Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter

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1 Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter Praxishilfe Projekt A-691, V1.0 März 2013 Lehmann Hydrologie-Wasserbau

2 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 2 Impressum Auftraggeber Bundesamt für Umwelt (BAFU) Abteilungen Wasser, Gefahrenprävention, Hydrologie Papiermühlestrasse Bern Das BAFU ist ein Amt des Eidg. Departements für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) Auftragnehmer Teil B: Teil C: Hunziker, Zarn & Partner AG Ingenieurbüro für Fluss- und Wasserbau Schachenallee Aarau Dr. Christoph Lehmann Hydrologie Wasserbau Moosstrasse 8a 3322 Urtenen Schönbühl belop gmbh Ingenieure und Naturgefahrenfachleute Tulpenweg 2 CH-6060 Sarnen Autoren Teil B: Teil C: Kontaktperson: Dr. Roni Hunziker Tel.: Mail: roni.hunziker@hzp.ch Kontaktperson: Dr. Christoph Lehmann Tel.: Mail: hydrologie@solnet.ch Kontaktperson: Dr. Eva Gertsch Tel.: Mail: info@belop.ch Projektleitung Georg Heim, Abteilung Wasser, Bundesamt für Umwelt, Tel.: , Mail: georg.heim@bafu.admin.ch Begleitgruppe Manuel Epprecht, Abteilung Gefahrenprävention, Bundesamt für Umwelt Dr. Alessandro Grasso, Abteilung Hydrologie, Bundesamt für Umwelt Manfred Kummer, Abteilung Wasser, Bundesamt für Umwelt PD Dr. Martin Jäggi, Hydraulik und Flussmorphologie Dr. Christian Marti, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft, Zürich Prof. Dr. Dieter Rickenmann, eidg. Forschungsinstitut für Wald, Schnee, Landschaft WSL Prof. Dr. Manfred Spreafico, Abteilung Hydrologie, Bundesamt für Umwelt

3 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 3 Hinweis Diese Studie/dieser Bericht wurde im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) verfasst. Für den Inhalt ist allein der Auftragnehmer verantwortlich. Gliederung des Berichtes Teil A Teil B Teil C Auswahl der relevanten Seitenbäche Methode der Transportkapazität Methode Geschiebeabschätzung in steilen Bächen

4 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 4 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Relevanz der Praxishilfe Was beabsichtigt die Praxishilfe? Zielgruppen Aufbau der Praxishilfe 7 2 Auswahl der relevanten Seitenbäche 8 3 Methodenwahl für die Geschiebeabschätzung 9 4 Einleitung zur Methode der Transportkapazität 10 5 Entwicklung der Methode 11 6 Anleitung zur Methode der Transportkapazität Übersicht Schritt 1: Festlegung der Referenzstrecke Schritt 2a: Bestimmung der Charakteristiken der Referenzstrecke Schritt 2b: Bestimmung der Dauerkurven Schritt 3: Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefracht 26 7 Verifikation der Methode 27 8 Schlussfolgerungen 30 9 Einleitung zur Methode Geschiebeabschätzung in steilen Bächen Entwicklung der Methode Prozesse häufiger Ereignisse bis zum Kegelhals Prozesse vom Kegelhals bis zum Vorfluter Anleitung zur Methode Geschiebeabschätzung in steilen Bächen Übersicht Erhebung der Geschiebefrachten Verluste auf Kegel oder auf einer Flachstrecke Bilanzierung bis Vorfluter Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefracht Gm in den Vorfluter Validierung und Schlussfolgerungen 50

5 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 5 Anhang Anhang A Literaturverzeichnis 52 Anhang B Abbildungsverzeichnis 54 Anhang C Berechnungsformeln 56 Anhang D Generierung von Dauerkurven 58 Anhang E Anwendungsbeispiel der Methode der Transportkapazität 70 Anhang F Sensitivität der Ergebnisse auf die Eingabeparameter 78 Anhang G Datentabellen der Berechnungen 82 Anhang H Darstellung von Längsprofilen zur Definition von Referenzstrecken 84

6 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 6 1 Einführung 1.1 Relevanz der Praxishilfe Die Geschiebeführung in den Schweizer Fliessgewässern wird durch Anlagen wie Kraftwerke, Kiesentnahmen und Gewässerverbauungen vielerorts beeinträchtigt, was zu Defiziten in den Bereichen Ökologie, Grundwasser- und Hochwasserschutz führt. Gewässerschutzgesetz Durch das revidierte Gewässerschutzgesetz (GSchG) werden die Inhaber dieser Anlagen verpflichtet, den Geschiebehaushalt zu sanieren. Die Kantone sind angehalten, im Rahmen von strategischen Sanierungsplanungen wesentliche Beeinträchtigungen der Geschiebeführung und die verursachenden Anlagen zu definieren. Die Kantone werden dabei vom Bund durch die Vollzugshilfe Renaturierung der Gewässer mit dem Modul Strategische Planung Sanierung Geschiebehaushalt unterstützt. Wasserbaugesetz Das Bundesgesetz über den Wasserbau (WBG) bezweckt den Schutz von Menschen und erheblichen Sachwerten vor schädlichen Auswirkungen des Wassers, insbesondere vor Überschwemmungen. Diese können durch Geschiebeverlagerungsprozesse mit verursacht werden. Anlagenbedingte Veränderungen der Geschiebeführung können durch Erosions- und Auflandungsprozesse Hochwasserschutzdefizite generieren oder diese verschärfen. Im Hinblick auf eine künftige Sanierung des Geschiebehaushaltes sind Kenntnisse der mittleren jährlichen Geschiebeeinträge von Seitenbächen in Vorfluter notwendig, sowohl für den naturnahen Zustand 1 wie für den IST- Zustand mit geschiebebeeinflussenden Anlagen. Das BAFU (Abteilungen Wasser, Hydrologie, Gefahrenprävention) hat aus diesem Grund zusammen mit privaten Ingenieurbüros, Forschungsvertretern und kantonalen Fachkräften die vorliegende Praxishilfe entwickelt. 1.2 Was beabsichtigt die Praxishilfe? Es existieren etablierte feld- und schreibtisch-basierte Methoden zur Abschätzung des Geschiebepotenzials in Einzugsgebieten und zur 1 Der naturnahe Zustand umfasst die Geschiebeführung und die Flussmorphologie vor den bedeutenden anthropogenen Eingriffen (Stand ca. 1900) unter Betrachtung der heutigen klimatischen und topographischen Bedingungen. Ausnahmen sind historische, unveränderliche Gewässerverbauungen (z.b. Kander-Durchstich). Die Praxishilfe konzentriert sich aber ausschliesslich auf den aktuellen Zustand.

