Transcript Einführung zum Geschiebetransport

Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Geschiebetransport
Vorlesung 1 für
Hydro 1 (Rolf Weingartner)
26. Oktober 2011
Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSL
Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Übersicht
• Einführung
– Relevanz des Geschiebetransports
• Prozess Geschiebetransport
– Geschiebe – Der Film
• Typische Beobachtung am Beispiel Erlenbach
• Geschiebetransportberechnungen
– Bewegungsbeginn
– Transporteffizienz
• Geschiebetransport in Wildbächen und Gebirgsflüssen
Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Was ist Geschiebetransport?
• Zwei Arten des Sedimenttransports in Flüssen
– Schwebstofftransport
• Korngewicht wird durch turbulente Kräfte getragen
• Kein oder seltener Kontakt mit dem Bett
– Geschiebetransport
• Korngewicht wird am Bett getragen
• Häufiger Kontakt mit dem Bett
• Ob ein bestimmtes Korn als Schwebstoff oder als
Geschiebe transportiert wird, hängt von den
Korneigenschaften und der Hydraulik ab
Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Bedeutung des Geschiebetransports
Einzugsgebietsgrösse / km2
Aus: Turowski et al., Sedimentology 2010
Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Bedeutung des Geschiebetransports
• Wasserbau
– Schleusen, Dämme, Brücken etc.
• Naturgefahr
– Bankerosion
– Sedimentation
• Wirtschaftsfaktoren
– Schäden in Extremereignissen
– Stauraumverlust, Spülungen
• Wissenschaftliche Relevanz
– Sedimenttransfer (Landschaftsentwicklung)
– Gerinnedynamik
– Felserosion / Abrasion
Geschiebetransport 1
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Bedeutung des Geschiebetransports
• Naturgefahr
– Während eines Hochwassers in Baltschieder wurden
mehr als 100‘000 m3 Sedimente im Dorf abgelagert
– Während der Hochwasser 2005 wurden 1/3 bis 1/2
Gesamtschadens von 3 Milliarden Franken durch
Geschiebe verursacht
Baltschieder, Wallis, 2000
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Geschiebetransport 1
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Bedeutung des Geschiebetransports
Schweibbach, Eisten, Wallis:
Wasserfassung durch
Geschiebetransport beschädigt
Geschiebetransport 1
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Bedeutung des Geschiebetransports
• Wissenschaftliche Relevanz
– Sedimenttransfer
– Gerinnedynamik
– Felserosion
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransport als Prozess
• Interaktion verschiedener, komplizierter Prozesse
– Turbulenter Wasserfluss
– Grosse Anzahl Teilchen (granuläre Prozesse)
– Interaktion von beiden
• Feldbeobachtung schwierig / aufwändig
– Wenige Daten verfügbar
• Schwierig zu simulieren
– Probleme der Skalierung
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransport als Prozess
• Zusammenspiel von Gerinnemorphologie, Sedimenttransport
und hydrologischen / hydraulischen Prozessen
– Hydraulik abhängig von Gerinnemorphologie und Hydrologie
– Transport abhängig von Hydraulik und Gerinnemorphologie
– Transport formt das Gerinne
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransport als Prozess
• Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt
werden
– Bewegungsbeginn
• Grenzabfluss
• Topographie
– Translation
• Transportdistanz
– Ablagerung
• Grenzabfluss
• Topographie
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransport als Prozess
• Trinity River
– Geschiebe – Der Film
Geschiebetransport 1
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Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
• Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen
(>25 Jahre)
Geschiebetransport 1
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Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
• Geschiebesensoren: Geophonsystem
– Misst „Impulse“, durch sich bewegende Körner
– Kalibriert durch Fangkörbe und Sammler
Geschiebesammler
Fangkorb
Geophonsensoren
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Hochwasser im Erlenbach
• Erlenbach – Als das Wasser kam
• Erlenbach – Bigger, Better, Faster
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Transportereignisse im Erlenbach
3
Abfluss / m /s
14
Discharge
Abfluss
Geophonimpulse
Impulses
12
10
8
6
20th June 2007
40000
4
2
20000
0
0
100
4
150
200
12000
10000
3
8000
2
6000
4000
1
2000
0
0
50
100
150
Time/ /Min
min
Zeit
Zeit / Minuten
200
Geophonimpulse
9th September 2007
b)
3
80000
60000
50
Abfluss / m /s
100000
Impulses
Discharge / m3/s
120000
Geophonimpulse
16
a)
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportmessungen
Erlenbach:
Geschiebemessungen
2002-2010
Number of impulses
10000
1000
1-Minutendaten
• 18990 Messpunkte
• 316.5 Stunden
• 128 Einzelereignisse
100
10
1
10
100
1000
Discharge / l/s
10000
Abfluss / l/s
100000
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportmessungen
Grosse Streuung
Erlenbach:
Geschiebemessungen
2002-2010
Number of impulses
10000
1000
1-Minutendaten
• 18990 Messpunkte
• 316.5 Stunden
• 128 Einzelereignisse
100
10
1
10
100
1000
Discharge / l/s
10000
Abfluss / l/s
100000
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportberechnungen
• Semi-empirische oder Laborgleichungen
– Abhängig von Schleppspannungen oder Abfluss und Neigung
• Es gibt dutzende Gleichungen und es braucht Erfahrung, um zu
wissen welche Gleichungen
für bestimmte
Bedingungen geeignet
Gemessene
Transportraten
Meyer-Peter und Müller (1948)
sind
Rickenmann (1991)
0.1
1
2
transport rate
Bedload
Geschiebetransportrate
pro Breite
/ m //sm2/s
width
per unit
10
1
0.01
Bedload transport
predictions for the
Erlenbach with three
commonly used
bedload equations.
3
1E-3
3/s
Abfluss
/s
Discharge
/ m/ m
Wilcock und Crowe (2003)
Abfluss
0.1
1E-4
1E-5
50
100
150
Zeit / Min.
Time
/ 1min
portrate
2
m /s
0
200
250
0.01
300
Gemessene
Transportraten
Measured transport
rates
Meyer-Peter
und Müller
Müller(1948)
(1948)
Meyer-Peter and
Rickenmann
(1991)
Rickenmann (1991)
Wilcock and
Wilcock
und Crowe
Crowe (2003)
(2003)
Discharge
Abfluss
10
0.1
1
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportberechnungen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
3
2
Beispiele:
– Meyer-Peter & Müller (VAW), 1948
– Fernandez Luque & van Beek, 1976
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportberechnungen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
Einsteinzahl

