Geschiebetransport. Vorlesung 2 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011

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1 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

2 Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Fangkörbe Sediment Budgets Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhaltebecken Rückhaltebecken Fangkörbe Sediment Budgets

3 Rückhaltebecken Messung der Volumendifferenzen Robust und einfach Grobe Auflösung Je nach Grösse und Methode sind minimale Volumenänderungen von ~10-100m messbar Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre) Installation und dwartung teuer Rothenbach Steinibach Baltschiederbach Rückhaltebecken Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach

4 Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhaltebecken Fangkörbe Sediment Budgets Sediment Budgets Sedimenttransport aus topographischen Unterschieden Surveys Laser scans Lidar von fliegender Plattform Kann grosse Gebiete abdecken Zeitaufwändig und teuer Ungenau, indirekte Messung

5 Sediment Budgets Beispiel Glattbach (Kt. Bern), Hochwasser 2005 (Murgang) Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhaltebecken Fangkörbe Sediment Budgets

6 Fangkörbe Direkte Messung Man erhält Transportraten und Korngrössenverteilungen Hohe zeitliche Auflösung (10 min) möglich Gefährlich h / unmöglich während Spitzenabflüssen Zeitaufwändig (teuer) Fangkörbe Beispiel Fangnetze

7 Fangkörbe Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhaltebecken Fangkörbe Sediment Budgets

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

9 Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhaltebecken Fangkörbe Sediment Budgets 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

10 Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem Beispiel: WSL Geophonsystem Stahlplatte 36x50 cm 2 Akustisch isoliert Geophon ist im Zentrum fixiert Zeichnet Vibrationen auf Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem Impulse Quadrierte Integrale Max. Amplitude 0.25 Impulses Grenzwert Spannun ng [V] t [s]

11 Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Kleines Gebiet (0.7 km 2 ) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre) Geschiebetransport t wird mit allen fünf f Methoden gemessen Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium Geschiebesensoren: Geophonsystem Misst Impulse, durch sich bewegende Körner Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler Geschiebesammler Fangkorb Geophonsensoren

12 Geophoneichung SP (G8 bzw. PBIS-H3) Geophon (5-10), with event 20 June 2007 metal basket, Linear (metal basket, ) y = 3.437x R 2 = y = 1.626x R 2 = Grössere Streuung für kleinere Messintervalle M (kg) Lineare Eichfunktion funktioniert gut! Nutzung der Geophone Forschung Standortvoraussetzungen Abflussmessungen Eichmöglichkeit (direkte Messungen) Zufahrt (zugänglich) Stromversorgung Beispiel: Erlenbach Aus: Turowski und andere, WEL 2008

13 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)

14 Geschiebetransportrechnungen Was müssen wir wissen, um Geschiebefrachten abschätzen zu können? 1 Gemessene Transportraten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss 10 ansportrate e / m 2 /s Geschiebetra pro Breite E-3 1E Abflus ss / m 3 /s 1E Zeit / Min. Bach Messen Rechnen Benötigte Kenngrössen Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl 3 ( θ θ ) 2 Φ = k θ c Shl Schleppspannung Φ = q b τ 1 θ = b 2 ρ s ( ρ ) gd 50 s ρ 50 ρ 1 gd50 D Shieldszahl hl τ b = ρgr h S Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials Bettneigung

15 Benötigte Kenngrössen Querschnittsfläche Gerinnemorphologie Neigung (Längsprofil) Hydraulischer Radius (Querprofil) Definiert als Querschnittsfläche durch benetzten ten 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 die Neigung gemessen werden? Stromauf? Stromab?

16 Messen der benötigten Kenngrössen Querschnittsgeometrie Mit Nivelliergerät oder Theodolit Mit einem Laserdistanzmesser oder ähnlichem Gerät Durch Abstechen von einer horizontalen Referenzlinie i (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) sollten mehrere Querprofile gemessen und gemittelt werden Eine wirklich gute Methode wird noch gesucht Der hydraulische Radius kann aus der Geometrie errechnet werden Querschnittsfläche Benetzter Umfang

17 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).

18 Messen der benötigten Kenngrössen Fliessgeschwindigkeit Tracermethoden Dopplergeschwindigkeit Rechnen aus Abfluss (Messung / hydrologische Simulation) Fliessgeschwindigkeit Mehrere häufig verwendete Gleichungen Chezy / Darcy-Weissbach Manning-Strickler V = CRh S 3 2 V = Rh S Neigung Hydraulischer Radius Rauigkeitsparameter Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere Gleichungen 1 n

19 Abflussbasierte Geschiebeformeln Im Folgenden wird auch eine abflussbasierte Geschiebeformel verwendet Empirisch, i geht auf Schoklitsch h (1962) zurück Kann (approximativ) aus der Shields-basierten Gleichung hergeleitet werden Transporteffizienz Abfluss Neigung Q s = K 1. 5 ( Q Q ) S c Geschiebetransportrate Grenzabfluss Abflussbasierte Geschiebeformeln Vorteile: Geometrie, Korngrössen etc. fliessen über die empirische ii Konstante t K ein Ist linear im Abfluss, kann leicht für ein Ereignis integriert werden Transporteffizienz Abfluss Neigung Q s = K 1. 5 ( Q Q ) S c Geschiebetransportrate Grenzabfluss

20 Vergleich Felddaten Aus Felddaten K zurückgerechnet Aus: Rickenmann, WRR 2001 Ereignisse 2005 Verteilung von Geschietransportereignissen und Murgängen Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010

21 Ereignisse 2005 Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010 Geophonmessungen Erlenbach Abfluss-basierte Gleichung ~ parallel Daten für hohe Abflüsse 1 Qs = K (Q Qc )S 1.5 Qc =100 l/s 3 Bed dload transp port rate / m /s E-3 Qc =490 l/s (gemessener Mittelwert) 1E-4 1E-5 10 Discharge / l/s

22 Zusammenfassung I Geschiebetransportraten können mit fünf Methoden gemessen werden Rückhaltebecken k 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?)

23 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?