Modellierung und Prognose der Erosion feiner Sedimente

Schweim, Christoph; Köngeter, Jürgen

doi:HT014397715

Modellierung und Prognose der Erosion feiner Sedimente

Schweim, Christoph

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Schweim

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangXVII,180 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-04-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-20050987
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59819/files/Schweim_Christoph.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aquatisches Sediment (Genormte SW) ; Erosion (Genormte SW) ; Prognose (Genormte SW) ; Mathematisches Modell (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Sedimenttransport (frei) ; kohäsive Sedimente (frei) ; Erosionsmodell (frei) ; Erosionsmessung (frei) ; Gewässergüte (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Vorhersage von Sedimenttransport ist ein wesentlicher Aspekt einer nachhaltigen Gewässerbewirtschaftung. Neben der morphologischen Entwicklung sind dabei gerade die Wechselwirkungen zwischen dem Transport feiner, kohäsiver Sedimente und der Wasserqualität von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der innerhalb dieses Themenkomplexes anzusiedelnden Erosion feiner Sedimente. Dabei wird unterschieden zwischen der mathematischen Modellierung und der Prognose der Erosion feiner Sedimente - also zwischen der Beschreibung der Erosionsrate als Funktion grundlegender Einflussgrößen und der Umsetzung einer Vorhersage eventueller Erosionsprozesse in einem praktischen Anwendungsfall. Die in der Literatur dokumentierten mathematischen Modelle zur Beschreibung der Flocken- bzw. Massenerosion feiner Sedimente lassen sich in Modelle für Tiefenerosion und Modelle für Oberflächenerosion einteilen. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse solcher Modelle wird hypothetisch ein neues Erosionsmodell für die einheitliche Beschreibung dieser Prozesse vorgeschlagen. Mit der experimentellen Untersuchung künstlicher Sedimentablagerungen im Labor gelingt die Validierung des neuen Modells. Es beschreibt die Erosionsrate als Produkt zweier dimensionsloser Kennzahlen aus Einwirkung, Widerstand und Dichte. Der empirische Parameter des Modells – die charakteristische Erosionsgeschwindigkeit – hat damit eine physikalisch plausible Bedeutung. Im Vergleich mit drei anderen untersuchten Erosionsmodellen aus der Literatur ermöglicht das neue Erosionsmodell so eine deutlich verbesserte Abbildung der gemessenen Erosionsprozesse. Anhand von in dieser Form erstmalig durchgeführten Experimenten zur Erosion in instationären, für Erosionsereignisse in natürlicher Umgebung typischen Strömungsverhältnissen wird weiterhin die Abhängigkeit des Erosionsprozesses von dem zeitlichen Gradienten der Sohlschubspannung nachgewiesen. Zudem zeigen die Ergebnisse der Experimente die Abhängigkeit der Erosionsrate von dem vertikalen Gradienten des Erosionswiderstands der Sedimentablagerung. Diesen Beobachtungen wird mit einer anhand der Versuchsergebnisse belegten beziehungsweise einer hypothetischen Modellerweiterung Rechnung getragen. In einer Fallstudie wird die Erosion feiner Sedimente während der Entleerung eines Staubeckens mit vier unterschiedlichen Erosionsmodellen prognostiziert. Dabei werden vertikale Dichteprofile der Sedimentablagerungen sowie die kritische Sohlschubspannung der Sedimentoberfläche in einer Messkampagne ermittelt. Weitere Sediment- und Modellparameter werden im Rahmen ihrer zu erwartenden, in einer Literaturstudie ermittelten Bandbreite variiert. Die Ergebnisse dieser Sensitivitätsstudie belegen den mit dem neuen Erosionsmodell erzielten Fortschritt: Dessen Prognoseergebnisse weisen nicht nur im Mittel die besten Übereinstimmungen mit den Messergebnissen auf, sondern unterliegen im Vergleich mit den übrigen Erosionsmodellen auch den deutlich geringsten mittleren Abweichungen. Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse lässt sich feststellen, dass mit dem vorgeschlagenen Erosionsmodell ein wichtiger Beitrag zur verbesserten Prognose der Erosion feiner Sedimente geleistet werden kann. Dennoch besteht weiterhin erheblicher Forschungsbedarf um das Verständnis für die Einflüsse auf den Erosionsprozess, die Qualität praktischer Vorhersagen und die experimentellen Bedingungen für entsprechende Untersuchungen im Labor und in situ zu verbessern.

Predicting erosion of fine, cohesive sediments is an important task within sustainable management of water-bodies. This is above all due to the fact, that these sediments tend to bind pollutants which are re-suspended in the case of erosion. The given work deals with this subject in two parts, being the identification of a suited mathematical model on the one hand and the demonstration of its abilities predicting erosion during a reservoir depletion within a case study on the other hand. Existing mathematical models describing erosion of fine sediments were developed differing four cases of erosion, namely floc- or mass erosion and depth-limited or depth-unlimited erosion respectively. Based on a theoretical analysis of such models, a new erosion model is proposed which aims at unifying prediction of these cases. Within laboratory experiments eroding deposited kaolinite in an annular flume, not only the validity of the new model but also the increasing quality in modelling measured erosion processes compared with other models is proven. The new model describes the rate of erosion of sediments as a function of bottom shear stress as well as density and shear resistance of the sediment deposition. As the new model is a product of two non-dimensional numbers, its empirical parameter – the characteristic erosion velocity – gets a physically plausible meaning, which is not the case in most other models. Further experiments, increasing the bottom shear stress linearly with time as a simulation of typical erosion events, show a dependency between the characteristic erosion velocity and the time-rate-of-change of the driving stress. Just as this, an influence of the vertical gradient of shear resistance to the erosion process is shown. To take account of these parameters, an extension of the new erosion model is proposed. In the case study, erosion of fine sediments during a reservoir depletion is simulated using four different erosion models. Vertical density profiles of sediment deposition as well as critical shear stresses of the sediment surface are quantified based upon in situ measurements, whereas multiple sediment- and model parameters are varied within their band-width found in a literature review. Results of this sensitivity study show, that mean sediment concentrations simulated with the new model are in close agreement with measurements carried out during depletion. Furthermore, sensitivity of the simulation results to empirical parameters using the new erosion model is small compared to the other models investigated. Based on the given results, it is stated that the new erosion model is an important step towards a reliable prediction of erosion of fine sediments. However, future research programs are necessary to improve understanding of erosion processes and experimental conditions for related investigations in the laboratory as well as in situ.

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