7 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 7 Bestimmung ereignisbezogener Geschiebefrachten am Kegelhals. Für die Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in einen Vorfluter, welche zur Erfüllung der Forderungen der Wasserbau- und der Gewässerschutzverordnung bekannt sein muss, existieren aber keine entsprechenden Methoden. Diese Praxishilfe umfasst eine Anleitung, um mittels Auswertung verfügbarer Geodaten und einer punktuellen Geländebegehung mit verhältnismässigem Aufwand die Grössenordnung von mittleren jährlichen Geschiebelieferungen in Vorfluter abschätzen zu können. Die Resultate sollen zudem zur Plausibilisierung von Geschiebeabschätzungen im Rahmen von Geschiebehaushaltsstudien herangezogen werden können. 1.3 Zielgruppen Die Methodik richtet sich an Fachkräfte, welche mit der Abschätzung von Geschiebefrachten vertraut sind, sei es im Rahmen von Gefahrenbeurteilungen oder ökologischen Fragestellungen. 1.4 Aufbau der Praxishilfe In der vorliegenden Praxishilfe werden das Vorgehen zur Definition geschieberelevanter Bäche (Teil A) sowie zwei Methoden zur Bestimmung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung der Seitenbäche in Vorfluter vorgeschlagen (Teile B und C). Der Teil B stellt die Methode der Transportkapazität vor, welche bei Gefällsverhältnissen bis 10% vorgeschlagen wird. Der Teil C beinhaltet das Verfahren "Geschiebeabschätzung in steilen Bächen", welche bei Gefällsverhältnissen über 10 % Anwendung findet. Nach einer kurzen Einführung in die jeweilige Methodik wird der Berechnungsablauf erläutert, ohne auf alle Details der einzelnen Parameter einzugehen. Teil B beinhaltet einen Anhang, in welchem Grundlagen, Berechnungsvorgehen und Anwendungsbeispiele vorgestellt werden.

8 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 8 Teil A 2 Auswahl der relevanten Seitenbäche Um die Geschiebeführung eines Vorfluters ermitteln zu können, müssen die relevanten Geschiebezulieferer bekannt sein. Bäche ohne relevante Geschiebelieferung werden in die Untersuchungen nicht einbezogen. Die Triage relevanter Seitengerinne kann mittels Karten und Orthofotos (z.b. auf map.admin.ch) erfolgen. ist der Bach bei der Mündung in den Vorfluter und allenfalls oberhalb auf dem Luftbild erkennbar? nein Deutlichkeit und Art der Spuren von aktivem Geschiebetransport ja deutlich keine Spuren bis in den Vorfluter sichtbar deutliche aktive Spuren bis in den Vorfluter sichtbar Spuren von aktivem Geschiebetransport sind undeutlich Relevanz im Gelände prüfen Seitenbach nicht relevant Seitenbach relevant Seitenbach nicht relevant Keine Geschiebespuren im Mündungsbereich zum Vorfluter Kein Delta im Vorfluter Deutliche Gefällsverflachung im Kegelbereich See vor Einmündung in den Vorfluter Seitenbach relevant Aktive Geschiebespuren im Gerinne Delta im Vorfluter, allenfalls Abdrängen des Vorfluters Keine deutliche Gefällsverflachung im Kegelbereich Kegelbildung des Bachs Abb. 1: Bewertung der Relevanz von Seitenbächen für den Geschiebeeintrag in Vorfluter inkl. Kriterien für die Relevanzbeurteilung In einem ersten Schritt (vgl. Abb. 1) wird abgeklärt, ob eine Beurteilung im Büro ab Orthofoto oder Karte überhaupt möglich ist. Falls die Sicht auf den Mündungsbereich des Seitengerinnes in den Vorfluter (z.b. durch Wald oder Unschärfe des Bildes) für eine Beurteilung ungenügend ist, muss die Relevanz im Gelände abgeklärt werden. Falls trotz guter Einsehbarkeit ins Gerinne keine Spuren von aktivem Geschiebetransport bis in den Vorfluter sichtbar sind, wird das Seitengerinne als NICHT RELEVANT identifiziert. Wenn die Spuren deutlich für aktiven Geschiebetransport sprechen, wird das Gerinne als RELEVANT beurteilt. Bei Unsicherheiten ist die Relevanz im Gelände (Mündungsbereich in Vorfluter) zu beurteilen.

9 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 9 3 Methodenwahl für die Geschiebeabschätzung Für jeden geschieberelevanten Seitenbach muss entschieden werden, welche Methode zur Bestimmung der mittleren jährlichen Geschiebefrachten angewendet werden soll. Der Entscheid für die Methode wird primär aufgrund des Gefälles getroffen. Bei Bächen mit Längsgefällen im Mündungsbereich zum Vorfluter von < 10 % wird in der Regel die Methode der Transportkapazität angewendet, bei Bächen > 10 % Gefälle das Verfahren "Geschiebeabschätzung in steilen Bächen". Sollte sich aufgrund der Eigenheiten des Einzugsgebietes die jeweils andere Methode als besser geeignet erweisen, ist dem Bearbeiter die Methodenwahl freigestellt. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn bei einem Gewässer mit flachem Gefälle nicht die Transportkapazität, sondern die Geschiebelieferung aus dem Einzugsgebiet massgebend ist. Eine Kombination beider Methoden ist insbesondere dann zu empfehlen, wenn die erstgewählte Methode nicht zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

10 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 10 Teil B Methode der Transportkapazität 4 Einleitung zur Methode der Transportkapazität Prinzip Die Geschiebefrachten in einem Fliessgewässer werden entweder durch die Transportkapazität oder durch den Geschiebeeintrag definiert. Die Transportkapazität kann mit Geschiebetransportformeln rechnerisch gut erfasst werden. Wenn sich das Gewässer in einem Gleichgewichtszustand befindet und genügend Geschiebe zugeliefert wird, kann mit einer Transportberechnung auf die gesuchte Geschiebefracht geschlossen werden. In diesem Fall handelt es sich beim betrachteten Gewässerabschnitt um eine sogenannte Schlüsselstrecke. Schlüsselstrecke Die in einer Schlüsselstrecke bestimmte Transportkapazität entspricht derjenigen Fracht, welche das Gewässer an dieser Stelle aufgrund der hydraulischen und sedimentologischen Verhältnisse maximal transportieren kann (maximale Fracht). Die Schlüsselstrecke limitiert den Geschiebetransport flussabwärts. Sollte die Geschiebelieferung aus dem Einzugsgebiet grösser sein, ist mit einer Auflandung und einer daraus resultierenden Zunahme der Transportkapazität zu rechnen. Bei einer Geschiebezulieferung kleiner als die Transportkapazität resultiert eine Deckschichtbildung mit reduziertem Transport. Unterschreitet die Geschiebezulieferung jene Fracht, welche bei Aufreissen der Deckschicht mobilisiert werden kann, so treten Sohlenerosionen auf. Die dabei transportierten Geschiebemengen entsprechen der minimalen Fracht. Referenzstrecke Viele Bäche und Flüsse weisen ein mehr oder weniger stabiles Gerinne auf und die Jahresfrachten liegen zwischen der minimalen und der maximalen Fracht. Eine Schlüsselstrecke, in welcher die maximale Fracht erreicht wird, ist normalerweise nicht vorhanden. In der Praxis wird der Bearbeiter für eine gewählte Referenzstrecke also die effektive Fracht zwischen der minimalen und der maximalen Fracht bestimmen müssen. Methodik der Transportkapazität Die Methode der Transportkapazität erlaubt es, in Referenzstrecken auf Basis von Transportformeln die effektive Fracht zu bestimmen. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, welches mit verhältnismässig geringem Aufwand ein akzeptables Ergebnis liefert.

