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

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

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

3 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 Bedeutung des Geschiebetransports
Anteil Schwebstoff Einzugsgebietsgrösse / km2 Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010

5 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 Bedeutung des Geschiebetransports
Naturgefahr Während eines Hochwassers in Baltschieder wurden mehr als 100‘000 m3 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

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8 Bedeutung des Geschiebetransports
Schweibbach, Eisten, Wallis: Wasserfassung durch Geschiebetransport beschädigt

9 Bedeutung des Geschiebetransports
Wissenschaftliche Relevanz Sedimenttransfer Gerinnedynamik Felserosion

10 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 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 als Prozess
Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden Bewegungsbeginn Grenzabfluss Topographie Translation Transportdistanz Ablagerung

13 Geschiebetransport als Prozess
Trinity River Geschiebe – Der Film

14 Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre)

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

16 Hochwasser im Erlenbach
Erlenbach – Als das Wasser kam Erlenbach – Bigger, Better, Faster

17 Transportereignisse im Erlenbach
Discharge Impulses 20th June 2007 Discharge / m3/s Abfluss / m3/s Impulse Impulses 9th September 2007 Zeit / Min Time / min

18 Geschiebetransportmessungen
Erlenbach: Geschiebemessungen 1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

19 Geschiebetransportmessungen
Grosse Streuung Erlenbach: Geschiebemessungen 1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

20 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

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

22 Geschiebetransportberechnungen
Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

23 Geschiebetransportberechnungen
Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Shieldszahl Korngrösse des Bettmaterials

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

25 Geschiebetransportberechnungen
Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl bei Bewegungsbeginn Transporteffizienz Zwei empirische Parameter: Transporteffizienz Grenzwert des Bewegungsbeginns

26 Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung
Bewegungsbeginn Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

27 Bewegungsbeginn – Shields Diagramm
Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns Klarer Trend Streuung (Faktor 2-3)

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

29 Geschiebetransportmessungen
Erlenbach Impulse Grenzabfluss? Abfluss / l/s

30 Grenzabfluss Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des Korns
Reibungswinkel Herausragung Lokale Hydraulik Abfluss Herausragung Bewegungs-richtung?

31 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 Grenzabfluss – lokale Topographie
Beginn und Ende des Transports Aus: Turowski et al., GRL 2011

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

34 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) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Zeit / min

35 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

36 Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen
Warum gibt es diese Abweichungen? Sedimentverfügbarkeit Topographie Makrorauigkeit Bettformen Stufen-Becken Systeme Breite Korngrössenverteilung Anstehender Fels

37 Aktive Hänge Anstehender Fels Stufen-Becken Systeme Grobe Blöcke

38 Sediment supply Transport-limitiert Verfübarkeits-limitiert
Alexander Beer, WSL Sediment supply

39 Bedeutung der Gerinnemorphologie
Heterogenes Bett Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert

40 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 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 Was Sie wissen sollten Grundlegende Geschiebeformeln Einsteinzahl
Shieldszahl Grenzwert Shieldsdiagramm Einfluss der lokalen Topographie Transporteffizienz Makrorauigkeit Stufen-Becken Systeme Sedimentverfügbarkeit

43 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Fragen?