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Jets impinging on a movable bed of particles can lead to strong local scouring effects. Submerged jets, which in practice frequently show periodical velocity fluctuations, can either lead to dangerous scouring near hydraulic structures, or be put to technical use due to their strong erosion capacity. Unwanted effects are found, for example, in the erosion of the bottom of navigable waterways by ship propellers, whereas in dredging high velocity jets are successfully used for loosening hardpacked sandy soils, or also for submarine underground-laying of pipes. Furthermore, the flow field of impinging jets is of interest for hovercrafts end for vertical takeoffs, and also for numerous applications in chemical engineering. In order to control the wanted or unwanted scouring effects of impinging jets, it is necessary to know in detail both the flow field and the scouring effect of this flow configuration. Therefore, on experimental investigation of an axi-symetrical, vertical, submerged jet impinging on a horizontal sand bed of uniform grain size was studied. Particular attention was paid to the quantification of the influence of a pulsation of the jet velocity, which under certain geometrical and flow conditions causes en increase of the scouring rates.

Vertikale Strahlen können beim Auftreffen auf bewegliche Sohlen zu beachtlichen Erosionen führen. Zur Vermeidung von Erosionsgefahren an wasserbaulichen Anlagen und zum effektiven Einsatz von Wasserstrahlen bei der Lockerung und Erosion von natürlichen Böden ist eine systematische Untersuchung der Erosionswirkung von Strahlen mit und ohne Geschwindigkeitspulsation erforderlich. Das Teilprojekt B2 im Sonderforschungsbereich 80 ist deshalb der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Strahlströmung und Erosion gewidmet und soll anhand experimenteller Untersuchungen und analytischer Betrachtungen Erkenntnisse über den Einfluß der Strömungsparameter auf die Erosion liefern.

Conventional collector basins of natural draft cooling towers have a tendency towards rapid sedimentation. In order to avoid this problem, a shallow type of basin with a system of draining canals is developped. Numerical calculations supplemented by hydraulic model tests yield depths, velocities and energy losses in the system. Prototype measurements are shown to be in good agreement with numerical and experimental predictions for all modes of operation., Les bassins collecteurs conventionels des tours de réfrigération à courant d'air naturel ont la tendance d'une sédimentation rapide des matières en suspension. Pour éviter ce problème un type de bassin peu profont avec un système de fossés de drainage est développé. La profondeur, la vitésse et la perte d'energie dans le systéme sont obtenues par des calculations numériques suppleé par des essais hydrauliques. Les mesures en prototype sont en bonne concordance avec les prédictions numériques et experiméntales pour tous des modes d'opération.

Im Rahmen der wasserwirtschaftlichen Nutzung der Oberflächengewässer gewinnt die Frage nach der Wechselwirkung zwischen fließenden und angrenzenden stehenden Gewässern im Hinblick auf die Kontrolle und Erhaltung der Wasserqualität zunehmend an Bedeutung. Der wechselseitige Austausch von Wasserinhaltsstoffen (Suspensionen, Sauerstoff, toxische Stoffe und dgl.) zwischen beiden Wasserkörpern hätngt entscheidend davon ab, ob der Strömungszustand stationär oder instationär ist. Die Kenntnis der Austauschvorgänge in natürlichen Gewässern liefert Ansätze zu strömungsmechanischen Verbesserungen von Gewässergütemodellen. Das Ziel der Untersuchungen ist die experimentelle Bestimmung des Massenaustauschs unter stationären und instationären Strömungsbedingungen für Totwassergebiete unterschiedlicher Größe und Form. Hierbei werden Effekte zufolge von Dichteunterschieden, Windschub und Wellen ausgeschlossen und zunächst nur der Austausch konservativer und hydrodynamisch neutraler wasserlöslicher Stoffe (Farbtracer) bestimmt, Der Austauschprozeß selbst sowie dessen Auswirkung auf das Fließgewässer soll in einem eindimensionalen mathematischen Transportmodell aus Ausgangspunkt für ein Gewässergütemodell näherungsweise simuliert werden.

