DE102012224339A1

DE102012224339A1 - Geschiebemessung mittels positions- oder formveränderlicher Störkörper

Info

Publication number: DE102012224339A1
Application number: DE102012224339.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Klar; Stefan Achleitner; Regina Mayer
Original assignee: Universitaet Innsbruck
Current assignee: Universitaet Innsbruck
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: WO2014096424A1; DE102012224339B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10, 11) zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals in einem fließenden Gewässer mit einer Fließrichtung (F), aufweisend wenigstens einen Störkörper (3) zur lokalen Veränderung einer Sohlschubspannung in dem fließenden Gewässer und eine dem wenigsten einen Störkörper (3) zugeordnete Verschubeinrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, die Form und/oder die Position des Störkörpers (3) in dem Gewässer nach Maßgabe einer Ansteuerung zu verändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals eines fließenden Gewässers.
Stand der Technik
Eine übliche Messmethode für die Ermittlung von Materialtransportraten (insbesondere Geschiebetransportraten) in natürlichen oder künstlichen Fließgewässern ist der Einsatz verschiedenster Arten von Fangkörben (z.B. Helley-Smith-Sampler), die in das Gewässer abgesenkt und nach einer gewissen Zeit wieder gehoben werden. Das so aufgefangene transportierte Material wird gewogen und kann auch einer Korngrößenanalyse unterzogen werden. Diese Fangkörbe können zusätzlich mit Geschwindigkeitssensoren und Videokameras ausgerüstet werden.
Geschiebefallen sind dauerhaft in der Gewässersohle eingebaute Behälter, die zur Messung des aufgefangenen Geschiebes periodisch herausgehoben und entleert werden müssen.
In der DE 598683 A und der DE 606953 wird eine Hydrophonmessung beschrieben. Das transportierte Geschiebe erzeugt durch Aneinanderprallen bzw. beim Aufprall an der Sohle oder an einem metallischen Körper Schallwellen, die akustisch gemessen werden können und aus denen auf den Geschiebetrieb rückgeschlossen werden kann.
In der US 6,494,084 B1 wird eine Messrinne beschrieben, die zur Messung von Erosionsraten und Sedimenttransportraten verwendet werden kann. Für die Erfassung der Erosionsrate wird ein Zylinder mit Bettmaterial mit einem Stempel von unten so in die Gewässersohle gehoben, dass die Sohle immer gleich bleibt. Die Messung des transportieren Geschiebes erfolgt anschließend über Geschiebefallen.
Es ist wünschenswert, eine einfache und zuverlässige Möglichkeit für eine insbesondere kontinuierliche Geschiebebestimmung zur Verfügung zu haben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals eines fließenden Gewässers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wird eine Möglichkeit zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals eines fließenden Gewässers, insbesondere eines Geschiebetransportmerkmals, vorgeschlagen, bei der eine lokale Veränderung der Sohlschubspannung durch Positions- und/oder Formveränderung wenigstens eines Störkörpers in dem fließenden Gewässer hervorgerufen wird. Die lokale Veränderung der Sohlschubspannung führt zu einer lokalen Auflandung und/oder Erosion (allgemein zu einer lokalen Sohlmaterialverlagerung), deren Ausmaß, z.B. Höhe, Volumen oder Gewicht, oder Rate (Ausmaß pro Zeit) bestimmt werden kann. Aus dem Ausmaß bzw. der Rate der lokalen Sohlmaterialverlagerung kann dann vorteilhaft das interessierende Materialtransportmerkmal, insbesondere ein Geschiebetrieb bzw. eine Geschiebetransportrate, bestimmt werden.
Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des Ausmaßes der lokalen Sohlmaterialverlagerung in Abhängigkeit von der Zeit das Ermitteln der Zeit, bis beginnend von der Veränderung der Position und/oder der Form des wenigstens einen Störkörpers in dem fließenden Gewässer ein vorgegebenes Ausmaß der Sohlmaterialverlagerung erreicht ist. Auch aus dieser Zeit kann vorteilhaft auf das auf das Materialtransportmerkmal geschlossen werden.
