-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis, enthaltend einen um mindestens zwei quer zueinander verlaufende Achsen verdrehbaren Sandkasten, der mittels Endplatten, einer Flächenebene und Längsseiten begrenzt zur Aufnahme von Bodenproben geeignet ist und über eine Flüssigkeitsquelle und einen Ablassstutzen verfügt.
-
Im Laufe von rauminformatischer-hydrologischer Modellierung von Hochwassern in Gebirgs- und Hügellandschaften wird im Allgemeinen ein Monitoring-Netzwerk in einem außerordentlich beschränkten Einzugsgebiet oder zum Beispiel in dem Wassersystem irgendeiner Siedlung ausgestaltet. Zugleich kann ein solches Warnsystem errichtet werden, welches für die Bestimmung von bei der Erfüllung von vorgegebenen Randbedingungen plötzlich herantretenden Überschwemmungen geeignet ist.
-
Ähnliche Untersuchungen haben aber von dem Aspekt der Modellierung auf eine Reihe von Problemen hingewiesen. Es ist beinahe unmöglich, ein derart detailliertes Monitoring-Netzwerk aufzubauen, das die auf eine Modellierungsperspektive bezogenen Kenngrößen des betroffenen Einzugsgebiets fehlerfrei darstellt. Die in Wassersystemen von großem Flächenausmaß verwendeten Konstanten und empirischen Zusammenhänge können mit in Wassersystemen kleines Flächenausmaßes verwendeten Modellen nicht korrelieren. In den Vorankündigungen kann kein stochastisches Verhalten programmiert werden.
-
Deshalb hat man ein solches physisches Kleinproben-Modellsystem entwickelt, in dem Hochwasservorgänge, Bodenfeuchtigkeitsvorgänge, Deckungsvorgänge, längerfristig Vorgänge der Flussbettveränderung und tektonische Vorgänge unter kontrollierten Umständen, von Rechnern unterstützt modelliert werden können.
US 5,653,592 stellt zum Beispiel eine Einrichtung zur Modellierung der Bewegungen des Spülichts eines Flusses oder ähnlicher Wasserströmung dar, wobei auf einem angehobenen und geneigten Boden einer Probe eine maßstäbliche Kopie des zu studierenden Flussabschnitts und eine Wasserquelle angeordnet sind, und aus letzterer Probeablagerungen enthaltendes Wasser dem Modell zugeführt werden kann. Die Einrichtung enthält ferner einen Funktionsgenerator, der ermöglicht, das Wasser dem Modell zuzuführen, und weist ein digitales mikrometrisches Gleitmesssystem auf, das genaue Messungen mit einer gewählten Probeentnahmefrequenz das Modell entlang ermöglicht.
-
Die Firma Little River Forschung & Design, LLC. (514 East Main Street Carbondale, Illinois 62901 – emriver.com) vertreibt eine geomorphologische Modellierungseinrichtung, die zur Simulation von Prozessen mit breitem Ausmaß, z. B. in Überschwemmungsgebieten, Küstengebieten, Schichtenwassern geeignet ist. Auf einem hochkantigen Modellierungstisch, der um drei, voneinander unabhängige Achsen verdrehbar ist, sind eine pro Fraktion gefärbte Bodensimulation mit bestimmter Partikelverteilung sowie eine Quelle zum Einführen von Wasser angeordnet.
-
Ein Nachteil der erwähnten Lösungen besteht darin, dass sie weder zur kontinuierlichen Modellierung der Abläufe noch zu deren vollständiger computerisierten Verarbeitung geeignet sind, vor allem deshalb, weil die – meistens mittels eines kostspieligen Flachbettscanners durchgeführte – Aufnahme des Flächenprofils, das durch die in das Modell eingeleitete Flüssigkeit ausgebildet wurde, nur nach der Abführung der Flüssigkeit, gewöhnlich Wasser durchgeführt werden kann, d. h. die Beobachtung und Dokumentierung der landschaftsverändernden Tätigkeit der Flüssigkeit auf einer Modellbasis nur periodisch ermöglicht ist.
-
Ziel der Erfindung ist es, eine solche physische Modelleinrichtung (Sandkasten, Modellierungstisch, Geomodell, Schalenkanal, usw.) zu schaffen, die zur kontinuierlichen Beobachtung und Dokumentierung der landschaftsverändernden Tätigkeit der Flüssigkeit auf einer Modellbasis fähig, ferner nicht nur zu der Modellierung, sondern auch zur rechnergestützten Bearbeitung der Abläufe geeignet ist.
