluss
Grenzabfluss
  • Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des Korns
    • Reibungswinkel
    • Herausragung
    • Lokale Hydraulik

Abfluss

Herausragung

Bewegungs-richtung?

grenzabfluss lokale topographie
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
grenzabfluss lokale topographie1
Grenzabfluss – lokale Topographie
  • Beginn und Ende des Transports

Aus: Turowski et al., GRL 2011

transporteffizienz
Transporteffizienz
  • Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren Flüssen…)
  • Abhängig von derrelativen Abflusstiefe oderBettneigung
  • Gründe werdenerforscht…

Aus: Rickenmann, WRR 2001

geschiebe in wildb chen und gebirgsfl ssen
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

geschiebe in wildb chen und gebirgsfl ssen1
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

geschiebe in wildb chen und gebirgsfl ssen2
Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen
  • Warum gibt es diese Abweichungen?
    • Sedimentverfügbarkeit
    • Topographie
      • Makrorauigkeit
      • Bettformen
        • Stufen-Becken Systeme
      • Breite Korngrössenverteilung
      • Anstehender Fels
slide37

Aktive Hänge

Anstehender Fels

Stufen-Becken Systeme

Grobe Blöcke

slide38

Transport-limitiert

Verfübarkeits-limitiert

Sediment supply

Alexander Beer, WSL

bedeutung der gerinnemorphologie
Bedeutung der Gerinnemorphologie
  • Heterogenes Bett
  • Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert
bedeutung der gerinnemorphologie1
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

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