Abgeschlossene Abschlussarbeiten
Eine Liste mit Themenvorschläge für Abschlussarbeiten zur Erlangung des Diplom- oder Mastergrades und des Bakkalaureats sowie für Projektarbeiten finden Sie auf der Seite des Instituts.
Folgende Abschlussarbeiten wurden an der Professur für Wasserbau betreut:
Untersuchung zur Entstehung von Rillen bei kohäsiven Böden
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Tackmann, Ralf
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-B. Horlacher
Weitere Betreuer
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Schmidt (TU Bergakademie Freiberg)
Abstract
Die Intensität der an der Erdoberfläche auftreffenden Niederschläge unterliegt extremen zeitlichen Schwankungen und kann kurzzeitig Werte von mehr als 10 l/(m²∙min) erreichen. Wird dabei die Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens überschritten, bildet sich an der Bodenoberfläche zunächst ein Wasserfilm, der bei geneigten Flächen in einen Film¬abfluss übergeht. Der so entstandene Filmabfluss kann zur Erosion der darunter liegenden Böden führen, was mit der klassischen Betrachtungsweise (Vergleich von vorhandener mittlerer Sohlschubspannung mit der Grenzschleppspannung des Bodens) nicht zu erklären ist, da die Beträge der durch Filmabfluss erzeugten mittleren Sohlschubspannung zu gering sind. Der Filmabfluss muss also im Vergleich zum Gerinneabfluss über spezielle hydraulische Eigenschaften verfügen, die den Erosionsbeginn ermöglichen.rnDa in den bisherigen Untersuchungen zum Filmabfluss die lokalen hydraulischen Eigenschaften dünner Wasserfilme über Bodenoberflächen, insbesondere hinsichtlich der Turbulenz und der mehrdimensionalen Geschwindigkeitsverteilung im Fließquerschnitt, vernachlässigt wurden, besteht nach wie vor ein elementares Kenntnisdefizit bezüglich der physikalisch korrekten Beschreibung von Filmströmungen. Diese wissenschaftliche Lücke zu schließen, erfordert räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Messungen in naturnahen Modellen, was im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit erstmals realisiert werden konnte.Neben dem flächigen Abtrag von Bodenpartikeln kann der Filmabfluss lokal Eintiefungen verursachen, die sich zu Erosionsrillen weiterentwickeln. Der Bodenaustrag wird hierdurch stark beeinflusst, da die Erosionsprozesse im Bereich der sich bildenden Rillen auf Grund der Abflusskonzentration verstärkt werden. Die Kenntnis der Bedingungen, unter denen der Filmabfluss zur Rillenbildung führt, ist demzufolge eine grundlegende Voraussetzung, die Erosion kohäsiver Böden prognostizieren zu können.
rnDie aktuellen Bodenerosionsmodelle, wie z.B. WEPP, EROSION-3D oder USLE, sind in der Lage, neben der flächenhaften Erosion auch die Erosion in bestehenden Rillen simulieren. Die Bildung von Erosionsrillen sowie ihre weitere Entwicklung kann hingegen bisher nicht vorhergesagt werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Bodenaustrag durch Film- und Rillenabfluss auf kohäsiven Böden mit den maßgeblichen Parametern wie z. B. der Fließgeschwindigkeit, der Sedimentkonzentration und dem Rillenfortschritt zu bestimmen und auf Grundlage der ermittelten Beziehungen und Grenzwerte ein numerisches Modell zu entwickeln, welches den flächenbezogenen Bodenverlust auch bei dem Auftreten von Erosionsrillen prognostizieren kann. Grundlage der Untersuchungen bildeten Beregnungs- und Überströmungsversuche, die im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden durchgeführt wurden.
