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Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport Vorlesung 2 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011 Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt.

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1 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport Vorlesung 2 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011 Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSL

2 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Übersicht Geschiebetransport messen (mit Beispielen) –Rückhaltebecken –Sediment Budgets –Fangkörbe –Markierte Steine –Indirekte Methoden Notwendige Feldmessungen zu Rechnungen –Gerinnegeometrie –Korngrössen Vergleiche von Felddaten mit Rechnungen

3 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Markierte Steine Rückhalte- becken Indirekte Messungen Sediment Budgets

4 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Markierte Steine Indirekte Messungen Sediment Budgets Rückhalte- becken

5 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Rückhaltebecken Messung der Volumendifferenzen Robust und einfach Grobe Auflösung –Je nach Grösse und Methode sind minimale Volumenänderungen von ~10-100m 3 messbar –Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre) Installation und Wartung teuer Rothenbach SteinibachBaltschiederbach

6 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Rückhaltebecken Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach

7 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Markierte Steine Rückhalte- becken Indirekte Messungen Sediment Budgets

8 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Sediment Budgets Sedimenttransport aus topographischen Unterschieden –Surveys –Laser scans –Lidar von fliegender Plattform Kann grosse Gebiete abdecken Zeitaufwändig und teuer Ungenau, indirekte Messung

9 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Sediment Budgets Beispiel Glattbach (Kt. Bern), Hochwasser 2005 (Murgang)

10 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Markierte Steine Rückhalte- becken Indirekte Messungen Sediment Budgets

11 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fangkörbe Direkte Messung –Man erhält Transportraten und Korngrössenverteilungen Hohe zeitliche Auflösung (10 min) möglich Gefährlich / unmöglich während Spitzenabflüssen Zeitaufwändig (teuer)

12 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fangkörbe Beispiel Fangnetze

13 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fangkörbe Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht

14 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Rückhalte- becken Indirekte Messungen Sediment Budgets Markierte Steine

15 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Markierte Steine Markiere einzelne Steine und verfolge sie entlang des Baches –Passive Tracer (Farbe, Magneten, radio-aktiv, RFID) –Active Tracer (Radio, RFID) Grosse Anzahl benötigt Abhängig von der Wiederauffindung zeitaufwändig

16 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Markierte Steine Beispiel RFID Tracer

17 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Fangkörbe Markierte Steine Rückhalte- becken Indirekte Messungen Sediment Budgets

18 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Indirekte Messungen Man misst die Auswirkungen des Transports, nicht den Transport selbst –Geräusche (akustische Messungen) –Aufschläge –Störung in einem Feld (magnetisch) –Sonar Hohe zeitliche Auflösung möglich Häufig Eigenbau, keine kommerzielle Lösung Daten direkt verfügbar Kalibrierung mit direkten Methoden notwendig

19 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem Beispiel: WSL Geophonsystem Stahlplatte 36x50 cm 2 –Akustisch isoliert Geophon ist im Zentrum fixiert –Zeichnet Vibrationen auf

20 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem Impulse Quadrierte Integrale Max. Amplitude Impulses Grenzwert

21 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Kleines Gebiet (0.7 km 2 ) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre) Geschiebetransport wird mit allen fünf Methoden gemessen

22 Geschiebetransport 2 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

23 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geophoneichung Grössere Streuung für kleinere Messintervalle Lineare Eichfunktion funktioniert gut!

24 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Nutzung der Geophone Forschung –Standortvoraussetzungen Abflussmessungen Eichmöglichkeit (direkte Messungen) Zufahrt (zugänglich) Stromversorgung –Beispiel: Erlenbach Aus: Turowski und andere, WEL 2008

25 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Nutzung der Geophone Warnung / Prävention –Standortvoraussetzungen Geeigneter Ort zum Einbau –Beispiel: Schweibbach (Eisten) Aus: Turowski und andere, WEL 2008

26 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Nutzung der Geophone Geschiebehaushalt –Standortvoraussetzungen Abflussmessungen Eichmöglichkeit Zufahrt –Beispiel: Vallon du Nant (in Planung)

27 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportrechnungen Was müssen wir wissen, um Geschiebefrachten abschätzen zu können? Bach Messen Rechnen

28 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Benötigte Kenngrössen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials

29 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Benötigte Kenngrössen Gerinnemorphologie –Neigung (Längsprofil) –Hydraulischer Radius (Querprofil) Definiert als Querschnittsfläche durch benetzten Umfang Median Korngrösse –Eventuell andere Kenngrössen der Körner Abfluss / Pegel / Fliessgeschwindigkeit –Rauigkeit Benetzter Umfang Querschnittsfläche

30 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Gerinneneigung –Von topographischen Karten oder digitalen Geländemodellen. –Mit Neigungsmessgeräten. –Mit Nivelliergerät oder Theodolit. –Problem: vor allem Skala Über welche Distanz sollte die Neigung gemessen werden? Stromauf? Stromab?