An experimental investigation of erosion of a uniform sand bed by a vertical submerged jet shows that the momentum flux of the jet and the distance between nozzle and sediment determines the rate of scour. Under fully turbulent conditions, the relative dimensions of the scour hole depend only upon the time parameter and the ratio between the fictitious axial jet velocity at the bed and the fall velocity of the sediment particles. There exist two distinct values of this ratio, at which the eroding action of the jet becomes particularly effective. At the same mean volume flux, the erosion rate can be more than doubled by pulsations of the jet velocity. For the relative distance between nozzle and bed investigated, the continuous jet has the least erosion capacity as compared to pulsating jets., L'étude expérimentale de l'affouillement d'un lit de sable nature! par un jet submergé et vertical montre, que la quantité de mouvement et la distance entre la buse et le fond mobile détermine la loi de croissance de l'affouillement. On peut constater que les dimensions relatives de l'affouillement dependent seulement du paramètre de temps et de la vitesse fictive sur l'axe du jet au niveau du fond, par rapport à la vitesse de chute des grains. Pour deux différentes voleurs de la proportion de ces vitesses, il y a un affouillement extrème à cause du jet. Un jet pulsant possède plus que la double capacité d'érosion qu'un jet permanent avec le même débit volume moyen. A la distance recherchée le jet permanent effectue le minimum de volume d'affouillement comparé aux jets pulsants.

Der Bedarf der Industrie an Brauch- und Kühlwasser muß in hochindustrialisierten und dichtbesiedelten Ländern wie der Bundesrepublik Deutschland zu einem großen Teil aus Oberflächenwasser gedeckt werden. Bei der Entnahme von Rohwasser aus fließenden Gewässern läßt sich kaum vermeiden, daß gleichzeitig auch mitgeführte Feststoffe entnommen werden, die durch entsprechende Aufbereitungsmaßnahmen dem Rohwasser entzogen werden müssen. Um Investitionen und Betriebskosten der Reinigungsanlagen auf ein wirtschaftliches Maß zu beschränken, ist es erforderlich, die in den Entnahmestrom gelangenden Feststoffe durch eine hydraulisch günstige Gestaltung des Entnahmebauwerks auf ein Minimum zu reduzieren.

Die hydraulischen Probleme beim Entwurf der Bauwerke im druckfreien Teil des Kühlwasserkreislaufs (Entnahme- und Verteilerbauwerk, Kraftschlußbecken, Kühltasse) werden beschrieben. Es werden die Anforderungen an die hydraulische Leistungsfähigkeit des Kühlsystems zur Realisierung von Frischwasser-, Ablauf-, Kreislauf- und Mischkühlung skizziert, sowie versuchstechnische und numerische Lösungsmöglichkeiten an Hand ausgeführter repräsentativer Untersuchungen an bestehenden und geplanten Kraftwerken aufgezeigt., Hydraulic design problems of the structures in the free-surface part of the recirculating system (intake and distribution structure, control weir, cooling tower) are described. The capacity of the cooling system required for realization of once-through cooling, blow-down, recirculation and mixed mode operation is discussed, and experimental and numerical methods of solution are illustrated by means of several representative investigations of existing and planned installations.

Tiefgetauchte Strahlen können auf beweglichen Gewässersohlen erhebliche Auskolkungen hervorrufen. Die Erosionswirkung ist stark abhängig von der Größe des hydrodynamischen Sohldrucks und der Durchlässigkeit des körnigen Sohlmaterials. Abhängig von der Intensität des Strahlangriffs bilden sich zwei charakteristische Kolkformen mit unterschiedlichem Auskolkungsverhalten aus. Periodische Pulsationen der Strahlgeschwindigkeit verändern das Strömungsfeld in Sohlennähe und bewirken eine Steigerung der Erosionsrate., Submerged jets impinging on a movable sediment bed have a strong scouring capacity. The scouring effect depends on the hydrodynamic wall pressure at the impinging region and the permeability of the bed material. Two characteristic scour forms with different erosion and transport pattern can be observed. Periodical jet velocity fluctuations improve the flow conditions at the bottom and enhance the scouring rate.

The hydraulic design of spillways, with high specific discharge usually requires model investigations. Whereas standard small-scale models are sufficient for the assessment of the general flow pattern, studies on cavitation control by means of aeration have to be conducted in detail models at considerably larger scales. Detail models of aeration grooves are studied in order to optimize the geometry and to determine the air entrainment of the grooves. The large model scale necessitates the use of models which represents only a small fraction of the width and length of the spillway. Such sectional models allow only an investigation of a single aeration groove in a given approach flow. This paper presents a hydraulic model study of the spillway of Laiban Dam on the Philippines, which is part of the Manila Water Supply Project III.

