Geschiebetransport 1 Jens Turowski WSL Geschiebetransport Vorlesung 1

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 Schwebstoff Einzugsgebietsgrösse / km 2 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 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports • Naturgefahr – Während eines Hochwassers in Baltschieder wurden mehr als 100‘ 000 m 3 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

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports Schweibbach, Eisten, Wallis: Wasserfassung durch Geschiebetransport beschädigt

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung des Geschiebetransports • Wissenschaftliche Relevanz – Sedimenttransfer – Gerinnedynamik – Felserosion

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 Jens Turowski, WSL 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 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess • Die Bewegung kann in drei Einzelprobleme aufgeteilt werden – Bewegungsbeginn • Grenzabfluss • Topographie – Translation • Transportdistanz – Ablagerung • Grenzabfluss • Topographie

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransport als Prozess • Trinity River – Geschiebe – Der Film

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Erlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL Observatorium • Kleines Gebiet (0. 7 km 2) mit langjährigen Beobachtungen (>25 Jahre)

Geschiebetransport 1 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 1 Jens Turowski, WSL Hochwasser im Erlenbach • Erlenbach – Als das Wasser kam • Erlenbach – Bigger, Better, Faster

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Discharge Impulses 20 th June 2007 Abfluss / m 3/s Impulses Discharge / m 3/s Transportereignisse im Erlenbach Impulse 9 th September 2007 Time/ /Min min Zeit

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Erlenbach: Geschiebemessungen 2002 -2010 1 -Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316. 5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Grosse Streuung Erlenbach: Geschiebemessungen 2002 -2010 1 -Minutendaten • 18990 Messpunkte • 316. 5 Stunden • 128 Einzelereignisse Impulse Abfluss / l/s

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 sind Bedload transport rate per unit width / m 2/s Discharge / m 3/s Time / min Bedload transport predictions for the Erlenbach with three commonly used bedload equations. Measured transport rates Meyer-Peter and Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock and Crowe (2003) Discharge

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Beispiele: – Meyer-Peter & Müller (VAW), 1948 – Fernandez Luque & van Beek, 1976

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Korngrösse des Bettmaterials

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Shieldszahl Korngrösse des Bettmaterials

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Einsteinzahl Schleppspannung Bettneigung Shieldszahl Hydraulischer Radius Korngrösse des Bettmaterials

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportberechnungen • Viele einfache Transportformeln haben die Form: Transporteffizienz Shieldszahl bei Bewegungsbeginn Zwei empirische Parameter: – Transporteffizienz – Grenzwert des Bewegungsbeginns

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn • Gravitation, hydraulischer Lift, Reibung – Korngewicht und –form, lokale Topographie, lokale Hydraulik

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn – Shields Diagramm • Bewegungsbeginn der Körner aus Experimenten – Shieldszahl gegen Reynoldszahl des Korns – Klarer Trend – Streuung (Faktor 2 -3)

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bewegungsbeginn – Shields Diagramm • Für voll-turbulenten Abfluss (Re>2000) ist der Shieldsparameter etwa konstant (0. 03 -0. 07) • Diese Werte werden häufig für Rechnungen benutzt

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebetransportmessungen Impulse Erlenbach Grenzabfluss? Abfluss / l/s

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss • Grenzwert abhängig von der lokalen Umgebung des Korns – Reibungswinkel – Herausragung Abfluss – Lokale Hydraulik Herausragung Bewegungsrichtung?

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 Jens Turowski, WSL Grenzabfluss – lokale Topographie • Beginn und Ende des Transports Aus: Turowski et al. , GRL 2011

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Transporteffizienz • Typischerweise ein Wert um 5 (bei grösseren Flüssen…) • Abhängig von der relativen Abflusstiefe oder Bettneigung • Gründe werden erforscht… Aus: Rickenmann, WRR 2001

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Die beobachtete Abweichung ist besonders in steilen Gerinnen wichtig (im Gebirge!) Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2/s Discharge / m 3/s Zeit / min Geschieberechnung für den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Typische Beobachtungen: – Vorhersagen sind bei grossen Abflüssen besser – Hohe Variabilität der Transportraten Geschiebefracht pro Einheitsbreite / m 2/s Discharge / m 3/s Zeit / min Geschieberechnung für den Erlenbach (Kt. Schwyz) mit drei verbreiteten Geschiebeformeln. Gemessene Frachten Meyer-Peter und Müller (1948) Rickenmann (1991) Wilcock und Crowe (2003) Abfluss

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Geschiebe in Wildbächen und Gebirgsflüssen • Warum gibt es diese Abweichungen? – Sedimentverfügbarkeit – Topographie • Makrorauigkeit • Bettformen – Stufen-Becken Systeme • Breite Korngrössenverteilung • Anstehender Fels

Geschiebetransport 1 Aktive Hänge Grobe Blöcke Jens Turowski, WSL Anstehender Fels Stufen-Becken Systeme

Geschiebetransport 1 Verfübarkeits-limitiert Sediment supply Alexander Beer, WSL Jens Turowski, WSL Transport-limitiert

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung der Gerinnemorphologie • Heterogenes Bett • Sediment wird hinter Hölzern, Stufen etc. gespeichert

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL Bedeutung der Gerinnemorphologie • Grosse Ereignisse können stabile Strukturen im Bett aufbrechen • Dies beeinflusst das Transportverhalten nachhaltig – Transporteffizienz – Bewegungsbeginn Aus: Turowski et al. , ESPL 2009

Geschiebetransport 1 Jens Turowski, WSL 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 Jens Turowski, WSL Was Sie wissen sollten • Grundlegende Geschiebeformeln – Einsteinzahl – Shieldszahl – Grenzwert • Shieldsdiagramm • Einfluss der lokalen Topographie – Transporteffizienz • Makrorauigkeit • Stufen-Becken Systeme • Sedimentverfügbarkeit

Geschiebetransport 1 Vielen Dank für. Jens die. Turowski, WSL Aufmerksamkeit! Fragen?