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

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

2 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Übersicht Einführung –Relevanz des Geschiebetransports Prozess Geschiebetransport –Geschiebe – Der Film Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach Geschiebetransportberechnungen –Bewegungsbeginn –Transporteffizienz Geschiebetransport in Wildbächen und Gebirgsflüssen

3 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Einzugsgebietsgrösse / km 2 Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010

5 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Naturgefahr –Während eines Hochwassers in Baltschieder wurden mehr als m 3 Sedimente im Dorf abgelagert –Während der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2 Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch Geschiebe verursacht Baltschieder, Wallis, 2000

7 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL

8 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Schweibbach, Eisten, Wallis: Wasserfassung durch Geschiebetransport beschädigt

9 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Wissenschaftliche Relevanz –Sedimenttransfer –Gerinnedynamik –Felserosion

10 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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

11 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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

12 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden –Bewegungsbeginn Grenzabfluss Topographie –Translation Transportdistanz –Ablagerung Grenzabfluss Topographie

13 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Trinity River –Geschiebe – Der Film

14 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Kleines Gebiet (0.7 km 2 ) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre)

15 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Geschiebesensoren: Geophonsystem –Misst Impulse, durch sich bewegende Körner –Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler Geophonsensoren Geschiebesammler Fangkorb

16 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Hochwasser im Erlenbach Erlenbach – Als das Wasser kam Erlenbach – Bigger, Better, Faster

17 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Transportereignisse im Erlenbach 20th June th September 2007 Time / min Discharge / m 3 /s Impulses Discharge Impulses Zeit / Min

18 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Erlenbach: Geschiebemessungen Minutendaten Messpunkte Stunden 128 Einzelereignisse Abfluss / l/s

19 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Grosse Streuung Erlenbach: Geschiebemessungen Minutendaten Messpunkte Stunden 128 Einzelereignisse Abfluss / l/s

20 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Bedload transport predictions for the Erlenbach with three commonly used bedload equations. Measured transport rates Meyer-Peter and Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock and Crowe (2003) Discharge Bedload transport rate per unit width / m 2 /s Time / min Discharge / m 3 /s 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

21 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Beispiele: –Meyer-Peter & Müller (VAW), 1948 –Fernandez Luque & van Beek, 1976

22 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

23 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

24 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials

25 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Zwei empirische Parameter: –Transporteffizienz –Grenzwert des Bewegungsbeginns Transporteffizienz Shieldszahl bei Bewegungsbeginn

26 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung –Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

27 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn – Shields Diagramm Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten –Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns –Klarer Trend –Streuung (Faktor 2-3)

28 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn – Shields Diagramm Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant ( ) Diese Werte werden häufig für Rechnungen benutzt

29 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Grenzabfluss? Abfluss / l/s Erlenbach

30 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des Korns –Reibungswinkel –Herausragung –Lokale Hydraulik Abfluss Bewegungs- richtung? Herausragung

31 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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

32 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss – lokale Topographie Beginn und Ende des Transports Aus: Turowski et al., GRL 2011

33 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Transporteffizienz Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren Flüssen…) Abhängig von der relativen Abflusstiefe oder Bettneigung Gründe werden erforscht… Aus: Rickenmann, WRR 2001

34 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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. Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2 /s Zeit / min Discharge / m 3 /s

35 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Discharge / m 3 /s Typische Beobachtungen: –Vorhersagen sind bei grossen Abflüssen besser –Hohe Variabilität der Transportraten Geschieberechnung für den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2 /s Zeit / min

36 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen Warum gibt es diese Abweichungen? –Sedimentverfügbarkeit –Topographie Makrorauigkeit Bettformen –Stufen-Becken Systeme Breite Korngrössenverteilung Anstehender Fels

37 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grobe Blöcke Stufen-Becken Systeme Anstehender Fels Aktive Hänge

38 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Alexander Beer, WSL Sediment supply Transport-limitiert Verfübarkeits-limitiert

39 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung der Gerinnemorphologie Heterogenes Bett Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert

40 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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

41 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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

42 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Was Sie wissen sollten Grundlegende Geschiebeformeln –Einsteinzahl –Shieldszahl –Grenzwert Shieldsdiagramm Einfluss der lokalen Topographie –Transporteffizienz Makrorauigkeit Stufen-Becken Systeme Sedimentverfügbarkeit

43 Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?


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