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Titelaufnahme

Titel
Long-term evolution of bed load transport in steep mountain streams and its link with the supply of mobile sediment : field data evidence, experimental insights and computational improvements / Johannes Kammerlander
Weitere Titel
Variabilität des Geschiebetransports in Hochgebirgsbächen und der Zusammenhang mit der Sedimentverfügbarkeit
VerfasserKammerlander, Johannes
Begutachter / BegutachterinnenAufleger, Markus
Betreuer / BetreuerinnenAufleger, Markus
ErschienenInnsbruck, Februar 2017
Umfangvi, 264 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Datum der AbgabeFebruar 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Geschiebehaushalt / Geschiebetransport / Hochgebirgsbäche / Naturmessungen / Hydraulische Laborversuche / Numerische Simulationen
Schlagwörter (EN)Bed load transport / Annual bed load volumes / Steep moutain streams / Field data / Flume experiments / Numerical simulations
Schlagwörter (GND)Hochgebirge / Gebirgsbach / Feststofftransport / Numerische Strömungssimulation
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-7185 Persistent Identifier (URN)
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Long-term evolution of bed load transport in steep mountain streams and its link with the supply of mobile sediment [64.8 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Kleine Hochgebirgsbäche sind bedeutende Sedimentlieferanten für die alpinen Talflüsse und beeinflussen deren Geschiebehaushalt und dadurch auch deren morphologischen und ökologischen Zustand. Allerdings ist wenig zu den Geschiebemengen von Hochgebirgsbächen bekannt. Die gegenständliche Dissertation befasst sich mit dem Geschiebehaushalt von kleinen und zumeist steilen Hochgebirgsbächen. Es geht dabei um den Geschiebetransport in hydrologischen Normaljahren; der Geschiebetransport während extremer Hochwasserereignisse (mit Wiederkehrintervallen > ca. 30 Jahre) wird nicht behandelt.

Die Arbeit ist in zwei übergeordnete Abschnitte (Part 1 und Part 2) gegliedert und jeder Abschnitt besteht aus in sich geschlossenen, aber einander abgestimmten Untersuchungen (Studies). Der erste Abschnitt (Part 1) nähert sich dem Thema mit einer großen Palette an Messdaten. Es handelt sich dabei um (i) lange Zeitreihen von Jahresgeschiebefrachten von 20 Hochgebirgsbächen der Nordtiroler Zentralalpen (Study A), (ii) Zeitreihen von Geschiebetransportraten (zeitliche Auflösung von 15 min) aus zwei (Study B und Study D) und (iii) Feldmessdaten zu den Transportraten und deren Korngrößenverteilung aus drei dieser 20 Bäche (Study C).

Die Study A geht der Frage nach, ob es einen statistischen Zusammenhang zwischen dem Geschiebehaushalt und topografischen Parametern der Einzugsgebiete gibt. Die Ergebnisse zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der mittleren Jahresgeschiebefracht und der Einzugsgebietsgröße und eine exponentielle Abhängigkeit zur Vergletscherung. Es wird eine empirische Formel vorgestellt, die eine Abschätzung der mittleren Jahresgeschiebefracht für unbeobachtete Einzugsgebiete mit vergleichbarer Gebietscharakteristik erlaubt. Ein praktisches Anwendungsbeispiel findet sich in Chapter D Conclusion. Neben der räumlichen Variabilität weisen die Jahresgeschiebefrachten auch eine starke zeitliche Variabilität auf. Die Verteilungen sind durchwegs rechtsschief, was einem häufigen Vorkommen von Jahren mit relativ geringen Frachten und einem seltenen Vorkommen von ganz großen Frachten entspricht. Hierbei ist die Variabilität der Jahresgeschiebefrachten nicht allein auf die jahresweise unterschiedlichen Abflussverhältnisse zurückzuführen. So wird in trockenen Jahren verhältnismäßig mehr Geschiebe transportiert (höhere Transporteffizienz) als in feuchten. Die Größenordnung der Jahresgeschiebefracht scheint demnach vor allem durch die jährlich begrenzte Verfügbarkeit von feinem Geschiebe reguliert zu sein und weniger durch den Jahreswasserabfluss. Ein alleiniger Zusammenhang zwischen Abfluss und Geschiebetransport ist in den untersuchten Hochgebirgsbächen demnach nicht gegeben.