11 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 11 5 Entwicklung der Methode Übersicht Zur Entwicklung der Methode der Transportkapazität wurden an verschiedenen Flüssen mit bestehenden Referenzwerten für die mittlere jährliche Geschiebefracht (Tab. 1), Geschiebefrachten auf Stufe Normalabfluss berechnet. Durch den Vergleich der berechneten Frachten mit den Referenzwerten konnte dann die beste Kombination aus Einflussgrössen (Gefälle, Korndurchmesser, Abflusstiefe, etc.) und Berechnungsansätzen (Formeln) evaluiert werden. Aufgrund der Berechnungsresultate wurden die einzelnen Seitenbäche klassifiziert und für jede Klasse ein Vorschlag für die Wahl der Einflussgrössen und der Berechnungsansätze erarbeitet (sogenanntes Setup). Dieses Setup stellt den Kern der Methode dar. Referenzwerte Bei den Referenzwerten handelt es sich um erwartete mittlere jährliche Geschiebefrachten, welche im Rahmen von Geschiebehaushaltstudien ermittelt wurden. Bei solchen Studien wird der Geschiebehaushalt eines Vorfluters mit Hilfe eines Geschiebetransportmodells grossräumig untersucht, wobei die verschiedenen Parameter wie die Geschiebeeinträge der Seitenbäche oder die Kornverteilung des Sohlenmaterials so lange variiert werden, bis eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Sohlenlagen erreicht wird. Diese Geschiebestudien bieten den Vorteil, dass die Geschiebelieferung aus den Seitenbächen auf ein ganzes morphologisches System abgestützt ist. Zwar weisen auch die so ermittelten Referenzwerte eine gewisse Unsicherheit auf, diese ist jedoch geringer als die Unsicherheit bei rein lokalen Untersuchungen. Die Referenzwerte dürfen aber nicht als wahre Grössen angenommen werden. Untersuchte Flüsse Bei der Wahl der untersuchten Flüsse wurde darauf geachtet, dass die Vorfluter-Seitenbach-Systeme unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Gefälle, Breite, geografische Lage und Abflussregime aufweisen. Insgesamt wurde an sieben Vorflutern mit total 22 Seitenbächen (Tab. 2) die mittlere jährliche Geschiebefracht berechnet und daraus das Setup abgeleitet. Grundsätze Grundsätzlich wurden nur Berechnungsansätze verwendet, welche in der Praxis und in der Theorie anerkannt sind. Alle verwendeten Daten sind allgemein zugänglich oder können im Feld erhoben werden.

12 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 12 Tab. 1: Verwendete Studien mit Referenzwerten (alle von Hunziker, Zarn und Partner) Vorfluter Quelle Aare Augstbach Balsthal, A-209, Januar 2004 Emme Hochwasserschutz und Revitalisierung Emme, A-596, 2012 Kleine Emme Geschiebemodell Kleine Emme/Reuss, A-381, 2008 Landquart Schraubach, A , 2002; Taschinasbach, A-083, Transportbeginn Furnerbach und Arieschbach, A-452, 2008 UVB Kraftwerk Chlus, A-464, Rhône Rhonekorrektion, A-236, in Bearbeitung Saaser Vispa Geschiebehaushalt Saastal; A-147, Juni 2003 Thur Thur, Grüneck bis Ror, A-067, 2001 Tab. 2: Untersuchte Vorfluter-Seitenbach-Systeme, anhand welcher die Methode der Transportkapazität entwickelt wurde. Vorfluter- Typ Charakteristik in Bezug auf den Geschiebehaushalt Vorfluter Untersuchte Seitenbäche Grosser Mittellandfluss Eintrag durch Seitenbäche gering, grosse Zuflüsse sind relevant, Abflussmessstationen im Seitenbach teilweise vorhanden Aare Thur Emme Mümliswilerbach und Siggern Murg Emme ob Emmenmatt, Grüene und Ilfis Grosser Alpenfluss Eintrag durch grosse und kleine Seitenbäche, Abflussmessstationen teilweise vorhanden Kleine Emme Landquart Rhône Grosse Entle, grosse und kleine Fontanne, Rümlig Arieschbach, Furnerbach, Schranggabach, Schraubach und Taschinasbach Vispa, Lonza, Sionne, Navisence und Morge Kleiner Alpenfluss Eintrag durch kleine Seitenbäche, mehrheitlich keine Abflussmessstationen vorhanden Saaser Vispa Almagellerbach und Fee-Vispa

13 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 13 6 Anleitung zur Methode der Transportkapazität 6.1 Übersicht Die Methode umfasst folgende drei Hauptarbeitsschritte: Schritt 1 Festlegung der Referenzstrecke Büro Kriterien: Geringes Gefälle Lage im Unterlauf Grosse Breite laufendes Geschiebe sichtbar Schritt 2a Bestimmung der Charakteristiken der Referenzstrecke Schritt 2b Bestimmung der Abflusswerte Büro Gelände / Büro Abzuklären: Verifikation der Referenzstrecke Gefälle Breite Gerinnemorphologie o verzweigt o ebene Sohle Kornverteilung Makrorauigkeit Minimale oder maximale Fracht Kriterien: Abflussmessung vorhanden Generierung Dauerkurve unter Berücksichtigung o o Lage / Grösse EZG Niederschläge, etc. Schritt 3 Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefracht Büro Kriterien: Klassifizierung nach Gefälle Visuelle Beurteilung Vergleich mit anderen Seitenbächen Abb. 2: Vorgehen bei der Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefrachten mit der Methode der Transportkapazität

14 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter Schritt 1: Festlegung der Referenzstrecke Der erste Schritt zur Festlegung der Referenzstrecke erfolgt im Büro. Dabei wird ein Längenprofil des zu untersuchenden Gewässers basierend auf den Datensätzen Swiss TLM3D und swissalti3d erstellt (Anhang H). Ausgewählt wird ein Abschnitt 2, welcher im Unterlauf liegt und ein verhältnismässig geringes Gefälle 3 aufweist. Anschliessend wird in diesem Abschnitt mittels Orthofoto die Gewässerbreite bestimmt und geprüft, ob laufendes Geschiebe sichtbar ist. Schritt 1 ist abgeschlossen, wenn die Lage und Ausdehnung der Referenzstrecke eindeutig definiert sind. 6.3 Schritt 2a: Bestimmung der Charakteristiken der Referenzstrecke Die Charakteristiken der Referenzstrecke werden im Gelände aufgenommen und anschliessend im Büro ausgewertet. Falls sich aufgrund der Begehung herausstellen sollte, dass sich die vorgesehene Referenzstrecke nicht als solche eignet, ist ein anderer Abschnitt zu wählen. Gefälle Die Berechnungsansätze basieren auf der Annahme, dass sich in der untersuchten Strecke Normalabfluss einstellt. Aus diesem Grund kann das Gefälle durch das Globalgefälle der Sohle beschrieben werden. Das Bruttogefälle (ohne Abstürze) wird vor der Begehung anhand des Längenprofils bestimmt. Im Gelände werden anschliessend die Absturzhöhen und deren Abstände ermittelt. Daraus kann dann das Nettogefälle (mit Abstürzen) ermittelt werden. Die Berechnung der Transportkapazität erfolgt aufgrund des Nettogefälles. Da die Flussachse des amtlichen Gewässernetzes vor allem bei kleinen Bächen nicht ganz genau mit dem Geländemodell übereinstimmt, kann das Längenprofil Höhenunregelmässigkeiten aufweisen. Das Gefälle sollte darum nicht anhand einer automatischen Regression (Trendlinie) bestimmt werden. Stattdessen wird empfohlen, per Hand eine Gerade zu definieren, welche das gemessene Längenprofil gut repräsentiert und offensichtliche Ungenauigkeiten ignoriert (Abb. 3). 2 Die Referenzstrecke sollte im Idealfall folgende Bedingungen erfüllen: mindestens 100 m lang sein die Länge sollte ca mal die Gerinnebreite betragen es muss sich Normalabfluss einstellen die Sohlenveränderungen bei Hochwasser müssen gering sein die Sohlenbreite sollte im Vergleich zur mittleren Bettbreite möglichst gross sein Spuren (Bänke, etc.) von aktivem Geschiebetransport müssen vorhanden sein 3 Im Vergleich zum Pauschalgefälle des Baches

