SGHL Tagung Geschiebetransport WSL, 17. Juni 2011

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1 SGHL Tagung WSL, Birmensdorf Geschieehaushalt in Fliessgewässern 17. Juni 2011 Berechnungen zum Geschieetransport in Wildächen und Geirgsflüssen Dieter Rickenmann Jens Turowski, Manuel Nitsche, Mélanie Raymond, Alexandre Badoux (alle WSL) Alain Recking (Cemagref Grenole) WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Geirgshydrologie und Wildäche, 8903 Birmensdorf Bedeutung Geschieetransport: Hochwassergefahren, Gewässerschutz Landquart ei Klosters, GR, Aug Baltschieder, VS, Okt Buoholzach, NW, Aug Chärstelenach ei Bristen, UR, Aug D. Rickenmann p. 1

2 Üersicht 1) Formeln für den Geschieetransport 2) Üerschätzung der Frachten in steilen Bächen 3) Berücksichtigung der hohen Energieverluste 4) Beispiele für veresserte Berechnungen 5) Schlussemerkungen Berechnungen zum Geschieetransport Viele Gleichungen für den Geschieetransport in Geirgsflüssen Erweiterung auf steile Gerinne Mehrheit asiert auf Laorversuchen; empirische Komponente Feldmessungen eschränkt, v.a. ei hohen Aflussintensitäten Berechnung der Transportkapazität pro Einheitsreite, q, in Funktion von: excess shear stress: excess unit discharge excess unit stream power q q q prop ( τ τ ) c prop ( q q ) c prop ( ω ωc ) Wichtige Punkte ei der Transport Berechnung in Wildächen und Geirgsflüssen: 1. Kritische Bedingungen ei Transporteginn (τ c or q c or ω c )? 2. Wahl der geeigneten Transportformel? τ = ρghs: Sohlenschuspannung q: Afluss pro Einheitsreite ω = ρgqs: Strömungsleistung pro Einheitsreite ρ: Fluiddichte g: Erdeschleunigung h: Fliesstiefe S: Gerinnegefälle 3. Berücksichtigung des hohen Fliesswiderstandes in steilen und rauhen Gerinnen mit kleiner Fliesstiefe? 4. Einfluss der Sedimentverfügarkeit? D. Rickenmann p. 2

3 Geschieetransport Formeln: Meyer Peter & Müller (1948) Für Kiesettflüsse, asiert auf Laorversuchen an der ETH Zürich mit Gerinnegefällen S von: S k st φ = 8 θ θc = 8 c k o 1. ' [ θ θ ] 5 Der Vorfaktor 8 wurde später modifiziert zu ca. 5, nach einer Re Analyse der MPM Daten von Hunziker & Jäggi (2002) und Wong & Parker (2006). φ = dimensionslose Sedimenttransportrate q = Sedimenttransportrate pro Einheitsreite k st = Stricklereiwert für Gesamtrauhigkeit k o = Stricklereiwert für Kornrauhigkeit θ = dimensionslose Sohlenschuspannung θ = effektive dimensionslose Sohlenschuspannung θ c = kritische dimensionslose Sohlenschuspannung ei Beginn des Transportes (θ c 0.047) s = ρ s / ρ f = Feststoffdichte / Fluiddichte g = Erdeschleunigung D m = mittlere Korngrösse h = Fliesstiefe S = Gerinnegefälle φ = θ = q 3 [ ( s 1) g D ] 0. 5 hs ( s 1) D m m [Recking, 2006]: MPM üerschätzt für θ < ca. 0.5, und unterschätzt tendenziell für hohe θ. (Vergleich mit mehr als 1000 Versuchsdaten) Geschieetransport Formeln: Steile Gerinne Basieren auf Laorversuchen an der ETH Zürich: Meyer-Peter & Müller (1948) Smart & Jäggi (1983) und Rickenmann (1990). Hier sind vereinfachte Formeln für s = 2.68 und (D 90 /D 30 ) 0.2 = 1.05 angegeen: Steile Gerinnegefälle, S 0.20 q = 5.8 S 2 (q - q c ) (1) [Rickenmann, 2001, WRR, eq. 9] Alle Gerinnegefälle, S 0.20 φ = 2.5 θ 0.5 (θ - θ c ) Fr θ 0.5 (θ - θ c ) Fr (2) q S (q - q c ) (3) [Rickenmann, 2001, WRR, eq. 2] [Rickenmann, 2001, WRR, eq. 3] Anmerkungen: Formel (3) ist equivalent mit (2) nur für geringe Geschiekonzentrationen und Aehnlichkeit zwischen q c and θ c. Unter Berücksichtigung des sohlenparalellen Gewichtes der Körner zeigt (3) auch für Versuche mit steilen Gerinnegefällen gleich gute Üereinstimmung wie Formel (1) D. Rickenmann p. 3