The design of a hydraulic structure in a cooling water circuit is described which serves the dual purpose of controlling the water levels in the system upstream and of providing a maximum oxygen uptake without discharging large amounts of air into the subsequent pressure duct in order to avoid blow-out problems.

ln dem vorliegenden Aufsatz wird anhand einiger Beispiele aus dem Wasserbau dargestellt, an welchen Aufgaben und Problemen im Institut für Hydromechanik, Stauanlagen und Wasserversorgung derzeit gearbeitet wird. Das Spektrum des Forschungsprogramms ist erheblich breiter. Eine Reihe von Arbeitsgebieten wurde hier nicht oder kaum angesprochen. Die Ergebnisse der strömungsmechanischen Grundlagenforschung finden nicht nur im Wasserbau Anwendung, sondern auch im konstruktiven Ingenieurbau, in der Verfahrenstechnik und im Maschinenbau.

Die Erosion eines Sandbettes durch tiefgetauchte Strahlen unterschiedlicher Pulsationscharakteristik ist ein außerordentlich komplexer Vorgang. Es wurde daher im Sinne des Forschungsprojektes für sinnvoll und zweckmäßig gehalten, in einer ersten Versuchsreihe die Erosion durch einen kontinuierlichen Strahl als Grenzfall eines pulsierenden Strahles mit verschwindender Pulsation zu untersuchen. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit kontinuierlichen Strahlen sind zum allgemeinen Verständnis des Erosionsvorganges unerläßlich und dienen gleichzeitig als Vergleichswerte für die Ergebnisse mit pulsierenden Strahlen.

Der Bewegungsbeginn und der Transport von Feststoffen hängt nicht nur von den zeitlichen Mittelwerten der Strömung ab, sondern wird auch entscheidend durch die Schwankungen um diese Mittelwerte beeinflußt. In der vorliegenden Arbeit soll am Beispiel eines vertikalen, turbulenten Strahles der Einfluß einer Pulsation der Strömung auf den Auskolkungsprozeß quantitativ ermittelt werden. Die hieraus gewonnen Erkenntnisse haben praktische Bedeutung für das Problem der Sohlenerosion durch Schiffspropeller, für Bodenbeschädigung durch Hovercrafts oder das wirkungsvollere Saugbaggern festgepackter Sandböden.