Wird die Position und/oder die Form des wenigstens einen Störkörpers erneut verändert, wenn das vorgegebene Ausmaß der Sohlmaterialverlagerung erreicht ist, kann auch aus einer Häufigkeit und/oder Anzahl der Veränderungen der Position und/oder der Form des wenigstens einen Störkörpers auf das Materialtransportmerkmal geschlossen werden.
Die Geschiebetransportrate wird meist angegeben als Massendurchsatz [kg/m·s oder kg/s] oder Volumendurchsatz [m³/m·s oder m³/s] des Geschiebes. Die Sohlhöhe wird meist angegeben als Höhe über NN [m].
Messtechnisch können verschiedene Methoden zur Anwendung kommen, mit denen das Ausmaß der lokalen Sohlmaterialverlagerung (Auflandung und/oder Erosion) bestimmt werden kann. Hierfür eignen sich insbesondere eine Gewichtsmessung, ein Georadar und eine Verformungsmessung am Störkörper. Als Messort könnten sowohl frei Flussstrecken als auch technische Betongerinne (wie bei Pegelmesstellen teils vorhanden) dienen.
Das grundlegende Prinzip der Auflandung und Erosion im Zusammenhang mit umströmten Körpern ist bekannt. Derartige Körper, die der Strömung ausgesetzt sind, sind typischerweise Brückenpfeiler, an denen sich stromabwärts Auskolkungen bilden und eine Gefahr für die Stabilität des Tragwerks bzw. dessen Fundamentierung darstellen. Dieses physikalische Phänomen wird im Rahmen der Erfindung genutzt, wobei der Störkörper nicht als fester Einbau vorgesehen ist, sondern dynamisch durch Variation seiner Position und/oder seiner Form das Strömungsfeld und dadurch die Sohlschubspannung beeinflussen kann. Die Kombination mit erprobter Messtechnik ermöglicht die Geschiebemessung.
Die Erfindung kann besonders vorteilhaft an Pegelmessstellen eingesetzt werden. Diese liefern die Wassertiefe im zeitlichen Verlauf und über eine Umrechnung mittels einer Schlüsselkurve den zugehörigen Abfluss. Ergänzt um die Erfindung könnte an Pegelmessstellen zusätzlich eine Geschiebetransportrate im zeitlichen Verlauf ermittelt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1–6 zeigen ausschnittsweise und schematisch mehrere bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals, mit welchen Auflandungen und Erosionen erzeugt und vermessen werden können.
7 zeigt unterschiedliche Messinstrumente zur Bestimmung eines Ausmaßes oder einer Rate einer Sohlmaterialverlagerung.
8 zeigt eine Anordnung zur Biegemessung an mindestens einem Störkörper zur Bestimmung eines Ausmaßes einer Sohlmaterialverlagerung.
9–11 zeigen ausschnittsweise und schematisch mehrere bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals, welche zur Erzeugung von Auflandungen und Erosionen Einbuchtungen und Ausbuchtungen am Gerinne einsetzen.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand verschiedener Zeichnungen näher erläutert, in denen gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Sie zeigen jeweils stark vereinfachte Ausschnitte von Vorrichtungen zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals mit einem oder mehreren Störkörpern. Dabei zeigen die 1 bis 6 und 8 bis 10 Ausschnitte von Vorrichtungen mit positionsvariablen Störkörpern und die 11 einen Ausschnitt einer Vorrichtung mit formvariablem Störkörper. Unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen des Messprinzips werden nur einmal unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Diese sind bei allen Ausgestaltungen anwendbar.
Weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mehr als einen Störkörper auf, erfolgt zweckmäßigerweise eine separate Steuerung der Bewegung jedes Störkörpers. Die Steuerung wird vorzugsweise von einer Recheneinheit durchgeführt, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
In 1 sind zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, 11 zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals ausschnittsweise in einem Längsschnitt (a), in jeweils einem Querschnitt (b, c) und in jeweils einer Draufsicht (d, e) dargestellt. Insbesondere sind hier die Bestandteile zur lokalen Veränderung einer Sohlschubspannung dargestellt. Die in (b) und (d) dargestellte Ausführungsform 10 weist einen Störkörper 3 auf, die in (c) und (e) dargestellte Ausführungsform 11 weist drei Störkörper 3 quer zur Fließrichtung F auf. Die Störkörper 3 sind hier quaderförmig, wobei die Bewegungsrichtung entlang einer Längsachse des Störkörpers verläuft. Die Fließrichtung F verläuft entlang einer Normalen auf der Haupterstreckungsebene des Quaders.
