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Titelaufnahme

Titel
Langzeitsimulation des Geschiebetransports in alpinen Tälern : Weiterentwicklung von Methoden zur Modellierung der langfristigen Sohllagenentwicklung und zur Ermittlung von Hochwassergefahren in inneralpinen Tälern / Robert Klar
Weitere Titel
Long-term simulation of bed-load transport in alpine valleys
VerfasserKlar, Robert
Begutachter / BegutachterinAufleger, Markus ; Tritthart, Michael
Betreuer / BetreuerinAufleger, Markus
Erschienen2016
Umfangv, 311 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel von Autor übersetzt
Zusammenfassung in englischer Sprache
Datum der AbgabeApril 2016
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Geschiebetransport / Langzeitsimulation / langfristige Sohllagenentwicklung / zweidimensionale numerische Strömungs- und Geschiebetransportmodelle / alpine Täler / Ötztal / Kornverteilung / Sedigraphermittlung / Rechenzeitoptimierung / verteilte Berechnung / morphodynamische Kalibrierung
Schlagwörter (EN)bed-load transport / long-term simulation / long-term bed level evolution / two-dimensional hydromorphological modelling / alpine valley / Ötztal / grain size distribution / sedigraph / distributed computational approach / morphodynamic calibration
Schlagwörter (GND)Gebirge / Fluss / Feststofftransport / Hochwasserschutz / Simulation / Numerisches Modell
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3889 Persistent Identifier (URN)
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Langzeitsimulation des Geschiebetransports in alpinen Tälern [15.94 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Prognose der langfristigen Sohllagen-entwicklung speziell für alpine Verhältnisse als Grundlage zur Bewertung von zukünftigen Hochwassergefahren. Die Zielsetzung umfasst die Modellbildung unter Berücksichtigung der komplexen morphologischen Prozesse, die Beschreibung der Sensitivitäten der bedeutendsten Eingangsdaten und Parameter sowie die Verbesserung bestehender bzw. die Entwicklung geeigneter Simulationsmethoden. Die Anwendung erfolgt beispielhaft im Tiroler Ötztal.

Die Abbildung der natürlichen Geschiebetransportprozesse in zweidimensionalen numerischen Strömungs- und Geschiebetransportmodellen erfolgt durch mathematische Teilmodelle. Diese werden um eine modifizierte Geschiebefunktion zur näherungsweisen Berücksichtigung der Schubspannungsschwankungen, eine Beziehung für den Bewegungsbeginn an allgemein geneigten Flächen und Methoden zur Ermittlung von abschnittsweisen Gefällen erweitert.

Die Voraussetzung jeder guten Simulation ist die Vorgabe plausibler Anfangs- und Randbedingungen im Modell. Bei begrenzter Kenntnis der tatsächlichen Verhältnisse müssen dazu vereinfachte Annahmen getroffen werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene neue Methoden entworfen. Für die Bestimmung der Kornverteilung der Sohlschichten und der Geschiebeeinträge werden unterschiedliche Verteilungsfunktionen getestet, miteinander verglichen und deren Einfluss auf die numerische Geschiebetransportmodellierung diskutiert. Weiters werden Möglichkeiten zur Erstellung von Sedigraphen bei bekannter hydrologischer Modellierung und morphologischen Annahmen vorgestellt.

Die Methode der hydraulisch basierten Interpolation dient wiederum zur Festlegung eines flächenhaften Sohlaufbaus für numerische Modelle. Mit Hilfe von stichprobenartigen Informationen der Kornverteilung z. B. aus Linienzahlanalysen oder Bodenproben kann damit eine kalibrierte Mehrfachlayer-Topographie gefunden werden.

Große Modellgebiete und lange Simulationszeiträume führen zu hohen Rechenzeiten. Bei der Frage nach der Anzahl möglicher Rechenläufe werden diese zu limitierenden Faktoren. Die verteilte Simulation erweist sich vor allem bei alpinen Verhältnissen als äußerst effektive Methode zur Rechenzeitverkürzung. Für ihre Anwendung in Verbindung mit der Software HYDRO_FT-2D wird das Programm SimTool entwickelt und die erzielbaren Beschleunigungen anhand eines Beispiels demonstriert.

Die Rauheit in einem natürlichen Gewässer ist sowohl zeitlich als auch räumlich variabel. Die Methode der dynamischen Rauheitsanpassung ermöglicht die Anwendung beliebiger empirischer Ansätze zur periodischen Adaption der Rauheit als Funktion der Fließtiefe, des Sohlgefälles und der momentanen Kornzusammensetzung der Sohle.