Deterministische Konzepte zur Bemessung von Dämmen und Deichen stellen seit Jahrzehnten den allgemein anerkannten Stand der Technik dar. Trotzdem kommt es immer wieder zu Versagensfällen bei Bauwerken die diesen Standard genügen. Die Gründe dafür werden in den einführenden Kapiteln erläutert. Eine präzisere und wirtschaftlichere Methode zur Beschreibung des Sicherheitsniveaus stellen probabilistischen Analysen dar. Sie liefern als Ergebnis eine Versagenswahrscheinlichkeit für jeden einzelnen Deichabschnitt, die alle häufig auftretenden Versagensformen berücksichtigt. Reduziert auf diese eine Kennzahl kann so die Leistungsfähigkeit eines Bauwerks auch in direkten Vergleich zu anderen Bauwerkstypen gestellt werden. Dies ist bisher nur eingeschränkt möglich. Zur Ermittlungen der Versagenswahrscheinlichkeiten müssen, anders als bei der deterministischen Bemessung, auch die Unsicherheiten der Belastungs- und der Widerstandsgrößen statistisch beschrieben werden. Die Bedeutung dieser Größen wird anschaulich im Grundlagenkapitel erklärt. Probabilistische Analysen werden bereits seit einigen Jahrzehnten in anderen Ingenieursdisziplinen erfolgreich eingesetzt. Die erste erfolgreiche Anwendung im Hochwasserschutz ist seit einigen Jahren in den Niederlanden im Einsatz. Im Rahmen des PC-River Projektes, das maßgeblich zur Entstehung dieser Arbeit beitrug, konnte die niederländische Software PC-Ring zur Anwendung auf die deutschen Mittelgebirgsflüsse Iller und Elbe angepasst werden. Diese unterscheiden sich in ihre Abflussdynamik, Topographie und zahlreichen weiteren Faktoren deutlich von den Deltabereichen des Rheins, für die PC-Ring als proprietäre Software ursprünglich entwickelt wurde. Das Projekt wurde in Kooperation von den beiden Instituten für Wasserbau und Geotechnik bearbeitet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den wasserbaulichen Fragestellungen, der Belastung der Deiche. Auf die geotechnischen Aspekte der Belastbarkeit durch Hochwasser wird an geeigneter Stelle verwiesen. Kern dieser Arbeit ist die ortsabhängige Quantifizierung der Unsicherheiten des Wasserstandes, getrennt für jeden einzelnen Deichabschnitt. Zahlreiche Parameter können den Wasserstand beeinflussen. Eine ausgiebige Literaturrecherche fasst die zahlreichen aktuellen Forschungsergebnisse zusammen, die vor allem an der Elbe im Nachlauf der letzten Katastrophenereignisse von mehr als 40 Forschergruppen erarbeitet wurden. Die wichtigsten Parameter werden ausgiebig erörtert und mit Verteilungsfunktionen statistisch beschrieben. Die zuverlässigste Aussage zur kombinierten Auswirkung dieser Parameter auf den Wasserstand erhält man bei Anwendung der Monte-Carlo Methode auf die hydraulischen Berechnungen. Für die Wasserstände können so naturnahe Verteilungsfunktionen generiert werden, anstelle der bisher üblicherweise aus Erfahrungswerten angenommenen Unsicherheiten. Die Ergebnisse der Fallstudien zeigen für Elbe und Iller teils stark davon abweichende Werte. Problematisch wird dieses Vorgehen sobald komplexe Fließwege 2-dimensionale hydraulische Modelle mit hohen Rechenzeiten erzwingen. Bei großen Projektgebieten können einzelne Berechnungen so umfangreich werden, dass eine Monte-Carlo Simulation nicht mehr wirtschaftlich durchführbar ist. Elbe und Iller gehören wegen ihrer Komplexität beide in diese Kategorie. Die Reduzierung der hydraulischen Modelle auf eine minimale Anzahl von Einzelelementen bei Einhaltung einer Mindestabbildungsqualität spielt damit in dieser Arbeit eine Schlüsselrolle. Die hydraulische Berechnung mit der Finite Volumen Methode auf unstrukturierten Dreiecksnetzen wird durch Verbesserung bekannter und Entwicklung neuer Netzbildungsalgorithmen um mehr als Faktor 10 beschleunigt. Die Summe der Rechenzeiten auf gewöhnlichen Desktoprechnern konnte dadurch für die Fallstudien von mehr als 2 Jahren auf ca. 2 Monate reduziert werden. Das Ergebnis, die Verteilungsfunktion der Wasserspiegellagen am Deich, ermittelt für jede Zelle im 2D-Modell, wird zusammen mit den geotechnischen Widerstandsgrößen der Deiche in der probabilistischen Software PC-Ring ausgewertet. Diese liefert zusätzlich zur gesuchten Versagenswahrscheinlichkeit für Einzelbauwerke eine kombinierte Versagenswahrscheinlichkeit für Deichsysteme und den Anteil einzelner Parameter an der Unsicherheit. Mit diesen Informationen kann die Sicherheit eines Hochwasserschutzsystems durch gezielte lokale Maßnahmen sehr wirtschaftlich verbessert werden. Die vorgestellten adaptiven Rechennetze können auch in zahlreichen weiteren Einsatzgebieten der hydraulischen