In einem natürlichen oder künstlichen Gerinne 1 ist eine, insbesondere hydraulische oder elektromotorische, Verschubeinrichtung 6 vorgesehen, welche in der in 1 gezeigten Variante im Bodenbereich des Gerinnes 1 eingebaut ist. Damit kann wenigstens ein beweglicher, positionsveränderlicher Störkörper 3 zur Beeinflussung der Strömung von unten in ein fließendes Gewässer als geschiebeführendes Medium eingebracht werden. Der wenigstens eine positionsveränderliche Störkörper 3 kann durch Auf- und Abwärtsbewegung in seiner Höhenlage verändert werden.
Durch einen Störkörper werden die Sohlschubspannung und damit auch die Strömung und der Geschiebetransport beeinflusst, so dass sich dynamisch Auflandungen 4 und Erosionen 5 (z.B. Kolke) im Nahbereich des Störkörpers 3 ausbilden. Umgekehrt setzt nach dem Entfernen des Störkörpers (ungestörte Strömung) wieder eine Rückbildung der gebildeten Auflandungen 4 und Erosionen 5 ein. Aus einer Auflandungs- oder Erosionsrate (Ausmaß pro Zeit) kann auf eine Geschiebetransportrate als interessierendes Materialtransportmerkmal geschlossen werden. Beispielhafte berührungsfreie Messmethoden zur Bestimmung von Auflandungen 4 und Erosionen 5 werden später unter Bezugnahme auf die 7 und 8 erläutert.
Auch eine durch sequentielles Ein- und Ausfahren der Störkörper hervorgerufene Dynamik von Erosionsbildung, Auflandungen sowie deren Rückbildung kann messtechnisch erfasst und für die Bestimmung der Geschiebetransportrate ausgewertet werden.
Die Steuerung der Bewegung der Störköper erfolgt wahlweise zeitgesteuert oder auf Basis von Schwellwerten der Erosion und/oder Anlandung (z.B. Kolktiefe, Höhe, Gewicht, Rate, ...).
Beispielhaft werden nun bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines regelmäßigen Abschnitts eines Gerinnes mit konstantem Abfluss, konstanter Sohlschubspannung und konstantem Geschiebetransport erläutert.
Im Gleichgewichtsfall (ungestörte Strömung) wird in diesen Abschnitt genau so viel Material eingetragen, wie wieder ausgetragen wird. Die Sohlhöhe H bleibt im Wesentlichen unverändert.
Zur Bestimmung der Geschiebetransportrate wird wenigstens ein Störkörper 3 in das fließende Gewässer eingebracht und dadurch die Strömung verändert, so dass im Bereich des Störkörpers 3 die Sohlschubspannung verändert wird. Die Sohlschubspannung wird lokal verändert (Erhöhung und Reduktion), sodass der Materialtransport an einer Stelle reduziert und an einer anderen Stelle erhöht wird. Dadurch kommt es zu Umlagerungen. Ein Teil des Geschiebes lagert sich lokal ab und bewirkt eine positive Sohlhöhenveränderung (Auflandung 4). Gleichzeitig tritt an einer anderen Stelle eine negative Sohlhöhenveränderung (Erosion 5) auf.
Wenngleich in den 1 bis 6 Auflandungen 4 und Erosionen 5 hinter den Störkörpern 3 gezeigt sind, ist die hier beschriebene Messung ebenso bei Auflandungen 4 und Erosionen 5 vor den Störkörpern möglich. Weiterhin sind auch, z.B. für die in 8 sowie in 9 bis 11 gezeigten Ausführungsformen, Auflandungen 4 und Erosionen 5 sowohl vor als auch nach den Störkörpern 3 möglich.