Auf der Grundlage von mehrjährigen Geschiebetransport- und Abflussganglinien von zwei Hochgebirgsbächen konnte die zeitliche Variabilität des Geschiebetransports näher untersucht werden (Study B). Der Zusammenhang zwischen Geschiebetransport und Abfluss ist zwar deutlich erkennbar, die Schwankungsbreite ist allerdings enorm und umfasst rund vier Größenordnungen. Die stärksten Schwankungen treten bei geringen bis mittleren Abflussverhältnissen auf, also in jenem Abflussspektrum in dem sich das transportierte Geschiebe beinahe ausschließlich aus feinem Sediment zusammensetzt. Zudem zeigen sich auch zeitliche Unterschiede in der Geschiebetransport-Abfluss Beziehung. Die Ursache dieser großen Schwankungen liegt in der zeitlich veränderlichen Geschiebeverfügbarkeit. Es handelt sich dabei um die Menge an feinem Geschiebe, welches aus etwaigen Geschiebeherden mobilisiert und entlang dem Bachlauf transportiert wird. Je nach Abflussursprung (Schneeschmelze, Gletscherschmelze, Niederschlag) werden Geschiebeherde einmal mehr und einmal weniger aktiviert. An einem der beiden Bäche ist die primäre Sedimentquelle das Gletschervorfeld, was eine starke Mobilisierung während der Gletscherschmelze, also im Spätsommer, vermuten lässt. Dies bestätigt sich auch in den Messwerten: es zeigt sich darin eine alljährliche Zunahme der relativen Geschiebeführung (Geschiebetransport dividiert durch Abfluss) über das Sommerhalbjahr. Bei ein und demselben Abfluss wird demnach im Frühjahr mehrheitlich viel weniger Geschiebe transportiert als im Spätsommer.

Im Rahmen einer zweijährigen Feldmesskampagne wurde die Fraktionierung des transportierten Geschiebes bei unterschiedlichen Abflussverhältnissen erhoben. Die Kornverteilungen des transportierten Geschiebes erwiesen sich als durchwegs fein und deuten auf einen selektiven Bewegungsbeginn für unterschiedliche Korngrößen hin. In Study C werden dazu die kritische Sohlschubspannung bzw. der kritische Abfluss der einzelnen Korngrößen bestimmt und Ausgleichsfunktionen (hiding functions) angepasst. Die Messdaten zeigen, dass kleine Sedimentkörner bereits bei mittleren Abflüssen und das Mittelkorn bei mäßiger Hochwasserführung transportiert werden.

Die Study D beschäftigt sich mit der Berechnung von Geschiebetransport mittels empirischer Transportformeln. Die Berechnungen erfolgen nach der ingenieursmäßig profilweisen Methode und die Berechnungsergebnisse werden einer Vielzahl an simultanen Messwerten von Abfluss und Geschiebetransportrate gegenübergestellt. Keine der angewendeten Transportformeln vermag den mittleren beobachteten Zusammenhang wiederzugeben. Für eine bestimmte Art von Transportformel wird eine Kalibriermethode vorgestellt, die zu einer deutlichen Verbesserung in der Übereinstimmung von berechneten und mittleren beobachteten Werten führt. Diese Methode eignet sich im Besonderen für praktische Anwendungen und ein Fallbeispiel findet sich in Chapter D Conclusion.

Der zweite Abschnitt (Part 2) dieser Dissertation widmet sich diesem beobachteten Zusammenhang zwischen Geschiebeverfügbarkeit und Transport im Detail. In Study E werden die Ergebnisse von Laborversuchen präsentiert, in welchen der Transport von feinem Geschiebe „über“ eine ansonsten stabile Sohle näher untersucht wurde. Diese und weitere Versuchsergebnisse bilden schließlich die Grundlage für die Evaluierung/Weiterentwicklung von numerischen Berechnungsansätzen (Study F).

