Einfhrung zum Geschiebetransport
GeschiebetransportVorlesung 2 frHydro 1 (Rolf Weingartner)26.
Oktober 2011
Jens M. Turowski, Eidg. Forschungsanstalt WSLGeschiebetransport
2Jens Turowski, WSLbersichtGeschiebetransport messen (mit
Beispielen)RckhaltebeckenSediment BudgetsFangkrbeMarkierte
SteineIndirekte MethodenNotwendige Feldmessungen zu
RechnungenGerinnegeometrieKorngrssenVergleiche von Felddaten mit
Rechnungen
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLGeschiebetransport
messen
FangkrbeMarkierte SteineRckhalte-beckenIndirekte
MessungenSediment BudgetsGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLGeschiebetransport messen
FangkrbeMarkierte SteineIndirekte MessungenSediment Budgets
Rckhalte-beckenGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLRckhaltebeckenMessung der VolumendifferenzenRobust und
einfachGrobe AuflsungJe nach Grsse und Methode sind minimale
Volumennderungen von ~10-100m3 messbarWenige Datenpunkte (Monate
bis Jahre)Installation und Wartung teuer
RothenbachSteinibachBaltschiederbachGeschiebetransport 2Jens
Turowski, WSLRckhaltebeckenBeispiel: Abstechen eines Sammlers
RothenbachGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLGeschiebetransport messen
FangkrbeMarkierte SteineRckhalte-beckenIndirekte
MessungenSediment BudgetsGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLSediment BudgetsSedimenttransport aus topographischen
UnterschiedenSurveysLaser scansLidar von fliegender PlattformKann
grosse Gebiete abdeckenZeitaufwndig und teuerUngenau, indirekte
Messung
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLSediment BudgetsBeispiel
Glattbach (Kt. Bern),Hochwasser 2005 (Murgang)
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLGeschiebetransport
messen
FangkrbeMarkierte SteineRckhalte-beckenIndirekte
MessungenSediment BudgetsGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLFangkrbeDirekte MessungMan erhlt Transportraten und
KorngrssenverteilungenHohe zeitliche Auflsung (10 min)
mglichGefhrlich / unmglich whrend SpitzenabflssenZeitaufwndig
(teuer)
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLFangkrbeBeispiel
Fangnetze
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLFangkrbeErlenbach III: Das
Geschiebe kam bei Nacht
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLGeschiebetransport
messen
FangkrbeRckhalte-beckenIndirekte MessungenSediment Budgets
Markierte SteineGeschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMarkierte
SteineMarkiere einzelne Steine und verfolge sie entlang des
BachesPassive Tracer (Farbe, Magneten, radio-aktiv, RFID)Active
Tracer (Radio, RFID)Grosse Anzahl bentigtAbhngig von der
Wiederauffindungzeitaufwndig
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMarkierte SteineBeispiel
RFID Tracer
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLGeschiebetransport
messen
FangkrbeMarkierte SteineRckhalte-beckenIndirekte
MessungenSediment BudgetsGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLIndirekte MessungenMan misst die Auswirkungen des Transports,
nicht den Transport selbstGerusche (akustische
Messungen)AufschlgeStrung in einem Feld (magnetisch)SonarHohe
zeitliche Auflsung mglichHufig Eigenbau, keine kommerzielle
LsungDaten direkt verfgbarKalibrierung mit direkten Methoden
notwendig
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLIndirekte Messungen - WSL
GeophonsystemBeispiel: WSL GeophonsystemStahlplatte 36x50
cm2Akustisch isoliertGeophon ist im Zentrum fixiertZeichnet
Vibrationen auf
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLIndirekte Messungen - WSL
GeophonsystemImpulseQuadrierte IntegraleMax. Amplitude
ImpulsesGrenzwertGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLErlenbach, Alptal (Kt. Schwyz): WSL ObservatoriumKleines Gebiet
(0.7 km2) mit langjhrigen Beobachtungen (>25
Jahre)Geschiebetransport wird mit allen fnf Methoden gemessen
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLErlenbach, Alptal (Kt.