Vorzugsweise wird die Sohlhöhe H (oder ein Volumen oder Gewicht) als Ausmaß der Materialverlagerung in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen vermessen, wobei insbesondere eine Höhenveränderung (positiv: Auflandung; negativ: Erosion) (oder auch Volumen- oder Gewichtsveränderung) in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt wird. Ein Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Materialverlagerung pro Zeiteinheit (Rate) und der Geschiebetransportrate kann vorab, beispielsweise durch Einsatz alternativer Messverfahren (z.B. Fangkörbe) oder Laborversuche, bestimmt (Kalibrierung) und anschließend verwendet werden.
Sobald eine vorgegebene obere Sohlhöhe H₁ (im Anlandungsbereich 4) bzw. eine untere Sohlhöhe H₂ (im Erosionsbereich) erreicht ist, wird der wenigstens eine Störkörper 3 zweckmäßigerweise zurückbewegt und dadurch die Veränderung der Strömung zurückgenommen, so dass an der Auflandungs- und an der Erosionsstelle die Sohlschubspannung jeweils im zeitlichen Verlauf wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht. Das zuvor aufgelandete Geschiebe wird nun wieder transportiert, eine zuvor gebildete Erosion wird verfüllt. Die Sohlhöhe nähert sich an beiden Punkten wieder dem ursprünglichen Sohlniveau H₀. Auch hierbei kann wieder eine Höhenveränderung oder auch Volumen- oder Gewichtsveränderung in Abhängigkeit von der Zeit und hieraus eine Geschiebetransportrate bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Geschiebetransportrate auch aus einer Häufigkeit der Störkörperbewegung ermittelt werden. Dazu ist vorgesehen, dass der beschriebene Ablauf vorzugsweise mehrfach oder ständig wiederholt wird. Der wenigstens eine Störkörper 3 wird wieder in das fließende Gewässer eingebracht, sobald die ursprüngliche Sohlhöhe H₀ als vorgegebene untere Sohlhöhe erreicht worden ist. Dies führt dann erneut zu lokaler Auflandung und Erosion (Auskolkung).
Durch die zeitgleich stattfindende Vermessung kann bei jeder Auflandung/Erosion das Ausmaß der Sohlmaterialverlagerung bestimmt werden.
Zweckmäßigerweise werden dabei auch die Störkörperbewegungen ausgewertet, insbesondere deren Zeitpunkte und Häufigkeit bzw. Anzahl. Bei wenig Geschiebetransport werden die Störkörper weniger oft ein- und ausfahren (Größenordnung Stunden oder Tage). Bei einem Hochwasserabfluss mit starkem Geschiebetrieb wird das hingegen häufig (Größenordnung Minuten) erfolgen. Auch aus der Störkörperbewegung kann, ggf. nach einer entsprechenden Kalibrierung (Fangkorbmessung in der Natur, Laborversuche, ...), auf die Geschiebetransportrate geschlossen werden.
Die Häufigkeit ist reziprok verknüpft mit der Zeit, die benötigt wird, bis beginnend bei der Veränderung der Position und/oder der Form des wenigstens einen Störkörpers (Heben bzw. Senken) in dem fließenden Gewässer die jeweils vorgegebene Sohlhöhe H₀, H₁ oder H₂ erreicht ist.
Die Bestimmung wird vorzugsweise von einer Recheneinheit durchgeführt, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
In 2 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen 20, 21 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals ausschnittsweise in einem Längsschnitt (a), in jeweils einem Querschnitt (b, c) und in jeweils einer Draufsicht (d, e) dargestellt. Die in (b) und (d) dargestellte Ausführungsform 20 weist zwei Störkörper 3 auf, die in Fließrichtung F in einer Linie angeordnet sind. Die in (c) und (e) dargestellte Ausführungsform 21 weist drei Störkörper 3 auf, die an drei Ecken eines Dreiecks angeordnet sind, dessen Basis senkrecht zur Fließrichtung F angeordnet ist.