Im Wasserbaulabor der Universität Innsbruck wurde dazu eine 0.03 m/m steile Gerinnestrecke der Gurgler Ache (Ötztal, Austria) im Maßstab 1:20 nachgebaut. Ein besonderes Augenmerk lag in der naturgetreuen Nachbildung der Deckschicht mit ihren morphologischen Strukturen (vereinzelte Störsteine, kleine Stufen-Beckensequenzen). Ausgehend von diesem Anfangszustand erfolgten mehrere Versuchsreihen, in denen relativ feines, eingefärbtes Sediment zugegeben und der Weitertransport im Gerinne untersucht wurde. Die einzelnen Versuche unterschieden sich im Abfluss und/oder der Korngröße des zugegebenen Sediments. Die Modellversuche zeigten, dass bei geringen Abflüssen vorwiegend das zugegebene Sediment transportiert wurde, während sich die eigentliche Bachsohle kaum änderte. Dies war insofern verwunderlich, da das zugegebene Sediment teilweise deutlich gröber war als der Feinanteil an der Deckschicht; dennoch wurde das zugegebene Material bevorzugt transportiert. Die Begründung dieser höheren Mobilität von zugegebenem Sediment wird in dessen höheren Exponiertheit gegenüber der Strömung vermutet. Denn, das zugegebene Sediment füllte die Unregelmäßigkeiten der Deckschicht teilweise auf und bedeckte somit einen Teil der ursprünglichen Sohle. Dadurch dürfte es der Strömung stärker ausgesetzt und deshalb auch leichter transportiert worden sein. Hierbei ist festzuhalten, dass das Ausmaß dieser „Überdeckung“ gering und die Strömung nach wie vor durch die Sohlstrukturen der groben Sedimentkörner beeinflusst war. Die Experimente bestätigten somit, dass die Verfügbarkeit von mobilem Sediment (Zugabe) einen starken Einfluss auf die Intensität des Geschiebetransports bei mittleren Abflüssen hat. Und das, obwohl sich nur geringe Veränderungen in der Sohlmorphologie und den Fließverhältnissen zeigten.

Das Ziel der Study F ist es schließlich, diese Wechselwirkung von Geschiebeverfügbarkeit und -transport in einem numerischen Modell nachzubilden. Es werden dazu die oben beschriebenen, sowie zusätzliche Laborversuche mit einem geschiebehydraulischen 1d-Modell nachgerechnet. Das Hauptaugenmerk der Simulation liegt in der Wahl der Ausgleichfunktion (hiding function) und dem Berechnungsansatz zur Durchmischung von fraktioniertem Eintrag und dem Sohlmaterial (Durchmischungsmodell). Für beide Modellkomponenten wird, neben bestehenden Berechnungsmethoden, auch je eine neue Methode präsentiert. Die besten Ergebnisse werden mit dem neu formulierten Durchmischungsmodell erzielt, welches die Abhängigkeit zwischen Durchmischungstiefe und Strömungsbelastung explizit berücksichtigt. Mit diesem neuen Durchmischungsmodell lässt sich der zeitliche Verlauf des Geschiebetransports sowie dessen Kornzusammensetzung sehr gut reproduzieren.

Zusammenfassung (Englisch)

In an alpine environment, the small mountain streams represent the upper part of the fluvial network. Bed load fluxes originating from these headwater or tributary streams are an important sediment source for their receiving gravel bed streams and hence, they influence the sediment budget of the entire alpine river network. However, there exist only a few studies that deal with the bed load budget of these small mountain streams and long-term records of field data are generally sparse.

This Ph.D. thesis is dedicated to the bed load transport in steep mountain streams during hydrological normal years; the bed load transport that occurs during extreme flood events (with reoccurrence interval larger than approx. 30 years) is not part of it. The thesis is divided into two superordinate chapters (Part 1 and Part 2), and each chapter consists of self-contained studies. The first chapter (Part 1) covers the analysis of a large field data set. The data contain (i) long time series of annual bed load volumes of 20 steep mountain streams of the Central Alps in Northern Tyrol (Study A), (ii) long time series of bed load transport rates (temporal resolution of 15 min) from two of these 20 streams (Study B and Study D), and (iii) field data of bed load transport rates and their grain size distribution from three of these 20 streams (Study C).

Study A deals with the research question of whether there is a statistical relationship between the bed load budget and topographical parameters of the catchment. The results show a linear relationship between the average annual bed load volume and the catchment size, and an exponential correlation with the relative glacier area. Since the bed load budget of steep mountain streams is mainly controlled by the water runoff, stream morphology, and sediment availability, an approach is presented which enables to separate these driven factors in the second part of Study A. Based on that, the between-site and within-site variability of transport efficiency are determined. Results suggest that the sediment availability regulates the within-site variability of annual bed load volumes, at least during hydrological ordinary years. The transport efficiency is on average higher in dry years than in wet ones. At one study site, the impact of an exceptional flood event on bed load transport is quantified. The event caused an increase in bed load transport efficiency of about one order of magnitude which successively decreased to its former level within three years.