Schwyz): WSL ObservatoriumGeschiebesensoren: GeophonsystemMisst
Impulse, durch sich bewegende KrnerKalibriert durch Fangkrbe und
Sammler
GeophonsensorenGeschiebesammlerFangkorbGeschiebetransport 2Jens
Turowski, WSLGeophoneichung
Grssere Streuung fr kleinere MessintervalleLineare Eichfunktion
funktioniert gut!Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLNutzung der
GeophoneForschungStandortvoraussetzungenAbflussmessungenEichmglichkeit
(direkte Messungen)Zufahrt (zugnglich)StromversorgungBeispiel:
Erlenbach
Aus: Turowski und andere, WEL 2008Geschiebetransport 2Jens
Turowski, WSLNutzung der GeophoneWarnung /
PrventionStandortvoraussetzungenGeeigneter Ort zum EinbauBeispiel:
Schweibbach (Eisten)Aus: Turowski und andere, WEL 2008
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLNutzung der
GeophoneGeschiebehaushaltStandortvoraussetzungenAbflussmessungenEichmglichkeitZufahrtBeispiel:
Vallon du Nant(in Planung)
Geschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLGeschiebetransportrechnungenWas mssen wir wissen, um
Geschiebefrachten abschtzen zu knnen?
BachMessenRechnenGeschiebetransport 2Jens Turowski, WSLBentigte
KenngrssenViele einfache Transportformeln haben die Form:
ShieldszahlEinsteinzahlSchleppspannungBettneigungHydraulischer
RadiusKorngrsse des BettmaterialsGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLBentigte KenngrssenGerinnemorphologieNeigung
(Lngsprofil)Hydraulischer Radius (Querprofil)Definiert als
Querschnittsflche durch benetzten UmfangMedian KorngrsseEventuell
andere Kenngrssen der KrnerAbfluss / Pegel /
FliessgeschwindigkeitRauigkeitBenetzter
UmfangQuerschnittsflcheGeschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMessen
der bentigten KenngrssenGerinneneigungVon topographischen Karten
oder digitalen Gelndemodellen.Mit Neigungsmessgerten.Mit
Nivelliergert oder Theodolit.
Problem: vor allem Skalaber welche Distanz sollte dieNeigung
gemessen werden?Stromauf? Stromab?
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMessen der bentigten
KenngrssenQuerschnittsgeometrieMit Nivelliergert oderTheodolitMit
einem Laserdistanzmesseroder hnlichem GertDurch Abstechen von
einerhorizontalen Referenzlinie(z.B. der Wasserspiegel in grsseren
Flssen, von einer Brcke oder von einer waagerecht ber das Gerinne
gespannten Schnur)
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMessen der bentigten
KenngrssenQuerschnittsgeometrieIn heterogenen Flssen(z.B.
Wildbchen) solltenmehrere Querprofile gemessenund gemittelt
werdenEine wirklich gute Methodewird noch gesuchtDer hydraulische
Radius kann aus der Geometrie errechnet werden
Benetzter UmfangQuerschnittsflcheGeschiebetransport 2Jens
Turowski, WSLMessen der bentigten
KenngrssenKorngrssenverteilungVolumenprobe mittels Siebanalyse
(mindestens 150 kg; bestimmt Verteilung der Unterschicht; aufwendig
aber relativ genau). Flchen- oder Rasterprobe (mindestens ~300
Partikel; bentigt grssere freie Flche; in vielen Wildbchen deswegen
nicht mglich).
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMessen der bentigten
KenngrssenKorngrssenverteilungLinienprobe (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;
unterschtzt die Korngrssen typischerweise).
