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


Geschiebetransport

Aktive Hänge

Anstehender Fels

Stufen-Becken Systeme

Grobe Blöcke


Geschiebetransport

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



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