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

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

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

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

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

Rückhaltebecken Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach

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

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

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

Fangkörbe Beispiel Fangnetze

Fangkörbe Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht

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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

Markierte Steine Beispiel RFID Tracer

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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?

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)

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

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).

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).

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

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

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

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

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

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

Ereignisse 2005 Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

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

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

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?)

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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?