Geschiebetransport

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

Rückhaltebecken • Messung der Volumendifferenzen • Robust und einfach • Grobe Auflösung • Je nach Grösse und Methode sind minimale Volumenänderungen von ~10-100m3messbar • Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre) • Installation und Wartung teuer Steinibach Baltschiederbach Rothenbach

Rückhaltebecken • Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach

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)

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

Markierte Steine • Markiere einzelne Steine und verfolge sie entlang des Baches • Passive Tracer (Farbe, Magneten, radio-aktiv, RFID) • ActiveTracer (Radio, RFID) • Grosse Anzahl benötigt • Abhängig von der Wiederauffindung • zeitaufwändig

Markierte Steine • Beispiel RFID Tracer

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 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? Messen Bach 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 dieNeigung gemessen werden? • Stromauf? Stromab?

Messen der benötigten Kenngrössen • Querschnittsgeometrie • Mit Nivelliergerät oderTheodolit • Mit einem Laserdistanzmesseroder ähnlichem Gerät • Durch Abstechen von einerhorizontalen 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) solltenmehrere Querprofile gemessenund gemittelt werden • Eine wirklich gute Methodewird 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?

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