3
2
qb
1
 s
 2

    1 gD50  D50



Korngrösse des Bettmaterials
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Geschiebetransportberechnungen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
Einsteinzahl

qb
1
 s
 2

    1 gD50  D50




3
2
b
 s   gD50
Shieldszahl
Korngrösse des Bettmaterials
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Geschiebetransportberechnungen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
Einsteinzahl

qb
1
 s


    1 gD50  D50



2

Shieldszahl
b
 s   gD50
3
2
Schleppspannung
 b  gRh S
Bettneigung
Hydraulischer Radius
Korngrösse des Bettmaterials
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Geschiebetransportberechnungen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
Transporteffizienz
3
2
Shieldszahl bei
Bewegungsbeginn
Zwei empirische Parameter:
– Transporteffizienz
– Grenzwert des Bewegungsbeginns
Geschiebetransport 1
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Bewegungsbeginn
• Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung
– Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale
Hydraulik
3
  k    c 
2
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Bewegungsbeginn – Shields Diagramm
• Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten
– Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns
– Klarer Trend


k

– Streuung (Faktor 2-3)

 c 
3
2
Geschiebetransport 1
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Bewegungsbeginn – Shields Diagramm
• Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der
Shieldsparameter etwa konstant (0.03-0.07)
• Diese Werte werden häufig


k



c
für Rechnungen benutzt

2
3
Geschiebetransport 1
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Geschiebetransportmessungen
Erlenbach
Number of impulses
10000
  k    c 
1000
100
Grenzabfluss?
10
1
10
100
1000
Discharge / l/s
10000
Abfluss / l/s
100000
3
2
Geschiebetransport 1
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Grenzabfluss
• Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des
Korns
– Reibungswinkel
– Herausragung
Abfluss
– Lokale Hydraulik
Herausragung
Bewegungsrichtung?
Geschiebetransport 1
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Grenzabfluss – lokale Topographie
• Transport wenn Abfluss > Grenzabfluss
– Bettkonfiguration ändert sich ständig
• Kein Transport wenn Abfluss < Grenzabfluss
– Die Bettkonfiguration bei Bewegungsende wird
gespeichert
• Daraus folgt: Abfluss bei Beginn = Abfluss bei Ende
vom vorherigen Ereignis
Geschiebetransport 1
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Grenzabfluss – lokale Topographie
• Beginn und Ende des Transports
5
a) Pitzbach
1994-1995
12
3
Discharge at start of transport / m /s
14
10
b) Ruetz
2008-2009
4
8
3
6
2
4
1
2
0
7
0
0
2
4
6
8
10
12
14
c) Fischbach
2008-2009
6
5
2.0
1.5
4
0
1
2
3
4
5
1986-1999
2002-2009
d) Erlenbach
1986-2009
1.0
3
2
0.5
1
0.0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0.0
0.5
1.0
3
Discharge at end of previous event / m /s
Aus: Turowski et al., GRL 2011
1.5
2.0
Geschiebetransport 1
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Transporteffizienz
• Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren
Flüssen…)
• Abhängig von der