31 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Querschnittsgeometrie –Mit Nivelliergerät oder Theodolit –Mit einem Laserdistanzmesser oder ähnlichem Gerät –Durch Abstechen von einer horizontalen Referenzlinie (z.B. der Wasserspiegel in grösseren Flüssen, von einer Brücke oder von einer waagerecht über das Gerinne gespannten Schnur)

32 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Querschnittsgeometrie –In heterogenen Flüssen (z.B. Wildbächen) sollten mehrere Querprofile gemessen und gemittelt werden –Eine wirklich gute Methode wird noch gesucht… –Der hydraulische Radius kann aus der Geometrie errechnet werden Benetzter Umfang Querschnittsfläche

33 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Korngrössenverteilung –Volumenprobe mittels Siebanalyse (mindestens 150 kg; bestimmt Verteilung der Unterschicht; aufwendig aber relativ genau). –Flächen- oder Rasterprobe (mindestens ~300 Partikel; benötigt grössere freie Fläche; in vielen Wildbächen deswegen nicht möglich).

34 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Korngrössenverteilung –Linienprobe (mindestens ~300 Partikel; einfach und schnell; muss aber mit empirischer Formel auf Volumen umgerechnet werden und ist daher ungenauer). –Fotografische Methoden (schnell im Feld, aber zeitaufwendig in der Analyse; unterschätzt die Korngrössen typischerweise).

35 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen Fliessgeschwindigkeit –Tracermethoden –Dopplergeschwindigkeit –Rechnen aus Abfluss (Messung / hydrologische Simulation)

36 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fliessgeschwindigkeit Mehrere häufig verwendete Gleichungen Chezy / Darcy-WeissbachManning-Strickler Neigung Hydraulischer Radius Rauigkeitsparameter Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere Gleichungen…

37 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Abflussbasierte Geschiebeformeln Im Folgenden wird auch eine abflussbasierte Geschiebeformel verwendet –Empirisch, geht auf Schoklitsch (1962) zurück –Kann (approximativ) aus der Shields-basierten Gleichung hergeleitet werden Geschiebetransportrate Abfluss Grenzabfluss Transporteffizienz Neigung

38 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Abflussbasierte Geschiebeformeln Vorteile: –Geometrie, Korngrössen etc. fliessen über die empirische Konstante K ein –Ist linear im Abfluss, kann leicht für ein Ereignis integriert werden Geschiebetransportrate Abfluss Grenzabfluss Transporteffizienz Neigung

39 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Vergleich Felddaten Aus Felddaten K zurückgerechnet Aus: Rickenmann, WRR 2001

40 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Ereignisse 2005 Verteilung von Geschietransportereignissen und Murgängen Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

41 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Ereignisse 2005 Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

42 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geophonmessungen Erlenbach Q c =490 l/s (gemessener Mittelwert) Abfluss-basierte Gleichung ~ parallel Daten für hohe Abflüsse Q c =100 l/s

43 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Zusammenfassung I Geschiebetransportraten können mit fünf Methoden gemessen werden –Rückhaltebecken –Sediment Budgets –Fangkörbe –Markierte Steine –Indirekte Methoden Zum Berechnen der Transportraten benötigt man –Neigung –Abfluss –Gerinnegeometrie

44 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Zusammenfassung II Abflussbasierte Geschiebegleichungen funktionieren recht gut bei –Kleinen Neigungen –Grossen Abflüssen Starke Streuung bei kleinen Abfüssen (nahe des Grenzabflusses) Fluviale Transportereignisse und Murgänge liegen auf einer Trendlinie bezüglich der Gesamtfracht (kontinuierlicher Übergang?)

45 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Was Sie wissen sollten Geschiebetransportmessungen –Fünf Methoden –Vor- und Nachteile –Beispiele Benötigte Parameter –Geometrie, Korngrössen, Abfluss –Und wie man sie messen kann Abfluss-basierte Geschiebegleichungen

46 Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?


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