Geschiebetransport
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Geschiebetransport
OptiMeth Beitrag zur optimalen Anwendung von Methoden zur Beschreibung von Wildbachprozessen METHODENSTECKBRIEFE: GESCHIEBETRANSPORT Bearbeiter: Schaipp, Rickenmann, Chiari/Rickenmann, Schober, Schwaller, Moser, Chiari, Hübl (Bearbeiter = Bearbeiter des Methodensteckbriefes und nicht der Methode an sich) 1 INHALT Gt.1: GTK2-0, Bearbeiter Methodensteckbrief: Schaipp, D Methodenbeschreibung 3 Erstbewertung4 Gt.2: Formeln Beginn Mobilisierung, Bearbeiter Methodensteckbrief: Moser, Jäger, A Methodenbeschreibung 5 Erstbewertung6 Gt.3: Geschiebetransportformeln steile Gerinne, Bearbeiter Methodensteckbrief: Rickenmann, CH Methodenbeschreibung 7 Erstbewertung9 Literatur 10 Gt.4: TomSed, Bearbeiter Methodensteckbrief: Chiari, Rickenmann, A/CH Methodenbeschreibung 11 Erstbewertung13 Literatur 14 Gt.5: HEC-RAS_Feststoff, Bearbeiter Methodensteckbrief: Schober, A Methodenbeschreibung 15 Erstbewertung16 Gt.6: Scena-at1-0, Bearbeiter Methodensteckbrief: Schober, A Methodenbeschreibung 17 Erstbewertung18 Gt.7: HYDRO_FT-2d_Version0413, Bearbeiter Methodensteckbrief: Schwaller, D Methodenbeschreibung 19 Erstbewertung20 Gt.8: CCHE2D, Bearbeiter Methodensteckbrief: Schober, A Methodenbeschreibung 21 Erstbewertung22 Gt.9: FLO-2D, Bearbeiter Methodensteckbrief: Moser, A Methodenbeschreibung 23 Erstbewertung24 Gt.10: FLUMEN, Bearbeiter Methodensteckbrief: Chiari, Hübl, A Methodenbeschreibung 25 Erstbewertung26 2 Gt.1: GTK2-0 GTK 2.0 Methodenbeschreibung: Eindimensional stationär gleichförmige Geschiebefrachtberechnung Ziel der Methode: profilweise Ermittlung von Wasserspiegellagen und Geschiebefrachten. Schaipp, D Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Wasserspiegel, Transportkapazität, Fracht [t/d] und [m³/s], es werden keine Sohländerungen berechnet. Anwendungsgrenzen: Wenn 2d- und 3d-Effekte eine wesentliche Rolle spielen, sehr unregelmäßige Profile und sehr unterschiedliche Profilgeometrien (keine homogene „Musterstrecke“ -> kompaktes Gerinne erforderlich, keine Verzweigungen). Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Die klassische tabellarische Handrechnung von Geschiebefrachten wurde in EXCEL umgesetzt, es können zahlreiche Formeln berechnet und verglichen werden, zudem können zahlreiche Parametereinstellungen getestet und verglichen werden. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Für das Programm MORPHOLOGIE (1d stationär ungleichförmige Ermittlung der Geschiebefracht) wurde ein Tool (GTK 2.0) benötigt, um Teilergebnisse im Detail nachvollziehen zu können. In den letzten Jahren erfolgten keine weiteren Fortschreibungen. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Die Methode ist weltweit verbreitet und gebräuchlich (vgl. Bezugsquelle), Excel-Applikation GTK 2.0 nur Landesamt für Umwelt (kann bei Bedarf von den WWÄ angefordert werden). Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Gewässerprofile, Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]), charakteristische Korngrößen, Abfluss, Gefälle, bewegte Sohlbreite (LF-RF), Vorlandbereiche (PA-LU bzw. RU-PE). Methodencharakteristik: eindimensionale stationär-gleichförmige Berechnung der Wassertiefe aus vorgegebenen Abfluss, aus hydraulischen Kenngrößen wird die Geschiebefracht verschiedener Transportformeln MEYER-PETER/MÜLLER (1948), HUNZIKER/ ZARN (1997), VAW (1983/1990), EINSTEIN (1950), YALIN (1977), ZANKE (1987/1990), EINSTEIN (1950), ENGELUND/ HANSEN(1967) und PERNECKER/VOLLMERS (1965) ermittelt. Innerhalb der bewegten Sohlbreite werden bei geringer Wassertiefe automatisch die Zonen ermittelt, bei denen noch Transport stattfindet (Reduzierung der bewegten Sohlbreite), keine Streifenmethode. entfällt (verwaltungsinterne EXCEL-Applikation). auf dem freien Markt exisiteren zahlreiche kommerzielle Programme oder Eigenentwicklungen von Ing.-Büros. Schnittstellen (GIS, etc.): k. A. Kosten: keine Zeitaufwand: Wenige Minuten bis Stunden zuzüglich Umfang der Vorarbeiten für Querprofile, charakteristische Korndurchmesser. 3 Gt.1: GTK2-0 Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Gewässerprofile, charakteristische Korngrößen, Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]) müssen meist geschätzt bzw. aus der Erfahrung gewählt werden, Gebietsgröße und Regionalisierung entfällt, Berechnung i.d.R. auf die Unterläufe von Wildbächen beschränkt, vgl. Anwendungsgrenzen. Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) starke Abhängigkeit vom Input Abfluss, sehr starke Abhängigkeit von charakteristischen Korngrößen, große Abhängigkeit von stimmigen Gewässerprofilen und Rauigkeitsbeiwerten. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Wegen der stark vereinfachenden Berechnungsmethode (eindimensional, stationär, gleichförmig) nur mittel bis gut (geringe Sohländerungen, Eichereignisse liegen vor). Wildholzproblematik kann nicht berücksichtigt werden. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Die ermittelte Fracht kann erheblich von beobachteten Frachten abweichen, da speziell in Wildbächen Geschiebetransport bei Ungleichgewichtsbedingungen stattfindet. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: mittel in der Anwendung der EXCEL-Applikation, sehr gering bei DV. Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): I.d.R. gering, mittel bis hoch wenn charakteristische Korngrößen erhoben werden müssen. Sonstiges: EXCEL-Applikation ist Eigenentwicklung LfU. Schaipp, D 4 Gt.2: Formeln Beginn Mobilisierung Ingenieurmäßiger Ansatz zur profilweisen Berechnung der Transportkapazität mit ausgewählten Transportformeln Moser, Jäger, A Anwendungsgrenzen: Profilwiese Berechnung mit Rechteckprofil. Keine detaillierten Profile berechenbar. Die EXCEL-Applikation nur für geübte Anwender nutzbar! Methodenbeschreibung: Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): Ziel der Methode: Eigenentwicklung des Fachbereichs Wildbachprozesse (Dzt. in Ausarbeitung) Profilweise Ermittlung von Transportkapazitäten, Ermittlung des Geschiebetriebbeginns (Mobilisierung Feinmaterial, Obere und untere Grenze der Mobilisierung der Deckschicht) Schnittstellen (GIS, etc.): Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Kosten: Die in der EtALP Studie 2003 vorgestellte Berechnungsmöglichkeit für die Mobilisierung von Feinmaterial, Deckschicht sowie die Transportkapazität je Querprofil wurde anhand mehrerer Projekte im Wildbach angewandt. Es handelt sich um eine EXCEL-Applikation, welche durch Jäger Gerald unter der Hilfe von Kollegen Rickenmann erstellt wurde. keine Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? EtALP Studie 2003, Dissertationen (PALT 2001, Katinka 2002), div. Literatur (Rickenmann et. al. 2006); laufende Weiterführung und Ergänzung durch Jäger G. und Moser M. je nach Neuerungen bei den Geschiebetransportformeln. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Excel-Applikation nur im Forsttechnischen Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung (Sektionen Vorarlberg, Salzburg, Steiermark). Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Hydraulische Kenngrößen je Querprofil (Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]), Hydr. Radius, (Breite, Tiefe für Rechteckquerschnitt),Gefälle…), charakteristische Korngrößen, Abflussmenge Methodencharakteristik: Eindimensionale quasi stationär-gleichförmige Abflussberechnung, Abfluss ist gegeben, aus hydraulischen Kenngrößen werden der Mobilisierungsbeginn und die Geschiebetransportkapazitäten mit verschiedenen Transportformeln ermittelt. Formeln: MEYER-PETER/MÜLLER (1948), WHITTAKER UND JÄGGI (1986), BATHURST 1987, PALT 2001, Rickenmann (1990, 2001, 2006), SMAR/JÄGGI (1983), Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Wasserspiegel, Mobilisierungsbeginn (Feinmaterial, obere und untere Grenze Deckschicht) Transportkapazität (m³/s pro Meterstreifen und je Profilbreite), Fracht [m³/s] k. A. Zeitaufwand: 1 Stunde je Querprofil und Abfluss 5 Gt.2: Formeln Beginn Mobilisierung Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Profilwiese Berechnung mit Rechteckprofil. Keine detaillierten Profile berechenbar. Die EXCEL-Applikation nur für geübte Anwender nutzbar! Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) Anwendungsgrenzen der Formeln sollten beachtet werden. Übliche Abhängigkeit von den charakteristischen Korngrößen, Fließrauigkeiten, etc. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Berechnungsmethode auf Rechteckprofil beschränkt, Eindimensionale quasi stationär-gleichförmige Abflussberechnung. Abschätzung der Parameter schwierig Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Kann nicht genau ermittelt werden. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: Mittel (EXCEL Anwendung, Formelkenntnis) Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): Nur für die Berechnung gering. Die Erhebung der Daten kann einen hohen Zeitaufwand mit sich bringen. Sonstiges: k. A. Moser, Jäger, A 6 Gt.3: Geschiebetransportformeln steile Gerinne Verfahren zur Berechnung des Geschiebetransportes in steilen Gerinnen Methodenbeschreibung: Ziel der Methode: Wahl von geeigneten Formeln und Ansätzen für die Berechnung des Geschiebetransports in steilen Gerinnen, unter Berücksichtigung der erhöhten Energieverluste in rauen Gerinnen mit kleinen relativen Abflusstiefen. Mögliche Anwendungsgebiete sind Wildbacheinzugsgebiete und Gebirgsflüsse. Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Die Grundformel basiert auf Laborversuchen an der ETH Zürich (Rickenmann, 1991). Eine Überprüfung mit Naturdaten zeigte eine teilweise massive Überschätzung des Geschiebetransportes in steilen Gerinnen bei Berechnung der (maximalen) Transportkapazität (Rickenmann, 2001, 2005, 2012). Werden solche Formeln mit einem Ansatz zur Berück sichtigung der erhöhten Energieverluste in rauen und steilen Gerinnen kombiniert, ähnlich wie z.B. in den Simulationsprogrammen SETRAC und TomSed verwendet, ergibt sich eine deutlich bessere Übereinstimmung zwischen berechnetem und beobachtetem Geschiebetransport (Chiari & Rickenmann, 2010; Nitsche et al., 2011) Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? • Hochwasserereignisse 2005 in der Schweiz und in Österreich • Hochwasserereignisse 2000 im Kanton Wallis (Schweiz) • Langjährige Abfluss- und Geschiebemessungen der WSL in Wildbächen der Schweiz Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Die Methode wird in der Forschung und auch in der Praxis angewendet. Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? • Geometriedaten: Längsprofile, Querprofile; • Sedimentdaten: Charakteristische Korngrößen, Sedimentdichte; • Gerinnemorphologie (Typ) bzw. Angaben zur Dichte von groben Blöcken und von Stufenhöhen; • Abfluss bzw. Abflusstiefe Methodencharakteristik: Aufgrund von Rinnenexperiment im hydraulischen Labor der ETH Zürich mit steilen Gefällen leitete Rickenmann (1991) aus 252 von Meyer-Peter & Müller (1948), Smart & Jäggi (1983) und Rickenmann (1990) eine dimensionslose Geschiebetransportgleichung ab, die ein Gerinnegefälle von 0.4% bis 20% abdeckt. Diese Gleichung wurde von Rickenmann, CH Rickenmann (2001) vereinfacht und zusätzlich in eine abflussbasierte Transportgleichung umgeformt. Die damit berechneten Geschiebefrachten zeigen eine deutliche Überschätzung im Vergleich mit Beobachtungen, weshalb ein Verfahren zur Berücksichtigung des hohen Fließwiderstandes für die Berechnung des Geschiebetransportes entwickelt wurde (Rickenmann, 2005, 2012). Mit einer empirischen Funktion wird die Abminderung des Geschiebetransportes bei großskaliger Rauigkeit in steilen Gerinnen über ein reduziertes Energieliniengefälle berücksichtigt. Mit dieser Methode konnte für verschiedene Hochwasserereignisse eine bessere Übereinstimmung zwischen in der Natur beobachteten und berechneten Geschiebefrachten erreicht werden (Chiari et al., 2010; Chiari und Rickenmann, 2010; Badoux und Rickenmann, 2008; Nitsche et al., 2011). Der Ansatz zur Abminderung des Geschieberansportes basiert auf Untersuchungen von Meyer-Peter und Müller (1948). Das reduzierte Energieliniengefälle bezieht sich auf ein Basisniveau des Fließwiderstandes (für eine Grundrauigkeit des Sohlenmaterials) und bestimmt die Energie, welche für den Geschiebetransport zur Verfügung steht. Für die Berechnung des Geschiebetransportes wird das reduzierte Energieliniengefälle entweder bei der Bestimmung der dimensionslosen Sohlenschubspannung berücksichtigt oder direkt in die abflussbasierte Transportformel eingesetzt. Die in Rickenmann & Recking (2011) vorgeschlagene Aufteilung des Fließwiderstandes ist im Grunde eine Funktion der relativen Abflusstiefe. Es handelt sich um einen pauschalen, empirischen Ansatz, welcher aber implizit Informationen über eine durchschnittliche Rauigkeitserhöhung in steilen und rauen Gerinnen enthält. In der Studie von Nitsche et al. (2011, 2012) wurden auch andere Ansätze zur Aufteilung des Fließwiderstandes untersucht, welche zum Beispiel die zusätzlichen Energieverluste berücksichtigen, die durch große Blöcke (Yager et al. 2007; Whittaker et al. 1988) oder durch AbsturzBecken Sequenzen (Egashira & Ashida 1991) verursacht werden. Die so berechneten Geschiebefrachten wurden mit beobachteten Geschiebefrachten (Hochwasserereignisse 2005 in der Schweiz und in Österreich; Hochwasserereignisse 2000 im Kanton Wallis, Schweiz; Langjährige Abfluss- und Geschiebemessungen der WSL in Wildbächen der Schweiz) verglichen. Insgesamt ergaben sich über alle Gerinnetypen (Bachbettmorphologien) mit dem empirischen Ansatz nach Rickenmann & Recking (2011) und dem mehr physikalisch basierten Ansatz von Yager et al. (2007) die besten Resultate. Für detailliertere Untersuchungen zu einem gegebenen Gerinnetyp (z.B. Einflusses von groben Blöcken in unterschiedlicher Konzentration) sind spezifische Ansätze (Yager et al. 2007; oder Whittaker et al. 1988 für Gerinnegefälle nicht größer als etwa S » 0.07) vorzuziehen, wofür genauere Erhebungen zur Bachbettmorphologie nötig sind. Zur Darstellung der Unsicherheit der Abschätzungen zum Geschiebetransport können die für einen bestimmten Gerinnetyp geeignetsten Ansätze zur Aufteilung des Fließwiderstandes verwendet und die Bandbreite der 7 Gt.3: Geschiebetransportformeln steile Gerinne Resultate betrachtet werden. Die in Nitsche et al. (2011, 2012) berechnete Reduktion des Geschiebetransportes ist in etwa vergleichbar mit den Resultaten aus früheren Simulationen mit dem Programm SETRAC (Chiari & Rickenmann, 2010). Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Geschiebetransportrate bzw. transportierbare Geschiebefracht. Die Berechnungen setzen voraus, dass die Geschiebeverfügbarkeit nicht beschränkt ist. Anwendungsgrenzen: Bei zu erwartendem murgangartigem Transport in (steileren) Wildbächen oder Gerinnen ist die Verwendung eines reduzierten Energieliniengefälles nicht sinnvoll. Vielmehr sollten dann die Gleichungen zur Berechnung der (maximalen) Transportkapazität unter Verwendung des Gerinnegefälles für eine grobe Abschätzung der für eine gegebene Hochwasserganglinie transportierbaren Feststofffracht angewendet werden. Bei Geschiebetransportereignissen spielt v.a. in Wildbächen oft auch die (beschränkte) Sedimentverfügbarkeit eine wichtige Rolle. Die Sedimentverfügbarkeit muss unabhängig von der Berechnung abgeschätzt werden und bei der Bewertung der Resultate berücksichtigt werden. Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): k. A. Schnittstellen (GIS, etc.): k. A. Kosten: k. A. Zeitaufwand: Abhängig von der Datengrundlage. Der größte Teil des Arbeitsaufwandes liegt bei der Erhebung von Gerinnedaten, Kornverteilung und Elementen der Bachbettmorphologie. Rickenmann, CH 8 Gt.3: Geschiebetransportformeln steile Gerinne Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) Der Einfluss der Makrorauigkeit („Formrauigkeit“) kann sich sehr stark auf den Geschiebe transport auswirken. Eine gewisse Unsicherheit besteht bei der Berechnung des reduzierten Energieliniengefälles bezüglich der Wahl des Exponenten beim Faktor mit der Aufteilung des Fließwiderstandes. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Zur Unsicherheit und Variabilität der Übereinstimmung zwischen Berechnung und Beobachtung siehe Nitsche et al. (2011, 2012). Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): k. A. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: Kenntnisse in der hydraulischen Modellierung, sowie gute Kenntnisse im Bereich Geschiebetransport werden vorausgesetzt. Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): k. A. Sonstiges: k. A. Rickenmann, CH 9 Gt.3: Geschiebetransportformeln steile Gerinne Rickenmann, CH Literatur: Chiari, M., Rickenmann, D. (2011): Back-calculation of bedload transport in steep channels with a numerical model, Earth Surface Processes and Landforms, 36, 805–815. doi: 10.1002/esp.2108. Egashira, S., Ashida, K. (1991), Flow resistance and sediment transportation in streams with step-pool bed morphology, in Fluvial Hydraulics of Mountain Regions, edited, pp. 4558, Springer, Heidelberg. Meyer-Peter, E., Mueller, R. (1948). Formulas for bedload transport. In Proceedings of the 2nd meeting of the International Association of Hydraulic Structures Research, Stockholm, Sweden; 39–64. Nitsche, M., Rickenmann, D., Turowski, J.M., Badoux, A., Kirchner, J.W. (2011). Evaluation of bedload transport predictions using different flow resistance equations to account for macro-roughness in steep mountain streams. 47, W08513, doi:10.1029/2011WR010645. Nitsche, M., Rickenmann, D., Turowski, J.M., Badoux, A., Kirchner, J.W. (2012b): Verbesserung von Geschiebevorhersagen in Wildbächen und Gebirgsflüs-sen durch Berücksichtigung von Makrorauigkeit. Wasser, Energie, Luft, 104 (2): 129-139. Rickenmann, D. (1990). Bedload transport capacity of slurry flows at steep slopes. Mitteilung Nr. 103 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie Glaziologie, ETH Zürich. Rickenmann, D. (1991). Hyperconcentrated flow and sediment transport at steep slopes. Journal of Hydraulic Engineering 117: 1419–1439. 10 Rickenmann, D. (2001). 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Central Laboratories, Works and Development Corporation, Lower Hutt, New Zealand. Yager, E.M., Kirchner, J.W., Dietrich, W.E. (2007). Calculating bed load transport in steep boulder bed channels, Water Resources Research, 43:W07418, doi:10.1029/2006WR005432. Gt.4: TomSed TomSed Methodenbeschreibung: Ziel der Methode: TomSed wurde speziell für die Berechnung des Geschiebetransports in steilen Gerinnen entwickelt. Mögliche Anwendungsgebiete sind somit Wildbacheinzugsgebiete und Gebirgsflüsse. Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): TomSed wurde von den Entwicklern von SETRAC (Rickenmann et al. 2006; Chiari und Rickenmann 2007, 2009; 2010; Chiari 2008; Chiari et al. 2007, 2008 und 2010) als eigenständiges Modell neu entwickelt. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Mit den Erfahrungen aus der Entwicklung von SETRAC wurde TomSed programmiert. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? • BOKU Universität Wien, Institut für Alpine Naturgefahren; • WSL Eidg. Forschungsanstalt, Schweiz, Gebirgshydrologie und Wildbäche; • Ingenieurbüros (Österreich, Schweiz) Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? • Geometriedaten: Längsprofile, Querprofile, max. Erosionstiefen; • Sedimentdaten: Charakteristische Korngrößen, Sedimentdichte, Sedimentspeicher; • Abflussganglinie an wichtigen Stellen des Gerinnesystems Methodencharakteristik: TomSed ist das Akronym für „Torrential Model for Sediment Transport“. Die grafische Benutzerschnittstelle erlaubt eine effiziente und übersichtliche Datenverwaltung. Neben der Visualisierung des Gerinnesystems können auch alle Querprofile sowie Längsprofile dargestellt werden. Des Weiteren können auch die eingegebenen Sedimentdaten als Sieblinien visualisiert werden. Die aufwändige grafische Benutzerschnittstelle dient neben der Abschätzung der Durchfluss- und Transportkapazität der einzelnen Querprofile auch zur Plausibilitätsprüfung der Eingabedaten. Das Topologieprotokoll informiert den Modell anwender über die korrekte Modellanwendung und weist auf unzulässige Modellanwendungen (z.B. gewählte Geschiebetransportformel eignet sich nicht für den Gefällebereich im Projektgebiet) hin. Die Abflussganglinien werden als kinematische Welle durch ein Gerinnesystem geleitet. Verschiedene Ansätze zur Berechnung des Fließwiderstands stehen dem Anwender zur Auswahl. Zusätzlich kann der Einfluss der Makrorauigkeit Chiari, Rickenmann, A/CH (Formrauigkeit) auf den Geschiebetransport berücksichtigt werden. Verschiedene Ansätze zur Berechnung des Geschiebetransports (Rickenmann 1990, 1991, Smart & Jäggi 1983) stehen zur Verfügung. Zur Berücksichtigung der erhöhten Energieverluste für den Geschiebetransport wird in SETRAC und TomSed ein Ansatz zur Aufteilung des Fließwiderstandes verwendet, der auf 373 Fließgeschwindigkeits-Messungen basiert. Er führt grundsätzlich zu einer ähnlichen Reduktion des Energieliniengefälles wie ein neuerer Ansatz zur Aufteilung des Fließwiderstandes von Rickenmann & Recking (2011), welcher auf 2890 FließgeschwindigkeitsMessungen beruht. Die Querprofile werden zur Berechnung des Pegelschlüssels nach der Streifenmethode aufgeteilt. Die Anzahl der Streifen richtet sich dabei nach der Komplexität des Querprofils. So können auch gegliederte Profile gut abgebildet werden. In jedem Streifen wird