15 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 15 Höhe der Sohle [m ü.m.] Referenzstrecke Distanz [m] Abb. 3: Einpassung einer Ausgleichgeraden in das Längenprofil Breite Bei einer Flussbettbreite kleiner als 15 m und angrenzender, dichter Bewaldung wird eine Aufnahme der Breite im Gelände mit anschliessender Überprüfung im Büro empfohlen. Weist das Gerinne eine grössere Breite auf, reicht die Genauigkeit der Breitenbestimmung mittels Orthofoto. Für die Berechnung der Transportkapazität wird empfohlen, die Gerinnegeometrie durch ein Trapezprofil mit einer Böschungsneigung von 2:3 anzunähern. Falls das Gerinne Inseln aufweist, ist die Summe der Teilgerinne (B F ) massgebend (Abb. 4). Gerinne links Teilgerinne Teilgerinne B F = effektive Bettbreite = Summe der Teilgerinne Abb. 4: Bettbreite bei Teilgerinnen

16 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 16 Je nach Flusscharakteristik werden zudem folgende beiden Fälle unterschieden: Typ I: Gleichmässige Breite Typ II: Gerinne mit Schwellen Abb. 5: Breite bei unterschiedlichen Gerinneformen Falls die Breite über den gesamten Abschnitt konstant ist, wird die Bettbreite durch die mittlere Bettbreite beschrieben (Typ I). Bei unregelmässigen Gerinnen mit stark variierender Breite ist ein Mittelwert zu wählen. Falls das Gewässer Schwellen mit kurzen Schwellenabständen aufweist, deren Überfallbreite schmäler ist als die Bettbreite in den Schwellenfeldern (Typ II), ist die Überfallbreite massgebend. Dabei wird angenommen, dass sich die Strömung bei kurzen Schellenfeldern nicht über die gesamte Breite ausdehnen kann. Gerinnemorphologie Die Gerinnemorphologie beschreibt die Strukturvielfalt der Sohle. Bei grossen Flussbettbreiten können sich Sohlenstrukturen ausbilden (Abb. 6), sodass sich Nieder- und Mittelwasser auf mehrere Gerinne aufteilen. Bei eingewachsenen Gerinnen ist nicht die gesamte Gewässerbreite, sondern die effektive Breite (vgl. Abb. 4) massgebend. Diese Teilgerinne führen dazu, dass die Transportkapazität grösser ist, als sie aufgrund der Transportformeln für ein breites Einzelgerinne zu erwarten wäre. Zur Berücksichtigung verzweigter Gerinne wird bei steilen Verhältnissen (> 2 %) der Ansatz von Marti [9] empfohlen. Dieser reduziert die abfluss- und transportwirksame Gewässerbreite für jeden Abflusszustand 4. Anstelle des Ansatzes von Marti kann bei flachen Verhältnissen (< 2 %) auch derjenige von Zarn [18] verwendet werden. 4 Bemerkung: Beim Ansatz von Marti [9] wird auf die Reduktion des Gefälles zur Berücksichtigung der Sinuosität verzichtet.

17 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 17 a) Verzweigtes Gerinne ohne Bewuchs am Furnerbach (GR) b) Verzweigtes Gerinne mit Bewuchs an der grossen Entle (LU) Abb. 6: Zwei Beispiele für verzweigte Gerinne (Quelle: Swissimage) Kornverteilung Der charakteristische Korndurchmesser einer Kornverteilung definiert die Rauigkeit der Sohle sowie die Mobilität des Sohlmaterials und beeinflusst wesentlich die Transportkapazität. Die Ermittlung der Kornverteilung erfolgt anhand einer Linienzahlanalyse. Dazu wird empfohlen, mindestens drei Linienproben an verschiedenen Stellen auf einer Bank aufzunehmen und für jede Probe das d 5 m und d 6 90 zu bestimmen. Aus den drei Proben werden die Mittelwerte 7 gebildet, welche in die Berechnung der Geschiebefracht eingehen. Wird eine eindeutige Deckschicht identifiziert, so wird diese gemäss dem Ansatz von Fehr [2] in das Unterschichtmaterial umgerechnet. Eine Alternative stellt das von der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) entwickelte Verfahren BASEGRAIN 8 dar. Dieses MATLAB-basierte Programm ermöglicht die Auswertung des Sohlmaterials anhand von Fotoaufnahmen und bietet damit eine deutliche Verringerung des Aufwands bei den Geländeaufnahmen. Das Programm befindet sich aber aktuell noch in der Testphase und wurde deshalb im Rahmen des vorliegenden Projektes nicht berücksichtigt Der d m bezeichnet den massgebenden mittleren Korndurchmesser nach Meyer- Peter und Müller (1948). Der charakteristische Korndurchmesser d 90 ist derjenige Korndurchmesser, bei welchem 90% (Gewichtsanteil) der Körner feiner sind. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wurde auch geprüft, ob die Sohlproben zuerst gemischt und erst anschliessend die charakteristischen Werte bestimmt werden sollten. Die resultierenden d m und d 90 unterschieden sich jedoch nicht wesentlich. BASEGRAIN kann kostenlos unter heruntergeladen werden.

18 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 18 Geschiebefrachten reagieren vor allem bei flachen Verhältnissen sehr sensitiv auf die Wahl des d m. Im Anhang F wird darum die Sensitivität der Geschiebefracht bezüglich des Korndurchmessers diskutiert. Makrorauigkeit Bei steileren Verhältnissen befinden sich oft grosse Einzelblöcke in der Sohle, welche Clusterstrukturen (u.a. Riegel-, Abstürze, etc.) bilden. Diese erhöhen den Fliesswiderstand, verursachen Energieverluste und übernehmen einen Teil der wirkenden Schubspannungen, wodurch die Belastung auf die Sohle reduziert wird. Je grösser das Gefälle ist, desto grösser sind die durch die Makrorauigkeit induzierten Verluste. Grosse Blöcke, welche nicht Teil des Sohlenmaterials sind 9, oder Becken-Absturz- Sequenzen geben Hinweise darauf, dass Makrorauigkeiten berücksichtigt werden müssen. Sie können durch den Ansatz von Rickenmann [13] erfasst werden 10. Die Berücksichtigung der Intensität der Makrorauigkeit erfolgt durch die Wahl des Exponenten a. Abb. 7 zeigt anhand von sechs Beispielen, bei welchen Verhältnissen Makrorauigkeiten berücksichtigt und welche Werte für a gewählt werden müssen. Es wird davon ausgegangen, dass Makrorauigkeiten bei Gefällen über 2 % zu erwarten sind. Bei verzweigten, tendenziell auflandenden Gerinnen wird ein Wert a=0 vorgeschlagen, bei steilen, schmalen Einzelgerinnen ein solcher von 1.0 bis Die im Flussbett vorhandenen Blöcke müssen sich in der Grösse vom Sohlmaterial unterscheiden. Grobes Sohlmaterial allein impliziert nicht, dass eine Makrorauigkeit berücksichtigt werden muss. Der von Rickenmann (2011) neu entwickelte Ansatz zur Bestimmung der Makrorauigkeit wurde ebenfalls geprüft. Da aber keine besseren Resultate (Vergleich Referenzwerte mit berechneten Frachten) erzielt werden konnten, wurde der Ansatz von 2005 beibehalten. Weitere Untersuchungen mit dem Ansatz von 2011 sind vorgesehen.

