Einführung zum Geschiebetransport

Report
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
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Geschiebetransport messen
Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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Geschiebetransport messen
Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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Rückhaltebecken
• Messung der Volumendifferenzen
• Robust und einfach
• Grobe Auflösung
– Je nach Grösse und Methode sind minimale
Volumenänderungen von ~10-100m3 messbar
– Wenige Datenpunkte (Monate bis Jahre)
• Installation und Wartung teuer
Rothenbach
Steinibach
Baltschiederbach
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Rückhaltebecken
• Beispiel: Abstechen eines Sammlers
Rothenbach
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Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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Sediment Budgets
• Sedimenttransport aus topographischen Unterschieden
– Surveys
– Laser scans
– Lidar von fliegender Plattform
• Kann grosse Gebiete abdecken
• Zeitaufwändig und teuer
• Ungenau, indirekte Messung
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Sediment Budgets
• Beispiel Glattbach (Kt. Bern),
Hochwasser 2005 (Murgang)
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Geschiebetransport messen
Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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Fangkörbe
• Direkte Messung
– Man erhält Transportraten und
Korngrössenverteilungen
• Hohe zeitliche Auflösung (10 min) möglich
• Gefährlich / unmöglich während Spitzenabflüssen
• Zeitaufwändig (teuer)
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Fangkörbe
• Beispiel Fangnetze
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Fangkörbe
• Erlenbach III: Das Geschiebe kam bei Nacht
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Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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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
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Markierte Steine
• Beispiel RFID Tracer
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Markierte
Steine
Rückhaltebecken
Indirekte
Messungen
Fangkörbe
Sediment
Budgets
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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
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Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem
• Beispiel: WSL Geophonsystem
• Stahlplatte 36x50 cm2
– Akustisch isoliert
• Geophon ist im Zentrum fixiert
– Zeichnet Vibrationen auf
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Indirekte Messungen - WSL Geophonsystem
• Impulse
• Quadrierte Integrale
• Max. Amplitude
Impulses
Grenzwert
0.25
0.2
0.15
Spannung [V]
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
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Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium
• Kleines Gebiet (0.7 km2) mit langjährigen Beobachtungen
(>25 Jahre)
• Geschiebetransport wird mit allen fünf Methoden gemessen
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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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Geophoneichung
SP (G8 bzw. PBIS-H3)
Geophon (5-10), 2002-2008
10000000
y = 1.626x
R2 = 0.9917
with event 20 June 2007
1000000
metal basket, 2009-2010
100000
Linear (metal basket, 2009-2010)
10000
y = 3.437x
R2 = 0.9482
1000
100
10
Grössere Streuung für kleinere Messintervalle
1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
M (kg)
Lineare Eichfunktion funktioniert gut!
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Nutzung der Geophone
• Forschung
– Standortvoraussetzungen
• Abflussmessungen
• Eichmöglichkeit (direkte Messungen)
• Zufahrt (zugänglich)
• Stromversorgung
– Beispiel: Erlenbach
Aus: Turowski und andere, WEL 2008
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Nutzung der Geophone
• Warnung / Prävention
– Standortvoraussetzungen
• Geeigneter Ort zum Einbau
– Beispiel: Schweibbach (Eisten)
Aus: Turowski und andere, WEL 2008
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Nutzung der Geophone
• Geschiebehaushalt
– Standortvoraussetzungen
• Abflussmessungen
• Eichmöglichkeit
• Zufahrt
– Beispiel:
Vallon du Nant
(in Planung)
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Geschiebetransportrechnungen
• Was müssen wir wissen, um Geschiebefrachten
abschätzen zu können?
Gemessene Transportraten
Meyer-Peter und Müller (1948)
Rickenmann (1991)
Wilcock und Crowe (2003)
Abfluss
10
0.1
1
0.01
3
1E-3
0.1
1E-4
1E-5
0
50
100
150
200
Zeit / Min.
Bach
Messen
Abfluss / m /s
Geschiebetransportrate
2
pro Breite / m /s
1
Rechnen
250
0.01
300
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Benötigte Kenngrössen
• Viele einfache Transportformeln haben die Form:
  k    c 
Einsteinzahl
 
qb
 s


 1  gD 50 





 
1
2
D 50
 s
b
   gD 50
3
2
Schleppspannung
 b   gR h S
Bettneigung
Shieldszahl
Hydraulischer Radius
Korngrösse des Bettmaterials
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Benötigte Kenngrössen
Querschnittsfläche
• Gerinnemorphologie
– Neigung (Längsprofil)
– Hydraulischer Radius (Querprofil)
• Definiert als Querschnittsfläche durch
benetzten Umfang
Benetzter Umfang
• Median Korngrösse
– Eventuell andere Kenngrössen der Körner
• Abfluss / Pegel / Fliessgeschwindigkeit
– Rauigkeit
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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?
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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)
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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
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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).
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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).
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Messen der benötigten Kenngrössen
• Fliessgeschwindigkeit
– Tracermethoden
– Dopplergeschwindigkeit
– Rechnen aus
• Abfluss (Messung / hydrologische Simulation)
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Fliessgeschwindigkeit
• Mehrere häufig verwendete Gleichungen
Chezy / Darcy-Weissbach
1
V  CR h S
2
1
Manning-Strickler
V 
2
1
n
2
3
1
Rh S
Neigung
Hydraulischer Radius
Rauigkeitsparameter
• Für steile Gerinne gibt es wesentlich bessere
Gleichungen…
2
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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
Geschiebetransportrate
1 .5
Grenzabfluss
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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
Geschiebetransportrate
1 .5
Grenzabfluss
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Vergleich Felddaten
• Aus Felddaten K zurückgerechnet
Aus: Rickenmann, WRR 2001
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Ereignisse 2005
• Verteilung von Geschietransportereignissen und
Murgängen
Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010
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Ereignisse 2005
Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010
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Geophonmessungen Erlenbach
• Abfluss-basierte Gleichung ~ parallel Daten für hohe
Abflüsse
1
Q s  K Q  Q c  S
Qc =100 l/s
3
Bedload transport rate / m /s
0.1
0.01
1E-3
Qc =490 l/s (gemessener
Mittelwert)
1E-4
1E-5
10
Discharge / l/s
1 .5
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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
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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?)
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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
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Vielen Dank fürJens
dieTurowski, WSL
Aufmerksamkeit!
Fragen?

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