Physical regularities for the suspension and transport of sand under irregular waves - KFKI-Projekt 37 Konzentration und Transport suspendierter Sedimente bei unregelmäßigem Seegang
Konzentration und Transport suspendierter Sedimente bei unregelmäßigem Seegang. Durch den Energieeintrag von Wellen wird Sand an der Sohle bewegt und in Suspension gebracht. Diese Prozesse wurden für Flachwasserseegang durch Naturmessungen in der Brecherzone von Küsten des Schwarzen Meeres (Novomich...
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| Veröffentlicht in: | Die Küste |
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| 1. Verfasser: | |
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| Weitere Verfasser: | , , , , |
| Format: | UnknownFormat |
| Veröffentlicht: |
2001
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| Schlagworte: |
Sandtransport
> Suspension
> Stranderosion
> Strandprofile
> Flachwasserwellen
> Wellenbrechen
> Turbulenz
> Meßdaten
> Küsteningenieurwesen
> Sedimenttransport
> suspended sediments
> beach erosion
> beach profiles
> shallow water waves
> wave breaking engineering
> turbulence
> field data
> wave breaking
> Turbitimeter
> coastal engineering
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Tag hinzufügen | Zusammenfassung: | Konzentration und Transport suspendierter Sedimente bei unregelmäßigem Seegang. Durch den Energieeintrag von Wellen wird Sand an der Sohle bewegt und in Suspension gebracht. Diese Prozesse wurden für Flachwasserseegang durch Naturmessungen in der Brecherzone von Küsten des Schwarzen Meeres (Novomichailovka93), der Nordsee (Norderney 94) und des Mittelmeeres (EbroDelta 96) aufgezeichnet. Die Naturmessungen auf Norderney waren in das vom BMBF geförderte KFKI-Verbund-Forschungsvorhaben -Vorstrand- und Strandauffüllungen im Bereich von Buhnen-Deckwerk-Systemen eingebunden. Die Messdaten beschreiben, wie sich die Konzentrationen suspendierter Stoffe und des im sohlnahen Bereich mobilisierten Sandes unter dem Einfluss von unregelmäßigem Seegang verändern. Die jeweils im vertikalen Messprofil erfassten zeitlichen Veränderungen der Konzentrationsverteilung der Sedimente wurden in Beziehung gestellt zu den längs und quer zur Uferlinie gerichteten Strömungsgeschwindigkeiten. Betrachtet wurden unterschiedliche Energiezustände des Seegangs, und es erfolgte eine Einteilung in Frequenzbereiche bezogen auf eine ermittelte -Grenzfrequenz-. Auf dieser Grundlage wurden Zusammenhänge untersucht, über die auf physikalische Prozesse der Suspensionsverteilung und des Sedimenttransportes rück-geschlossen werden konnte. Erkenntnisse zu diesen Prozessen sind unverzichtbar, um numerische Modelle zur Simulation der Sandbewegung fortzuentwickeln und dabei besonders auch Transportmodelle, die man in der Praxis für eine Optimierung von Strand- und Vorstrandauffüllungen verwenden kann.Die Messungen erfolgten in mehreren Vertikalprofilen, die sich auf einer Senkrechten zur Uferlinie verteilen. Es wurden zeitlich hochauflösende optische und elektromagnetische Sensoren eingesetzt, mit denen die Stoff-Konzentration (Sand im sohlnahen Bereich und in Suspension), die Strömungsgeschwindigkeit (Vektor) und der Wasserstand (Seegang) im Vertikalprofil in unterschiedlichen Tiefen aufgezeichnet wurden. Zur messtechnischen Erfassung der Suspensionskonzentration konnte während der Kampagne Norderney 94- erstmals ein neu entwickeltes Gerät (-Turbidimeter-) unter Tidebedingungen betrieben werden. Durch die Zusammenführung der Daten aus Messkampagnen in den drei unterschiedlichen Untersuchungsgebieten gelang es, die komplexen physikalischen Prozesse des Transportes und der Suspension unter regelmäßigen Wellen in der Vorstrand- und Strandzone (Brecher- oder Brandungszone) zu beschreiben und besser zu verstehen. Die Untersuchungen erstreckten sich sowohl auf die Vorgänge des Sandtransportes unter Wellen, die in flaches Wasser einlaufen und dabei durch den physikalischen Vorgang des -shoaling- verformt werden, als auch auf Wellen, die brechen (Schwall- und Sturzbrecher). Von besonderem Interesse sind Messzeiten, zu denen der Vorgang des Brechens im Bereich eines Messprofils (Brechpunkt) erfolgt. Hierzu werden Beispiele dargestellt und Untersuchungsergebnisse erläutert. Die verschieden großen Energieeinträge durch Wellen und die dadurch verursachte sohlnahe Strömungsgeschwindigkeit kann unterschiedlichen Sohlformen zugeordnet werden. Die Sohlform wiederum beeinflusst den sohlnahen Prozess der Sedimentaufwirbelung und die Verteilung der Suspensionskonzentration in der messtechnisch erfassten