19 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 19 Keine Makrorauigkeit, a=0 Gleichförmiges Flussbett, mit ebener Kiessohle und ungestörter Strömung. Gefälle < 2.0 % Grüene (BE) Keine Makrorauigkeit, a=0 Das Sohlmaterial ist im Allgemeinen grob, es sind aber keine überdurchschnittlich grossen Steine erkennbar. Murg (TG) Keine Makrorauigkeit a=0.0 Verzweigtes Gerinne, Sohlenmaterial sehr grob, Auflandungszustand. 2.0 % < Gefälle Rümlig (LU) Mittlere Makrorauigkeit a=1.0 Grössere Einzelblöcke sowie kleinere Stufen- Becken-Systeme sichtbar. Entle (LU) Grosse Makrorauigkeit a=1.5 Viele Einzelblöcke im Flussbett vorhanden und grosse Stufen-Becken-Systeme sichtbar. Lonza (VS) Almagellerbach (VS) Abb. 7: Beispiele zur Beurteilung der Makrorauigkeit

20 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 20 Minimale und maximale Fracht Mit den empfohlenen Berechnungsansätzen wird die Transportkapazität für einen Gleichgewichtszustand berechnet. In der Mehrheit der Fälle wird jedoch eine vom Geschiebeeintrag abhängige Geschiebefracht (Abb. 8) vorhanden sein. In diesem Fall ist von einem reduzierten Transport innerhalb der Bandbreite zwischen der minimalen und der maximalen Fracht auszugehen 11. Es werden folgende drei Fälle unterschieden: Maximale Fracht 12 Effektive Fracht Minimale Fracht 13 Die Referenzstrecke befindet sich im Gleichgewichtszustand (Idealfall) oder die Geschiebezulieferung in die Referenzstrecke ist leicht grösser als die Transportkapazität. Massgebend ist die maximale Fracht. Indizien für die maximale Fracht: Feines, helles, transportiertes Sohlsubstrat, gut strukturierte Sohle. An der Sohle ist eine leichte Deckschichtbildung (mobile Deckschicht) feststellbar. Die mittlere jährliche Geschiebefracht liegt zwischen der minimalen und der maximalen Fracht. Eine "gutachterliche" Wahl ist notwendig. Die Transportkapazität ist wesentlich grösser als die Geschiebezufuhr. Ohne Deckschichtbildung wäre mit einer Sohlenerosion zu rechnen. Die Sohle weist eine deutliche Deckschichtbildung auf. Indizien für die minimale Fracht: Grobes, eher dunkles, moosiges Sohlsubstrat, ausgeprägte Deckschichtbildung Im Anhang F wird die Sensitivität der mittleren jährlichen Geschiebefracht auf die Beurteilung des transportlimitierenden Faktors diskutiert. Bei der Berechnung der maximalen Fracht wird davon ausgegangen, dass die transportierte Fracht bei jedem Abflusszustand der Transportkapazität entspricht. Die minimale Fracht berücksichtig, dass bei Abflüssen bis Q D (Aufreissen der Deckschicht) kein Geschiebe transportiert wird.

21 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 21 a) Maximale Fracht Die Transportkapazität limitiert den Transport Aufgrund des verhältnismässig grossen Geschiebeeintrages landet der Fluss leicht auf. Bänke und viel laufendes Geschiebe sind sichtbar. Entle (LU) Kleine Fontannen (LU) b) Zwischen maximaler und minimaler Fracht Es sind Bänke mit einer leichten Vergröberungstendenz erkennbar. Laufendes Geschiebe ist sichtbar. Grüene (BE) Ilfis (BE) c) Minimale Fracht Der Transport wird durch den Geschiebeeintrag limitiert Die Transportkapazität übersteigt den Geschiebeeintrag. Wenig laufendes Geschiebe ist sichtbar, Ausbildung von Rinnen. Das Sohlenmaterial ist grob und teilweise mit Moos bewachsen. Fee-Vispa (VS) Mümliswilerbach (SO) Abb. 8: Beispiele zur Beurteilung, ob die Geschiebefracht durch den Transport oder den Geschiebeeintrag limitiert wird.

22 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter Schritt 2b: Bestimmung der Dauerkurven Definition Für Frachtberechnungen sind neben der Hydraulik und der Geschiebezusammensetzung auch die Abflüsse resp. deren Häufigkeit und Dauer entscheidend. Das Abflussverhalten wird im Rahmen der vorliegenden Methodik über eine mittlere 14 jährliche Dauerkurve erfasst. Generierte Dauerkurven Häufig werden an den zu untersuchenden Gewässern keine Abflussmessungen vorliegen. Für diesen Fall wurde ein Vorgehen entwickelt, um repräsentative mittlere Abflussdauerkurven zu generieren (vgl. Anhang D). Dabei wurde Wert auf eine einfache Anwendung, auf die Verwendung allgemein zugänglicher Daten und auf die Berücksichtigung einzugsgebietsspezifischer Charakteristiken gelegt. Ansatz Beim anzuwendenden Verfahren wird die Form der Dauerkurve mit einer Näherungsfunktion abgebildet. Anhand von vier Parametern werden wesentliche einzugsgebietsspezifische Charakteristiken (u.a. Niederschlagsverhältnisse, Einzugsgebietsfläche, mittlere Höhenlage, Vergletscherung, etc.) erfasst. Messwerte Falls langjährige Abflussmessungen vorliegen, sollten diese Eingang in die Bestimmung der Dauerkurven finden. Die Jahresdauerkurven sollten dabei mindestens auf Stundenmittelwerten basieren. Bei Tagesmittelwerten werden kurzzeitige und für den Geschiebetransport massgebende Abflussspitzen unterschätzt. Prinzip der Methodenentwicklung Mittlere Überschreitungsdauerkurven (vgl. Abb. 9) lassen sich durch zwei wesentliche Informationen charakterisieren: Die Form der Dauerkurve beschreibt die Häufigkeitsverteilung der Abflüsse und definiert u.a. das Verhältnis von Abflüssen unterschiedlicher Überschreitungsdauer (z.b. Q 30 /Q 347 ). Der Mittelwasserabfluss (MQ) definiert das Abflussniveau. 14 Für jede Überschreitungsdauer wird das arithmetische Mittel der entsprechenden Werte der Einzeljahre gewählt.

