SNF Projekt: Geschiebetransportmessungen mit Geophon-Sensoren
Aus einer Vielzahl von unterschiedlichen
Ansätzen wurden viele Formeln abgeleitet, um Sedimenttransport vorherzusagen. Im
Gegensatz zu Kiesbett Flüssen im Tiefland, in Wildbächen (Gradienten höher als
etwa 5 %) wurde nur eine kleine Anzahl von Studien gemacht, um
Sedimenttransport vorherzusagen. Die Vorhersage von Geschiebe Dynamik in
steilen Gerinnen ist durch die Wechselwirkung mit aktiven Hang Prozessen, die
breite Streuung von Sedimentgrössen, die
Varianz des Abflusses in der Zeit, die alternierende Bett Rauheit und das Vorhandensein
von Stufen und Becken eine grosse Herausforderung.
Um unser Verständnis für Geschiebetransport
Prozesse in steilen Bächen zu verbessern, ist es notwendig, das Geschiebe so
genau wie möglich zu überwachen. Wir können Geschiebemessmethoden in zwei Hauptkategorien
klassifizieren. Typische direkte Methoden umfassen das Einfangen von Sediment (z.B.
Rückhaltebecken), das Sammeln von sich bewegenden Körner (z.B. Helley-Smith
Sampler) und das Verfolgen von Tracer-Partikeln (z.B.
Radiofrequenzidentifikation RFID).
Der vielversprechende Vorteil der
indirekten Sensoren (aktiv und passiv) ist, dass sie eine kontinuierliche
Messung der Transportintensität mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglichen. Die
gemessenen Signale von diesen Sensoren können in Relation zum Geschiebetransport
gebracht werden. Das registrierte Signal hängt einerseits von dem Sensor-Typ
und Empfindlichkeit und anderseits von den hydraulischen Bedingungen vor Ort und
der Charakteristik der transportierten Körner ab. Das bedeutet, dass eine Kalibrierung
dieser Systeme notwendig ist, um absolute Geschiebetransportraten zu erhalten.
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Abbildung 1: Automatisierte Fangkörbe für
die Probenahme und das Rückhaltebecken im Erlenbach.
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Abbildung 2: Die Körner werden über die
Stahlplatten mit Geophon Sensoren transportiert, bevor sie von dem Fangkorb aufgefangen
werden.
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Der Erlenbach im Alptal (Abbildung 1 und 2)
ist ein Untersuchungsgebiet der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und
Landschaft WSL, in dem Geschiebetransport Messungen seit 1982 gemacht werden.
Ziele
Im Jahr 1999 wurden im Erlenbach die
piezoelektrischen Aufprallsensoren (PBIS) durch Geophon Sensoren ersetzt
(Fsampling = 10'000 [Hz]). Frühere Studien haben gezeigt, dass das erzeugte
Signal durch die kinetischen Auswirkungen von Geschiebematerial auf das Geophon
über eine Prallplatte ein möglicher Weg ist um den
Geschiebetransport zu quantifizieren (Die Anzahl Impulse ist proportional zum gesamten
Geschiebevolumen eines Ereignisses). Die Geräte Kalibrierung hängt eindeutig
von ortsspezifischen Variablen wie die Kornverteilung, Materialdichte und dem Fliessverhalten
ab.
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Während eines Geschiebetransportereignisses
werden die Kies-Partikel über die Stahlpatte transportiert. Je nach ihren
Eigenschaften und den hydraulischen Bedingungen werden diese Partikel rollend,
gleitend oder hüpfend und die Stahlplatte überqueren. Wenn ein Partikel gegen die
Platte stösst, wird der Impuls auf das Geophon, das die elastische Verformung
der Platte kontinuierlich aufzeichnet, übertragen.
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Abbildung 3: Schematische Darstellung des
Schweizer Geophonplatten-Systems.
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Ziel des Projekts ist, die wichtigsten
Faktoren, die das Signal der Geophon Sensoren beeinflussen zu identifizieren
und zu bestimmen, welche Aspekte der Kalibrierung man in unkalibrierten
Feldstandorten verallgemeinern kann. Des Weiteren wird erforscht, ob die
Möglichkeit besteht, eine Aussage über die Korngrösse aus dem Geophon-Signal zu
machen (akustische Signal-Analyse).
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Abbildung 4: Wenn die Spannung einen
Schellenwert (ZGestrichelte Linie) überschreitet, wird ein Impuls registriert. Die
Zahl der registrierten Impulse ist gut korreliert (R-Quadrat = 0.91) mit der
gesamten transportierten Geschiebemenge eines Ereignisses im Erlenbach
(Rickenmann et. al 2012). Die obige
Abbildung zeigt sowohl das Rohsignal (ungefiltert und gefiltert, um die
Geräusche in den tiefen Frequenzen zu vermeiden) und das Spektrogramm (Rohsignal)
eines Laborrinne Versuches, bei dem 2x 10 Körner mit D = 52 [mm] mit einer
mittleren Fliessgeschwindigkeit von Vm = 3 [m/s] über eine Geophonplatte
transportiert werden.
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Ansätze
und Methoden
Ansätze
und Methoden
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Mit Geschiebematerial aus fünf verschiedenen
Gerinnen (Erlenbach CH, Riedbach CH, Fischbach AU, Ruetz AU und Eschtemoa IL), wo
Geophon Kalibrierungsmessungen zur Verfügung stehen, werden systematische
Versuche durchgeführt. Das Geophon System, das wir im Labor verwenden, wird das
Gleiche wie im Feld sein (Prallstahlplatte
Abmessungen und Geophon Sensor). Der Schwerpunkt der Laborversuche wird auf die
Reproduktion der im Feld gemessenen Strömungsverhältnisse gesetzt.
Um die relevanten Faktoren für die
Variation der verschiedenen Kalibrierungen vor Ort zu identifizieren, werden im
Labor Einkornversuche und Versuche mit Mehrkornmischungen durchgeführt. Der
Laboraufbau beinhaltet den Einbau einer Kamera über einer Leuchtplatte am
Ausgang der Rinne um momentane Geschiebetransportraten durch die Verfolgung der
Partikel bestimmen zu können.
Die Erkenntnisse aus den Laborversuchen werden
in den fünf untersuchten Bächen angewendet.
Die Möglichkeit Korngrössen Informationen aus
dem Roh-Signal zu extrahieren wird hiermit
auch untersucht. Um die Eigenfrequenz des Systems zu identifizieren ist zusätzlich
eine detaillierte Frequenzanalyse vorgesehen.
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Abbildung
5: Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus für die Laborversuche
an der VAW-ETHZ. Das Geschiebe, das über die Stahlplatte
transportier wird kommt aus verschiedenen Bächen, wo Feldmessungen mit Geophon
Sensoren und Feld Kalibrierungsmessungen zur Verfügung stehen.
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Projektkooperation
- Volker Weitbrecht (VAW, ETH Zürich)
- Robert Boes (VAW, ETH Zürich)
Projektgruppe
- Carlos R. Wyss
- Jens M. Turowski
- Dieter Rickenmann
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