Vorlesung 2 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011

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

2 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 messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

4 Geschiebetransport messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

5 Rückhaltebecken Messung der Volumendifferenzen Robust und einfach
Grobe Auflösung Je nach Grösse und Methode sind minimale Volumenänderungen von ~10-100m3 messbar Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre) Installation und Wartung teuer Rothenbach Steinibach Baltschiederbach

6 Rückhaltebecken Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach

7 Geschiebetransport messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

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

9 Sediment Budgets Beispiel Glattbach (Kt. Bern), Hochwasser 2005 (Murgang)

10 Geschiebetransport messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

11 Fangkörbe Direkte Messung
Man erhält Transportraten und Korngrössenverteilungen Hohe zeitliche Auflösung (10 min) möglich Gefährlich / unmöglich während Spitzenabflüssen Zeitaufwändig (teuer)

12 Fangkörbe Beispiel Fangnetze

13 Fangkörbe Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht

14 Geschiebetransport messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

15 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 Markierte Steine Beispiel RFID Tracer

17 Geschiebetransport messen
Markierte Steine Rückhalte-becken Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets

18 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 Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem
Beispiel: WSL Geophonsystem Stahlplatte 36x50 cm2 Akustisch isoliert Geophon ist im Zentrum fixiert Zeichnet Vibrationen auf

20 Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem
Impulse Quadrierte Integrale Max. Amplitude Impulses Grenzwert

21 Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre) Geschiebetransport wird mit allen fünf Methoden gemessen

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

23 Geophoneichung Lineare Eichfunktion funktioniert gut!
Grössere Streuung für kleinere Messintervalle Lineare Eichfunktion funktioniert gut!

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

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

26 Nutzung der Geophone Geschiebehaushalt Standortvoraussetzungen
Abflussmessungen Eichmöglichkeit Zufahrt Beispiel: Vallon du Nant (in Planung)

27 Geschiebetransportrechnungen
Was müssen wir wissen, um Geschiebefrachten abschätzen zu können? Bach Messen Rechnen

28 Benötigte Kenngrössen
Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Shieldszahl Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials

29 Benötigte Kenngrössen
Querschnittsfläche 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

30 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 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 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 Querschnittsfläche Benetzter Umfang

33 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 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 Messen der benötigten Kenngrössen
Fliessgeschwindigkeit Tracermethoden Dopplergeschwindigkeit Rechnen aus Abfluss (Messung / hydrologische Simulation)

36 Fliessgeschwindigkeit
Mehrere häufig verwendete Gleichungen Chezy / Darcy-Weissbach Manning-Strickler Neigung Hydraulischer Radius Rauigkeitsparameter Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere Gleichungen…

37 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 Abfluss Transporteffizienz Neigung Grenzabfluss Geschiebetransportrate

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

39 Vergleich Felddaten Aus Felddaten K zurückgerechnet
Aus: Rickenmann, WRR 2001

40 Ereignisse 2005 Verteilung von Geschietransportereignissen und Murgängen Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

41 Ereignisse 2005 Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

42 Geophonmessungen Erlenbach
Abfluss-basierte Gleichung ~ parallel Daten für hohe Abflüsse Qc =100 l/s Qc =490 l/s (gemessener Mittelwert)

43 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 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 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 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Fragen?