Modellierung, beispielsweise im operationellen Einsatz, zu deutlichen Leistungssteigerungen führen., Deterministic design rules for levees have been the design method of choice for several decades. But still every year failures occur on structures rated as safe. Reasons are given in the introductive chapters. More accurate and economical methods to calculate safety levels use probabilistic analysis which consider all major failure modes and provide a single classification value for each levee section, the failure probability. In contrast to deterministic design methods, each input variable for impact and resistance is described with a probability density function, instead of a single mean value. The importance of these functions is discussed in the background chapter. Probabilistic analysis is already widely used in other engineering disciplines. In the Netherlands for example it has been used for flood protection since the early 1990s in the PC-Ring project which was designed to fit the needs at the Dutch Rhine delta. A cooperation between the Institutes for Hydraulic Engineering and Geotechnical Engineering at the University of Stuttgart has recently adapted this proprietary probabilistic software PC-Ring to the Elbe and Iller rivers in Germany, the PC-River project. This thesis covers the main hydraulic engineering side of the PC-River project and sets out how to spatially determine the impact on dikes for probabilistic methods, using the rivers Elbe and Iller as case studies. It achieves this by spatially resolving the quantification of water level uncertainties for every single dike section with two-dimensional hydraulic finite volume models. A large variety of parameters such as discharge, landuse or seasonal aspects can influence water level uncertainties. An unprecedented collection of data, gathered by more than 40 research groups after the early millennium flood events along the River Elbe, is used to discuss each parameter in detail in the literature chapter and to derive their probability density functions. The combination of all input functions to a single probability density function for water levels can only be solved satisfactorily with Monte Carlo methods, which works fine as long as models are small and of low complexity. Elbe and Iller are both beyond that stage. A single hydraulic water level calculation might need several days to be completed in 2- dimensional finite volume models, which means that Monte Carlo simulations are not feasible for non academic projects as they require expensive hardware. Reducing the complexity of hydraulic models to a minimum by keeping a predefined quality level is one of the principle topics of this research. The development of new and optimizing existing adaptive meshing algorithms has allowed a significant improvement of the performance of triangulated irregular networks. The calculation effort for both case studies could be reduced by more than factor 10 and is now around 2 months on common desktop computers for a full Monte Carlo simulation. The presented case studies on the Elbe and Iller show significant safety reserves in most areas and few highlight local weak spots for single levee sections when using probabilistic analysis. With the traditional design recurrence period approach only a constant safety level for all levees can be determined. For both rivers, Elbe and Iller, standard deviations for water levels are found to be much higher along some dikes than the commonly used average values. Additionally, by using the failure probability it is for the first time possible to directly compare different flood defense measures, like walls, sheet piles or levees. The resulting probability density functions from the hydraulic assessment, available for every cell of the 2D model, are imported in PC-Ring. In combination with the geotechnical resistance parameters a failure probability for every levee section is calculated. Byproduct is an indicator that shows the influence of every single failure mode. These values can be used to detect weak spots and their reason. As a result, it is possible to significantly improve the safety level of the entire flood protection systems by only few economic local measures. The quantification of geotechnical resistance parameters and the statistical combination are discussed in depth in two separate publications, which are referenced where relevant. The hereby recommended meshing technologies enable the described Monte Carlo simulations on standard desktop computers for use in the commercial sector.