23 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 23 Form Die Form der Dauerkurve wird mittels einer Normierung der absoluten Dauerkurve durch MQ erhalten. Das Ergebnis ist eine dimensionslose Dauerkurve, welche nicht absolute Abflusswerte, sondern jeweils das Verhältnis der Abflüsse Q i zum MQ angibt. MQ Der MQ-Wert dient somit als Skalierfaktor zur Umrechnung der dimensionslosen Dauerkurve in absolute Werte (und umgekehrt). Abfluss (MQ) Form Dauerkurve Absolute Dauerkurve Methodik ist vorhanden Normierung durch MQ MQ Abb. 9: Abflussdauerkurve und gebietsspezifischer MQ-Wert. Durch Normierung mit dem MQ-Wert wird eine dimensionslose Formfunktion generiert. Anwendung Zur Generierung von mittleren jährlichen Dauerkurven in Einzugsgebieten ohne Abflussmessung müssen das MQ und die Form der MQ-normierten Dauerkurve bestimmt werden. Bestimmung MQ Für die Bestimmung des MQ wird auf das Vorgehen von Pfaundler und Zappa ( ) zurückgegriffen. Mit Hilfe eines frei erhältlichen rasterbasierten Datensatzes (verfügbar unter kann für 15 Pfaundler M., Zappa M. 2006: Die mittleren Abflüsse über die ganze Schweiz. Ein optimierter Datensatz im 500 x 500 m Raster. In: Wasser, Energie, Luft, Heft 4/2006. S (Datensätze verfügbar unter > Themen > Hydrologische Daten > Mittlere monatliche und jährliche Abflusshöhen).

24 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 24 jedes Einzugsgebiet der Schweiz der langjährige natürliche 16 Mittelwasserabfluss bestimmt werden. Bestimmung der Formfunktion Für die dimensionslose Dauerkurve wird folgende Formfunktion gewählt: Gl. D1 1 log( Q ( t) / MQ) = A ln( t) + B t + C + D t Die Gleichung D1 kann für Überschreitungsdauern zwischen einer Stunde und 300 Tagen angewendet werden. Mit der verwendeten logarithmierten Form können auch die grossen Gradienten bei Überschreitungsdauern von nur wenigen Stunden oder Tagen abgebildet werden. Die Herleitung der Funktion sowie die Bestimmung der vier Parameter A bis D ist ausführlich im Anhang D beschrieben. Die vier Parameter A bis D berücksichtigen wesentliche Gebietseigenschaften und werden nach folgendem Vorgehen bestimmt: Parameter D Der Parameter D wird in Abhängigkeit des Abflussregimetyps ermittelt. Gl. D6 glazial D ln( Ni Gebiet, / P ) = tk Jahr Gl. D7 Gl. D8 nival pluvial D D ln( Ni Gebiet, / P ) = tk Jahr ln( Ni Gebiet, / P ) = tk Jahr Parameter A Zwischen den Parametern A und D besteht eine enge Korrelation. Der Parameter A kann deshalb mit Gleichung D9 bestimmt werden. Gl. D9 A = D Parameter B Der Parameter B wirkt sich erst bei grösseren Überschreitungsdauern auf den Funktionsverlauf aus. Für geschiebetechnische Berechnungen kann vereinfachend ein pauschaler Wert gewählt werden. B = Anthropogene Eingriffe (Kraftwerke, Speicher etc.) werden nicht berücksichtigt

25 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 25 Parameter C Der Funktionsterm A t) + D ln( ergibt bei sehr geringen Überschreitungsdauern von nur wenigen Stunden zu grosse Werte. Aus diesem Grund wurde der Parameter C zur Korrektur eingeführt. Zur Bestimmung von C muss vorgängig das mittlere jährliche Hochwasser MHQ abgeschätzt werden und anschliessend mit Kenntnis von A und D anhand der Gleichung D1 der Parameter C rückgerechnet werden. Die Bestimmung des MHQ erfolgt über drei Ansätze: Anhand des Verhältnisses des MHQ zum Q 1d (Tab. 5, S. 67) Anhand des Verhältnisses des MHQ zum HQ 100 (Tab. 6, S. 68) und anhand einzugsgebietsspezifischer Näherungskurven (Abb. 25, S. 69)

26 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter Schritt 3: Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefracht Setup Zur Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefracht werden zwei Gefällsbereiche (<2 % und >2 %) unterschieden. In jedem dieser Gefällsbereiche wird eine spezifische Kombination von Berechnungsparametern und -verfahren vorgeschlagen 17 (sogenanntes Setup). Transportkapazität Für Gewässer mit einem Gefälle kleiner als 2 % erfolgt die Berechnung der Transportkapazität nach der Formel von Meyer-Peter und Müller [10], wobei die Konstante 18 8 durch 5 ersetzt wird [7]. Die Fliessgeschwindigkeit wird nach Strickler [17] berechnet und als transportwirksame Tiefe wird die Fliesstiefe h eingesetzt. Die Formel von Meyer-Peter und Müller [10] wird bei verzweigten Gerinnen mit dem Ansatz von Zarn [18] korrigiert. Bei Gerinnen mit einem Gefälle > 2.0 % wird die Transportkapazität mit dem Ansatz von Smart und Jäggi [16] berechnet. Die Fliessgeschwindigkeit wird in diesem Fall durch Rickenmann [12] bestimmt. Als transportwirksame Tiefe wird ebenfalls die Fliesstiefe h gewählt. Bei verzweigten Gerinnen wird die Formel von Smart und Jäggi [16] mit dem Ansatz von Marti [9] korrigiert. Max. und min. Fracht Um die maximale und minimale Geschiebefracht pro Jahr zu ermitteln, muss die Transportkapazitätsrate von kg/s in m 3 /s umgerechnet und für alle Abflüsse der Dauerkurve integriert werden. Das Ergebnis dieses Schrittes ist dann die gesuchte maximale mittlere jährliche Geschiebefracht. Die minimale Fracht ergibt sich unter Berücksichtigung der Deckschichtbildung bei Abflüssen > Q D (Aufreissen der Deckschicht). Effektive Fracht Die Festlegung der effektiven Fracht (Wert zwischen der minimalen und der maximalen Fracht) erfolgt aufgrund einer Beurteilung der morphologischen Verhältnisse sowie der visuellen Beurteilung des Sohlenmaterials und der Sohlenstrukturen in der Referenzstrecke. Zudem kann die effektive Fracht mittels dem Verfahren Geschiebeabschätzung in steilen Bächen ermittelt werden Im Anhang C sind alle erwähnten Berechnungsformeln aufgeführt. Die ausgewählten Formeln berücksichtigen in jedem Gefällsbereich den entsprechenden Gültigkeitsbereich. Hunziker (1995) schlägt nach einer Neuauswertung der Daten von Meyer-Peter und Müller eine Reduktion der Konstanten 8 auf 5 vor.