Wassersäule. Die Charakterisierung der unterschiedenen Zustände (Typen) erfolgte daher durch die kombinierte Ausweisung von Wellenenergie (Turbulenzintensität, Wirbelstruktur) als -klein- (Low Energetic Conditions) und -groß- (High Energetic Conditions) sowie der Sohlform (glatt, 2D-Riffei, 3D-Riff ei).Für die typisierten Zustände sind beispielhaft der zeitliche Verlauf von Geschwindigkeiten und Suspensionskonzentrationen sowie Spektrum, Phasenverschiebung und Zusammenhang (Korrelation) dargestellt. Die gewählte unterschiedliche zeitliche Auflösung für die Untersuchungen ergibt für die hier vorgestellten Zeitfenster eine Dauer von zwei bis zu sechshundert Sekunden. Die vergleichende Auswertung der Größen erbringt Erkenntnisse für die Beantwortung der Frage, wie straff die Zusammenhänge zwischen Einflussgrößen (insbesondere Strömungsgeschwindigkeit) und Suspensionskonzentration sind. So wurde festgestellt, dass nur ein schwacher Zusammenhang zwischen der Sedimentkonzentration und der Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zum Strand (Querströmung) besteht. Als Konsequenz ergibt sich somit für die aktive Zone des Strandes und Vorstrandes (surf zone), dass es zweifelhaft ist, ob man für Berechnungen der Suspensions-Transportrate die sogenannte -Bezugskonzentration an der Sohle- verwenden kann, wie dies in bestehenden Modellen geschieht. Für die energieschwächere -Shoaling-Zone- hingegen konnte bestätigt werden, dass es eine recht gute Korrelation zwischen Suspensions-Konzentration und Querströmung gibt, so dass hier die Zweifel nicht begründet sind. Die mit den Naturmessdaten ermittelten Suspensionsfrachten senkrecht zur Strandlinie sind beispielhaft dargestellt und ursächlich erklärt. Diesen sind Ergebnisse gegenübergestellt, die mit einem Ansatz berechnet wurden, der eine -Bezugskonzentration an der Sohle- verwendet (Bailard Model). Eine vergleichende Auswertung quantifiziert das zuvor allgemein vorgestellte Ergebnis. The processes which control the temporal variability of the suspended sand concentration and the sand flux near the bottom have been investigated by using field data. The information on the suspended sediment concentration and components of the fluid velocity were recorded synchronously by optical and electromagnetic sensors with a high frequency response. The data have been collected during the field experiments -Novomichaliovka 93- (Black Sea),-Norderney 94- (North Sea) and -Ebrodelta 96- (Mediterranean Sea).Concerning the bottom, two bed conditions have been distinguished: the rippled bed and the flat bottom. For the rippled bed condition, the lee vortex ejection is a mechanism which for-ces sand into suspension. High correlation has been observed between the time-varying sediment concentration of the suspension and the cross-shore velocity at the frequency of the spectral peak. A comparable coherence has been confirmed for the envelope of the cross shore velocities and for thc peak of the wave group spectrum. The sediment concentration fluctuation at the fre-quency of the wave spectral peak lags on phase compared with the peak of the cross-shore velo-city with the time of -Tr/2 for 2D ripples and of -IT/3 for 3D ripples. For the flat bed condition with high nearbottom velocities, the vortex ejection due to shear instability of the bottom boundary layer is the most probable mechanism which leads to the sus-pension of sand. The recorded time series for the sediment concentration correlate well with the cross-shore velocities and lag on phase by -~I4 with respect to the frequency of the peak of the wave spectrum.The recorded field data show how the physical process of sand suspension in the surf zone under the condition of breaking waves is caused by the generated macroturbulent vortices which penetrate from die water surface to the bottom. The analysed records demonstrate and explain that the concentration fluctuation of the suspended sediment correlates well with the turbulent kinetic energy and correlates very little with the cross shore directed velocity or its envelope. For the special case of plunging breakers, the records describe how the vertical sediment flux is created by the wave induced vertical velocity component.The field experiments provide sound data, which describe and explain die complex physical processes of sand suspension and transport under irregular waves. The results will be used to improve existing formulae which can be applied to coastal engineering problems. |
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| Beschreibung: | 161 - 200 |
| ISSN: | 0452-7739 |