neben der Fließgeschwindigkeit auch der Geschiebetrieb berechnet. In TomSed können auch Änderungen der Gerinnegeometrie durch Auflandungen bzw. Erosion berücksichtigt werden, wobei jedem Gerinneabschnitt eine mögliche Erosionstiefe zugewiesen wird. Weiters stehen für den Geschiebetransport ein Einkorn- sowie ein Mehrkornmodell zur Verfügung. Bei der Anwendung des Einkornmodells kann alternativ zur Makrorauigkeit ein Deckschichtansatz gewählt werden. Bei der Wahl des Mehrkornmodells wird zwischen einer aktiven Austauschschicht und einer erodierbaren Unterschicht unterschieden. Die Simulationsergebnisse stehen dem Modellanwender als Textdateien zur weiteren Analyse in frei wählbaren Zeitschritten für jeden Berechnungsknoten als Zeitreihe zur Verfügung. Des Weiteren können alle Längsprofile im Gerinnesystem zu jedem gespeicherten Zeitschritt ausgegeben werden. Das Vereinfacht die Visualisierung der Simulationsergebnisse, insbesondere der Sohlhöhenentwicklung. Im letzten Zeitschritt werden Ergebnisse in Längen schnittdarstellung auch als plotfertige DXF Datei abgespeichert. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Tabelle: Exportvariablen 11 Gt.4: TomSed Die Simulationsergebnisse stehen als frei wählbare Zeitschritte in Längenschnittdarstellung, sowie als Zeitreihen in den Berechnungsknoten zur Verfügung. Im letzten Zeitschritt werden Ergebnisse in Längenschnittdarstellung auch als plotfertige DXF Datei abgespeichert. Anwendungsgrenzen: Mit dem Modell TomSed können keine Murgänge simuliert werden. Jedoch kommt es bei der Modellanwendung in sehr steilen Gerinnen (Gefälle > 25%) durch die Extrapolation der Geschiebetransportformeln zu sehr hohen Sedimentkonzentrationen, die durchaus mit murartigem Feststofftransport vergleichbar sind, jedoch nicht mit voll ausgebildeten Murgängen. Die Verlagerung von hohen Feststoffvolumen bei murgangartigem Transport kann näherungsweise durch Verwendung des Gerinnegefälles anstelle des reduzierten Energieliniengefälles simuliert werden. Durch die vereinfachte Hydraulik der kinematischen Welle werden Rückstaueffekte, wie sie durch Sperrenbauwerke oder Brückendurchlässe verursacht werden, vernachlässigt. Gegengefälle können nicht modelliert werden. Bei Geschiebetransportereignissen kann auch die (evtl. beschränkte) Sedimentverfügbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Die Sedimentverfügbarkeit muss für die Simulation abgeschätzt werden und wird vereinfacht über den Sedimentspeicher berücksichtigt. Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): www.bedload.at Schnittstellen (GIS, etc.): Keine, Dateneingabe erfolgt mittels Textdateien fließ Kosten: keine Zeitaufwand: Abhängig von der Datengrundlage. Wenn Geometriedaten, Sedimentdaten, Abflussganglinien (und Sedimentinput von wichtigen Seitengerinnen, falls diese nicht im Detail simuliert werden) zur Verfügung stehen liegt der Arbeitsaufwand bei ca. 1 Tag pro 3 km Flusslänge (60 Querprofile). Durch größeren Querprofilabstand kann die Effizienz gesteigert werden. Chiari, Rickenmann, A/CH 12 Gt.4: TomSed Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) Der Einfluss der Makrorauigkeit (Formrauigkeit) wirkt sich sehr stark auf den Geschiebetransport aus. Kalibrierung kann durch Rückrechnung von gut dokumentierten Ereignissen verbessert werden. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Der Einfluss der Makrorauigkeit (Formrauigkeit) wirkt sich sehr stark auf den Geschiebetransport aus. Kalibrierung kann durch Rückrechnung von gut dokumentierten Ereignissen verbessert werden. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): k. A. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: Kenntnisse in der hydraulischen Modellierung, sowie gute Kenntnisse im Bereich Geschiebetransport werden vorausgesetzt. Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): k. A. Sonstiges: k. A. Chiari, Rickenmann, A/CH 13 Gt.4: TomSed Chiari, Rickenmann, A/CH Literatur: BLASER, F. (2008): Geschiebetransportsimulationen in Wildbacheinzugsgebieten für das Hochwasser im August 2005. Diplomarbeit am Departement Umweltwissenschaften, ETH Zürich, September 2008. CHIARI, M. (2008): Numerical modelling of bedload transport in torrents and Mountain streams, PhD dissertation at the University of Natural Ressources and Applied life Sciences, Vienna, 212 p. CHIARI, M., RICKENMANN, D.(2007): The influence of form roughness on modelling sediment transport at steep slopes In: Kostadinov, St., Bruk, St., Walling, D. 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(2008): Geschiebetransportmodellierung in Wildächen und Vergleich der morphologischen Veränderung mit LIDAR Daten. In: Mikos, M., Hübl, J., Koboltschnig, G. (Hrsg..), 11th Congress INTERPRAEVENT 2008, 26.-30. Mai 2008, Dornbirn Vol. 1, 295 306; ISBN 978-3-901164-10-1 14 CHIARI, M., FRIEDL, K., RICKENMANN, D. (2010.): A one dimensional bedload transport model for steep slopes, Journal of Hydraulic Research, 48(2) 152-160 MAIR, E. (2008): Geschiebetransportsimulationen am Beispiel des Suggadinbaches inVorarlberg. Diplomarbeit an der Universität für Bodenkultur, Wien, 109 S. 109 p. PAULI, M. (2009): Geschiebetransport während des Augusthochwassers 2005. Diplomarbeit an der philosophisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Bern. RICKENMANN, D., RECKING, A. (2011): Evaluation of flow resistance equations using a large field data base. Water Resources Research. 47, W07538,doi:10.1029/201 0WR009793. RICKENMANN, D., CHIARI, M., FRIEDL, K. (2006): SETRAC - A sediment routing model for steep torrent channels, In: Ferreira, R.M.L., Alves, E., Leal, J., Cardoso, A. (Eds.), River Flows 2006, proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics, Lisbon, Portugal, 6-8 September 2006 1, Taylor & Francis, London, Riverflow 2006, International Conference on Fluvial Hydraulics, September 6 - 8, 2006 , Lisabon, Volume 1, 843-852; ISBN: 0-415-40815-6 RICKENMANN, D; BLASER, F; CHIARI, M (2009): Modellierung des Geschiebetransportes für das Hochwasser im August 2005 im Steinibach und im Buoholzbach (Kt. Nidwalden). In: Unterlagen zum FAN-Herbstkurs 2009 über «Wildbacheinzugsgebiete– Prozesse, Gefahren und Schutzmassnahmen», Fachleute Naturgefahren Schweiz (FAN), 24./25.9.2009, Nidwalden. Gt.5: HEC-RAS_Feststoff HEC-RAS 4.1 Methodenbeschreibung: Eindimensionales Strömungsmodell mit beweglicher Sohlenmodellierung Ziel der Methode: Ermittlung von Überschwemmungsgebieten und Überschwemmungsgrenzen, Bemessungshilfe für Hochwasserschutz- und Renaturierungsmaßnahmen, Nachweis von Auswirkungen von Baumaßnahmen im und am Gewässer, Beurteilung der ökologischen Standortbedingungen, Untersuchung hoch instationärer Ereignisse (z.B. Dammbruch). Ermittlung der Feststoffsituation an Fließgewässer (Anlandungs- und Eintiefungsfragestellungen). Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): HEC-RAS wurde vom U.S. Army Corps of Engineers entwickelt. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? HEC-RAS 4.1 ist ein Nachfolger des vom Hydrologic Engineering Center des U.S. Army Corps of Engineers Ende der sechziger Jahre erstellten Programmes HEC-2. Es wird seitdem ständig verbessert und weiterentwickelt und ist weltweit eines der meistverbreiteten und -verwendeten Programme zur Berechnung der Wasserspiegellagen bei stationären Abflüssen. Die aktuelle Version 4.1 wurde gegenüber der Version 3.1.1 dahingehend verbessert, dass nun Feststofftransportberechnungen mit beweglicher Sohle möglich sind. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Weltweit eines der meistverbreiteten und -verwendeten Programme zur Berechnung der Wasserspiegellagen bei stationären und instationären Abflüssen. Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Geländedaten (Abbildung des Geländes über Querprofile), Gewässerprofile, Flächennutzungsdaten, aus denen Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s] abgeleitet werden, Abflussdaten (konstant oder Ganglinie, ggf. mehrere Zu- und Abflüsse), Bauwerksangaben (Brücken, Wehre, Durchlässe), Bedingungen am unteren Modellrand (Energieliniengefälle oder W/QBeziehung, Wasserspiegellage); charakteristische Korngrößen, Kornverteilungen über die Angabe von Kornfraktionen, Randbedingung für die Feststoffberechungen sind: Gleichgewichtszustand (Feststoffinput- und Output befinden sich im Gleichgewicht), abhängig vom Reinwasserinput, Feststofftransportangaben wenn Messungen vorliegen Methodencharakteristik: instationäres, eindimensionales Modell; die Raumdiskretisierung erfolgt über Profile wobei über eine ArcGis Extension (GeoRAS) aus Geländedaten (ALS - Laserscan) Input- Schober, A daten generiert werden können. Die Strömungssituation wird über Flachwassergleichungen gelöst. Die Lösungsgleichungen für den stationären Abfluss werden im Programm HEC-RAS nach dem „Standard-Step-Verfahren“ (Sekantenmethode) angenähert – für den instationären Abfluss durch ein implizites Finite-Differenzen- Schema. Folgende Feststofftransportfunktionen werden im Modell berücksichtigt: Ackers und White; Engelund und Hansen; Copeland Version von Laursen; Meyer, Peter und Müller; Toffaleti, Yang, Wilcock. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Wasserspiegellagen pro Profil, Strömungsgeschwindigkeiten pro Profil (kann über die ArcGIS Extension in linkes, rechtes Vorland und den Hauptfluss unterschieden werden), Wassertiefen im Profil, Überflutungsdauer, Abflussaufteilung auf Flussschlauch und Vorländer, Retentionswirkung, Sohlschubspannungen, für stationäre und instationäre Abflüsse. Profilveränderungen im Längenschnitt bzw. pro Querprofil. Anwendungsgrenzen: • Fragestellungen, die nicht mit 1d Strömungsmodellen gelöst werden können; • Keine Gewässerabschnitte, in denen sich die Strömung stark verändert; • keine Bereiche mit unterschiedlicher, mehrdimensionaler, heterogener Strömung in Fließrichtung (komplexe Fließvorgänge); • Abschnitte mit einem Gefälle steiler als maximal 5 - 10%, Im Zuge der Geschiebetransportmodellierung können für kleinere Abflussmengen ausreichend gute Ergebnisse erzielt werden. Es zeigte sich jedoch, dass bei größeren Gewässern die Geschiebetransportmodellierung unrealistisch große Werte lieferte, was auf die Komplexität der Zusammenhänge zurückzuführen ist. Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecrasdownload.html Schnittstellen (GIS, etc.): • Daten aus ArcGIS9 können über HecGeoRAS genutzt und ausgetauscht werden, • DXF Schnittstelle für den Input von AutoCAD Daten (Profile), • Schnittstelle zum hydrologischen Model HEC-HMS. Kosten: „Public domain software“; Freier Download über Registrierung Zeitaufwand: Für die Erstellung der Geometrie einige Tage (je nach Komplexität und Größe des Berechnungsgebietes und der verfügbaren Daten – ALS Laserscan), Berechnungsdauer je nach Netzgröße und PC-Leistung wenige Stunden bis einige Tage. 15 Gt.5: HEC-RAS_Feststoff Schober, A Erstbewertung: Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): Bewertung der Datengrundlage: Mittel. Feststoffberechnungen: Hoch bis sehr hoch – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? • Geländeinformationen aus Befliegungen (Luftbildauswertung oder Laser-Scan) sowie terrestrische Ergänzungsmessungen, u. U. aufwendig, • Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]) müssen in Anlehnung an Literaturwerte aus der Erfahrung gewählt, bzw. durch Modellkalibrierung bestimmt werden, • Bauwerksdaten müssen bekannt sein. • Berechnung beschränkt auf Bereiche, in denen sich die Strömung nur allmählich ändert Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) • starke Abhängigkeit vom Input Abfluss, • große Abhängigkeit von stimmigen Geländedaten und Rauigkeitsbeiwerten. • Plausibilitätsprüfung bei heterogenen Strömungsverhältnissen (Querstömungen im Vergleich zur Hauptströmung) Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Modellergebnisse werden in jedem Rechengang identisch reproduziert. Für kleinere Abflussmengen können ausreichend gute Ergebnisse erzielt werden. Es zeigte sich jedoch, dass bei größeren Gewässern die Geschiebetransportmodellierung unrealistisch große Werte lieferte, was auf die Komplexität der Zusammenhänge zurückzuführen ist. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Toleranzbereich von mindestens + 10 % bei guter Datenlage, v. a. wegen der Unsicherheiten bei der Abflussermittlung, Geländeinformation und Geländediskretisierung. Genauigkeitssteigerung über Rückrechnung aus vergangenen Hochwasserereignissen und exakte Kalibrierung. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: mittel bis hoch: Expertenwissen in der Abflussmodellierung; gering bis mittel. Hydraulische Kenntnisse bei der Interpretation der Ergebnisse: mittel bis hoch, hoch bis seht hoch Kenntnisse betreffend dem Feststoffhaushalt Sonstiges: Umfangreiche Literatur, weltweite Erfahrungsberichte 16 Gt.6: Scen_at1-0 Scen.At 1.0 Methodenbeschreibung: Berechung der Feststoffbilanzen für Vorfluter-Zubringersysteme mit loser Koppelung der Software Flusswin 1.0 (VAW, ETH Zürich) Ziel der Methode: Begleitung und Dokumentation des Arbeitsprozesses der Szenarien-Analyse, Vernetzung der Daten, Standardisierung in der Szenarien-Analyse für Vorfluter-Zubringer-Systeme. Es geht bei dieser Excel Anwendung darum nachvollziehbar den Feststoffeintrag von feststoffführenden Zubringern in den Hauptfluss für unterschiedliche Szenarien zu berechnen. Schober, A fluss dargestellt. Dem vorangestellt ist eine Schwachstellenanalyse (Beeinflussung durch Brücken, Querbauwerke, etc.) und standardisierte Abschnittseinteilung des Gewässers. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Abfluss, Wassertiefe, Transportkapazität, Fracht [t/d] und [m³/s], es werden keine Sohländerungen berechnet. Feststoffbilanzen werden angegeben. Anwendungsgrenzen: Wenn 2d- und 3d-Effekte eine wesentliche Rolle spielen, sehr unregelmäßige Profile und sehr unterschiedliche Profilgeometrien (keine homogene „Musterstrecke“ -> kompaktes Gerinne erforderlich, keine Verzweigungen). Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): Die klassische tabellarische Handrechnung von Geschiebefrachten wurde in EXCEL umgesetzt, es können zahlreiche Formeln berechnet und verglichen werden, zudem können zahlreiche Parametereinstellungen getestet und verglichen werden. entfällt (verwaltungsinterne EXCEL-Applikation). auf dem freien Markt existieren zahlreiche kommerzielle Programme oder Eigenentwicklungen von Ing.