In 3 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen 30, 31 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals ausschnittsweise in einem Längsschnitt (a), in jeweils einem Querschnitt (b, c) und in jeweils einer Draufsicht (d, e) dargestellt. Die in (b) und (d) dargestellte Ausführungsform 30 weist einen Störkörper 3 auf, die in (c) und (e) dargestellte Ausführungsform 31 weist drei Störkörper 3 quer zur Fließrichtung F auf. Im Unterschied zu den Ausführungen 10, 11, 20, 21 gemäß 1 oder 2 werden die Störkörper 3 hier von oben in das Gewässer eingebracht. Entsprechend ist die Verschubeinrichtung 6 oberhalb der Wasseroberfläche vorgesehen. Die Absenktiefe kann dabei so gewählt werden, dass entweder nur das Gewässer oder auch das Sohlmaterial 2 mit den Störkörpern 3 erreicht wird.
In 4 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen 40, 41 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals ausschnittsweise in einem Längsschnitt (a), in jeweils einem Querschnitt (b, c) und in jeweils einer Draufsicht (d, e) dargestellt. Die in (b) und (d) dargestellte Ausführungsform 40 weist zwei Störkörper 3 auf, die in Fließrichtung F in einer Linie angeordnet sind. Die in (c) und (e) dargestellte Ausführungsform 41 weist drei Störkörper 3 auf, die an drei Ecken eines Dreiecks angeordnet sind, dessen Basis senkrecht zur Fließrichtung F angeordnet ist. Auch hier werden, wie bei 3, die Störkörper 3 von oben in das Gewässer eingebracht.
In 5 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen 50 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals ausschnittsweise in einem Längsschnitt (a), in einem Querschnitt (b) und in einer Draufsicht (d) dargestellt. Jede der in 5 dargestellten Ausführungsformen 50 weist drei Störkörper 3 auf, die vertikal übereinander angeordnet sind. Im Unterschied zu 1 ist die Verschubeinrichtung 6 in einem Böschungsbereich oder an einer Seitenwand angeordnet. Die positionsvariablen Störkörper 3 zur Beeinflussung der Strömung können seitlich in verschiedenen Höhenlagen eingebracht werden. Die Vorrichtung 50 kann einseitig oder – wie dargestellt – beidseitig angeordnet sein. Eine Verschubeinrichtung 6 kann mit einem oder mehreren übereinander liegenden Störköpern 3 ausgestattet sein.
6 zeigt eine Variante 60 der Ausführungsform von 5, in der die Anordnung von mehreren Reihen von Störkörpern 3 in Fließrichtung F vorgesehen ist.
Zur Bestimmung des Auflandungs- und Erosionsausmaßes können beispielhaft die in 7 illustrierten Methoden zur berührungsfreien Erfassung von dynamischen Auflandungen und Erosionen im Gerinnequerschnitt einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die Methoden sind dabei durch bauliche Adaptionen sowohl in wasserbaulichen Laborgerinnen (7a) als auch in künstlichen Gerinnen (7b) und in natürlichen Gerinnen (7c) anwendbar.
Eine Bestimmung eines Ausmaßes einer Sohlmaterialverlagerung bzw. eines Auflandungs- und Erosionsausmaßes kann durch Verwendung eines Radarmessinstruments 7, bspw. GPR (engl.: Ground Penetrating Radar), durch Verwendung eines Höhenmessinstruments 9 zur berührungslosen Höhenmessung, z.B. mittels Laserscan, Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (engl.: Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)), Echolot oder durch Verwendung eines Kraft- oder Druckmessinstruments 8, z.B. Waagen oder Drucksensoren, erfolgen. Ist eine Messung von unten zweckmäßig, kann dazu ein Tunnel bzw. Rohr 150 unter dem Gerinne verwendet werden, um ein geeignetes Messinstrument 7 ganz oder teilweise (z.B. eine Antenne) unbeweglich oder beweglich – wie in der Figur gezeigt – aufzunehmen. Das Messinstrument 7 kann auch gekippt werden, um so die Messrichtung um die Vertikale zu schwenken, wie es links dargestellt ist. Auch kann z.B. eine schwenkbare Antenne vorgesehen sein.