4 Üersicht 1) Formeln für den Geschieetransport 2) Üerschätzung der Frachten in steilen Bächen 3) Berücksichtigung der hohen Energieverluste 4) Beispiele für veresserte Berechnungen 5) Schlussemerkungen Geschieemessungen: Wildach Untersuchungsgeiete der EAFV und WSL D. Rickenmann p. 4

5 Messungen zum Geschieetransport in Wildächen und Kiesettächen No. Stream Slope, S EG [km2] Qc [m3/s] Qp [m3/s] Oservation period 1 Erlenach Melera Rio Cordon CH Wildäche: 4 Rappengraen viele Hochwasser Andere Bäche: v.a. kleine is mittlere Aflüsse (Daten aus Rickenmann, WRR, 2001) 5 Sperelgraen Pitzach / Bas Arolla Bridge Creek Rappengraen Torlesse Stream , Schwändliach , Rotenach , Ashiraidani Jordan (Kinneret) , 1974, Sagehen Creek Oak Creek Turkey Brook (7) Virginio Stream , 1988 Berechnungen zum Geschieetransport in Wildächen und Kiesettächen G cal [m 3 ] CH Wildäche andere WB + GB G cal [m 3 ] mit: Q = ( Q Q ) S modified from Rickenmann c (2001, WRR) perfekte Üereinstimmung G eo [m 3 ] (Daten aus Rickenmann, WRR, 2001) D. Rickenmann p. 5

6 Hochwasser vom August 2005 in der Schweiz ( und in Österreich) Wildäche Geirgsflüsse, Talflüsse Murgänge Geschieetransport Üerschreiten Aflusskapazität Geschieetransport Seitenerosion Üerschreiten Aflusskapazität und Geschieetransport Üerschreiten Aflusskapazität und Seitenerosion Geschieetransport und Seitenerosion Hochwasser 2005: Beoachtungen der transportierten Geschieefrachten für - 34 Murgang-Ereignisse - 39 Hochwasser mit fluvialem Geschieetransport (BAFU, 2007, 2008) Hochwasser vom August 2005 und Geschieetransport Formeln ormeln edload Geschieefracht volume / runoff Aflussfracht volume Konventionelle Geschieetransport Formeln tendieren dazu, ei Gerinnegefällen steiler als etwa 5% die eoachteten Geschieefrachten zu üerschätzten. GF / V wt deris flow 1 fluvial transport Rotlauiach Haldiach Riera de les Arenas Rickenmann, eq. (3) Glyssiach Acherliach MPM-upper, eq. (7) 0.1 MPM-lower, eq. (7) Recking-upper, eq. (8) Recking-lower, eq. (8) ca. 5 % Gerinnegefälle channel S slope [%] [%] Rickenmann & Koschni (2010) (Rickenmann & Koschni, HP, 2010) D. Rickenmann p. 6

7 Üersicht 1) Formeln für den Geschieetransport 2) Üerschätzung der Frachten in steilen Bächen 3) Berücksichtigung der hohen Energieverluste 4) Beispiele für veresserte Berechnungen 5) Schlussemerkungen Fliesswiderstand: grosse Energieverluste ei untiefen Aflüssen 8 f V = v * h/d 84 Werte h/d 84 Werte Entwicklung q Formeln Trend asierend auf 2890 Naturmessungen zur Fliessgeschwindigkeit Zusätzliche Energieverluste wegen hohem Fliesswiderstand in steilen Gerinnen mit kleiner relativer Aflusstiefe (h/d 84 ). Geschieetransportformeln erücksichtigen solche Verhältnisse normalerweise nicht. > Korrektur durch Aufteilung des gesamten Fliesswiderstandes (f tot ) in eine Basisreiung (f o ) und zusätzlichen Fliesswiderstand (f add ) h/d 84 Analyse von 2890 Fliessgeschwindigkeits Messungen in Kiesflüssen und (wenigen) Wildächen. (Rickenmann & Recking, WRR, 2011) Rickenmann & Recking (sumitted) D. Rickenmann p. 7

