Transcript Einführung zum Geschiebetransport
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport
Vorlesung 2 für Hydro 1 (Rolf Weingartner) 26. Oktober 2011 Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSL
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, 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
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Rückhaltebecken • Messung der Volumendifferenzen • Robust und einfach • Grobe Auflösung – Je nach Grösse und Methode sind minimale Volumenänderungen von ~10-100m 3 messbar – Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre) • Installation und Wartung teuer Rothenbach Steinibach Baltschiederbach
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Rückhaltebecken • Beispiel: Abstechen eines Sammlers Rothenbach
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Sediment Budgets • Sedimenttransport aus topographischen Unterschieden – Surveys – Laser scans – Lidar von fliegender Plattform • Kann grosse Gebiete abdecken • Zeitaufwändig und teuer • Ungenau, indirekte Messung
Geschiebetransport 2 Sediment Budgets • Beispiel Glattbach (Kt. Bern), Hochwasser 2005 (Murgang) Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fangkörbe • Direkte Messung – Man erhält Transportraten und Korngrössenverteilungen • Hohe zeitliche Auflösung (10 min) möglich • Gefährlich / unmöglich während Spitzenabflüssen • Zeitaufwändig (teuer)
Geschiebetransport 2 Fangkörbe • Beispiel Fangnetze Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fangkörbe • Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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 • Abhängig von der Wiederauffindung • zeitaufwändig
Geschiebetransport 2 Markierte Steine • Beispiel RFID Tracer Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport messen Markierte Steine Indirekte Messungen Rückhalte becken Fangkörbe Sediment Budgets
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem • Beispiel: WSL Geophonsystem • Stahlplatte 36x50 cm 2 – Akustisch isoliert • Geophon ist im Zentrum fixiert – Zeichnet Vibrationen auf
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem • Impulse • Quadrierte Integrale • Max. Amplitude Impulses Grenzwert 0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0 -0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
0 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
t [s] 0.6
0.7
0.8
0.9
1
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium • Kleines Gebiet (0.7 km 2 ) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre) • Geschiebetransport wird mit allen fünf Methoden gemessen
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium • Geschiebesensoren: Geophonsystem – Misst „Impulse“, durch sich bewegende Körner – Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler Geschiebesammler Fangkorb Geophonsensoren
Geschiebetransport 2 Geophoneichung Jens Turowski, WSL SP (G8 bzw. PBIS-H3) Geophon (5-10), 2002-2008 10000000 with event 20 June 2007 1000000 metal basket, 2009-2010 100000 Linear (metal basket, 2009-2010) 10000 y = 3.437x
R 2 = 0.9482
1000 100 10 1 1 10 100 Grössere Streuung für kleinere Messintervalle 1000 M (kg) 10000 100000 y = 1.626x
R 2 = 0.9917
1000000 10000000 Lineare Eichfunktion funktioniert gut!
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Nutzung der Geophone • Forschung – Standortvoraussetzungen • Abflussmessungen • Eichmöglichkeit (direkte Messungen) • Zufahrt (zugänglich) • Stromversorgung – Beispiel:
Erlenbach
Aus: Turowski und andere, WEL 2008
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Nutzung der Geophone • Warnung / Prävention – Standortvoraussetzungen • Geeigneter Ort zum Einbau – Beispiel:
Schweibbach
(Eisten) Aus: Turowski und andere, WEL 2008
Geschiebetransport 2 Nutzung der Geophone • Geschiebehaushalt – Standortvoraussetzungen • Abflussmessungen • Eichmöglichkeit • Zufahrt – Beispiel:
Vallon du Nant
(in Planung) Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportrechnungen • Was müssen wir wissen, um Geschiebefrachten abschätzen zu können?
Bach Messen 1 0.1
0.01
1E-3 1E-4 1E-5 0 Gemessene Transportraten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss 10 1 0.1
50 100 150 Zeit / Min.
200 250 300 0.01
Rechnen
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Benötigte Kenngrössen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl
k
c
3 2 Schleppspannung
s
1
q b gD
50 1 2
D
50
s
b
gD
50 Shieldszahl
b
gR h S
Bettneigung Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Benötigte Kenngrössen Querschnittsfläche • Gerinnemorphologie – Neigung (Längsprofil) – Hydraulischer Radius (Querprofil) • Definiert als Querschnittsfläche durch benetzten Umfang • Median Korngrösse – Eventuell andere Kenngrössen der Körner • Abfluss / Pegel / Fliessgeschwindigkeit – Rauigkeit Benetzter Umfang
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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?
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen • Querschnittsgeometrie – Mit Nivelliergerät oder Theodolit – Mit einem Laserdistanzmesser oder ähnlichem Gerät – Durch Abstechen von einer horizontalen Referenzlinie (z.B. der Wasserspiegel in grösseren Flüssen, von einer Brücke oder von einer waagerecht über das Gerinne gespannten Schnur)
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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).
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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).
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Messen der benötigten Kenngrössen • Fliessgeschwindigkeit – Tracermethoden – Dopplergeschwindigkeit – Rechnen aus • Abfluss (Messung / hydrologische Simulation)
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Fliessgeschwindigkeit • Mehrere häufig verwendete Gleichungen Chezy / Darcy-Weissbach
V
CR h
1 2
S
1 2 Manning-Strickler
V
1
n R h
2 3
S
1 2 Neigung Hydraulischer Radius Rauigkeitsparameter • Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere Gleichungen…
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Abflussbasierte Geschiebeformeln • Im Folgenden wird auch eine abflussbasierte Geschiebeformel verwendet – Empirisch, geht auf Schoklitsch (1962) zurück – Kann (approximativ) aus der Shields-basierten Gleichung hergeleitet werden Transporteffizienz Abfluss Neigung
Q s
K
Q
Q c
S
1 .
5 Grenzabfluss Geschiebetransportrate
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Abflussbasierte Geschiebeformeln • Vorteile: – Geometrie, Korngrössen etc. fliessen über die empirische Konstante
K
ein – Ist linear im Abfluss, kann leicht für ein Ereignis integriert werden Transporteffizienz Abfluss Neigung
Q s
K
Q
Q c
S
1 .
5 Grenzabfluss Geschiebetransportrate
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Vergleich Felddaten • Aus Felddaten K zurückgerechnet Aus: Rickenmann, WRR 2001
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Ereignisse 2005 • Verteilung von Geschietransportereignissen und Murgängen Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010
Geschiebetransport 2 Ereignisse 2005 Jens Turowski, WSL Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Geophonmessungen Erlenbach • Abfluss-basierte Gleichung ~ parallel Daten für hohe Abflüsse 1 0.1
Q s
K
Q
Q c
S
1 .
5
Q c
=100 l/s 0.01
1E-3 1E-4 1E-5 10
Q c
=490 l/s (gemessener Mittelwert) Discharge / l/s
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL Zusammenfassung I • Geschiebetransportraten können mit fünf Methoden gemessen werden – Rückhaltebecken – Sediment Budgets – Fangkörbe – Markierte Steine – Indirekte Methoden • Zum Berechnen der Transportraten benötigt man – Neigung – Abfluss – Gerinnegeometrie
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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?)
Geschiebetransport 2 Jens Turowski, WSL 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
Jens Turowski, WSL Aufmerksamkeit!