Titelaufnahme

Titel
Bed load transport during flood events in water intake inuenced alpine river systems : a coupled hydrological 2D-numerical approach applied to the mountain stream Ötztaler Ache / presented by Manuel Plörer
VerfasserPlörer, Manuel
Begutachter / BegutachterinHabersack, Helmut
GutachterAufleger, Markus
ErschienenInnsbruck, January 2017
Umfang284 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017
Datum der AbgabeJanuar 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Geschiebetransport / Wasserfassung / Hochwasser / Numerische Simulation / Gekoppeltes Modell
Schlagwörter (EN)Bed Load Transport / Water Intake / Flood / Numerical Simulation / Coupled Model
Schlagwörter (GND)Fluss / Gebirge / Hochwasser / Feststofftransport / Stauraum / Wasserbau / Spülverfahren <Bauwesen> / Numerisches Modell
Zugriffsbeschränkung
 Das Dokument ist ausschließlich in gedruckter Form in der Bibliothek vorhanden.
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Hochwasserereignisse in alpinen Gebieten sind meist mit großem Sedimenttransport verbunden. In steilen Gerinnen kann es infolge hoher Feststokonzentrationen im Abuss zu Muren kommen, welche ein großes Schadenpotential besitzen. Aber auch bei uviatilem Transport in Gebirgsüssen kommt es aufgrund des starken Geschiebetransportes zu Auandungen und zu Eintiefungen der Gewässersohle. Im Bereich von Siedlungsgebieten können diese Änderungen im Fließquerschnitt zu einer Reduktion der Hochwassersicherheit führen. In alpinen Fließgewässern, welche durch Wasserkraftanlagen beeinusst sind, ist besonders bei Hochwasserereignissen mit hohen Transportraten das Betriebsmuster von zentraler Bedeutung. Die potentielle Hochwasserschutzwirkung von Speichern und Wasserfassungen ist unbestritten, dennoch ist zu berücksichtigen, dass durch diese Bauwerke neben dem Abuss auch der Feststotransport beeinusst wird. Der Rückhalt von Schwebstoen und Geschiebe kann zu einer langfristigen Veränderung des natürlichen Feststohaushaltes führen. Eine eektive Sedimentbewirtschaftung ermöglicht nicht nur einen wartungsfreien Betrieb der Anlagen, sondern kann auch einem Feststodezit in der Unterwasserstrecke entgegenwirken. An Wasserfassungen werden regelmäßige Spülungen durchgeführt, womit die Feststoe wieder an das Unterwasser abgeben werden. Während bei Sohlenentnahmen Sedimente über einen sogenannten Entsander regelmäßig gespült werden, erfolgt bei Seiten- und Stirnentnahmen mit Stauhaltungen die Spülung über die Grundablassönungen und über integrierte Spülkanäle. Somit ist eine Spülung schon während einem Hochwasserereignis eine sehr wirkungsvolle Maßnahme, da sich hohe Abüsse günstig auf den Spülerfolg auswirken. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Einuss von Stauraumspülungen an Wasserfassungen während Hochwasserereignissen auf den Geschiebetransport in der Unterwasserstrecke. Für diese Untersuchung wird ein gekoppeltes hydrologisch-hydraulisches Modell (Coupled Model Concept - CMC) verwendet, welches auf einem bestehenden Modellansatz für die Bestimmung der Schutzwirkung von Wasserkraftanlagen nach Gems (2012) aufbaut. Im Zuge dieser Arbeit wurden einzelne Komponenten weiterentwickelt und Modellteile modiziert. Das CMC ermöglicht die gesamtheitliche Betrachtung eines Hochwassers unter Berücksichtigung des Geschiebetransportes, ausgehend vom Niederschlagsereignis bis zur Ermittlung der Sohlmorphologie und der Überutungsächen. Mit Hilfe einer synthetischen Generierung von räumlich verteilten Niederschlägen kann eine große Anzahl von Szenarien erzeugt werden. Die Variabilität der Ereignisse resultiert in unterschiedlichen Abussverhältnissen und Geschiebetransportmengen im Einzugsgebiet, und führt damit zu verschiedenen Interaktionen zwischen Hauptuss und den Zubringern. Die Ergebnisse der Geschiebetransportberechnungen werden mit Hilfe eines Routing-Schemas an die Schnittstellen mit einem zweidimensionalen (2D) hydro- und morphodynamischen numerischen Modell geführt. Innerhalb dieser 2D-numerischen Modellierung wird ein fraktionierter Geschiebetransportansatz gewählt, womit Erosions- und Auandungsbereiche nicht nur quantitativ bestimmt werden können, sondern auch eine qualitative Beurteilung von Sortierprozessen