Die Kalibrierung von Geschiebetransportmodellen muss stets für eine bestimmte Zeitperiode erfolgen. Oft stehen jedoch nur beschränkte Informationen über die zugehörigen Sohlveränderungen zur Verfügung. Im Falle der Ötztaler Ache wird z. B. von einem dynamischen Gleichgewicht ausgegangen. Die Methoden der morphodynamischen Kalibrierung finden für definierte Zeitperioden und Randbedingungen passende Anfangsbedingungen, sodass resultierende Umlagerungen aus numerischen Simulationen den gewählten Vorgaben entsprechen.

Die neuen Konzepte und Methoden werden für zwei Modellstrecken im Tiroler Ötztal und Simulationszeiträumen von einem Jahr getestet. Keine der Parameterstudien mit jeweils ganz unterschiedlichen Modellparametern, Anfangs- und Randbedingungen erreicht jedoch einen dynamischen Langzeit-Gleichgewichtszustand des Geschiebehaushalts. Bei signifikanten Hochwasserereignissen mit vollständigem Aufreißen der Deckschicht ist mit dem zweidimensionalen Strömungs- und Geschiebetransportmodell HYDRO_FT-2D eine gut nachvollziehbare Abbildung der Geschiebetransportprozesse möglich. Langzeitsimulationen sind hingegen in typischen inneralpinen Tälern mit ausgeprägter Deckschichtbildung derzeit noch deutliche Grenzen hinsichtlich ihrer Aussagekraft gesetzt. Die vielfältigen Gründe hierfür werden abschließend analysiert und offene Fragen für die weiterführende Forschung formuliert.

Zusammenfassung (Englisch)

The present work deals with the prediction of long-term bed level evolution focusing on alpine conditions as a basis for assessing future flood risks. The thesis objectives cover the modeling of complex morphological processes, the description of the sensitivities of the most important inputs and parameters as well as the improvement of existing and the development of new simulation methods. The Tyrolean alpine valley Ötztal is used as an area of application.

The two-dimensional numerical modelling of fractional bed load transport is done by mathematical submodels. These are extended by a modified bed load function to include the potential effects of bed-shear stress fluctuations, by a new mathematical relation to model the critical bed-shear stress for initiation of sediment motion on inclined surfaces and by methods for the determination of slopes in model sections.

An important prerequisite for any good simulation is the definition of plausible initial and boundary conditions. Having only limited knowledge of the actual conditions, simplifying assumptions have to be made. Therefore several new methods are developed. To determine the grain size distribution of the riverbed and sediment inflows, different distribution functions are tested, compared and discussed. Additionally, methods for the generation of sedigraphs utilizing the hydrographs of a hydrological model and some morphological assumptions are presented.

The new introduced method of hydraulic based interpolation is used to define the initial spatial grain size distribution for numerical models. With the help of sampling information from field investigations, e. g. from line-by-number and sieve analysis, a calibrated multi-layer topography can be obtained.

The computational demands are a bottle neck for two-dimensional hydromorphological modelling. This is even more crucial when model area and simulation time increase. Therefore, a distributed computational approach is presented to reduce simulation time, enabling the spatial and temporal decomposition of simulations. For its application in combination with the software HYDRO_FT-2D the program SimTool is developed and the achievable speedup is shown in a test case.

The roughness in natural water bodies is both temporally and spatially variable. The method of dynamic roughness adaptation enables the use of any empirical approach to periodically adapt the roughness parameters as a function of flow depth, the current bed slope and grain composition.

At best conditions, measurements over time are given to calibrate an unsteady run of hydraulic and bed load transport simulation. Whereas continuous hydraulic measurements are available at single locations, only limited information can be found on temporal development of the bed level changes. Still, the alpine river Ötztaler Ache is considered to have a dynamic equilibrium of bed level changes. The methods of morphodynamic calibration offer the possibility to find initial conditions for defined aggradations and erosions in model sections, time periods and corresponding boundary conditions.

The new concepts and methods are tested for two river reach models in the Tyrolean valley Ötztal and simulation periods of one year. However, none of the parameter studies, with very different model parameters, initial and boundary conditions, reaches a dynamic long-term equilibrium of the bedload regime. For significant flood events the two-dimensional flow and bed load transport model HYDRO_FT-2D is able to represent the bed load transport processes in a reasonable way. Still, the applicability of long-term two-dimensional bed load transport simulations for typical intra-Alpine valleys with coarse covering bed layers is very limited. Finally, the reason for this limitation is evaluated and open questions for further research are proposed.