Bei Hochwasserereignissen werden Sedimente und partikulärgebundene Schadstoffe unterschiedlicher Herkunft verstärkt mobilisiert und mitunter weite Strecken von der Strömung transportiert. Hieraus erwächst ein Ablagerungspotential ungelöster oder an den Sedimenten partikulär gebundener Schadstoffe in fließberuhigten Gewässerkompartimenten an anderer Stelle im Flusssystem. Insbesondere Hochwasserrückhaltebecken sind auf Grund der vorherrschenden Sedimentationstendenz in diesem System von Anlandungsprozessen und stofflicher Akkumulation betroffen. Für jedwede Art der stofflichen Bewirtschaftung von Hochwasserrückhaltebecken ist das Verständnis von den Zusammenhängen der im System ablaufenden, zeitlich und räumlich mitunter hochgradig variablen Strömungs- und Transportphänomene und deren beeinflussende Faktoren unerlässlich. Denn nur so kann der zu erwartende Stoffrückhalt abgeschätzt und Maßnahmen zur Beeinflussung des Stoffrückhalts gezielt eingesetzt werden. Neben einer Reduzierung des stofflichen Rückhalts zur Gewährleistung der Funktionalität des Retentionsraumes ist grundsätzlich eine Erhöhung des Stoffrückhalts zur qualitativen Entlastung des Unterwasserbereichs denkbar. Diese Vorgehensweise greift die Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG auf, welche die Erhaltung und Verbesserung der aquatischen Umwelt in der Europäischen Gemeinschaft und langfristig die Eliminierung prioritärer, gefährlicher Stoffe zum Ziel hat. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die für den Schwebstoffrückhalt maßgeblichen Prozessabläufe innerhalb als Trockenbecken betriebener Hochwasserrückhaltebecken identifiziert und quantifiziert werden. Unter Verwendung 2D-numerischer Strömungs- und Transportmodelle wurden Simulationen an idealisierten Trockenbecken im Hauptschluss und Dauerstaubecken durchgeführt. Dabei wurden variierende Längen- zu Breitenverhältnisse, unterschiedliche Beckensteuerungen und Korngrößen von 10 µm bis 150 µm sowie ein konservativer Tracer betrachtet. Zu Vergleichszwecken erfolgten Untersuchungen an Poldersystemen. Bei diesen stand der Einfluss der Steuerungsstrategie auf die Ablagerungsmuster im Fokus der Untersuchungen. Die gewählte Untersuchungsmethode hat maßgeblich zum Prozessverständnis innerhalb des Systems Trockenbecken beigetragen. Hierbei erfolgte neben der Auswertung kontinuierlicher Schwebstoff- und Tracerzugaben im Beckenzulauf die Analyse des Transports und des Absetzverhaltens von jeweils nur über eine Dauer von 10 Minuten zugegebenen Schwebstoffs und Tracers zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Beckenfüllung. Dadurch werden die Transportwege während unterschiedlicher Beckenfüllstände und Abflüsse nachvollziehbar. Dies ist im Hinblick auf natürliche Prozesse dann von Relevanz, wenn kontaminierte Schwebstoffe zeitlich begrenzt in ein Fließgewässer eingetragen werden. Die Untersuchungsmethode ermöglicht zudem die Quantifizierung der einzelnen Prozesse. In allen betrachteten Varianten konnte der Kurzschluss als dominierender Prozess hinsichtlich der stofflichen Rückhalteeffizienz der Trockenbecken identifiziert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Beeinflussung des stofflichen Rückhalts anhand der Modifikation der Systemrandbedingungen. Im Rahmen der Fallstudie des Hochwasserrückhaltebeckens Horchheim konnte gezeigt werden, dass die Reduzierung des Regelabflusses die einzige Maßnahme ist, die nennenswerte Auswirkung auf den stofflichen Rückhalt hat. Geometrische Änderungen des Beckenraumes haben nur einen untergeordneten Einfluss auf die Rückhalteeffizienz absetzfähiger Stoffe. Die Abtrennung des Anteils des kurzschlussbedingten Transports am Beckenauslass im Fall der Simulationen mit stoßweiser, zeitabhängiger Tracerzugabe ermöglicht Aussagen über die hydraulischen Aufenthaltszeiten der jeweiligen Wasserpakete im Stauraum. Diese sind weitaus höher als theoretisch ermittelte Aufenthaltszeiten als Quotient aus Beckenvolumen und Abfluss, da letztere die unterschiedlichen Zeitskalen der Prozesse des kurzschlussbedingten Transports und des Austrags aus dem Becken nach erfolgter Durchmischung nicht berücksichtigen. Wichtig für die Beurteilung zeitabhängiger Sorptions- oder Abbauprozesse von Schadstoffen ist die tatsächliche Aufenthaltszeit im durchmischten Anteil des Wasserkörpers. Betrachtet man die modellhaft ermittelten Aufenthaltszeiten der Schwebstoffe im Wasserkörper, so liegen diese deutlich unter den hydraulischen Aufenthaltszeiten. Vereinfachende empirische Ansätze zur Abschätzung der Ablagerungsmengen in Stauräumen oder Sedimentationsbecken basieren in der Regel auf der Annahme stationärer Verhältnisse. Dadurch vernachlässigen sie den für die stoffliche Rückhalteeffizienz von Trockenbecken maßgeblichen Effekt des kurzschlussbedingten Transports. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei vereinfachende Ansätze zur Abschätzung von Ablagerungsmengen in Trockenbecken im Hauptschluss unter Berücksichtigung der relevanten Prozesse entwickelt., During flood events, sediments as well as particle bound pollutants are mobilised by the current and occasionally transported for long distances. This results in a potential of deposition of undissolved or particle bound pollutants in areas located further downstream, where reduced flow velocities appear in the water body. Flood retention reservoirs are affected by sediment aggradations and accumulation of toxicants in particular due to the predominant sedimentation tendency within these systems. For any concept of retention reservoir management the knowledge of the time and space dependent variable flow and transport phenomena occurring inside of the system as well as their influencing factors is of importance. This knowledge is essential for estimating amounts of particulate matter getting deposited. Furthermore, it is essential for the targeted application of measures for influencing the retention of particulate matter. This way, not only the reduction of sedimentation to guarantee the functionality of the retention reservoir is possible, but also an increased retention of contaminated particulate matter. As a consequence the downstream reach of a flood retention reservoir could be improved qualitatively. This is according to the European Water Framework Directive 2000/60/EG, which aims at preserving and improving the aquatic environment and eliminating priority hazardous substances in the long term. In the framework of the present work, the main phenomena relevant for the retention of particulate matter in green flood retention reservoirs could be identified and quantified. Applying 2D-numerical flow and transport models, simulations were conducted using idealised instream green flood retention. Varying length to width ratios, operation rules and grain sizes from 10 µm to 150 µm were considered as well as a conservative tracer. For comparative purposes, investigations of permanent reservoirs and polder systems were conducted. The latter was focused on the impact of operation rules on deposition patterns within the polder. The chosen method of investigation has significantly led to an understanding of the processes within the system green flood retention reservoir. At this, the behaviour of transport and sedimentation of suspended sediment and tracer, added at different levels of reservoir filling over a period of only 10 minutes in each case at the reservoirs inlet, was analysed in addition to a continuous addition of sediment. Thus, ways of transport depending on filling levels and discharges become apparent. With regard to natural processes this is relevant, if particle bound pollutants enter a river only for a short period. Furthermore, the investigation method enables the quantification of the individual processes as well. The hydraulic short circuit could be identified as dominating process regarding the trap efficiency of green flood retention reservoirs concerning particulate matter. The findings allow for influencing the retention of particulate matter by modifying the system’s boundary conditions. In the framework of the case study “green flood retention reservoir Horchheim” it could be shown, that the reduction of the reservoir outflow is the only measure which has an appreciable impact on sediment retention. Modifying the reservoirs geometry is only secondary concerning the sediment related trap efficiency. Separating the portion of tracer transported by the hydraulic short circuit from the tracer output signal at the reservoirs outlet enables the determination of the hydraulic residence time of a water particle within the flood retention reservoir. These residence times are much higher than the theoretical residence time as quotient of reservoir volume and discharge at the outlet. This is because the latter approach for determining the hydraulic residence time doesnt account for the different time-scales of the hydraulic short circuit processes as well as the mixing processes within the ponded water body. Important for the assessment of time dependent sorption and degradation processes of pollutants, which occur in the ponded water body, is the effective residence time in the mixed part of the water body in contrast to the short circuit flow. The residence times of suspended sediment particles, determined by means of the models are significant shorter than the hydraulic residence times. Empirical approaches for the estimation of trap efficiencies in retention reservoirs or sedimentation tanks are generally based on the assumption of steady conditions. Thus the decisive, unsteady effect of sediment transport by the hydraulic short circuit is unavoidably neglected if used for estimating the trap efficiency of green flood retention reservoirs. In the framework of this work, two simplifying approaches were developed for the first estimation of sediment deposition amounts in green flood retention reservoirs considering the relevant processes.

