1 / 43

Geschiebetransport

Geschiebetransport. Vorlesung 1 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011. Jens M. Turowski , Eidg . Forschungsanstalt WSL. Übersicht. Einführung Relevanz des Geschiebetransports Prozess Geschiebetransport Geschiebe – Der Film Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach

kovit
Download Presentation

Geschiebetransport

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 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 Baltschiederwurden mehr als 100‘000 m3Sedimente im Dorf abgelagert • Während der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch Geschiebe verursacht Baltschieder, Wallis, 2000

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

  8. Bedeutung des Geschiebetransports • Wissenschaftliche Relevanz • Sedimenttransfer • Gerinnedynamik • Felserosion

  9. 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

  10. 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

  11. Geschiebetransport als Prozess • Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden • Bewegungsbeginn • Grenzabfluss • Topographie • Translation • Transportdistanz • Ablagerung • Grenzabfluss • Topographie

  12. Geschiebetransport als Prozess • Trinity River • Geschiebe – Der Film

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

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

  15. Hochwasser im Erlenbach • Erlenbach – Als das Wasser kam • Erlenbach – Bigger, Better, Faster

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

  17. Geschiebetransportmessungen • Erlenbach: • Geschiebemessungen 2002-2010 • 1-Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316.5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

  18. Geschiebetransportmessungen Grosse Streuung • Erlenbach: • Geschiebemessungen 2002-2010 • 1-Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316.5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

  19. 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

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

  21. Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

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

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

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

  25. Bewegungsbeginn • Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung • Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

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

  27. Bewegungsbeginn – Shields Diagramm • Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07) • Diese Werte werden häufigfür Rechnungen benutzt

  28. Geschiebetransportmessungen Erlenbach Impulse Grenzabfluss? Abfluss / l/s

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

  30. 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

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

  32. Transporteffizienz • Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren Flüssen…) • Abhängig von derrelativen Abflusstiefe oderBettneigung • Gründe werdenerforscht… Aus: Rickenmann, WRR 2001

  33. 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) Wilcockund Crowe (2003) Abfluss Zeit / min

  34. 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

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

  36. Aktive Hänge Anstehender Fels Stufen-Becken Systeme Grobe Blöcke

  37. Transport-limitiert Verfübarkeits-limitiert Sediment supply Alexander Beer, WSL

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

  39. 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

  40. 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

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

  42. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?

More Related