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

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL bersicht Einfhrung Relevanz des Geschiebetransports Prozess Geschiebetransport Geschiebe Der Film Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach Geschiebetransportberechnungen Bewegungsbeginn Transporteffizienz Geschiebetransport in Wildbchen und Gebirgsflssen

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Was ist Geschiebetransport? Zwei Arten des Sedimenttransports in Flssen Schwebstofftransport Korngewicht wird durch turbulente Krfte getragen Kein oder seltener Kontakt mit dem Bett Geschiebetransport Korngewicht wird am Bett getragen Hufiger Kontakt mit dem Bett Ob ein bestimmtes Korn als Schwebstoff oder als Geschiebe transportiert wird, hngt von den Korneigenschaften und der Hydraulik ab

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Einzugsgebietsgrsse / km 2 Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Wasserbau Schleusen, Dmme, Brcken etc. Naturgefahr Bankerosion Sedimentation Wirtschaftsfaktoren Schden in Extremereignissen Stauraumverlust, Splungen Wissenschaftliche Relevanz Sedimenttransfer (Landschaftsentwicklung) Gerinnedynamik Felserosion / Abrasion

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Naturgefahr Whrend eines Hochwassers in Baltschieder wurden mehr als 100000 m 3 Sedimente im Dorf abgelagert Whrend der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2 Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch Geschiebe verursacht Baltschieder, Wallis, 2000

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Schweibbach, Eisten, Wallis: Wasserfassung durch Geschiebetransport beschdigt

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Wissenschaftliche Relevanz Sedimenttransfer Gerinnedynamik Felserosion

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Interaktion verschiedener, komplizierter Prozesse Turbulenter Wasserfluss Grosse Anzahl Teilchen (granulre Prozesse) Interaktion von beiden Feldbeobachtung schwierig / aufwndig Wenige Daten verfgbar Schwierig zu simulieren Probleme der Skalierung

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Zusammenspiel von Gerinnemorphologie, Sedimenttransport und hydrologischen / hydraulischen Prozessen Hydraulik abhngig von Gerinnemorphologie und Hydrologie Transport abhngig von Hydraulik und Gerinnemorphologie Transport formt das Gerinne

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden Bewegungsbeginn Grenzabfluss Topographie Translation Transportdistanz Ablagerung Grenzabfluss Topographie

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess Trinity River Geschiebe Der Film

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Kleines Gebiet (0.7 km 2 ) mit langjhrigen Beobachtungen (>25 Jahre)

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Geschiebesensoren: Geophonsystem Misst Impulse, durch sich bewegende Krner Kalibriert durch Fangkrbe und Sammler Geophonsensoren Geschiebesammler Fangkorb

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Hochwasser im Erlenbach Erlenbach Als das Wasser kam Erlenbach Bigger, Better, Faster

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Transportereignisse im Erlenbach 20th June 2007 9th September 2007 Time / min Discharge / m 3 /s Impulses Discharge Impulses Zeit / Min

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Erlenbach: Geschiebemessungen 2002-2010 1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 Einzelereignisse Abfluss / l/s

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Grosse Streuung Erlenbach: Geschiebemessungen 2002-2010 1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 Einzelereignisse Abfluss / l/s

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Bedload transport predictions for the Erlenbach with three commonly used bedload equations. Measured transport rates Meyer-Peter and Mller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock and Crowe (2003) Discharge Bedload transport rate per unit width / m 2 /s Time / min Discharge / m 3 /s Semi-empirische oder Laborgleichungen Abhngig von Schleppspannungen oder Abfluss und Neigung Es gibt dutzende Gleichungen und es braucht Erfahrung, um zu wissen welche Gleichungen fr bestimmte Bedingungen geeignet sind

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Beispiele: Meyer-Peter & Mller (VAW), 1948 Fernandez Luque & van Beek, 1976

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrsse des Bettmaterials

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl Einsteinzahl Korngrsse des Bettmaterials

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Shieldszahl Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Hydraulischer Radius Korngrsse des Bettmaterials

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Zwei empirische Parameter: Transporteffizienz Grenzwert des Bewegungsbeginns Transporteffizienz Shieldszahl bei Bewegungsbeginn

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung Korngewicht und form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn Shields Diagramm Bewegungsbeginn der Krner aus Experimenten Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns Klarer Trend Streuung (Faktor 2-3)

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn Shields Diagramm Fr voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07) Diese Werte werden hufig fr Rechnungen benutzt

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Grenzabfluss? Abfluss / l/s Erlenbach

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss Grenzwert abhngig von der lokalen Umgebung des Korns Reibungswinkel Herausragung Lokale Hydraulik Abfluss Bewegungs- richtung? Herausragung

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss lokale Topographie Transport wenn Abfluss > Grenzabfluss Bettkonfiguration ndert sich stndig Kein Transport wenn Abfluss < Grenzabfluss Die Bettkonfiguration bei Bewegungsende wird gespeichert Daraus folgt: Abfluss bei Beginn = Abfluss bei Ende vom vorherigen Ereignis

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss lokale Topographie Beginn und Ende des Transports Aus: Turowski et al., GRL 2011

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Transporteffizienz Typischerweise ein Wert um 5 (bei grsseren Flssen) Abhngig von der relativen Abflusstiefe oder Bettneigung Grnde werden erforscht Aus: Rickenmann, WRR 2001

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbchen und Gebirgsflssen Die beobachtete Abweichung ist besonders in steilen Gerinnen wichtig (im Gebirge!) Geschieberechnung fr den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Gemessene Frachten Meyer-Peter und Mller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2 /s Zeit / min Discharge / m 3 /s

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbchen und Gebirgsflssen Gemessene Frachten Meyer-Peter und Mller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss Discharge / m 3 /s Typische Beobachtungen: Vorhersagen sind bei grossen Abflssen besser Hohe Variabilitt der Transportraten Geschieberechnung fr den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2 /s Zeit / min

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbchen und Gebirgsflssen Warum gibt es diese Abweichungen? Sedimentverfgbarkeit Topographie Makrorauigkeit Bettformen Stufen-Becken Systeme Breite Korngrssenverteilung Anstehender Fels

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grobe Blcke Stufen-Becken Systeme Anstehender Fels Aktive Hnge

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Alexander Beer, WSL Sediment supply Transport-limitiert Verfbarkeits-limitiert

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung der Gerinnemorphologie Heterogenes Bett Sediment wird hinter Hlzern, Stufen etc. gespeichert

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung der Gerinnemorphologie Grosse Ereignisse knnen stabile Strukturen im Bett aufbrechen Dies beeinflusst das Transport- verhalten nachhaltig Transporteffizienz Bewegungsbeginn Aus: Turowski et al., ESPL 2009

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Zusammenfassung Geschiebetransport ist wichtig fr das Verstndnis von: Naturgefahren Wasserbau Wissenschaftlichen Fragen Gesellschaft / Wirtschaft allgemein Trotz Forschung seit mehr als 100 Jahren gibt es viele offene Fragen Bewegungsbeginn / Grenzwerte Translation Ablagerung

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Was Sie wissen sollten Grundlegende Geschiebeformeln Einsteinzahl Shieldszahl Grenzwert Shieldsdiagramm Einfluss der lokalen Topographie Transporteffizienz Makrorauigkeit Stufen-Becken Systeme Sedimentverfgbarkeit

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Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit! Fragen?