-
Die Zielsetzung wurde durch die Herstellung einer Einrichtung zur Überwachung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis verwirklicht, enthaltend einen um mindestens zwei quer zueinander verlaufende Achsen verdrehbaren Sandkasten, der mittels Endplatten, einer Flächenebene und Längsseiten begrenzt zur Aufnahme von Bodenproben geeignet ist und über eine Flüssigkeitsquelle und einen Ablassstutzen verfügt, ferner die Flächenebene des Sandkastens mit Bereichen ausgebildet ist, die senkrecht zur Flächenebene bewegbar sind, die Längsseiten des Sandkastens mit zu den Längsseiten senkrecht bewegbaren Schiebeplatten versehen sind, ferner ein Konsolensystem über dem Sandkasten angeordnet ist, an dem mindestens eine, einem Rechner angeschlossene Kamera sowie eine Wärmebildkamera befestigt ist, und der Sandkasten mit einer Flüssigkeitsquelle versehen ist, die eine Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe abweichenden Temperatur auf die Bodenprobe leitet.
-
Die Einrichtung ist vorzugsweise mit Laser-Entfernungsmessern versehen, die dem Rechner angeschlossen sind und den Ausmaß der Bewegungen des Sandkastens kontrollieren.
-
An dem Konsolensystem sind zahlreiche Kameras in voneinander variierbaren Abständen angeordnet.
-
Die Flüssigkeitsquelle ist einem Flüssigkeitsheizgerät angeschlossen. Die Flüssigkeitsquelle ist einem Flüssigkeitskühlgerät angeschlossen. Die Flüssigkeitsquelle wird vorzugsweise durch eine sich mit dem Sandkasten mitbewegende statische Wassersäule gebildet.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer zweckmäßigen Ausführungsform, mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigen
-
1 einen Sandkasten gemäß der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
-
2 einen Sandkasten gemäß der Erfindung in Seitenansicht;
-
3 den Anfangszustand und den Endzustand eines Grundbetts, das sich während der Ausführung eines Tests des Sandkastens gemäß der Erfindung ausgeformt hat;
-
4 eine Wärmebildaufnahme zur Bestimmung von tatsächlichen Grundbettform und Wassergeschwindigkeiten;
-
5 eine 3D-Darstellung des Endzustands des Tests;
-
6 einen Anfangs- und Endstromquerschnitt; und
-
7 die Verfolgung der Muster geflochtener Grundbetten.
-
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Überwachung, zugleich Dokumentierung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis in einer schematischen und perspektivischen Darstellung. Die Einrichtung verfügt in dieser Ausführungsform über einen Sandkasten 1 mit einer Fläche von 4,2 m × 2,5 m und einer entsprechenden Tragfähigkeit für das Tragen einer Bodenprobe 5 von wässriger Konsistenz und einer Dicke von 150 mm, bis zu einer Gesamtmassengrenze von 2,5 t. Der Sandkasten 1 kann ±7,5 Grad um seine Längsachse T1 und +10 Grad um seine Querachse T2 in programmierter Weise gekippt, geneigt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Sandkasten 1 auch um eine weitere Achse T3 verdreht werden. Bestimmte Bereiche der Flächenebene 2 des Sandkastens 1, bevorzugt dessen sechs Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f können senkrecht zu der Flächenebene 2 des Sandkastens 1, bevorzugt mit einer programmierten Geschwindigkeit von 10 bis 200 mm/Tag um ±120 mm bewegt werden. Die Bodenprobe 5 kann aus seitlicher Richtung, senkrecht zu der Längsseite 4 mittels vier Schiebeplatten 4a, 4b, 4c, 4d verformt und mindestens zwei Schiebeplatten 4a, 4b, 4c, 4d können mit einer programmierten Geschwindigkeit und einer Mindestweglänge von 100 mm pro Schiebeplatte bewegt werden. Die Schiebeplatten 4a, 4b, 4c, 4d werden mittels Schrittmotoren M10 bis M13 und die an der gegenüber der Längsseite 4 des Sandkastens 1 liegenden Längsseite 8 angeordneten Schiebeplatten 4e, 4f, 4g, 4h mittels Schrittmotoren M14 bis M17 bewegt. Der Sandkasten 1 ist bezüglich Wasser und Bodenprobe 5 undurchlässig, diese können nur über einen Ablassstutzen 6 aus der Anlage entfernt werden.