-Büros. Schnittstellen (GIS, etc.): k. A. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Im Zuge des Interreg IVB Projekts AdaptAlp WP5 wurde eine Methodik zur Szenarien-Analyse entwickelt. Das im Folgenden beschriebene Werkzeug dient zur semi-automatischen Unterstützung des Fachmanns bei der Szenarien-Analyse im Zuge der Gefahrenzonenausweisung der Bundeswasserbauverwaltung (BWV) in Österreich (Kärnten). Der Fokus liegt dabei auf Flüsse und Bäche mit maximal starken fluviatilen Fesrtstofftransport. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Anwendung bei der Erstellung von Gefahrenzonenplänen in Österreich im Zuständigkeitsbereich der BWV (Kärnten). Applikation Scen.At 1.0 nur über die Abt. 18 Wasserwirtschaft, Amt der Kärntner Landesregierung erhältlich. Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Längenschnitt Zubringer, Hauptfluss, charakteristische Korngrößen, vereinfachte Geometrie (Trapetzprofil), Gefälle, Einzugsgebietsgröße, Konzentrationszeit, Schwachstellenanalyse (Brücken, Querbauwerke, Kraftwerke, …) Methodencharakteristik: Flusswin 1.0 berechnet für einen vereinfachten Trapezquerschnitt u.a. die Transportkapazität und die Geschiebefracht anhand einer vom Benutzer vorgegebenen Dauerlinie nach verschiedenen Ansätzen (Meyer-Peter & Müller, VAW) (kann aber auch über andere Ansätze berechnet werden). Diese werden in der Excel Anwendung (Scen.At 1.0) übernommen und grafisch als Feststoffbilanz der Zubringer zum Haupt- Kosten: keine Zeitaufwand: Wenige Minuten bis Stunden zuzüglich des Umfanges der Vorarbeiten für Querprofile, charakteristische Korndurchmesser. Begehung „vor Ort“ unbedingt erforderlich um die Ergebnisse korrekt interpretieren zu können. 17 Gt.6: Scen_at1-0 Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Gewässerprofile, charakteristische Korngrößen, Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]) müssen meist geschätzt bzw. aus der Erfahrung gewählt werden, Gebietsgröße und Regionalisierung, Berechnung i.d.R. auf Zubringer von Wildbächen in Hauptgewässer beschränkt. Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) starke Abhängigkeit vom Input Abfluss, sehr starke Abhängigkeit von charakteristischen Korngrößen, große Abhängigkeit von stimmigen Gewässerprofilen und Rauigkeitsbeiwerten. Plausibilitätsprüfung durch den Anwender muss durchgeführt werden. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Wegen der stark vereinfachenden Berechnungsmethode (eindimensional, stationär, gleichförmig) nur mittel bis gut (geringe Sohländerungen, Eichereignisse liegen vor). Wildholzproblematik kann „nur“ als Szenario berücksichtigt werden. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Die ermittelte Fracht kann erheblich von beobachteten Frachten abweichen, da speziell in Wildbächen Geschiebetransport bei Ungleichgewichtsbedingungen stattfindet. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: mittel in der Anwendung der EXCEL-Applikation, hoch bei der Interpretation der Ergebnisse Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): I.d.R. gering, mittel bis hoch wenn charakteristische Korngrößen erhoben werden müssen. Sonstiges: EXCEL-Applikation ist Eigenentwicklung Abt. 18 Amt der Kärntner Landesregierung gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Mayr & Sattler Schober, A 18 Gt.7: HYDRO_FT-2d_Version0413 HYDRO_FT-2d Methodenbeschreibung: Zweidimensionales Strömungsmodell mit beweglicher Sohle. Vollständig an HYDRO_AS-2D gekoppeltes Modul zum Feststofftransport (Geschiebe und Schwebstoff) Ziel der Methode: Ermittlung von Wasserspiegellagen, Überflutungsflächen für stationäre und instationäre Abflüsse, Fließgeschwindigkeiten und Fließzuständen unter Berücksichtigung von Sohlveränderungen. Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Siehe HYDRO_AS-2d. Während Hochwasser gerät die Sohle mehr oder weniger stark in Bewegung. V. a. in den Unterläufen von Wildbächen können Sohländerungen (Kolke unterstrom von Bauwerken, Auskolkungen bei mangelnder Geschiebeverfügbarkeit, zur Anlandung neigende Streckenabschnitte) den Hochwasserschutz massiv beeinflussen. HYDRO_FT-2d sollte im Wildbachbereich nur als Einkornmodell eingesetzt werden (Regelfall zur quantitativen ereignisbezogenen Bestimmung ablaufender Prozesse), da Sortierungsprozesse hier weniger relevant sind. Die fraktionierte Variante ist i.d.R. Flüssen vorbehalten. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? In den letzten Jahren wurde das Einkornmodell auf fraktionierten Transport erweitert, derzeit sind 12 Fraktionen (Geschiebe, Schwebstoff) sowie ein Schichtenmanagement realisiert. Diese Erweiterungen sind für den Wildbachsektor von untergeordneter Bedeutung. Außerdem: bewegliche Ufer. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Einsatz von HYDRO_FT-2d bisher durch wenige Ingenieurbüros. Einsatz grundsätzlich möglich wie bei HYDRO_AS-2d. Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: charakteristische Korngrößen oder Kenntnis der Kornverteilung, Bereiche mit beweglicher und fester Sohle. Methodencharakteristik: Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich gehen die Sohländerungen in die instationär tiefengemittelte z-Komponente der Berechnung ein. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: Sohländerungen. Schwaller, D Anwendungsgrenzen: Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: Anwendungsgrenze der Geschiebeformel von Meyer-Peter und Müller (MPM): Gefälle maximal 2,3 %. Wildholzproblematik kann nicht berücksichtigt werden. Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): HYDRO_GS-2d: Dr. Nujic, aquasoli, HYDROTEC Benutzeroberfläche SMS: aquaveo, Utah, USA Schnittstellen (GIS, etc.): ArcGIS, DXF (weitere Schnittstellen vorhanden, werden von der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung aber nicht genutzt). Kosten: Zusatzmodul zu HYDRO_AS-2d, zzgl. ca. 6.000 €. Zeitaufwand: Siehe HYDRO_AS-2d, wegen der Berechnung von Sohländerungen aber längere Rechenzeiten als bei HYDRO_AS-2d. 19 Gt.7: HYDRO_FT-2d_Version0413 Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: Geschiebeproben, Ermittlung charakteristischer Korndurchmesser, Angaben zum Geschiebeeintrag (kann optional von HYDRO_GS-2d in Abhängigkeit zur Fracht eines Querschnitts auch berechnet werden). Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: große Abhängigkeit der Sohländerungen von der Korngröße (Formel MPM reagiert sensitiv auf Korngröße, Gefälle und qC = Bewegungsbeginn). Sohländerungen sind berechenbar bei Beachtung der Anwendungsgrenze (I <= 2,3 %), Wildholzproblematik kann nicht berücksichtigt werden. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Siehe HYDRO_AS-2d, zusätzlich: Sohlveränderungen können validiert werden, wenn in Anlandungsstrecken die Entnahmen dokumentiert wurden oder mehrere durchgehende Sohlaufnahmen vorliegen. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Siehe HYDRO_AS-2d, Streuungsbereich deutlich größer (mindestens > + 30 %), da die Unsicherheiten der Kornzusammensetzung und des ereignisbezogenen Frachtinputs sehr stark durchschlagen. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: hoch: Expertenwissen in der Abfluss- und Geschiebemodellierung; gering bis mittel: DV. Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): mittel bis hoch. Sonstiges: Kommerziell vertriebenes Programm. Schwaller, D 20 Gt.8: CCHE2D CCHE2D Methodenbeschreibung: Zweidimensionales Strömungsmodell mit beweglicher Sohlenmodellierung Ziel der Methode: Das CCHE2D-Modell ist ein 2-dimensionales tiefengemitteltes, instationäres hydraulisches und Feststoff-Transport-Modell. Die Software besteht aus einzelnen Komponenten, mit denen Problemstellungen im Flussbau, wie Wasserspiegellagen, Sedimenttransport, Sedimentablagerung, Fließverhältnisse und weiters für die Flussmorphologie entscheidende Para-meter können modelliert werden. Die Darstellung von Sohländerungen ist möglich. Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Das CCHE2D-Modell ist ein 2-dimensionales tiefengemitteltes, instationäres hydraulisches und Feststoff-Transport-Modell. Bezogen werden kann das Modell über die Homepage des „National Center for Computational Hydroscience and Engineering [NCCHE]“ der Universität von Mississippi“ unter http://www.ncche.olemiss.edu/software/cche2d (Freier Download über Registrierung) Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Das Programmpaket CCHE2D besteht aus einem „Mesh Generator“, mit dessen Hilfe das Netz für das Geländemodell generiert wird, und dem CCHE2D-GUI (graphical user interface). Das CCHE2D-GUI ist eine Graphikoberfläche, einerseits zur Eingabe der Berechnungsparameter und andererseits zur Darstellung der Ergebnisse wie Geschwindigkeitsvektoren, Schleppspannungen, Konturlinien etc.. Das Programmpaket liegt derzeit in der Betaversion vor und wird ständig verbessert, weiterentwickelt und weltweit eingesetzt. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Weltweit verbreitetes und eingesetztes Programm zur Berechnung der Wasserspiegellagen bei stationären und instationären Abflüssen, sowie Feststofftransportberechnungen mit beweglicher Sohle. Schwerpunkt liegen in den USA und China. Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Geländedaten, Gewässerprofile, Flächennutzungsdaten, aus denen Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s] abgeleitet werden), Abflussdaten (konstant oder Ganglinie, ggf. mehrere Zuund Abflüsse), Bauwerksangaben (Einbau über Geländedaten und entsprechender Rauigkeitszuordnung), Bedingungen am unteren Modellrand (Energieliniengefälle oder W/QBeziehung); charakteristische Korngrößen, Kornverteilungen über die Angabe von Kornfraktionen, unterschiedliche Randbedingung für Schwebstoff- und Geschiebeprozesse. Schober, A Methodencharakteristik: Grundlage für die Modellierung ist ein Finite-ElementeNetz, welches über das zu modellierende Gebiet zu legen ist. Verwendete Sedimenttransportformeln: Wu, Wang, und Jia Formeln, SEDTRA Modul, modifizierte Ackers and White Formel und modifizierte Engelund und Hansen Formel. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Wasserspiegellagen, Strömungsgeschwindigkeiten, Wassertiefen , Überflutungsdauer, Ab-flussaufteilung auf Flussschlauch und Vorländer, Retentionswirkung, Sohlschubspannungen, für stationäre und instationäre Abflüsse; Sohländerungen; flächenhafte Veränderungen einer Kornfraktion; Das Model kann Anlandungs- und Erosionsbereiche ausweisen, selektiven Sedimenttransport und Deckschichttendenzen darstellen. Ergebnisse sind kritisch zu hinterfragen. Anwendungsgrenzen: Fragestellungen, die nicht mit Flachwassergleichungen gelöst werden können, d.h. Strömungsvorgänge mit 3-dimensionaler Natur, maximale Anzahl: ca. 500.000 bis max. ca. 1Mio. Knotenpunkte um effizient arbeiten zu können; es gibt einige Tools um das Modell an die natürlichen Gregebenheiten anzupassen, allerdings zeigt sich, dass Änderungen über Texteditor oft effizienter sind. Gute Anwendbarkeit für wissenschaftliche Anwendungsgebiete (flussmorphologische Fragestellungen), mäßige Anwendbarkeit für ingenieurmäßige Fragestellung (hydraulische Berechnungen über 1km Flusslänge) auf Grund des hohen Aufwandes für die Dateneingabe. Umfangreiche Plausibiltätskontrollen sind über Sensitivitätsuntersuchungen und Kalibrierungen notwendig, da es sich um eine „Betaversion“ handelt. Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): CCHE2D wurde vom National Center for Computational Hydroscience and Engineering [NCCHE]“ der Universität von Mississippi entwickelt. Aktuelle Version kann unter der Webpage http://www.ncche.olemiss.edu/software/cche2d bezogen werden. Die Software liegt als Betaversion vor. Schnittstellen (GIS, etc.): Schnittstellen gibt es nur wenige. Hauptsächlich über Datenaufbereitung durch Makros und Texteditoren Kosten: kostenlos (Registrierung über die Homepage) Zeitaufwand: Für die Erstellung der Geometrie einige Tage (je nach Komplexität und Größe des Berechnungsgebietes und der verfügbaren Daten), Berechnungsdauer je nach Netzgröße und PC-Leistung wenige Stunden bis einige Tage. Stabilität hängt von der Qualität des Netzaufbaues ab. 21 Gt.8: CCHE2D Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Geländeinformationen aus Befliegungen (Luftbildauswertung oder Laser-Scan) sowie terrestrische Ergänzungsmessungen, u. U. sehr aufwendig, Rauigkeitsbeiwerte (kSt [m1/3/s]) müssen in Anlehnung an Literaturwerte aus der Erfahrung gewählt, bzw. durch Modellkalibrierung bestimmt werden, Bauwerksdaten müssen bekannt sein – Eingabe über die Geländegeometrie und Rauigkeitsänderungen Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) starke Abhängigkeit vom Input Abfluss, große Abhängigkeit von stimmigen Geländedaten und Rauigkeitsbeiwerten. Absolutwerte müssen kritisch hinterfragt werden Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Modellergebnisse werden in jedem Rechengang identisch reproduziert. Sensitivitätsuntersuchungen und Kalibrierungen zur Interpretation und Überprüfung der Ergebnisse unbedingt notwenig. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Toleranzbereich von mindestens + 10 % bei guter Datenlage, v. a. wegen der Unsicherheiten bei der Abflussermittlung, Geländeinformation und Geländediskretisierung. Genauigkeitssteigerung über Rückrechnung aus vergangenen Hochwasserereignissen und exakte Kalibrierung. Absolutwerte müssen kritisch hinterfragt werden. Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: mittel bis hoch: Expertenwissen in der Abflussmodellierung; gering bis mittel. Hydraulische Kenntnisse bei der Interpretation der Ergebnisse: mittel bis hoch, hoch bis sehr hohe Kenntnisse betreffend dem Feststoffhaushalt Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): Hydraulik: Mittel. Feststoffberechnungen: Hoch bis sehr hoch Sonstiges: Umfangreiche Literatur, weltweite Erfahrungsberichte Schober, A 22 Gt.9: FLO-2D Moser, A FLO-2D Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Methodenbeschreibung: Ablagerungsflächen und Ablagerungstiefen der binghamschen Flüssigkeit je regulärem, strukturiertem Netz (GRID) ebenso Strömungsgeschwindigkeiten, Überflutungsdauer. Hersteller: FLO-2D Software, Nutrioso – Arizona USA Anwendungsgrenzen: Murgangberechnungen und Sedimenttransport, Ermittlung von Überflutungsflächen, Überflutungsgrenzen, Bemessungshilfe für Hochwasserschutzmaßnahmen, Hilfe für die Abgrenzung von Gefahrenzonen (Hochwasser), Untersuchung hoch instationärer Ereignisse (z.B. Dammbruch). Berechnung von sehr kleinen Netzstrukturen extrem lang. Keine unstrukturierten Netze im Modell integrierbar. Murgangberechnungen ohne beweglicher Sohle. Sedimentberechnungen zwar im Ein- u. Mehrkornmodell (unbegrenzte Anzahl an Kornfraktionen) rechenbar. Die verfügbaren Formeln sind in Wildbächen nicht immer anwendbar. Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): Das FLO-2D Modell hat sich aus dem Modell MUDFLOW 1989 entwickelt. Der Entwickler Jim O´Brien ist Wasserbauingenieur und hat an der Universität von Colorado seine Dissertation abgelegt. Das Modell wird laufend weiterentwickelt. Die derzeitige Version 2009 hat sich an die Erfordernisse hinsichtlich zahlreicher Schnittstellen zu GIS und AUTOCAD sehr verbessert. http://www.flo-2d.com Ziel der Methode: Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Seit Beginn der kommerziellen Vermarktung (1989) wird es laufend weiterentwickelt. Bedeutende Entwicklungsziele in den letzten Jahren waren die Multiprozessorfähigkeit und die Steigerung der Berechnungsgeschwindigkeit. Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Weltweit Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Geländedaten aus Laserbefliegung oder terrestr. Vermessung, Querprofildaten für die 1D Berechnung, Flächennutzungsdaten als Fließrauigkeitsshape, Abflussganglinien oder konstante Abflüsse (auch für punktuelle Zubringer möglich). Für Murgänge sind die rheologischen Kenngrößen des Murmaterials zu bestimmen (Meistens sind Proben aus dem Einzugsgebiet im Labor zu analysieren – die in der Literatur angegebenen Parameter sind nur für bestimmte EZG anwendbar). Methodencharakteristik: Finite Differenzen Methode mit regulärer, strukturierter Netzstruktur (Berechnung in 8 Richtungen möglich) ; Diskretisierung nach der Zeit mittels explizites Verfahren mit Stabilitätskriterium; Schnittstellen (GIS, etc.): ArcGIS, AUTOCAD Kosten: Aktuell beim Programmentwickler zu erfragen (ca. 3.500 US Dollar ) Zeitaufwand: Erstellen Berechnungsnetz je nach Komplexität 1 Tag, Berechnungsdauer je nach Netzgröße und PC-Leistung einige bis mehrere Tage! (Pro Gewässerstrecke mit 1-2 km ca. 1 Woche) 23 Gt.9: FLO-2D Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: - Umfang der Daten? - Gebietsgröße? - Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? - Regionalisierung? • Erstellung des digitalen Geländemodells sehr zeitaufwendig • Fließrauigkeiten nach Manning müssen in Anlehnung an Literaturwerte geschätzt werden. • lt. Hersteller liefert das Modell mit eher raueren Fließwiderstandsbeiwerten die besseren Ergebnisse • Die rheologischen Parameter sind schwer zu bestimmen. Es müssen Auswertungen von Murmaterial im Labor analysiert werden. Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) starke Abhängigkeit von der Abflussmenge und der Fließrauigkeitswerte, rheologischen Kenngrößen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Schwer abschätzbar. Besonders die rheologischen Kenngrößen sehr aufwendig. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Toleranzbereich schwer ermittelbar – geschätzt mindestens + 10 % bei guter Datenlage, v. a. wegen der Unsicherheiten bei der Abflussermittlung, Geländeinformation und Geländediskretisierung (Elementgröße, Rauigkeitsbeiwerte). Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: mittel bis hoch: Expertenwissen in der Abflussmodellierung; Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): k. A. Sonstiges: Kommerziell vertriebenes Programm Moser, A 24 Gt.10: FLUMEN Chiari, Hübl, A FLUMEN (FLUvial Modelling ENgine) Kosten: Methodenbeschreibung: Zeitaufwand: Ziel der Methode: Ermittlung von Überflutungsflächen, Überflutungsgrenzen, Bemessungshilfe für Hochwasserschutzmaßnahmen, Hilfe für die Abgrenzung von Gefahrenzonen (Hochwasser), Untersuchung hoch instationärer Ereignisse (z.B. Dammbruch). Sedimenttransport, Murgang (2 Parameter Modell) Historischer Hintergrund (mit Quellenangabe): Die Modellgrundlage wurde bereits 1994 an der VAW entwickelt und seit daher regelmäßig überarbeitet und von FLUVIAL.CH vertrieben. Datengrundlage für Entwicklung; Gab es Fortschreibungen? Das Modell wird laufend weiterentwickelt Wo wird die Methode angewendet? Verbreitung? Gebräuchlich? Schweiz, Österreich (BOKU-IAN), Deutschland Welche Eingangsgrößen sind erforderlich? Geländedaten aus Lasercan oder terrestr. Vermessung, Rauigkeitswerte, Abflussganglinien (auch für punktuelle Zubringer möglich). Bei Geschiebetransportberechnungen auch Korngrößenverteilungen und eventuell Sedimentganglinien. Methodencharakteristik: Lösung der tiefengemittelten Flachwassergleichungen auf unstrukturierten Netzen mittels finiten Volumen. Das Modell ist auch beim Fließwechsel strömen-schießen stabil. Art des Ergebnisses (Wert, Ganglinie, Jährlichkeit): Wassertiefen, Fließgeschwindigkeiten, Schubspannung, etc. Die Werte werden für vorher definierte Zeitschritte sowie deren Maximalwerte gespeichert. Anwendungsgrenzen: Berechnung von sehr kleinen Netzstrukturen lang. Begrenzte Zahl an Berechnungszellen abhängig von der erworbenen Lizenz Bezugsquelle (z.B. im Programm ….): www.fluvial.ch Schnittstellen (GIS, etc.): SMS, FLUVIZ und in weiterer Folge auch ArcGIS, AUTOCAD Aktuell beim Programmentwickler zu erfragen Erstellen Berechnungsnetz je nach Komplexität 1 Tag, Berechnungsdauer je nach Netzgröße und PC-Leistung einige Stunden bis mehrere Tage. Pro Gewässerstrecke mit 1-2 km ca. 1 Woche 25 Gt.10: FLUMEN Erstbewertung: Bewertung der Datengrundlage: – Umfang der Daten? – Gebietsgröße? – Daten aus Wildbacheinzugsgebieten? – Regionalisierung? Erstellung des digitalen Geländemodells sehr zeitaufwendig. Unter Linux sind die freien Programme Triangle/Showme und das Datenaufbereitungsprogramm FLUVIZ (fluvial. ch) notwendig. Die neue FLUMEN Version kann auch mit dem Programm SMS aufbereitete Geländemodelle einlesen. Rauigkeitsbeiwerte nach Manning müssen in Anlehnung an Literaturwerte geschätzt werden. Sensitivität der Methode bezogen auf die variablen Parameter (Wie reagiert das Modell, wenn die Parameter abgeändert werden?) Rauigkeiten sind vom Wasserstand abhängig, werden jedoch im Modell als konstant angenommen, daher ist das Modell nur für einen bestimmten Abfluss kalibrierbar. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; Wie gut können die Eingangs-/Modellparameter bzw. empirische Koeffizienten abgeschätzt werden? Schwer abschätzbar; meist Verwendung der Standartwerte. Qualität des Ergebnisses (Einzelwert, Verteilung, Vertrauensbereich): Die Qualität der Ergebnisse ist von der Verfügbarkeit von Kalibrierungsdaten und der Qualität der Geländemodellaufbereitung abhängig! Notwendige Erfahrung/Vorkenntnisse des Anwenders: Expertenwissen in der Abflussmodellierung erforderlich; Linux Kenntnisse Zeitaufwand (Erhebung der Eingangsparameter, Berechnungslauf, etc.): k. A. Sonstiges: Kommerziell vertriebenes Programm. Chiari, Hübl, A 26