Einfhrung zum Geschiebetransport

GeschiebetransportVorlesung 1 frHydro 1 (Rolf Weingartner)26. Oktober 2011

Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSLGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLbersichtEinfhrungRelevanz des GeschiebetransportsProzess GeschiebetransportGeschiebe Der FilmTypische Beobachtung am Beispiel ErlenbachGeschiebetransportberechnungenBewegungsbeginnTransporteffizienzGeschiebetransport in Wildbchen und Gebirgsflssen

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLWas ist Geschiebetransport?Zwei Arten des Sedimenttransports in FlssenSchwebstofftransportKorngewicht wird durch turbulente Krfte getragenKein oder seltener Kontakt mit dem BettGeschiebetransportKorngewicht wird am Bett getragenHufiger Kontakt mit dem BettOb ein bestimmtes Korn als Schwebstoff oder als Geschiebe transportiert wird, hngt von den Korneigenschaften und der Hydraulik abGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

Bedeutung des GeschiebetransportsEinzugsgebietsgrsse / km2Anteil SchwebstoffAus: Turowski et al., Sedimentology 2010Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung des GeschiebetransportsWasserbauSchleusen, Dmme, Brcken etc.NaturgefahrBankerosionSedimentationWirtschaftsfaktorenSchden in ExtremereignissenStauraumverlust, SplungenWissenschaftliche RelevanzSedimenttransfer (Landschaftsentwicklung)GerinnedynamikFelserosion / Abrasion

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung des GeschiebetransportsNaturgefahrWhrend eines Hochwassers in Baltschieder wurden mehr als 100000 m3 Sedimente im Dorf abgelagertWhrend der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2 Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch Geschiebe verursacht

Baltschieder, Wallis, 2000Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung des Geschiebetransports

Schweibbach, Eisten, Wallis:Wasserfassung durch Geschiebetransport beschdigtGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung des GeschiebetransportsWissenschaftliche RelevanzSedimenttransferGerinnedynamikFelserosion

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransport als ProzessInteraktion verschiedener, komplizierter ProzesseTurbulenter WasserflussGrosse Anzahl Teilchen (granulre Prozesse)Interaktion von beidenFeldbeobachtung schwierig / aufwndigWenige Daten verfgbarSchwierig zu simulierenProbleme der Skalierung

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransport als ProzessZusammenspiel von Gerinnemorphologie, Sedimenttransport und hydrologischen / hydraulischen ProzessenHydraulik abhngig von Gerinnemorphologie und HydrologieTransport abhngig von Hydraulik und GerinnemorphologieTransport formt das Gerinne

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransport als ProzessDie Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werdenBewegungsbeginnGrenzabflussTopographieTranslationTransportdistanzAblagerungGrenzabflussTopographie

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransport als ProzessTrinity RiverGeschiebe Der FilmGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLErlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL ObservatoriumKleines Gebiet (0.7 km2) mit langjhrigen Beobachtungen (>25 Jahre)

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLErlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL ObservatoriumGeschiebesensoren: GeophonsystemMisst Impulse, durch sich bewegende KrnerKalibriert durch Fangkrbe und Sammler

GeophonsensorenGeschiebesammlerFangkorbGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLHochwasser im ErlenbachErlenbach Als das Wasser kamErlenbach Bigger, Better, Faster

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLTransportereignisse im Erlenbach

20th June 20079th September 2007Time / minDischarge / m3/sImpulsesDischargeImpulsesZeit / MinImpulseAbfluss / m3/sGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

GeschiebetransportmessungenErlenbach:Geschiebemessungen 2002-2010

1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 EinzelereignisseAbfluss / l/sImpulseGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportmessungen

Grosse StreuungErlenbach:Geschiebemessungen 2002-2010

1-Minutendaten 18990 Messpunkte 316.5 Stunden 128 EinzelereignisseAbfluss / l/sImpulseGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportberechnungenBedload transport predictions for the Erlenbach with three commonly used bedload equations.

