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Titelaufnahme

Titel
Measuring and modeling in-stream hydraulics : new insights on the basis of airborne bathymetric scanning in three mountain river reaches / Michaela Woerndl
VerfasserWoerndl, Michaela
Begutachter / BegutachterinnenAufleger, Markus
ErschienenInnsbruck, May 23, 2018
Umfangxxvi, 311 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2018
Datum der AbgabeMai 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Flusshydraulik / Rauheit (Fließwiderstände) / Gebirgsflüsse / hydrodynamische Modelierung / Kalibrierung von Rauheitsparametern / Laserbathymetrie / Acoustic Doppler Geschwindigkeitsmessungen
Schlagwörter (EN)in-stream hydraulics / flow resistance / mountain rivers / hydrodynamic modeling / roughness parameterization / laser bathymetry / acoustic doppler velocity measurements
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-26227 Persistent Identifier (URN)
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Measuring and modeling in-stream hydraulics [70.01 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss hochaufgelöster Bathymetriedaten aus Airborne Laser Scanning (ALB Daten) auf die Simulation der Hydraulik in Gebirgsflüssen zu untersuchen. Die Bathymetrie von Abschnitten der Flüsse Ahr und Sill wurde dafür aufgemessen. Zwei Arten auf die die ALB Daten für die hydraulischen Simulationen nützlich sein könnten wurden untersucht: i) ob es möglich ist einen geometrischen Parameter aus den ALB Daten abzuleiten, der es erlaubt auf Rauheitsparameter für Fließformeln und Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Simulationen zu schließen, und ii) ob RANS Simulationen, die auf den genauen Geometrieinformationen basieren, Ge-schwindigkeiten und Wasserspiegellagen genau reproduzieren können. Dabei wurde auch untersucht, ob dabei eine Rauheitsparameterisierung überflüssig wird, da die Rauheit direkt in der genauen Geometrie berücksichtigt wird. 3D Geschwindigkeiten wurden dafür an zwei Untersuchungsabschnitten an der Ahr und an einem an der Sill gemessen. Die Messungen erfolgten mit ADCP und ADV akustischen Messgeräten. Die gemessenen Geschwindigkeiten wurden mit den Simulationsergebnissen auf Basis der ALB Daten, verglichen. RANS Simulationen wurden in vier verschiedenen Softwares durchgeführt (Hydro-AS 2D, Basement-Baseplane 2D and Telemac 2D and 3D). Ergebnisse waren, dass i) ein Rauheitsparameter für die Simulation der Hydraulik von Gebirgsbächen nicht ausschließlich aus geometrischer Information abgeleitet werden kann, ii) die Rauheit von Gebirgsbächen nicht direkt in RANS Simulationen abgebildet werden kann, iii) 2D RANS Simulationen an ihre Grenzen gelangen, wenn es darum geht Fließgeschwindigkeiten in Gebirgsbächen zu reproduzieren und iiii) 3D RANS Simulationen, zumindest in einer Auflösung von gröber als 0.5 m, ebenso ihre Grenzen erreichen. Als Alternative zu einem rein geometriebasierten Parameter, von dem auf Rauheitsparameter geschlossen werden kann, wurde ein Parameter vorgeschlagen, der auch Information zum Wasserspiegelgefälle enthält. Dieses kann ebenfalls aus ALB Daten ermittelt werden und steht in Zusammenhang mit dem Energieliniengefälle.

Zusammenfassung (Englisch)

The focus in this works lay on the impact of Airborne Bathymetric Laser Scanning (ALB) geometry information on the simulation of in stream hydraulics in Mountain Rivers. High-resolution topographies of two mountain rivers beds (the rivers Ahr and Sill) from ALB were used. Two ways in which the ALB data was suspected to be beneficial for hydraulic calculations were assessed: i) whether a geometrical roughness parameter could be derived from the ALB information, that could then, without further calibration, be used in flow resistance equations and Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) 2D and 3D numerical simulations, and ii) whether in RANS simulations on the, ALB based, detailed representations of the river geometries, flow velocities and water levels were accurately reproduced, and whether this could be achieved without a roughness parameterization in the models. It was assumed that the roughness parameterization could become obsolete, when in the models, the roughness geometry was directly represented. For this purpose, the rivers hydraulics were studied with extensive field measurements of 3D flow velocities, at two sites at the Ahr and one at the Sill. The velocity data were collected with ADCP and ADV acoustic devices. They were compared to results of flow resistance equations, 2D and 3D RANS simulations, that were based on the ALB information. RANS simulations were performed with four different softwares (Hydro-AS 2D, Basement-Baseplane 2D and Telemac 2D and 3D). It was found that i) at Mountain River sites a flow resistance parameter cannot be derived from solely geometrical information, ii) the roughness could not be directly represented in RANS simulations, iii) 2D RANS calculations reach their limits when trying to accurately reproduce Mountain River in-stream velocities, and iiii) 3D RANS calculations, at least calculated on a discretization scale of 0.5 m, also reached their limits. An alternative parameter that incorporates information on the water surface slope (which can also be derived from ALB information), and thus indirectly on the energy dissipation, was suggested as a better indicator for roughness parameterizations in hydraulic models of Mountain River flow.

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