k



c
relativen Abflusstiefe oder
Bettneigung
• Gründe werden
erforscht…

Aus: Rickenmann, WRR 2001
2
3
Geschiebetransport 1
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Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen
Gemessene Transportraten
Meyer-Peter und Müller (1948)
Rickenmann (1991)
Wilcock und Crowe (2003)
Abfluss
10
1
0.1
2
1
0.01
Geschieberechnung
für den Erlenbach
(Kt. Schwyz) mit drei
verbreiteten
Geschiebeformeln.
3
1E-3
3/s
Abfluss
/s
Discharge
/ m/ m
Geschiebefracht
Geschiebetransportrate
pro Breite / m /s / m2/s
pro Einheitsbreite
• Die beobachtete Abweichung ist besonders in steilen
Gerinnen wichtig (im Gebirge!)
0.1
1E-4
1E-5
50
100
150
Zeit / Min.
Zeit
/ min
1
portrate
2
m /s
0
200
250
0.01
300
Gemessene
Transportraten
Gemessene Frachten
Meyer-Peter
und Müller
Müller(1948)
(1948)
Meyer-Peter und
Rickenmann
(1991)
Rickenmann (1991)
Wilcock und
Wilcock
und Crowe
Crowe (2003)
(2003)
Abfluss
Abfluss
10
0.1
1
Geschiebetransport 1
Jens Turowski, WSL
Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen
Meyer-Peter und Müller (1948)
Rickenmann (1991)
Wilcock und Crowe (2003)
Abfluss
10
1
0.1
2
1
0.01
Geschieberechnung
für den Erlenbach
(Kt. Schwyz) mit drei
verbreiteten
Geschiebeformeln.
3
1E-3
3/s
Abfluss
/s
Discharge
/ m/ m
Geschiebefracht
Geschiebetransportrate
pro Breite / m /s / m2/s
pro Einheitsbreite
• Typische Beobachtungen:
– Vorhersagen sind bei grossen Abflüssen besser
– Hohe Variabilität der
Transportraten
Gemessene Transportraten
0.1
1E-4
1E-5
50
100
150
Zeit / Min.
Zeit
/ min
1
portrate
2
m /s
0
200
250
0.01
300
Gemessene
Transportraten
Gemessene Frachten
Meyer-Peter
und Müller
Müller(1948)
(1948)
Meyer-Peter und
Rickenmann
(1991)
Rickenmann (1991)
Wilcock und
Wilcock
und Crowe
Crowe (2003)
(2003)
Abfluss
Abfluss
10
0.1
1
Geschiebetransport 1
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Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen
• Warum gibt es diese
Abweichungen?
– Sedimentverfügbarkeit
– Topographie
• Makrorauigkeit
• Bettformen
– Stufen-Becken Systeme
• Breite
Korngrössenverteilung
• Anstehender Fels
Geschiebetransport 1
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Aktive
Hänge
Anstehender
Fels
Grobe Blöcke
Stufen-Becken
Systeme
Geschiebetransport 1
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Berechnete Transportkapazität
Wirkliche Transportkapazität
Geschiebeverfügbarkeit
Berechnete Transportkapazität
Wirkliche Transportkapazität
Transport-limitiert
Verfübarkeits-limitiert
Geschiebeverfügbarkeit
Sediment supply
Grösse des Einzugsgebiets
Alexander Beer, WSL
Geschiebetransport 1
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Bedeutung der Gerinnemorphologie
• Heterogenes Bett
• Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert
Geschiebetransport 1
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Bedeutung der Gerinnemorphologie
1.6
1.2
1.0
0.8
2005
0.6
2007
10000
14
12
10
8
2006
20th June 2007
2004
16th November 02 to 20th June 07
21st June 07 to 13th June 08
20th June 07: rising hydrograph
20th June 07: receding hydrograph
16
6
3
2003
2002
Peak discharge / m /s
Cumulative Impulses / 10
6
1.4
0.4
2008
cumulative Impulses
3
Peak discharge >2 m /s
3
Peak discharge >3 m /s
3
Peak discharge >4 m /s
3
Peak discharge >5 m /s
Peak discharge
4
0.2
Impulses central sensor
1.8
1000
100
10
2
0.0
1
-0.2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
6
Cumulative runoff / 10 m
3
0.5
10
100
1000
10000
3
Discharge / m /s
• Grosse Ereignisse können stabile Strukturen im Bett aufbrechen
• Dies beeinflusst das Transportverhalten nachhaltig
– Transporteffizienz
– Bewegungsbeginn
Aus: Turowski et al., ESPL 2009
Geschiebetransport 1
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Zusammenfassung
• Geschiebetransport ist wichtig für das Verständnis von:
– Naturgefahren
– Wasserbau
– Wissenschaftlichen Fragen
– Gesellschaft / Wirtschaft allgemein
• Trotz Forschung seit mehr als 100 Jahren gibt es viele
offene Fragen
– Bewegungsbeginn / Grenzwerte
– Translation
– Ablagerung
Geschiebetransport 1
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Was Sie wissen sollten
• Grundlegende Geschiebeformeln
– Einsteinzahl
– Shieldszahl
– Grenzwert
• Shieldsdiagramm
• Einfluss der lokalen Topographie
– Transporteffizienz
• Makrorauigkeit
• Stufen-Becken Systeme
• Sedimentverfügbarkeit
Geschiebetransport 1
Vielen Dank fürJens
dieTurowski, WSL
Aufmerksamkeit!
Fragen?