-
Alle Bewegungen des Sandkastens 1, so seine Bewegung um die Achsen T1, T2, T3 ist programgesteuert und mittels eines Rechners und elektrischen Schrittmotoren M1, M2, M3 durchgeführt. Das ermöglicht die Modellierung von sehr langsamen sowie sehr raschen Veränderungen. Die bewegbaren Elemente können Hebungen, Senkungen oder Wirkungen von Scherkräften hervorrufen. Die Kontrolle des Ausmaßes der Bewegung wird in einer zweckmäßigen Ausführungsform mittels Laser-Entfernungsmessern 7 (z. B. Leica Disto D3aBT) mit automatischer Rückkopplung und bevorzugt über eine Bluetooth Verbindung durchgeführt.
-
Der Sandkasten 1 gemäß der Erfindung kann in der 2 in Seitenansicht beobachtet werden, und es ist sichtbar, dass das Bewegen der Bereiche 3a, 3d, 3e mittels Schrittmotoren M4, M5, M6 realisiert werden kann. Die Bereiche 3b, 3c, 3f können auf ähnlicher Weise bewegt werden. Zur Detektierung der sich während der Modellierung abspielenden Abläufe werden zwei Näherungen verwendet. Einerseits werden alle Bildinformationen sowie die physischen Kenngrößen der sich in dem Modellraum, über der Flächenebene 2 abspielenden Abläufe aufgenommen. Der Ablauf des Experiments ist mittels Fotokameras, in dieser Ausführungsform mittels acht Fotokameras F1 bis F8 (z. B. CANON 1110 D) dokumentiert. Die Kameras sind an einem Konsolensystem K, voneinander in Entfernungen t1 bis t7 angeordnet, wobei in einer Grundeinstellung diese Entfernungen t1 bis t7 30 cm betragen, und die Kameras sind in einer Höhe von 1,2 m über der Flächenebene 2 angeordnet. Die Überdeckung der Bilder beträgt 80% bei einer Brennweite von 18, wodurch eine 3D-Bildgebung ermöglicht wird. Die Fotokameras F1 bis F8 sind über ihre USB Verbindung mittels einem Rechner C1 gesteuert.
-
Die tatsächliche Position der in dem Experiment verwendeten Flüssigkeit, zweckmäßig Wasser, die Lage des/der jeweiligen aktiven Grundbetts/Grundbetten in der Bodenprobe 5, die Wassergeschwindigkeiten sowie der horizontale Trend der Bodenfeuchtigkeit werden mittels einer an dem Konsolensystem K befestigten Wärmebildkamera H (z. B. Varioscan 3021 ST) derart bestimmt, dass eine Flüssigkeit F, bevorzugt Wasser mit einer von der Temperatur der Bodenprobe 5 abweichenden Temperatur aus einer Flüssigkeitsquelle auf die Bodenprobe 5 gegeben wird, wobei die Flüssigkeitsquelle F in diesem Fall einem in der Zeichnung nicht dargestellten Flüssigkeitsheizgerät angeschlossen ist. Das Experiment kann auch mit einer Flüssigkeit durchgeführt werden, die eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Bodenprobe 5 aufweist, indem die Flüssigkeitsquelle F einem in der Zeichnung nicht dargestellten Flüssigkeitskühlgerät angeschlossen ist. Der Erfassungsbereich der Wärmebildkamera H fällt zweckmäßig zwischen 8 bis 12 µm und die Temperaturauflösung der Wärmebildkamera H beträgt ±0.003 K.
-
Durch die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe 5 abweichenden Temperatur wird es möglich, dass die Flüssigkeit nach der wesentlichen Umlagerung der Bodenprobe 5 nicht zuerst über den Ablassstutzen 6 aus dem Sandkasten 1 entfernt, dann wieder eingeführt, dann wieder entfernt werden muss, um die weiteren wesentlichen Umlagerungen der Bodenprobe 5 zu beobachten und die Daten z. B. mit einem Flachbettscanner zu erfassen, da die Umlagerung der Bodenprobe 5 mittels der Wärmebildkamera H durchgehend beobachtet und über die Zeit aufgenommen werden kann.
-
Die Veränderung der Bodenfeuchtigkeit entlang der Tiefe wird mittels an dem Konsolensystem K angeordneten und von dort in die Bodenprobe 5 eingeleiteten Sensoren (z. B. Fabrikat Decagon, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA) gemessen und die Daten in elektronischen Datenspeichern (z. B. Decagon EM50) gespeichert.
-
Die z. B. einzeln gefertigte, nach Farbe und Dichte sowie Partikelgröße sortierte Bodenprobe 5 für die Modellexperimente wird auf der Flächenebene 2 angesammelt. Z. B. graue und schwarze Partikel 1, oder Basalt- und Andesitschrott mit einer Partikelgröße von 0,8 mm. In der 0,6mm-Klasse wird roter Marmorstein und in der 0,2 mm-Klasse beigefarbener Kalkstein angewendet.