Die Einzelmessungen bzw. deren Kombination ermöglichen eine kontinuierliche Erfassung (direkt oder indirekt abgeleitet) von Auflandungs- bzw. Erosionszuständen. Entsprechend können auch die Veränderungsraten von Erosionen und Auflandungen ermittelt werden. Die Bestimmung wird von einer Recheneinheit 200 durchgeführt, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
8 illustriert eine weitere Bestimmungsmethode an einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ausschnittsweise im Längsschnitt (a, b) und in einer Draufsicht (c, d) dargestellt ist. Die Anzahl und Anordnung der Störkörper 3 und der Verschubeinrichtung 6 sind rein beispielhaft und können ebenso entsprechend einer Ausführungsform gemäß einer der 1 bis 6 gewählt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den bisher beschriebenen Messmethoden werden Verformungen und/oder Spannungen am Störkörper 3, die durch Auflandung 4 und/oder Wasserbewegung hervorgerufen werden, gemessen. Die hier exemplarisch aufgezeigte Messmethode ist die höhenverteilte Erfassung von Spannungen und Dehnungen durch aufgebrachte Dehnmessstreifen 12. Die kontinuierlich erfassten Dehnungs- und Spannungszustände dienen als Indikator für die Intensität des Geschiebetriebs sowie die Höhe der geschiebeführenden Schicht. Die hier beschriebene Messmethode kann wahlweise alleinstehend oder in Kombination mit der unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Messmethode angewandt werden.
In den 1 bis 7 sind jeweils als Quader ausgebildete Störkörper abgebildet. Ebenso sind andere Formen der Störkörper, z.B. Zylinder, Platten, Membrane, möglich. Es sei jedoch betont, dass die Erfindung grundsätzlich mit jeder Art von Störkörper durchgeführt werden kann, die eine Veränderung der Sohlschubspannung bzw. des Fließquerschnittes ermöglichen.
Als weitere Beispiele werden in den 9 bis 11 Ausführungsformen gezeigt, bei denen der Störkörper als positionsveränderliches (9, 10) oder formveränderliches (11) Bodenelement ausgebildet ist, welches gehoben und abgesenkt werden kann. Die Bewegung erfolgt dabei zweckmäßigerweise so, dass durch Absenken des Störkörpers 3 eine Ausbuchtung (Ausnehmung) 13 in der Gewässersohle 2 gebildet wird, deren Auflandung (d.h. Verfüllung) anschließend, wie oben erläutert, vermessen wird, um Ausmaß und/oder Rate der Sohlmaterialverlagerung zu bestimmen. Ist die gebildete Ausbuchtung ausreichend verfüllt, wird der Störkörper wieder angehoben, woraufhin das verfüllte Material oberhalb der Sohle platziert und von dort erodiert wird. Auch die Erosion kann, wie oben erläutert, vermessen werden, um Ausmaß und/oder Rate zu bestimmen.
In 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform 70 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals in einem Längsschnitt in drei unterschiedlichen Störkörperstellungen dargestellt. Der Störkörper 3 ist als schwenkbare Platte ausgebildet, die mittels einer Verschubeinrichtung 6 nach oben (b) und/oder nach unten (c) aus einer Ruhelage (a) geschwenkt werden kann.
In 10 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform 80 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals in einem Längsschnitt in drei unterschiedlichen Störkörperstellungen dargestellt. Der Störkörper 3 ist als bewegliche Platte ausgebildet, die mittels einer Verschubeinrichtung 6 nach oben (b) und/oder nach unten (c) aus einer Ruhelage (a) bewegt werden kann.
Die Störkörper 3 in 9 und 10 sind als flächenhafte Elemente (Platten) in der Sohle eingebaut. Im Grundriss sind beliebige Formen möglich.
In 11 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform 90 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals in einem Längsschnitt in drei unterschiedlichen Störkörperstellungen dargestellt. Der Störkörper 3 ist als formveränderliche, elastische Membran ausgebildet, die mittels einer Verschubeinrichtung 6 nach oben (b) und/oder nach unten (c) aus einer Ruhelage (a) bewegt werden kann. Die elastische Membran ist der Sohle eingebaut. Im Grundriss sind beliebige Formen möglich.
