Neue Entwicklungen im wasserbaulichen Modellversuchswesen zum Sedimenttransport

摘要

Zusammenfassung In diesem Beitrag werden aktuelle Entwicklungen im Modellversuchswesen zum Sedimenttransport anhand von drei konkreten Forschungsarbeiten vorgestellt. Neue messtechnische Entwicklungen im Bereich der berührungslosen la-ser-optischen Verfahren ermöglichen es, in einem Messvolumen räumlich und zeitlich hochaufgelöste SD-Geschwindigkeiten zu messen (tomo-PTV= tomographic Particle Tracking Ve-locimetry). Der STB-Algorithmus (Shake the Box) ist eine Weiterentwicklung der PTV-Methode, der die Auswertezeiten stark verkürzt, was angesichts der großen Datenmengen bei hochaufgelösten Messungen von großem Wert ist. Eine im Beitrag präsentierte Forschungsarbeit untersucht mithilfe der tomo-PTV-Methode die Strömung rund um einen Einzelstein. Die bei Bewegungsbeginn vorhandenen und möglicherweise bewegungsauslösenden kohärenten Strukturen konnten gemessen und visualisiert werden. In einem weiteren Vorhaben wurde die Messung der Strömung mit der Messung von sich an der Sohle bewegenden Sedimentkörnern gekoppelt. Dadurch konnte ein Beitrag zu der immer noch offenen Forschungsfrage geliefert werden, ob Sedimenttransport den Sohlwiderstand erhöht oder verringert. Als dritte Forschungsarbeit werden Skalierungsversuche beschrieben, die das Ziel haben, Skalierungsfehler über Kiessohlen zu quantifizieren. Dazu wird eine Modellfamilie in drei Maßstaben untersucht. Für die l:l-Versuche stand das neue BOKU-Freiluft-Forschungsgerinne zur Verfügung, das mit Donauwasser gespeist wird und im Endausbau Durchflüsse bis zu 10m3/s ohne Pumpen erlaubt. Die neuen messtechnischen Entwicklungen haben in Kombination mit Versuchsanlagen im oder nahe dem Naturmaßstab das Potenzial, das physikalische Prozessverständnis zum Sedimenttransport substanziell voranzutreiben. Auf Basis dessen können effiziente Sedimentmanagement- Strategien für die wasserbauliche Praxis entwickelt werden.%This paper presents new developments in physical modeling of sediment transport based on three specific research projects. New developments in the field of non-invasive laser-optical methods allow to measure spatially and temporally high-resolution 3D velocities in a measuring volume (tomo-PTV= tomographic particle tracking velocimetry). The STB (Shake the Box) algorithm is a further development of the PTV method, which greatly shortens the evaluation time. This is of great value given the large amounts of data in high-resolution measurements. The first project presented in this paper investigates the flow around a single stone using the tomo-PTV method. The coherent structures that were present at the onset of motion-and possibly caused movement-could be measured and visualized. In a second project, flow measurements were coupled with the measurement of moving sediment grains along the rough bed. The results are a contribution to the still open research question as to whether sediment transport increases or decreases bed resistance. As a third project scaling experiments are described which aim to quantify scaling errors in gravel bed rivers. For this purpose, a model family is examined in three different scales. For the 1:1 experiments, the new open-air BOKU research channel was available, which is fed with Danube water and will finally allow flow rates of up to 10m3/s without pumping. Recent developments in measurement techniques in combination with experimental facilities at or near field scale have the potential to substantially advance the physical process understanding of sediment transport. Based on this, efficient sediment management strategies for hydraulic engineering practice can be developed.