-
Die Steuerung des Sandkastens 1 sowie die Bildformung und die Datenerfassung werden in zwei Rechnern C1, C2 durchgeführt, die so miteinander wie mit den Schrittmotoren M1 bis M7, den Fotokameras F1 bis F6, der Wärmebildkamera H, den Laser-Entfernungsmessern 7 sowie dem Strömungsmesser (nicht dargestellt) der Flüssigkeitsquelle F in elektronischer Verbindung stehen. Die Flüssigkeitsquelle F ist zweckmäßig z. B. eine statische Wassersäule mit einer Höhe von 1 m, die sich mit dem Sandkasten mitbewegt, und der Nachschub des Wassers wird mit Wasser vorgenommen, das über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Flüssigkeitsheizgerät oder Flüssigkeitskühlgerät eingeleitet wird.
-
Der Sandkasten 1 gemäß der Erfindung wurde im Laufe eines grundlegenden Experiments in einem Lauf mit einfach gewählten Kenngrößen getestet. Der durch ebene Endplatten 9a, 9b und Längsseiten 4, 8 der Flächenebene 2 begrenzte Modellraum war um 4 Grad um die Achse T1 geneigt. Als Ausgangsinstallation wurde eine Bodenprobe 5 von 8 cm verwendet. Die Fotoaufnahmen sowie Wärmebildaufnahmen wurden im 30-Sekundentakt angefertigt.
-
Die ganze Bodenprobe 5 wurde mit feinem Wasserstaub bis einem Feuchtigkeitsniveau von 40% einheitlich vorbefeuchtet. Um einen schnelleren Prozessablauf zu erreichen, wurde ein Grundbett mit einer Tiefe von 2 cm und einem Dreieckquerschnitt die Achse T2 entlang ausgeformt, da gemäß unseren vorherigen Erfahrungen mangels eines vorgeformten Tals es nicht zu einer Ansammlung in dem Grundbett und die Grundbettausformung kommt, die in der 3 sichtbar ist.
-
Für die Bestimmung der Wassergeschwindigkeiten sowie der aktiven Grundbetten wurden Wärmebildaufnahmen verwendet, die mit einer Wärmebildkamera H aufgenommen wurden, da in den Wärmebildaufnahmen die Bewegungsfronten des eingespeisten Heißwassers gut wahrnehmbar sind und die Geschwindigkeit der Bewegung gut abgeleitet werden kann. Für eine genauere Erfassung wird siedendes Wasser periodisch in das System eingespeist (siehe 4).
-
Aus den im Halbminutentakt gemachten Aufnahmen wurden 3D-Modelle erstellt (siehe 5). Die Veränderung der Querschnitte (siehe 6) sowie der Takt der Materialumlagerungen wurden anhand dieser Aufnahmen studiert.
-
Nach der Analyse des Musters, das als Ergebnis des Experiments zustande gekommen ist, kann die Folgerung gezogen werden, dass dieses Muster die Eigenartigkeiten geflochtener Flußbetten (siehe 7) in einer typischen Art darstellt. In dem nicht kohäsiven Sediment werden mit steigender Flußwassermenge sich allmählich weitende Flussbetten ausgeformt. Das ermöglicht die Flußbettbifurkationen und die Entstehung der verschiedensten Untiefen, die Bedingungen der geflochtenen Flußbettentwicklung darstellen.
-
Die mit der Wirklichkeit unmittelbar beschreibenden Randbedingungen gestarteten Experimente, sowie deren quantifizierte Ergebnisse bieten die Möglichkeiten zur:
- – Präzisierung der räumlichen (nicht auf in diskreten Punkten durchgeführten Messungen beruhenden) Parametrisierung;
- – langfristigen, eventuell durch tektonische Ereignisse beeinflussten Modellierung von sich in Flußbetten und Überschwemmungsgebieten stattfindenden Abläufen;
- – durch Messungen unterstützten Verfolgung von Massen- und Volumenveränderungen;
- – Modellierung und Planung der Rehabilitation von Überschwemmungsgebieten;
- – vollständigen und hoch aufgelösten Quantifizierung der Abläufe.
-
Der Vorteil des Sandkastens 1 gemäß der Erfindung verglichen mit den physischen Kleinprobensystemen besteht also darin, dass dieser für durchgehende Modellierung der Abläufe und für deren vollständige rechnerunterstützte Verarbeitung restlos geeignet ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