Measured transport ratesMeyer-Peter and Mller (1948)Rickenmann (1991)Wilcock and Crowe (2003)DischargeBedload transport rate per unit width / m2/sTime / minDischarge / m3/sSemi-empirische oder LaborgleichungenAbhngig von Schleppspannungen oder Abfluss und NeigungEs gibt dutzende Gleichungen und es braucht Erfahrung, um zu wissen welche Gleichungen fr bestimmte Bedingungen geeignet sindGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportberechnungenViele einfache Transportformeln haben die Form:

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

EinsteinzahlKorngrsse des BettmaterialsGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportberechnungenViele einfache Transportformeln haben die Form:

ShieldszahlEinsteinzahlKorngrsse des BettmaterialsGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportberechnungenViele einfache Transportformeln haben die Form:

ShieldszahlEinsteinzahlSchleppspannungBettneigungHydraulischer RadiusKorngrsse des BettmaterialsGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportberechnungenViele einfache Transportformeln haben die Form:

Zwei empirische Parameter:TransporteffizienzGrenzwert des Bewegungsbeginns TransporteffizienzShieldszahl bei BewegungsbeginnGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBewegungsbeginn

Gravitation, hydraulischer Lift, ReibungKorngewicht und form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBewegungsbeginn Shields DiagrammBewegungsbeginn der Krner aus ExperimentenShieldszahl gegen Reynoldszahl des KornsKlarer TrendStreuung (Faktor 2-3)

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBewegungsbeginn Shields DiagrammFr voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07)Diese Werte werden hufigfr Rechnungen benutzt

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebetransportmessungen

Grenzabfluss?Abfluss / l/sImpulse

ErlenbachGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGrenzabflussGrenzwert abhngig von der lokalen Umgebung des KornsReibungswinkelHerausragungLokale Hydraulik

AbflussBewegungs-richtung?HerausragungGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGrenzabfluss lokale TopographieTransport wenn Abfluss > GrenzabflussBettkonfiguration ndert sich stndig

Kein Transport wenn Abfluss < GrenzabflussDie Bettkonfiguration bei Bewegungsende wird gespeichert

Daraus folgt: Abfluss bei Beginn = Abfluss bei Ende vom vorherigen EreignisGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGrenzabfluss lokale TopographieBeginn und Ende des Transports

Aus: Turowski et al., GRL 2011Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLTransporteffizienzTypischerweise ein Wert um 5 (bei grsseren Flssen)Abhngig von derrelativen Abflusstiefe oderBettneigungGrnde werdenerforscht

Aus: Rickenmann, WRR 2001Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebe in Wildbchen und GebirgsflssenDie beobachtete Abweichung ist besonders in steilen Gerinnen wichtig (im Gebirge!)Geschieberechnung fr den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln.

Gemessene FrachtenMeyer-Peter und Mller (1948)Rickenmann (1991)Wilcock und Crowe (2003)AbflussGeschiebefracht pro Einheitsbreite / m2/sZeit / minDischarge / m3/sGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebe in Wildbchen und Gebirgsflssen

Gemessene FrachtenMeyer-Peter und Mller (1948)Rickenmann (1991)Wilcock und Crowe (2003)AbflussDischarge / m3/sTypische Beobachtungen:Vorhersagen sind bei grossen Abflssen besserHohe Variabilitt der TransportratenGeschieberechnung fr den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln.Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m2/sZeit / minGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLGeschiebe in Wildbchen und GebirgsflssenWarum gibt es diese Abweichungen?SedimentverfgbarkeitTopographieMakrorauigkeitBettformenStufen-Becken SystemeBreite KorngrssenverteilungAnstehender Fels

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

Grobe BlckeStufen-Becken SystemeAnstehender FelsAktive HngeGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

Alexander Beer, WSLSediment supply

Transport-limitiertVerfbarkeits-limitiertGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung der GerinnemorphologieHeterogenes BettSediment wird hinter Hlzern, Stufen etc. gespeichert

Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLBedeutung der GerinnemorphologieGrosse Ereignisse knnen stabile Strukturen im Bett aufbrechenDies beeinflusst das Transport-verhalten nachhaltigTransporteffizienzBewegungsbeginn

Aus: Turowski et al., ESPL 2009Geschiebetransport 1Jens Turowski, WSLZusammenfassungGeschiebetransport ist wichtig fr das Verstndnis von:NaturgefahrenWasserbauWissenschaftlichen FragenGesellschaft / Wirtschaft allgemeinTrotz Forschung seit mehr als 100 Jahren gibt es viele offene FragenBewegungsbeginn / GrenzwerteTranslationAblagerungGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSLWas Sie wissen solltenGrundlegende GeschiebeformelnEinsteinzahlShieldszahlGrenzwertShieldsdiagrammEinfluss der lokalen TopographieTransporteffizienzMakrorauigkeitStufen-Becken SystemeSedimentverfgbarkeitGeschiebetransport 1Jens Turowski, WSL

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