At two streams, long time series of bed load transport rates are available. These data provide a detailed insight into the temporal variability of bed load transport (Study B). Despite the significant correlation of bed load transport rate and water discharge, the scatter range is enormous and extends over four orders of magnitude. The scatter is largest at low to moderate flows, i.e. in the discharge range in which the transported bed load is almost exclusively composed of sand and gravel. In addition, the scatter is not independently distributed but it shows a temporal link. Finally, the large scatter of instantaneous bed load transport rates is attributed to variable bed load supply conditions. It means that the availability of fine gravel changes with time. At one of the two streams, the primary gravel source is the glacier forefield, which suggests a strong mobilization during the glacier melt, i.e. late summer. This is also confirmed by the measured data: the efficiency of transporting bed load (e.g. the ratio of bed load rate and discharge) increases in course of the summer.

In course of a two-year field measurement campaign, the rate and the grain size distribution of bed load transport was surveyed at three steep mountains streams. In contrast to the coarse stream bed with a large portion of cobbles and boulders, the transported bed load was comparatively fine and consisted almost entirely of gravel. In Study C, the critical shear stress and the critical discharge of the individual grain size fractions are determined. These data are then used to fit hiding functions. The data show that gravel grains are already mobilized at moderate flows, while cobble grains are entrained at moderate flood events.

In Study D, the applicability of six bed load transport equations to compute bed load transport rate by means of hydraulic parameters is tested. Therefore, the stream reaches just upstream of the two water intake structures with long-time series of discharge and bed load transport rate are simplified to a representative cross section. The hydraulic computations are based on a 1d approach, assuming uniform flow. The computation results reveal that neither of the six different bed load transport equations reproduces the observed relation between water discharge and bed load transport rate well. To enhance the performance of one bed load transport equation, a procedure is presented that uses the dimensionless reference shear stress as a calibration parameter.

The second part of this Ph.D. thesis (Part 2) is devoted to this observed relationship between sediment supply and bed load transport. In Study E, the results of flume experiments are presented. In the experiments, the transport of fine sediment over an armored bed surface are investigated. These data are then used for the evaluation and development of numerical approaches (Study F).

The experimental tests were performed in the hydraulic laboratory of the University of Innsbruck. Therefore, a stream reach of an example mountain stream (Gurgler Ache, Austria) was rebuilt on a scale of 1:20. The initial condition was a self-stabilized bed surface that featured similar morphologic patterns as its prototype reference. During an experimental test, fine bed load was supplied at flow conditions ranging from one-third to twice the critical discharge for the bed surface. At flows not exceeding the critical discharge, the time series of the bed load transport rate at the downstream model boundary featured consistent patterns which are attributed to distinct phases: (i) a temporal lag, (ii) an equilibrium state, and (iii) a post-supply phase. Bed load transport occurred even at flows distinctly below that for incipient motion of the bed surface. But, with the mass of total bed load outflow approaching the supply amount, the mass did not exclusively consist of supplied grains. The coarser the supplied bed load, the more sediment was mobilized from the bed surface. At higher flows, the processes differed. Total bed load outflow exceeded the supply amount and the break-up of the armor layer caused a refining of the bed surface. The experimental tests confirm that the availability of mobile bed load strongly controls the occurrence and the magnitude of bed load transport in armored mountain streams. Concurrently, the alteration of the bed surface (due to sediment feeding) was small and the increase in bed load transport rate is not solely attributed to a decrease of flow resistance. It also results from an increase of the mobile sediments exposure towards the flow.

In Study F, this feedback system between the availability of mobile sediment and the magnitude of transport is simulated numerically. A hydraulic 1d model was developed that enables the simulation of the main processes involved. The focus is put on two distinct model elements, the hiding function and the approach of balancing the fractional bed material and bed load (mixing concept). For both of these numerical model elements, several existing approaches are used and two new ones are formulated. The computational results show that the choice of the mixing concept is crucial for reproducing the experimental observations (e.g. temporal progression of bed load transport rate; grain size distribution of bed load and bed material). The new mixing concept that incorporates the relationship between penetration depth and flow strength is most suitable for this purpose.

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