27 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 27 Gefälle Kornverteilung Gerinnegeometrie < 2% Repräsentative Kornverteilung Trapez > 2% Repräsentative Kornverteilung Trapez Flusscharakteristik Visuelle Beurteilung Visuelle Beurteilung Berechnung Parameter Breite Abmindern nach Zarn Gefälle - (1997) Makrorauigkeit Transportgesetz Fliessgesetz Transportw irksame Tiefe verzw eigt Abmindern nach Zarn (1997) Rickenmann (2005) a=0.0 Einzelgerinne a.) Gerinnebreite b.) Schw ellenbreite Meyer-Peter und Müller (1948) Strickler (1923) h verzw eigt Abmindern nach Marti (2006) - Rickenmann (2005) a=0.0 Visuelle Beurteilung Smart und Jäggi (1983) Rickenmann (1996) h Einzelgerinne a.) Gerinnebreite b.) Schw ellenbreite - Rickenmann (2005) a=1.0 bis 1.5 Zusätzliche Faktoren Limitierender Faktor Geschiebeeintrag massgebend Visuelle Beurteilung Keine eindeutige Zuordnung Transportkapazität massgebend Geschiebeeintrag massgebend Visuelle Beurteilung Keine eindeutige Zuordnung Transportkapazität massgebend Fracht Minimal effektive Fracht Maximal Minimal effektive Fracht Maximal Abb. 10: Setup für die Eingabeparameter und die Berechnungsansätze bei der Berechnung der mittleren jährlichen Geschiebefrachten nach der Methode der Transportkapazität. 7 Verifikation der Methode Vorgehen Für das Setup wurden für unterschiedliche Parameter-Kombinationen die berechneten mittleren jährlichen Geschiebefrachten mit den Referenzwerten verglichen (Anhang G). Die Kombinationen wurden solange angepasst, bis eine möglichst geringe Abweichung zwischen den gemessenen und den erwarteten Geschiebefrachten resultierte. Insgesamt wurden so die Frachten von 22 Referenzstrecken verglichen. Fazit Bei insgesamt zwölf Bächen wird eine Abweichung von einem Faktor kleiner 2 erreicht, bei weiteren vier Bächen liegt das Resultat im Bereich eines Faktors 3. Der Rest weist Abweichungen grösser als einen Faktor 3 auf. Dabei ist zu beachten, dass die erwarteten Geschiebefrachten mehrheitlich in Geschiebestudien ermittelt wurden. Zwar weisen diese Werte eine

28 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 28 verhältnismässig hohe Genauigkeit auf, sie dürfen jedoch nicht als absolut wahre Werte verstanden werden. Bereichsgrenzen Bei Flüssen, welche ein Gefälle in der Nähe der Bereichsgrenze aufweisen, sollte jeweils das Setup für beide Gefällsbereiche angewendet werden. Die Grenzen sind als Richtwert zu verstehen. Beispielsweise weist die Navisence in der untersuchten Strecke ein Gefälle von 1.85% auf. Die Berechnung mit dem Setup für Gefälle > 2 % ergibt ein vergleichbares Ergebnis wie das Setup mit Gefällen < 2% (18'800 m 3 /Jahr, Smart und Jäggi und 18'200 m 3 /Jahr Meyer-Peter und Müller), wobei die erwartete mittlere jährliche Geschiebefracht bei 13'600 m 3 /Jahr liegt. Grenzen der Anwendbarkeit Die Methode der Transportkapazität wird für Seitenbäche mit einem Gefälle kleiner als 10 % empfohlen (vgl. Bericht Teil A). Drei der untersuchten Seitenbäche (Sionne (VS), Almagellerbach (VS) und Arieschbach (GR)) weisen ein Gefälle grösser als 10 % auf (Anhang G). Während die vorgeschlagene Methodik für den Almagellerbach mit 300 m 3 /Jahr einen plausiblen Wert für die mittlere jährliche Geschiebefracht ergibt (Referenzwert: 300 m 3 /Jahr), werden die Frachten an der Sionne und dem Arieschbach unterschätzt. Bei diesen Seitenbächen werden mittlere jährliche Geschiebefrachten von 0 (null) m 3 /Jahr berechnet. Der Grund für die zu geringen Werte dürften die kleinen relativen Abflusstiefen (h/d 90 ) bei MHQ sein 19. Diese führen unter Berücksichtigung der Makrorauigkeit zu sehr geringen Gefällen. 19 Verhältnis h/ d 90 = 1.8, bzw. 1.4

29 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 29 Abb. 11: Doppellogarithmischer Vergleich der berechneten mittleren jährlichen Geschiebefrachten mit den erwarteten Geschiebefrachten. Die durchgezogene Linie entspricht einer perfekten Übereinstimmung, die gestrichelten Linien stellen das Intervall mit einer Abweichung um einen Faktor 2 dar. Abb. 12: Linearer Vergleich der berechneten mittleren jährlichen Geschiebefrachten mit den erwarteten Geschiebefrachten. Die durchgezogene Linie entspricht einer perfekten Übereinstimmung, die gestrichelten Linien stellen das Intervall mit einer Abweichung um einen Faktor 2 dar.

30 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 30 8 Schlussfolgerungen Methode Die vorliegende Methode der Transportkapazität basiert auf einem bekannten Verfahren zur Ermittlung von Geschiebefrachten. Neu an der vorgeschlagenen Methode sind die Vorgabe konkreter und auf verschiedene Gefällsverhältnisse optimierter Eingabeparameter und Formeln die Verwendung mittlerer jährlicher Abflussdauerkurven und die Berechnung mittlerer jährlicher Frachten anstelle von Ereignisfrachten. Die Umrechnung von Ereignisfrachten auf Jahresfrachten entfällt. Die Methode bietet die Möglichkeit, mit wenig Feldarbeit sowie mit Hilfe von GIS-basierten Daten die Geschiebefrachten in den Seitenbächen und in den Vorflutern zu ermitteln. Genauigkeit Die Methode wurde anhand des Vergleichs von berechneten Frachten zu "erwarteten" Frachten (Referenzwerte) verifiziert. Die Resultate zeigen, dass mit der Methode die Frachten sehr gut prognostiziert werden können. Die Mehrheit der Vergleichswerte (ca. 57 %) weist Abweichungen zum Erwartungswert von einem Faktor kleiner als 2 auf und 75 % eine Abweichung kleiner als 3. Bei der Beurteilung der Zuverlässigkeit der Methode ist zu berücksichtigen, dass bei Geschiebefrachtberechnungen immer von einer grossen Bandbreite ausgegangen werden muss und dass auch die Erwartungswerte keine absolut wahren Werte darstellen. Die mit der Methode erreichbare Genauigkeit ist für die Fragestellungen im Rahmen der strategischen Planung in der Regel genügend. Vernetzung Um die Genauigkeit der in einem Seitenbach berechneten Geschiebefracht zu erhöhen, muss diese mit den berechneten Frachten in den anderen Seitenbächen verglichen werden. Die berechneten Frachten müssen zudem auf den Geschiebehaushalt im Vorfluter abgestimmt werden. Insgesamt kann so in einem iterativen Prozess ein plausibles Bild des Geschiebehaushalts des Gesamtsystems entworfen werden. Wenn immer möglich müssen die berechneten Frachten anhand von Sohlenveränderungen oder Kiesentnahmen verifiziert werden. Zielgruppe Bei der Entwicklung der Methode wurde darauf geachtet, dass die Eingabeparameter möglichst eindeutig definiert werden. Im Verlaufe der Bearbeitung zeigte sich jedoch, dass eine gutachterliche Beurteilung der jeweiligen lokalen Verhältnisse unumgänglich ist. Dies betrifft vor allem die Parameter Makrorauigkeit und die minimale oder maximale Fracht. Die Methode eignet sich darum nur für Fachleute, welche mit den Fragestellungen im Bereich des Geschiebetransports vertraut sind.

