Hydrologie und

(1)

Hydrologie und

Flussgebietsmanagement

o.Univ.Prof. DI Dr. H.P. Nachtnebel

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiver Wasserbau

(2)

Gliederung der Vorlesung

z Statistische Grundlagen

z Extremwertstatistik

z Korrelation und Regression

z Zeitreihenanalyse und Anwendung

z Regionalisierung & räumliche Interpolation

z Bodenwasserhaushalt

z Grundwasserhaushalt

z N-A Modelle – Einheitsganglinie

z N-A Modelle – kombinierte Translations- und Speichermodelle

z Kontinuierliche N-A Modelle

z Retention und Flood Routing

z Hydrologische Vorhersagen

z Flussgebietsmodelle

z Stofftransport

z Sedimenttransport – Modellierung

z Flussgebietsmodelle

(3)

Sedimenttransport Seite 3

Einleitung: Sedimenttransport

¾ Geschiebehaushalt ist wichtig für Flussbau viele Gewässer tiefen sich ein:

z flussbauliche Maßnahmen (Begradigung, Ufersicherung, Sperren, Wehre,…)

z fehlender Geschiebenachschub

¾ Datenbasis

z Geschiebemessungen

z Verlandungsdaten in Speichern

z Sohleintiefung in Fließgewässern

(4)

Feststofftransport

¾ Menge und Transport der Feststoffe abhängig von verfügbarem Material (Erosion) und

Transportkapazität

¾ Erosion/Sedimentation erfolgt an der

Geländeoberfläche und im Gewässernetz

¾ Feststofftransport

• Klima

• Geologie

• Vegetation

• Gerinnegeometrie

(5)

Beispiele für Feststofftransport

Geschiebe und Feinsediment

(6)

Einleitung: Sedimenttransport

(DVWK)

(7)

Beschreibung der Feststoffe

¾ Charakteristik der Feststoffe

• Kornverteilungskurve (aus Nachtnebel et al. 2008)

(8)

Feststofftransport

• Kornverteilungskurve

• Ausbildung Deckschicht = natürliche Pflasterung

(9)

Feststofftransport

• Kornverteilungskurve

• Ausbildung Deckschicht = natürliche Pflasterung

• In Längsverlauf flussab Geschiebe feiner

• Geschiebe wird bei Zubringer wieder gröber

• Darstellung in Geschiebemischungsband

(10)

Geschiebemessung

¾ Fangkorb

¾ Sohländerungen

¾ Tracer

¾ Hydrophone

(11)

Schwebstoffmessung

¾ Probennahme mit Flasche

¾ Probennahme mit Schwimmer

¾ Pumpen

¾ Trübe

¾ ADCP

¾ Anlandungen

(12)

Schwebstoffmessung

¾ Probennahme mit Flasche

¾ Probennahme mit Schwimmer

¾ Probennahme über Pumpen

¾ Trübemessung

¾ ADCP

¾ Anlandungen

(13)

Konzentationsverteilung im Profil

(14)

Konzentationsverteilung im Profil

(Nachtnebel und Reichel, 1993)

(15)

Kritische Schubspannung (Schleppspannung)

(16)

Einwirkende Kräfte

¾ Schubspannung:

jene Kraft, die parallel zur Sohle auf das Korn wirkt

τ=ρ∗γ*g*I*R

¾ Gilt unter der Vss., dass das gesamte Gefälle wirksam ist (dass keine Turbulenzverluste

auftreten)

(17)

Sohlschubspannung

α G G ||

α sin

*

|| G

G = = ρ * g *V *sin α = ρ *g * A*L*sin α

L U

L A g

*

sin

*

* α

τ = ρ = ρ *g *R*I L A

I R* τ ~

⇒

¾ Bewegungs- beginn wenn

τ>τ₀=τ_krit

(18)

Berechnung des Geschiebetriebes

¾ G_s>0 wenn τ>τ_o bzw. τ_krit

¾ G_s = α* (τ-τ_o)^β

¾ τ ist Funktion von Geometrie und Q

¾ τ₀ ist abhängig von D, γ, Kornform (plattig, rund, stabförmig)

(19)

Abgrenzung Geschiebe Schwebstoffe

¾ Kresser (1964)

¾ Graf (1986), Shields (19

(20)

Ausbildung unterschiedlicher Sohlformen

¾ Es liegen viele Geschiebetransportformeln vor

¾ Auswahl nach Gewässertyp und Sediment

¾ Wichtig ist die Berücksichtigung verschiedener Fraktionsanteile

¾ Wichtig ist die Berücksichtigung des

Abflussprozesses (hoch turbulent, turbulent, gleitend) und der Sohlform (Riffel und Dünen, glatte Sohle,..)