8 Fliesswiderstand: Aufteilung zur Berücksichtigung von Energieverlusten Analyse von 2890 Fliessgeschwindigkeits Messungen Analysis of 3500 field data for wide in range Kiesflüssen of flow und conditions (wenigen) Wildächen: Berechnung eines reduzierten Energieliniengefälles S red, welches für den Geschieetransport relevant ist. Anteil zusätzlicher Fliesswiderstand (f add ) Anteil Basisreiung (f o ) (Rickenmann & Recking, WRR, 2011) h/d 84 > Korrektur für die Berechnung des Geschieetransportes in steilen Gerinnen mit kleiner relativer Aflusstiefe (h/d 84 ): S red = S f f o tot e / 2 n = S n o tot e Dann z.b. S red einsetzen in: Q = (Q Q c ) S red Typische Werte für e liegen im Bereich von 1 2; folgende Analyse mit e = Rickenmann & Recking (sumitted) Geschieetransport: Vergleich von Berechnungen und Beoachtungen Für Messungen aus Geirgsflüssen und Wildächen in CH mit Hochwasser Aflüssen: 1) Geschieetransport Formel von Rickenmann (2001) als Referenz 2) Reduziertes Energieliniengefälle, estimmt mit verschiedenen Ansätzen für rauhe Gerinne 3) Vergleich mit Geschieedaten aus der Schweiz (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) D. Rickenmann p. 8

9 Fliesswiderstand: Aufteilung aufgrund von grossen Blöcken Pagliara & Chiavaccini 2006 [Ri PC] Blockdichte Γ Laorversuche S = Γ = Whittaker et al [Ri W] Blockdichte Γ Laorversuche mit Blockrampen S < 0.05 Γ < 0.15 (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) Fliesswiderstand: Aufteilung aufgrund von Stufen (step pool) pool) Egashira & Ashida 1991 [Ri EA] Stufenhöhe/Stufenastand H/L Laorversuche S (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) D. Rickenmann p. 9

10 Fliesswiderstand Aufteilung:theoretischer theoretischer + empirischer Ansatz Yager et al [Ri Y] Blockastand λ Herausragung p Laorversuche S 0.10 Alternative Komination mit Geschiee Transport Formel von Parker (1990): [P Y] Rickenmann & Recking 2010 [Ri RR] empirischer Ansatz, asiert auf vielen Naturdaten zum Fliesswiderstand (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) f 0 /f tot ) 0.5 ( c Fliesswiderstand Aufteilung: Vergleich ei Anwendung auf CH Gerinne General over estimation of oserved edload volumes for 2005 flood events (Switzerland, Austria) a Saltina Sperelgraen Ordinate: Verhältnis von Basisreiung zu totalem Fliesswiderstand (f 0 /f tot ) 0.5 for Der Anteil an Basisreiung entspricht der Energie, welche für den Geschieetransport zur Verfügung steht Erlenach /f tot )0.5 (f r h /D 84 d Gamsa r h /D 84 Pagliara and Chiavaccini 2006 Egashira and Ashida 1991 Yager 2007 Whittaker et al Rickenmann and Recking edload transport Aszisse: Relative Fliesstiefe (r h /D 84 ). Graue Balken: Relevanter Aflussereich für den Geschieetransport während der Hochwasser. Chiari & Rickenmann (Nitsche et al. 2011, WRR, (sumitted) in press) D. Rickenmann p. 10

11 Üersicht 1) Formeln für den Geschieetransport 2) Üerschätzung der Frachten in steilen Bächen 3) Berücksichtigung der hohen Energieverluste 4) Beispiele für veresserte Berechnungen 5) Schlussemerkungen Berechnungen zum Geschieetransport in Wildächen und Kiesettächen G cal, Sred [m 3 ] mit: G cal, Sred [m 3 ] CH Wildäche andere WB + GB perfekte Üereinstimmung 1000 Q = ( Qmodified Qfrom ) Rickenmann (2001, WRR) c S red G eo [m 3 ] (Daten aus Rickenmann, WRR, 2001) D. Rickenmann p. 11