grundsätzlich ermöglicht wird. Ein Kernstück des CMC ist die Implementierung von Betriebsmustern von Wasserfassungen während Hochwasserereignissen. Die Spülraten, welche im Modell berücksichtigt werden, resultieren aus 2D-numerischen Berechnungen der Verlandungs- und Spülvorgänge an kleinen Stauhaltungen. Damit können Transportraten in Abhängigkeit des Spülabusses, der Verlandungsvolumina und der Korngrößenverteilung im Verlandungskörper ermittelt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen werden verschiedene Spülmuster im CMC berücksichtigt. Diese Spülverfahren haben einen Einuss auf den Geschiebetransport, welcher in weiterer Folge zu einer veränderten Hauptuss-Zubringer-Interaktion führt. Das Modellkonzept (CMC) wird im Zuge dieser Arbeit für eine Untersuchung im Ötztal in den österreichischen Alpen verwendet. Die Tiroler Wasserkraft AG (TIWAG) plant den Ausbau des Speicher-kraftwerkes Kaunertal mit einem neuen Oberspeicher, womit das Kraftwerk im Pumpspeicherbetrieb verwendet werden soll. Zusätzlich sind im Zuge dieses Projekts zwei Wasserfassungen mit Frontent-nahmen an Stauhaltungen im Ötztal geplant, für die als Sedimentbewirtschaftung eine regelmäßige Stauraumspülung berücksichtigt ist. Im Fall von großen Hochwasserereignissen soll bereits während des Ereignisses gespült werden. Aufgrund des Bauvorhabens, des geplanten Betriebsmusters und einer Vielzahl von vorhandenen Studien für das Ötztal ergibt sich eine ausgezeichnete Datengrundlage für die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit. Die Generierung der synthetischen Niederschlagsereignisse basiert auf Daten eines Hochwasserereignisses von Juli 2001. Es wurden 19 Schwerpunkte deniert und die mittlere Niederschlagshöhe mit sechs Werten skaliert, womit sich 114 Szenarien für die Modellierung ergeben. Das hydrologische Modell und das 2D-numerische Modell im Untersuchungsgebiet Sölden wurden anhand von beobachteten Abussgan-glinien an Pegeln im Projektgebiet kalibriert. Die Geschiebetransportberechnungen basieren auf einer großen Anzahl von Feldaufnahmen, die eine Denition der Feststopotentiale, die Bestimmung der Sohlstrukturen und die Darstellung der Kornverteilungen des vorhandenen Geschiebes erlauben. Eine herausragende Möglichkeit ergibt sich im Bereich der 2D-numerischen Untersuchung der Verlandungs- und Sedimentationsprozesse an den Wasserfassungen. Für die Kalibrierung der Simulationen stehen zum einen Ergebnisse aus einem physikalischen Modellversuch zur Verfügung, zum anderem gibt es Daten von einer realen Spülung an einer bereits bestehenden, baugleichen Wasserfassung. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden drei verschiedene Betriebsweisen der Fassungen während Hochwasserereignissen im CMC berücksichtigt und untersucht. Mit dem kalibrierten numerischen Modell werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt welche den Einuss verschiedener Modellparameter auf die simulierten Spülleistungen darstellen. Insbesondere bei der Spülung von grobem Material, welches infolge von Hochwasserereignissen in den Stauraum transportiert wird, ergibt sich mit einer Variation der Korngrößenverteilung des Verlandungsmaterials eine große Streuung der Resultate. Hier kann in den ersten Stunden der Stauraumspülung eine Spülleistung zwischen 5% und 280% von jener aus einem Referenzszenario ermittelt werden. Die Bandbreite dieser Werte unterstreicht die Wichtigkeit eines angemessenen Kalibrierungs- und Validierungsprozesses für die 2D-numerischen Simulationen auf Basis eines Modellversuchs und/oder Naturmessungen. Die Ergebnisse der hydro- und morphodynamischen numerischen Modellierung der Ötztaler Ache im Bereich des Siedlungsgebietes Sölden zeigen Vergleiche der Sohlmorphologie im natürlichen Gewässernetz mit jener, wo die Hochwasserabüsse durch den Betrieb von Wasserfassungen beeinusst werden. Dafür wird ein Gerinneabschnitt betrachtet, welcher durch den Eintrag von zwei geschieberelevanten Zubringern betroen ist. Die Resultate zeigen, dass sich infolge eines reduzierten Abusses die Ablagerungen im Mündungsbereich verstärken. Dagegen stellt sich im unmittelbaren Fließabschnitt nach dem Mündungsbereich eine geringere Sohlveränderung ein als im natürlichen Abusszustand.