(21)

Sohlformen und Transportprozesse

(22)

A‘‘ = 0,047 B‘‘ = 0,25 R_s ≈ R

Geschiebeformel nach Meyer-Peter-Müller

m s

s s

R S

W

d B g

I A R

* *

* ''

*

'' 3 ''2 3

'' ρ γ

γ

γ ₌ ₊

3 ''2 '' 3

*

* ''

*

* ''

*

* _S _R _s _m _s

W R I A γ d B ρ g

γ = +

3 ''2

3

''

* ''

*

* ''

*

s m

s R

S

W g

B

d A

I

R − =

ρ γ γ

'' 2

3

''

* ''

*

* ''

*

s m

s R

S

W g

B

d A

I

R ⎟⎟ =

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

ρ γ γ

τ ^τ⁰

Konstante

w s

s γ γ

γ ^'' = −

Anwendungsbereich: bis etwa I von 2 % Bei höherem Gefälle modifizierte Formel

Geschiebeführende Flüsse mit gut sortiertem Geschiebe

(23)

Geschiebeformel Meyer-Peter-Müller 2

¾ I_R meist kleiner als I

¾ Es geht ein Teil der Gefällsenergie durch Turbulenzen verloren

¾

6 1 90

2 3

26 d k

k I I k

R

R S R

=

⎭ ⋅

⎬ ⎫

⎩ ⎨

= ⎧

(24)

Geschiebeformel nach Graf

• Berechnung der Schubspannungsintensität (reziprok zu Schleppspannung)

• Berechnung des Transportparameters Φ

• Berechnung von C (Proportionalitätskonstante)

• Berechnung des Geschiebetransportes G_s (kg/s) = C*Q*γ_s

R I

d R

I

d

w w s

* *

*

* ) 1 (

γ γ γ

ψ = γ − = ⁻

τ τ0

(25)

Geschiebeformel nach Einstein

• Die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Geschiebeteilchen durch die Strömung an der Sohle bewegt wird, hängt von seiner Größe, seiner Gestalt, seinem Gewicht und vom Strömungsvorgang in Sohlennähe ab.

• Das Teilchen bewegt sich, wenn der augenblickliche hydrodynamische Auftrieb größer ist als sein Gewicht.

• Wenn das Teilchen einmal in Bewegung ist, ist die Wahrscheinlichkeit einer Wiederablagerung in allen Punkten der Sohle gleich, an denen die örtliche Strömung das Teilchen nicht sofort wieder forttragen würde.

• Die durchschnittliche Entfernung, die ein Teilchen von Ablagerung zu

Ablagerung durchwandert, ist konstant für jedes Teilchen und unabhängig von den Strömungsbedingungen, der Abflussmenge und der

Zusammensetzung der Sohle. Für ein annähernd kugelförmiges Korn kann diese Entfernung bis zu 100 Korndurchmessern angenommen werden.

(26)

Geschiebeformel nach Einstein

Φ und Ψ sind dimensionslos

q_s ist spez. Geschiebetrieb (kg/s.m)

(27)

Geschiebemengendauerlinie und Fracht

T [d]

H [m]

G_s [kg/s]

Geschiebemengenlinie

Wasserstandsdauerlinie

Geschiebemengedauerlinie 365

Geschiebefracht G [kg]

) , (τ τ₀ f

G_S =

(

^d ^Form

)

f , _s,

0 γ

τ =

(28)

Bettbildender Wasserstand

¾ Jener Wasserstand, bei dem über längere

Zeiträume (Jahr) die meiste Umlagerung erfolgt

(29)

Verlandung in einem Stauraum

(Aus Nachtnebel et al. 1989)

(30)

Weitere Transportformeln

• GF nach Kalinski

• GF nach Du Boys

• GF nach Shields

• GF nach Tofaletti

• GF nach Schoklitsch

• GF nach Parker GF nach Bagnold

• …

• In Österreich gebräuchlich:

z Meyer-Peter und Müller

z Einstein

(31)

Geschiebemodelle

¾ Können 1D-3D sein

¾ Lösen hydraulische Grundgleichungen (Massebilanz und Energiegleichung) lösen Sedimentgleichungen

(Bilanzgleichung und Transportgleichung)

¾ Es liegen Modelle für verschiedene Transportgleichungen vor

(32)

Zusammenfassung Stofftransport

¾ Abhängigkeiten und Charakteristika des Feststofftransportes

• Kornverteilung

• „natürliche Pflasterung“

¾ Begriffserklärung

• Sohlschubspannung

• Bewegungsbeginn eines Teilchens

• Geschiebemengendauerlinie

¾ Geschiebeformeln

• GF nach Meyer-Peter und Müller

• Geschiebeformel nach Graf

• Geschiebeformel nach Einstein