12 Vergleich mit Geschieedaten aus der Schweiz Flächen Einzugsgeiete: km 2 Gerinnegefälle: % Art der Daten 2000 Hochwasser Event data 2005 Hochwasser Wildäche der WSL, Long meist jährliche Messung, term grosse + kleine HW 2 19 % data Berechnung Geschieetransport mit: φ = 2.5 θ 0.5 (θ - θ c ) Fr [Ri] (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) Geschieetransport: Vergleich von Berechnungen und Beoachtungen Für Messungen aus Geirgsflüssen und Wildächen in CH mit Hochwasser Aflüssen: 1) Geschieetransport Formel von Rickenmann (2001) als Referenz 2) Reduziertes Energieliniengefälle, estimmt mit verschiedenen Ansätzen für rauhe Gerinne 3) Vergleich mit Geschieedaten aus der Schweiz Getestete Kominationen von Gleichungen φ = 2.5 θ 0.5 (θ - θ c ) Fr [Ri-no] Bedload transport Flow resistance partitioning Areviation Rickenmann [2001] no reduction Ri-no Rickenmann [2001] Pagliara and Chiavaccini [2006] Ri-PC Rickenmann [2001] Whittaker et al. [1988] Ri-W Rickenmann [2001] Egashira and Ashida [1991] Ri-EA Rickenmann [2001] Yager [2007] Ri-Y Rickenmann [2001] Rickenmann and Recking [in review] Ri-RR Parker [1990] Yager [2007] P-Y (Nitsche et al. 2011, WRR, in press) D. Rickenmann p. 12

13 Vergleich von erechneten (V pred ) und gemessenen (V meas ) Geschieefrachten General over estimation of oserved edload volumes for 2005 flood events (Switzerland, Austria) Alternative Komination mit Transport Formel von Parker (1990) generelle Üerschätzung este Kominationen Jede Grafik zeigt die Resultate einer Komination von Gleichungen. Gestrichelte Linie: perfekte Üereinstimmung. Chiari & Rickenmann Aszisse: hohe/ geringe Blockdichte, grosse/ kleine Stufen Steilheit, WB Daten, HW Daten, alle Daten (sumitted) (Nitsche et al. 2011, WRR. in press) Vergleich von erechneten (V pred ) und gemessenen (V meas ) Geschieefrachten General over estimation of oserved edload volumes for 2005 flood events (Switzerland, Austria) Jede Zeile stellt eine Komination von Transportformel und Ansatz für die Fliesswiderstand Aufteilung dar. Aszisse, für jede Spalte: Häufigkeitsverteilung für drei Klassen des Bereiches der Üereinstimmung zwischen Berechnung und Beoachtung, d.h. für drei Klassen des Verhältnisses (V pred /V meas ). este Kominationen Chiari & Rickenmann (Nitsche et al. 2011, WRR, (sumitted) in press) D. Rickenmann p. 13

14 Berechnungen zum Geschieetransport: Studie Wallis Wasserkraft Klimawandel Daten ei Wasserfassungen der Grande Dixence SA: Afluss, Anzahl Spülungen > Berechnungen zum Geschieetransport (Raymond et al., 2011) Berechnungen zum Geschieetransport: Wasserfassungen der Grande Dixence SA G cal, Sred [m 3 ] G cal, Sred [m 3 ] mit: Q = ( Q Q c ) S red Geschieetransport ei WasserfassungenGD perfekte Üereinstimmung G eo [m 3 ] Bessere Üereinstimmung als ei Berechnung mit S Gerinne Einfluss Sedimentverfügarkeit: qualitativ estätigt > weitere Untersuchungen (Raymond et al., 2011) D. Rickenmann p. 14

15 Üersicht 1) Formeln für den Geschieetransport 2) Üerschätzung der Frachten in steilen Bächen 3) Berücksichtigung der hohen Energieverluste 4) Beispiele für veresserte Berechnungen 5) Schlussemerkungen Bemerkungen zur Berechnungen zum Geschieetransport in steilen Gerinnen 1. Konventionelle Geschieetransport Formeln führen ei steilen Gerinnen mit untiefen Aflüssen zu einer deutlichen Üerschätzung der Geschieefrachten. 2. Eine Berücksichtigung der hohen Fliesswiderstände und Energieverluste in steilen Gerinnen mit untiefen Aflüssen führt zu einer deutlich esseren Üereinstimmung von erechneten und eoachteten Geschieefrachten. 3. Wit Weitere wichtige ihti Einflussfaktoren f für den Geschieetransport tin steilen Gerinnen sollten eenfalls erücksichtigt werden, wie z.b. die Sedimentverfügarkeit und der (stark variale) Grenzafluss ei Transporteginn. D. Rickenmann p. 15