Zusammenfassung (Englisch)

Mountain oods are generally accompanied by substantial sediment transport. In the worst case high sediment concentrations result in debris ow which show potential risks in areas of settlement. But also uvial bed load transport during oods can become a signicant problem. Erosion and deposition can lead to large displacements at the river bed. Even in settlements a major change of the channel cross section is absolutely undesired and has to be avoided. In areas which are inuenced by hydro power structures the natural ow system is modied and with that the general ood characteristics. Although the ood mitigation potential of reservoirs and diversions is undoubted, a change in the sediment balance of the river system can not be denied. This issue requires an eective sediment management which guarantees on the one side a long-term use of the structures, and on the other side a reduction of the man-made inuence on the sediment balance. At water intake structures a regular ushing of the sand trap (bottom-type) and the reservoirs (side- and front-type) are commonly used sediment management operations. The reservoir ushing at side- and front-type intake structures can be optimized by a dynamic reservoir operation during the actual ood event. Herein the ushing is already started within the decreasing ood hydrograph so that still high reservoir inows can be used for the sediment ushing. This work describes a so-called Coupled Model Concept (CMC) with which the inuence of a water-intake-reservoir ushing on the downstream river system can be evaluated. The basic form of such a concept has been developed by Gems (2012) and has undergone a progress in recent years within the present thesis. In the CMC a storm event can be modeled from its source (precipitation) to its nal impact (bed morphology and ooding). Due to a synthetic precipitation generation, dierent scenarios with a varying spatial distribution can be modeled. Bed load transport calculations are connected to a bed load routing scheme for mountain torrents which is based on a hydrological framework of sub-elements. With that it is obtained a great number of dierent main channel run-os and tributary inows. The results are set as input-data to the two-dimensional (2D) hydro- and morphodynamic numerical simulations of the main channel at a settlement area. In this model the river bed and bed load transport is dened based on a fraction-wise approach by ve grain size classes. Next to a general evaluation of erosion and deposition patterns, the ground is also set for an investigation of sorting processes in the river bed. A crucial part of the CMC is the implementation of water intake operations during ood events. The basic idea is that sedimentation and ushing processes at intake reservoirs are modeled by 2D-numerical simulations. The results show ushing rates concerning dierent sedimentation loads, grain size distributions, and ushing discharges. Grounded on these ndings, dierent operation methods are considered in an adapted hydrological model and the connected bed load routing scheme. Due to the change of the ood discharge in the intake inuenced river sections, the main channel to tributary interaction is modied. The results of the following ood plain modeling show the impacts of intake structures on the ooding and bed morphology in comparison to a natural ow system. The entire concept (CMC) is applied to the Ötztal Valley and its main channel, the Ötztaler Ache, in the Austrian Alps. The Tyrolean Hydro Power Agency projects an extension of the hydro power storage plant iiiKaunertal to a pumped storage concept. Two front-type intake structures at small reservoirs are planned for an additional water supply. Due to a number of recent studies in dierent scientic elds, the data-base at the Ötztal Valley is dense and shows a superb foundation for the present investigations. The generation of the precipitation pattern is based on a historic storm event of July 2001. The mean precipitation depth of this event was scaled by six dierent values and 19 precipitation centers were set, which results in 114 distinctive scenarios. The hydrological and the 2D-numerical models were calibrated by observed gauge data. Sediment potentials and grain size distribution in the Ötztaler Ache and in the sub-catchment were obtained from eld measurements and previous studies. A quite special part is shown within the calibration of the 2D-numerical simulation of the reservoir sedimentation and ushing. Results of a scaled model test and observed data of a ushing at an already existing water intake reservoir, which is similar to the planned structure, are available. In addition, a sensitivity analysis is done to evaluate the inuence of the ushing discharge, the grains size distribution of the sedimentation, and dierent model parameter on the ushing rates. Based on these ndings three dierent ushing operation methods at ood events were dened for the CMC. The sensitivity analysis for the 2D-numerical simulations of the reservoir ushing shows the impact of dierent model settings on the ushing capacity. In particular, the ushing of a coarse sedimentation material owing to a ood event bed load transport is very sensitive to the grain size settings. The results of simulations based on same model parameters, but varying grain size distributions of the sedimentation material, show that the ushing capacity ranges from 5% to 280% in regard of a calibrated reference scenario. These ndings reveal the signicant importance of the conducted calibration and validation process in the present work. The results of the simulations at the Ötztal Valley show the inuence of the water intake operation during ood events on the bed load transport. Thereby, it is conducted an analysis of the bed morphology in a selected river section where two bed load-relevant tributaries empty in the main channel. It can be detected that at the water intake inuenced river system the depositions at the mouths increase due to a reduced main channel ow. In contrast, the decreased transport results in less depositions in the ensuing river length in comparison to the natural river system. In specic cases, which are characterized by an unfavorable ratio of the tributary bed load transport and the main channel runo, a collapse of the tributary bed load transport can be detected which results in a local ooding.