Beim Absenken des Störkörpers 3 nach unten aus wahlweise der gehobenen Lage (9b, 10b, 11b) oder der Ruhelage (9a, 10a, 11a) wird lokal im Bereich des Störkörpers 3 eine Ausbuchtung 13 in der Gewässersohle 2 gebildet, die anschließend durch das transportierte Geschiebe verfüllt wird. Aus der Rate der Auflandung (Verfüllung) kann die Geschiebetransportrate bestimmt werden.
Neben den in den 9 bis 11 dargestellten Ausführungsformen können die Störkörper auch in der Gerinneseitenwand eingebaut sein. Analog wird durch eine Bewegung des Störkörper aus der Ruhelage eine Strömungsveränderung und somit Anlandungen und/oder Erosionen erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 598683 A [0004]
DE 606953 [0004]
US 6494084 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals eines fließenden Gewässers, wobei die Position und/oder eine Form wenigstens eines Störkörpers (3) in dem fließenden Gewässer verändert wird, um eine lokale Veränderung einer Sohlschubspannung in dem fließenden Gewässer hervorzurufen, wobei ein Ausmaß einer lokalen Sohlmaterialverlagerung in Folge der Veränderung der Sohlschubspannung ermittelt wird und aus dem ermittelten Ausmaß der lokalen Sohlmaterialverlagerung das Materialtransportmerkmal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausmaß der lokalen Sohlmaterialverlagerung in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln des Ausmaßes der lokalen Sohlmaterialverlagerung in Abhängigkeit von der Zeit umfasst, die Zeit zu ermitteln, bis beginnend von der Veränderung der Position und/oder der Form des wenigstens einen Störkörpers (3) in dem fließenden Gewässer ein vorgegebenes Ausmaß (H₀, H₁, H₂) der Sohlmaterialverlagerung erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Position und/oder die Form des wenigstens einen Störkörpers (3) in dem fließenden Gewässer erneut verändert wird, wenn das vorgegebene Ausmaß (H₀, H₁, H₂) der Sohlmaterialverlagerung erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des Materialtransportmerkmals umfasst, eine Häufigkeit und/oder Anzahl der Veränderungen der Position und/oder der Form des wenigstens einen Störkörpers (3) in dem fließenden Gewässer zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Höhe, ein Gewicht oder ein Volumen einer Auflandung (4) und/oder Erosion (5) als Ausmaß der lokalen Sohlmaterialverlagerung ermittelt wird.
Recheneinheit (200), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Vorrichtung (10, 11, 20, 21, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 60, 70, 80, 90) zur Bestimmung eines Materialtransportmerkmals in einem fließenden Gewässer mit einer Fließrichtung (F), aufweisend wenigstens einen Störkörper (3) zur lokalen Veränderung einer Sohlschubspannung in dem fließenden Gewässer und eine dem wenigsten einen Störkörper (3) zugeordnete Verschubeinrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, die Form und/oder die Position des Störkörpers (3) in dem Gewässer nach Maßgabe einer Ansteuerung zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Verschubeinrichtung (6) als hydraulische Verschubeinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der wenigstens eine Störkörper (3) ein positionsvariabler Störkörper ist, der in einer Richtung bewegbar ist, die zumindest eine Komponente quer zur Fließrichtung (F) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der wenigstens eine Störkörper (3) quaderförmig, zylinderförmig oder plattenförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der wenigstens eine Störkörper (3) zumindest teilweise elatisch ist, so dass seine Form reversibel veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einer Messeinrichtung (7, 8, 9, 12), die dazu eingerichtet ist, ein Ausmaß einer lokalen Sohlmaterialverlagerung in Folge der Veränderung der Sohlschubspannung zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Messeinrichtung (7, 8, 9, 12) ein Radarmessinstrument, ein Höhenmessinstrument, ein Kraftmessinstrument oder ein Druckmessinstrument aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, mit einem Tunnel (150) unterhalb des fließenden Gewässers, in dem die die Messeinrichtung (7, 8, 9, 12) zumindest teilweise angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, mit einer Recheneinheit (200) nach Anspruch 7.