Hydrologie und
Wasserbewirtschaftung
49. Jahrgang, Heft 6,
Dezember 2005
Autorin/Autor:
Stefan Vollmer, Klaus Träbing und Franz Nestmann
Schlagworte:
Gewässersohle, Sedimente, dynamischer Auftrieb, Turbulenzen, Transportvorgänge, Strömungsfeld, Modellierung
Zitierung:
VOLLMER, S., K. TRÄBING & F. NESTMANN (2005): Der Bewegungsbeginn kohäsionsloser Sedimente. – Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 49 (6), 295–308
Durch die Untersuchung der vertikalen Druckgradienten in der obersten Sedimentschicht wird das Prozessverständnis der Destabilisierungsvorgänge der Gewässersohle entscheidend erweitert. In bestehenden Ansätzen zum Bewegungsbeginn von Sohlenelementen bzw. zum Sedimenttransport wird die Permeabilität der Gewässersohle und die Ausbreitung von turbulenzinduzierten Druckschwankungen in den Porenraum vernachlässigt. Die turbulente Liftkraft wird bisher ausschließlich aus der Betrachtung der Oberflächenströmung abgeleitet. Diese durch die kohärenten turbulenten Strukturen der sohlennahen Strömung induzierte Liftkraft konnte durch die Integration des vertikalen Druckgradienten über das Volumen des betrachteten Sohlenelementes exakt berechnet werden. Für das Integral der ermittelten Exponentialfunktion, welche die Druckausbreitung in die oberste Kornlage beschreibt, wurde eine geschlossene Lösung gefunden. Die zeitlich mittleren Kraftanteile aus der Anströmung eines Sohlenelementes (dynamischer Auftrieb und Schub) wurden durch Integration der Geschwindigkeitsverteilung über die angeströmte Kornfläche berechnet. Die Bilanzierung aller an einem Korn angreifenden Kräfte für unterschiedliche Lagerungs- und Strömungssituationen erfolgt mittels numerischer Berechnung. Die analytisch hergeleitete Kräftebilanzierung konnte anhand der klassischen Untersuchungen von FENTON & ABBOTT (1977; zum Einfluss der Exposition) und COLEMAN (1967; zum Einfluss der Korn-Reynoldszahl) validiert werden. Die Berechnungen bestätigen die Hinweise aus der Literatur, dass die individuellen Kornlagerungsbedingungen eine erhebliche Bedeutung für den Kraftansatz haben. Bei den verschiedenen Untersuchungen muss nach quasi-stationären und instationären Kraftanteilen differenziert werden. Der Einfluss der instationären turbulenzinduzierten Kraftanteile nimmt mit zunehmender Anströmfläche gegenüber den zeitlich mittleren Kraftanteilen ab und spielt somit insbesondere für kleinere Körner eine Rolle, die im Strömungsschatten Größerer liegen. Die detaillierte Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Rauheitselementen einer Sohle und dem sohlennahen Strömungsfeld erweitert das Prozessverständnis der komplexen Transportvorgänge bei Korngemischen (Transportkörper-/ Deckschichtbildung). Durch die entwickelte analytische Lösung für den kritischen Shields-Parameter werden die hydraulischen Einflüsse (von Schubspannung, Turbulenzintensität, Gefälle, relative Fließtiefe) auf den Bewegungsbeginn weit reichend geklärt und abgebildet. Die Verknüpfung der hier vorgestellten analytischen Berechnung des Bewegungsbeginnes mit neuen Konzepten zur räumlich hoch auflösenden Erfassung der Sohlenstruktur und des umgebenden Strömungsfeldes ermöglicht verbesserte Sedimenttransportmodellierungen.