31 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 31 Teil C Methode Geschiebeabschätzung in steilen Bächen 9 Einleitung zur Methode Geschiebeabschätzung in steilen Bächen Mit der Methode "Geschiebeabschätzung in steilen Bächen" werden für den aktuellen Zustand des Gewässers Ereignisfrachten verschiedener Wiederkehrperioden (GF1, GF10, GF30, GF100, GF300) ermittelt und daraus die mittlere jährliche Geschiebefracht abgeleitet. Das Verfahren beinhaltet neue methodische Ansätze zur Abschätzung häufiger Ereignisfrachten (GF1, GF10) sowie die Erfassung von Geschiebeverlagerungsprozessen im Kegelbereich und schlussendlich die Ableitung der mittleren jährlichen Geschiebefracht in den Vorfluter. Die Anwendung des Abschätzverfahrens erfordert fundierte Kenntnisse im Bereich der Geschiebeabschätzung. Die Methode " Geschiebeabschätzung in steilen Bächen " ist durchführbar in Bächen mit einem Einzugsgebiet < 20 km 2 und einem mittleren Gefälle des Hauptgerinnes von > 10 %. 10 Entwicklung der Methode 10.1 Prozesse häufiger Ereignisse bis zum Kegelhals Auswertungen SOLID-Datenbank Zur Methodenentwicklung wurden die dokumentierten Leerungskubaturen der Geschiebesammler inkl. der Ereigniskataster von 75 Einzugsgebieten des Geschiebemessnetzes der Gruppe für operationelle Hydrologie GHO (SOLID-Datenbank des BAFU) ausgewertet. Anhand der Messreihen konnten Extremwertstatistiken für Ereignisse hoher Wiederkehrperioden (1-jährlich, 10-jährlich) berechnet werden. Diese dienten zur Eichung und Validierung des Abschätzverfahrens für die Bestimmung der 1-jährlichen und 10-jährlichen Geschiebefracht am Kegelhals. Ferner konnte eine mittlere jährliche Geschiebefracht in Bezug auf die vorhandenen Daten berechnet werden.

32 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter 32 Geländeaufnahmen für Prozessverständnis Um die Prozesse von sehr häufigen Ereignissen (1-jährlich) zu verstehen, wurden Geländeanalysen und Abflussabschätzungen basierend auf Daten von Niederschlagsmessstationen (IMIS) durchgeführt: Dabei konnte Folgendes festgestellt resp. abgeleitet werden: Die 1-jährliche Geschiebefracht setzt sich aus mehreren Ereignissen zusammen. Im Schnitt dürften es zwischen 3 und 6 Ereignisse sein. Die Abflüsse, welche jährlich mehrmals auftreten, erreichen bei kleinen Bächen (bis ca. 2 km 2 ) höchstens m 3 /s. Bei grösseren Bächen können 1 m 3 /s auch überschritten werden, jedoch dürfte der spezifische Abfluss jeweils deutlich kleiner als 1 m 3 / s*km 2 sein. In breiten Gerinnen aus Lockermaterial ab ca. 3 m Breite bilden sich mäandrierende Sekundärgerinne mit kleinen step-pool-sequenzen, in welchen der Geschiebetransport erfolgt. Die Sekundärgerinne weisen ein kleineres Gefälle als jenes des entsprechenden Gerinneabschnitts auf. Die transportierte Kornfraktion ist kleiner als bei Grossereignissen und wird folglich durch die vorhandenen Kornverteilungskurven nicht zufriedenstellend abgedeckt. Die grössten transportierten Komponenten dürften sich im Bereich von ca. 5-8 cm bewegen und sind damit deutlich kleiner als die grössten im Bach vorgefundenen Komponenten. Bei den kleinen Ereignissen sind die Rauigkeitselemente grösser als bei Grossereignissen. Grössere Hindernisse und Blöcke ab ca. 30 cm werden umflossen und nicht mittransportiert, sie können aber zu kleineren lokalen Geschiebeablagerungen führen. Tiefen- und Böschungserosion spielen praktisch keine Rolle. Das transportierte Geschiebe stammt aus den unverfestigten Geschiebebänken und dem laufenden Geschiebe entlang der Sohle. Ein Aufreissen der Sohle findet nicht statt. Allerdings können in den kleinen Sekundärgerinnen temporäre, feinkörnige Pflästerungserscheinungen auftreten. Die Transportwege sind bei den kleinen Ereignissen generell kurz und beschränken sich bis auf wenige 100 m.

33 Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in Vorfluter Prozesse vom Kegelhals bis zum Vorfluter Aktiver Kegel Es kann davon ausgegangen werden, dass der Gerinnequerschnitt auf dem Kegel eines Seitengerinnes natürlicherweise eine Kapazität aufweist, die nur für kleinere, häufige Ereignisse ausreicht, so dass seltenere Ereignisse meist ausbrechen, auf dem Kegel grösstenteils zur Ablagerung kommen und daher nur bedingten Einfluss für den Vorfluter haben. Bei steilen Gerinnen ohne Schwemmkegel kann sämtliches Geschiebe in den Vorfluter gelangen. Bei flacheren Gerinnen ohne Schwemmkegel bestimmt die Transportkapazität die Menge des Geschiebeflusses in den Vorfluter. Inaktiver Kegel (natürlich und Kulturlandschaft) Durch Absenkung des Vorfluters kann der Seitenbach seine Sohle im Kegel erodieren, so dass die natürliche Kegelfunktion als Ablagerungsgebiet nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall können die Geschiebefrachten sämtlicher Ereignisse in den Vorfluter gelangen. Einfluss von Verbauungen Durch die Besiedlung der Kegel wurden künstliche Fliesshindernisse wie Brücken, Durchlässe und Eindolungen geschaffen. Wo diese eine zu geringe Durchflusskapazität aufweisen, bricht das Geschiebe auf den Kegel aus. Für den Vorfluter sind diese ausgetretenen Geschiebemengen nicht mehr relevant. Zum Schutz vor Hochwasser und Übersarungen wurden in der Vergangenheit einerseits Geschiebe-Rückhalte-Massnahmen am Kegelhals errichtet. Die Geschiebefracht in den Vorfluter entspricht somit der Geschiebemenge, welche den Geschiebesammler passieren kann, sowie allfälliger Erosionen im Unterlauf. Andererseits wurden Längsverbauungen zur Erhöhung der Transportkapazität errichtet, wodurch die Geschiebelieferung in den Vorfluter gegenüber dem naturnahen Zustand erhöht wurde. Bedeutung des Vorfluters Auch der Vorfluter hat aufgrund seiner heutigen Lage und Breite in der Talebene einen Einfluss auf den Geschiebeeintrag aus den Seitengerinnen. Waren die Vorfluter in früheren Zeiten noch auf der ganzen Talbreite aktiv, sind die Gerinne heute meistens kanalisiert und fliessen entweder in der Talmitte oder entlang einer Talseite. Die Erreichbarkeit des Vorfluters für das Geschiebe des Seitengerinnes ist dadurch nur noch beschränkt gegeben. Geschiebelimitierende Elemente Aus obigem Gedankenmodell wurden nachfolgende Geschiebe-limitierende Elemente (GLE, s. auch Kapitel 11.3) für den Kegelabschnitt definiert, welche eine Reduktion der Geschiebefracht in den Vorfluter bewirken. - Geschiebesammler