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLMessen der bentigten
KenngrssenFliessgeschwindigkeitTracermethodenDopplergeschwindigkeitRechnen
ausAbfluss (Messung / hydrologische Simulation)
Geschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLFliessgeschwindigkeitMehrere hufig verwendete Gleichungen
Chezy / Darcy-WeissbachManning-StricklerNeigungHydraulischer
RadiusRauigkeitsparameterFr steile Gerinne gibt es wesentlich
bessere GleichungenGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLAbflussbasierte GeschiebeformelnIm Folgenden wird auch eine
abflussbasierte Geschiebeformel verwendetEmpirisch, geht auf
Schoklitsch (1962) zurckKann (approximativ) aus der
Shields-basierten Gleichung hergeleitet werden
GeschiebetransportrateAbflussGrenzabflussTransporteffizienzNeigungGeschiebetransport
2Jens Turowski, WSLAbflussbasierte
GeschiebeformelnVorteile:Geometrie, Korngrssen etc. fliessen ber
die empirische Konstante K einIst linear im Abfluss, kann leicht fr
ein Ereignis integriert werden
GeschiebetransportrateAbflussGrenzabflussTransporteffizienzNeigungGeschiebetransport
2Jens Turowski, WSL
Vergleich FelddatenAus Felddaten K zurckgerechnetAus:
Rickenmann, WRR 2001Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSL
Ereignisse 2005Verteilung von Geschietransportereignissen und
MurgngenAus: Rickenmann und Koschni, HP 2010Geschiebetransport
2Jens Turowski, WSLEreignisse 2005
Aus: Rickenmann und Koschni, HP 2010Geschiebetransport 2Jens
Turowski, WSLGeophonmessungen Erlenbach
Qc =490 l/s (gemessener Mittelwert)Abfluss-basierte Gleichung ~
parallel Daten fr hohe AbflsseQc =100 l/s
Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLZusammenfassung
IGeschiebetransportraten knnen mit fnf Methoden gemessen
werdenRckhaltebeckenSediment BudgetsFangkrbeMarkierte
SteineIndirekte MethodenZum Berechnen der Transportraten bentigt
manNeigungAbflussGerinnegeometrieGeschiebetransport 2Jens Turowski,
WSLZusammenfassung IIAbflussbasierte Geschiebegleichungen
funktionieren recht gut beiKleinen NeigungenGrossen AbflssenStarke
Streuung bei kleinen Abfssen (nahe des Grenzabflusses)Fluviale
Transportereignisse und Murgnge liegen auf einer Trendlinie
bezglich der Gesamtfracht (kontinuierlicher
bergang?)Geschiebetransport 2Jens Turowski, WSLWas Sie wissen
solltenGeschiebetransportmessungenFnf MethodenVor- und
NachteileBeispieleBentigte ParameterGeometrie, Korngrssen,
AbflussUnd wie man sie messen kannAbfluss-basierte
GeschiebegleichungenGeschiebetransport 2Jens Turowski, WSL
Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit!Fragen?Geschiebetransport
2Jens Turowski, WSLErDat1999DatumFs [m3]Su(Fs)
[m3]Pe(SIH3)Pe(SIH3)Su(SIH3)Su(SIH3)1000[*1/1000][*1/1000]000000chronologic5/26/8749.949.95455554.5555455554.5557/14/87572621.9916771.5916.772971326.52971.3265211/5/8749.6671.53878538.7851010111.521010.111525/18/8819.56919485694.8561104967.521104.9675210/31/8854.8745.86216562.1651167132.521167.132526/13/8957.1802.988448.8441175976.521175.976529/27/89164.8967.7120261120.2611296237.521296.237525/23/90184.71152.4196133196.1331492370.521492.370526/7/9024.91177.32986529.8651522235.521522.2355210/4/9098.41275.7191301191.3011713536.521713.5365211/21/90121287.740774.0771717613.521717.613527/4/911001387.73132631.3261748939.521748.939527/16/921661553.7102741102.7411851680.521851.680528/26/921831736.7181849181.8492033529.522033.5295211/5/92321768.75679456.7942090323.522090.323526/18/93411809.78338983.3892173712.522173.712527/22/933142123.7362397362.3972536109.522536.109524/20/941192242.7179559179.5592715668.522715.668529/20/941302372.7154814154.8142870482.522870.482528/15/958893261.7851857.0851.8573722339.544753773722.33954475387/17/962603521.7324606324.6064046945.544753774046.94554475384/8/971703691.7105630105.634152575.544753774152.57554475389/25/973504041.7374309374.3094526884.544753774526.884544753810/9/98181.54223.29048590.4854617369.544753774617.36954475387/1/992484471.2171877171.8774789246.544753774789.2465447538