rnFür die Erosionsversuche wurde eine mit Boden gefüllte Versuchsrinne (Länge 26,4 m, Breite 0,9 m) genutzt. Die Versuchsanordnung erlaubte die Variation von Sohlgefälle, Oberflächenabfluss und Niederschlagsintensität. Die untersuchten Böden waren ein schluffiger Lehm bzw. ein sandiger Schluff (FAO 1990). Die Lagerungsdichte betrug 1.300 kg/m³. Der Abfluss variierte zwischen 1,4 und 4,6 l/s. Die eingestellten Sohl¬gefälle waren 2 %, 4 % sowie 6 %. Die vier verwendeten Regnermodule deckten eine Fläche von 10 m x 0,9 m ab. In einer weiteren Versuchsanlage (Breite 0,15 m, Länge 6,0 m) wurden die hydraulischen Eigenschaften der Filmströmung und der Strömung in einem Rillenkopf mittels Laser-Doppler-Velocimetrie detailliert untersucht. Mit Hilfe der physikalischen Modellversuche konnten die maßgebenden Parameter zur Beschreibung der Erosion kohäsiver Böden sowie von Transportprozessen im Film- und Rillenabfluss gefunden werden. Weiterhin konnten Wissenslücken zur Hydraulik des Filmabflusses über raue Flächen und zu den Abflussvorgängen in einem Rillenkopf geschlossen werden. Die Ergebnisse von 2d-LDV-Messungen lassen erstmals gesicherte Aussagen zu der Geschwindigkeits¬verteilung, den turbulenten Prozessen im Film- und Rillenabfluss sowie den Auswirkungen des Niederschlages zu.
rnAls Ergebnis der Arbeiten wurde ein numerisches Modell zur Simulation von Erosionsprozessen auf Basis zellulärer Automaten entwickelt, mit dem neben der Erosion durch Filmabfluss auch die Rillenerosion physikalisch begründet simuliert werden kann. Das Modell wurde mit den Daten der kleinskaligen Laborversuche erfolgreich getestet.
rnDie aktuellen Bodenerosionsmodelle, wie z.B. WEPP, EROSION-3D oder USLE, sind in der Lage, neben der flächenhaften Erosion auch die Erosion in bestehenden Rillen simulieren. Die Bildung von Erosionsrillen sowie ihre weitere Entwicklung kann hingegen bisher nicht vorhergesagt werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Bodenaustrag durch Film- und Rillenabfluss auf kohäsiven Böden mit den maßgeblichen Parametern wie z. B. der Fließgeschwindigkeit, der Sedimentkonzentration und dem Rillenfortschritt zu bestimmen und auf Grundlage der ermittelten Beziehungen und Grenzwerte ein numerisches Modell zu entwickeln, welches den flächenbezogenen Bodenverlust auch bei dem Auftreten von Erosionsrillen prognostizieren kann. Grundlage der Untersuchungen bildeten Beregnungs- und Überströmungsversuche, die im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden durchgeführt wurden.
rnFür die Erosionsversuche wurde eine mit Boden gefüllte Versuchsrinne (Länge 26,4 m, Breite 0,9 m) genutzt. Die Versuchsanordnung erlaubte die Variation von Sohlgefälle, Oberflächenabfluss und Niederschlagsintensität. Die untersuchten Böden waren ein schluffiger Lehm bzw. ein sandiger Schluff (FAO 1990). Die Lagerungsdichte betrug 1.300 kg/m³. Der Abfluss variierte zwischen 1,4 und 4,6 l/s. Die eingestellten Sohl¬gefälle waren 2 %, 4 % sowie 6 %. Die vier verwendeten Regnermodule deckten eine Fläche von 10 m x 0,9 m ab. In einer weiteren Versuchsanlage (Breite 0,15 m, Länge 6,0 m) wurden die hydraulischen Eigenschaften der Filmströmung und der Strömung in einem Rillenkopf mittels Laser-Doppler-Velocimetrie detailliert untersucht. Mit Hilfe der physikalischen Modellversuche konnten die maßgebenden Parameter zur Beschreibung der Erosion kohäsiver Böden sowie von Transportprozessen im Film- und Rillenabfluss gefunden werden. Weiterhin konnten Wissenslücken zur Hydraulik des Filmabflusses über raue Flächen und zu den Abflussvorgängen in einem Rillenkopf geschlossen werden. Die Ergebnisse von 2d-LDV-Messungen lassen erstmals gesicherte Aussagen zu der Geschwindigkeits¬verteilung, den turbulenten Prozessen im Film- und Rillenabfluss sowie den Auswirkungen des Niederschlages zu.
rnAls Ergebnis der Arbeiten wurde ein numerisches Modell zur Simulation von Erosionsprozessen auf Basis zellulärer Automaten entwickelt, mit dem neben der Erosion durch Filmabfluss auch die Rillenerosion physikalisch begründet simuliert werden kann. Das Modell wurde mit den Daten der kleinskaligen Laborversuche erfolgreich getestet.
Zugeordnete Forschungsschwerpunkte
- Modellierung von Oberflächenabflüssen
- angewandte Forschung (Umweltforschung)
- Feststofftransport und Sedimentationsvorgänge in Gewässern
Schlagwörter
Erosion Niederschlag LDV Regner Filmabfluss
Berichtsjahr
2010