FangkorbMessortSationsnummerDatumMesstruppProbePegelwasserstandUhrzeit
(MEZ)Versuchsdauer (sec)Gewicht Geschiebe (kg)Volumen*
(m3)2*Volumen (m3), inkl. FeinmaterialImpulse Geophone: Platte
8Impulse G7+G8c (cm)BehlterImpulse Geophone (Platte 7 +
8)Imp./Gewicht [kg]Impulse
[1/1000]Erlenbach7/4/0918:36:561678.30.044740.08948571433300.33003424.370.342Erlenbach7/17/0922:16:0256229.20.130970.26194285716550.65507023.060.702Erlenbach8/10/0917:44:46101111.20.063540.12708571433070.30703483.130.348Erlenbach9/2/0915:32:4674160.80.091890.18377142864130.41304542.820.454Datum
EreignisZeitKorb
Nr.VolumenImpulse17/4/0918:36:561790.04514285710.09028571433420.34227/17/0922:16:0212290.13097142860.26194285717020.70238/10/0917:44:4611110.06354285710.12708571433480.34849/2/0915:32:4611610.09188571430.18377142864540.45457/11/1015:54:2811590.09085714290.18171428574470.44767/11/1016:08:402160.00914285710.0182857143430.04377/11/1016:21:20310.00077771430.001555428610.00187/17/1018:34:151130.00742857140.0148571429510.05197/17/1020:19:412280.0160.0321090.109107/17/1020:34:123230.01291428570.0258285714580.058117/23/1010:35:2211020.05817142860.11634285712640.264127/23/1010:45:44230.00148571430.0029714286190.019137/29/105:47:281130.00740.0148120.012147/29/108:34:542680.03874285710.07748571432920.292157/29/108:45:3131460.08342857140.16685714294870.487168/5/1019:27:461690.03965714290.07931428572610.261178/5/1019:37:5621670.09565714290.19131428576010.601188/5/1019:48:0332360.13474285710.269485714310201.02198/14/1023:25:521160.00914285710.0182857143120.012208/14/1023:37:212620.03554285710.07108571431970.197218/14/1023:48:5231300.07440.14884710.471228/27/1023:51:4712210.12603428570.25206857147550.755239/12/1020:25:581177.80.10160.20326170.617249/25/1024.910.00280571430.0056114286410.041Datum
EreignisZeitKorb Nr.Gewicht Krner > 0.95cm (kg)Volumen /
m3Gesamtzeit / sTransportrate / kg/sImpulse (G3+G4)Impulse /
1000239/12/1020:25:581177.80.1016812.19506172846170.617249/25/1024.910.0028057143930.0527956989410.041
EichdatenNeue Volumendifferenzen, gemss Plausibilisierung ab
Dez. 2006Neuer Sensor GP8 = alter Sensor Hy3DatumBemerkungSensor GP
8GP8Eichfaktor pro Periode1/(Eichfaktor Periode)Su GP8Eichfaktor
kumulativSumme (GP5-GP10)(GP5-GP10)Eichfaktor pro
Periode1/(Eichfaktor Periode)Su (GP5-GP10)Eichfaktor
kumulativ1/(Eichfaktor kumulativ)Mass
[kg]BeckenSummeImpulse1/10001/1000Impulse1/10001/100013.9.00-1.10.01139139591311591.3110.235102.04.02-22.10.02146146266239266.2390.5481022.10.02-14.10.0389893196231.9622.7850.35931.9622.7857046670.4661.2630.79270.4661.2630.7928977875650677787514.10.03-07.06.0458147Elowyn
Jager2349923.4992.4680.40555.4612.6515005850.0581.1590.863120.5241.2200.8205850750500585075007.06.04-06.10.0548195BMA,
CG3217832.1781.4920.67087.6392.2257247372.4730.6621.510192.9971.0100.9904842000724734200006.10.05-23.10.06274469Pat
Thee
(Vermessung)135847135.8472.0170.496223.4862.099333897333.8970.8211.219526.8940.8901.1232742397503319762397502.11.06-26.06.0716501650Pat
Thee,
Vermessung712789712.7892.3150.432936.2751.76222492752249.2750.7341.3632776.1690.5941.683165014437502249644144375027.07.07-9.10.07265265Pat
Thee,
Vermessung223179223.1791.1870.8421159.4540.229432777432.7770.6121.6333208.9460.08312.1092652318754332542318759.10.07-23.09.08274469Pat
Thee,
Vermessung276598276.5980.9911.009364.2371.288444754444.7540.6161.623637.7510.7351.3602652318754332542397508.10.08-02.10.09527996Pat
Thee,
Vermessung411389411.3891.2810.781634.8751.569874817874.8170.6021.6601401.7110.7111.40726523187543325446112525.11.09-11.08.1015263176Vermessung
TLS (Alex
Beer)890503890.5031.7140.5841826.7781.73922195782219.5780.6881.4554995.7470.6361.573265231875433254133525011.08.10-15.09.10132397Vermessung
TLS (Alex
Beer)168019168.0190.7861.2731327.4730.299295858295.8580.4462.2413504.8040.1138.8285614908754449621155001526132HW
20.6.071650666369666.36921598352159.835Daten aus
EU-1min-2002-2008-Daten.xlsSu (GP8)Su (GP5-GP10)Ende Periode
22.10.02-14.10.032888265067Ende Periode
14.10.03-07.06.042349950058Ende Periode
07.06.04-06.10.053217872473Ende Periode
06.10.05-23.10.06135243331976Ende Periode
2.11.06-26.06.077128412249644Ende Periode
27.07.07-9.10.07223418433254Ende Periode 9.10.07-23.09.08
(A)828311967Ende Periode 9.10.07-23.09.08 (B)268442432995Ende
Periode 9.10.07-23.09.08 (A+B)276725444962Achtung: Geophonimpulse
berprfenalte
Daten:VGI22.10.02-14.10.03892726814.10.03-07.06.04581472498507.06.04-06.10.05481953362706.10.05-23.10.06274469135319aus
EU-1min-2002-2006.xlsSumme GP8 (2.6.04-26.8.04)=27938Imp. GP8aus
Blatt "Messperiode P.S."27334Imp. GP8
G8-F54.555591.311266.23931.962712.789916.7715223.49938.78532.17894.856135.84762.165712.7898.844223.179120.261276.598196.133411.38929.865890.503191.301168.0194.07731.326102.741181.84956.79483.389362.397179.559154.814851.8570247538324.606105.63374.30990.485171.877
&C&8&F/&A/&D/RiSP (G8 bzw. PBIS-H3)Fs
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2.04.02-22.10.02Geophon 8, 22.10.2002-23.09.2008Geophon 8, with
event 20 June 2007
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Fs (m3)SP (G8 bzw. PBIS-H3)Geophon 8, 2002-2008PBIS no. 3,
1986-1999with event 20 June 2007
G8-F(3)31.96254.555712.78923.499916.7715232.17838.785135.84794.856712.78962.165223.1798.844276.598120.261411.389196.133890.50329.865168.019191.3014.07731.326102.741181.84956.79483.389362.397179.559154.814851.8570247538324.606105.63374.30990.485171.877
&C&8&F/&A/&DFs (m3)SP (G8 bzw.
PBIS-H3)Geophon 8, 2002-2008PBIS no. 3, 1986-1999with event 20 June
2007
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&C&8&F/&A/&DFs (m3)SP (G8 bzw.
PBIS-H3)Geophon 8, 2002-2008PBIS no. 3, 1986-1999with event 20 June
2007metal basket, 2009-2010
G5-10-F(Fangkorb)70.4662249.2750.34250.0580.70272.4730.348333.8970.4542249.2750.447432.7770.043444.7540.001874.8170.0512219.5780.109295.8580.0580.2640.0190.0120.2920.4870.2610.6011.020.0120.1970.4710.7550.6170.041
&C&8&F/&A/&DFs (m3)SP (G8 bzw.
PBIS-H3)Geophon (5-10), 2002-2008with event 20 June 2007metal
basket, 2009-2010
G5-10-M(Fangkorb)7046622492753425005870272473348333897454224927544743277743444754187481751221957810929585858264191229248726160110201219747175561741
&C&8&F/&A/&DM (kg)SP (G8 bzw.
PBIS-H3)Geophon (5-10), 2002-2008with event 20 June 2007metal
basket, 2009-2010
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2.04.02-22.10.02Geophone 5-10, 22.10.2002-15.10.2009Geophone 5-10,
HW 20.6.07
G-all-F
(2)70.4662159.83550.05872.473333.8972249.275432.777444.754874.8172219.578295.858
SP (G5-G10)Fs (m3)Geophone 5-10, 22.10.2002-15.10.2009Geophone
5-10, HW 20.6.07
G-all-F
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SP (G5-G10)Fs (m3)Geophone 5-10, 22.10.2002-15.10.2009Geophone
5-10, HW 20.6.07