The work deals with better understanding of the flow and sediment transport processes in a river system. The general objective of the work is to develop a modeling methodology and a numerical tool for assessing the governing transport processes in a river system, with special emphasize on groyne fields and their influence on transport process. The multi-strip model is developed, as an improvement of 1D models, in order to simulate the river reaches trained by groynes. Even though flow in a groyne field is highly turbulent and three dimensional, it is possible to describe the influence of a groyne field on transport with 1D model, introducing a new concept. The new methodology comprises the groyne fields as second compartment with additional lateral exchange terms: (1) lateral dispersive exchange due to turbulence at the interface area that is dominant for an emerged groynes, in which case the dead zone model is used; and (2) lateral advective exchange due to existence of lateral flow between adjacent strips, which exists only if groynes are submerged, in which case three-compartment model is used. The laboratory experiments are performed to determine the exchange and sedimentation parameters which are important for numerical studies of rivers trained by groynes. Sedimentation in a groyne field is smaller than maximum possible and sedimentation depends on exchange process and internal flow condition in a groyne field. Therefore, combined measurements of both the exchange and sedimentation parameter contribute to better understanding of the groyne field influence on transport characteristics in rivers. The experiments are performed in regular 5 m long prismatic channel excluding the the morphologic heterogeneities in natural rivers. Ten identical groyne fields are built in sequences on the right hand side of the channel. The square groynes with dimensions of w/l=50/50 cm are straight and positioned perpendicular to the channel bank. The recommened values to be used for numerical model for the exchange parameter is 0.018 and 0.3 for the sedimentation parameter. Low computational time allows erosion risk assessment. Two major erosion parameters are analyzed: discharge and critical erosion shear stress. Different hydrological scenarios of the River Elbe and the tributary Mulde are applied on a long river reach of 112 km, such as long lasting mean discharge, one year return period flood, five years return period flood, and hundred years return period flood. Erosion and deposition areas are estimated. The Elbe domain affected by deposition is greater for higher discharges however, it is longer than the computational domain. The number of groyne fields subject to erosion increases with increasing flood, whereas up to 33% of inflow sediments are deposited in side strips. Increased discharges produce higher and intensive erosion however, their probability of occurrence is lower. The influence of the Mulde flood on deposition in groyne fields along the Elbe is one of the most important scenario due to highly contaminated load by the tributary. The numerical results indicate that up to about 44% of total fine sediment inflow from the Mulde will be deposited in groyne fields. These sediments will erode during flood events, unless after long time the stability and thus the critical erosion shear stress increases due to consolidation. Keeping in mind model simplification that only one grain size diameter is modeled and that contaminants will stick to even smaller grain size, it is expected that one part of the most polluted particles will be transported further downstream and influence floodplains, sediments, harbor, and ocean. Furthermore, the statistical methodology is implemented in the study of a critical erosion shear stress and its application in numerical modeling. In order to estimate an effective value of the parameter and erosion probability, a spatial distribution of the critical erosion shear stress is generated and a large number of realizations are calculated by the multi-strip model. The deterministic approach assumes that erosion can be estimated by using a single value of the critical erosion shear stress, ignoring the fact that with on going erosion deeper layers with different value of the parameter will be exposed to flow. The results suggest that the effective value based on statistics is smaller than the mean measured value, which leads to underestimates of groyne field erosion. The presented new statistical methodology coupled with a numerical modeling of suspended sediment transport presents an innovative and valuable framework for assessing erosion. Since the multi-strip model captures flow and transport characteristics in each strip and different time scale for erosion/sedimentation, it can be applied on any natural river. Thus, the multi-strip concept is a significant improvement of 1D models due to its possibility to simulate the transport in rivers trained by groynes keeping the advantages and enlarging the applicability of 1D models., Die vorliegende Arbeit liefert einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Strömungs- und Transportprozesse in Flusssystemen. Das Haupziel war die Entwicklung eines Modellkonzeptes zur Beschreibung der wichtigsten Transportprozesse in einem Flusssystem und dessen Umsetzung in einem numerischen Simulationsmodell. Der Fokus lag dabei auf der Einbindung von Buhnen, um deren Einfluss auf die Sedimenttransportprozesse beschreiben zu können. Das im Rahmen dieser Arbeit als Weiterentwicklung von bestehenden 1D-Modellen entwickelte Mehrstreifenmodell erlaubt die Simulation von Transportvorgängen in buhnengeregelten Flussabschnitten. Das Mehrstreifenmodell ermöglicht unter Beibehaltung der Vorteile der 1D Modellierung eine grundlegende Erweiterung des Anwendungsbereiches. Obgleich ein komplexes dreidimensionales und hoch turbulentes Strömungsfeld innerhalb eines Buhnefeldes vorliegt, ist es mit Hilfe des neu erarbeiteten Modellkonzeptes möglich, den Einfluss von Buhnenfeldern auf den Sedimenttransport in guter Näherung zu beschreiben. Der neue Modellansatz berücksichtigt Buhnen als ein Gewässerkompartiment, das über laterale Austauschterme mit dem Hauptflussschlauch gekoppelt ist: (1) ein dispersiver Austauschterm zur Beschreibung des Turbulenzeinflusses an der Grenzfläche zwischen Hauptfluss und Buhnenfeld. Dieser Term dominiert bei nichtüberströmten Buhnen und stationärem Abfluss, infolgedessen wird er beim Stillwasserzonenmodell angewendet. (2) ein advektiver Austauschterm, der bei variabler Querschnittsgeometrie und/oder instationärem Abfluss aktiviert wird. Dies ist meist dann der Fall, wenn die Buhnen überströmt werden. Diese Situation wird dann mit Hilfe des 3-Kompartimenten-Modelles beschrieben. Die Laborexperimente wurden durchgeführt, um die Austausch- und Sedimentationsparameter zu bestimmen, die für numerische Studien zur Untersuchung buhnengeregelter Flüsse notwendig sind. Die Sedimentationsrate ist von den Austauschprozessen und dem internen Turbulenz- und Geschwindigkeitsfeld abhängig und liegt meist unter der maximal möglichen Wert. Daher trägt die Messung der beiden Grössen, Austausch- und Sedimentationsrate, zum besseren Verständniss des Einflusses der Buhnenfelder auf die Transportcharakteristik der Flüsse bei. Die Experimente wurden in einem 5 m langen prismatischen Kanal ohne die morphologischen Inhomogenitäten natürlicher Flüsse durchgeführt. Es wurden 10 quadratische Buhnenfelder orthogonal zum Ufer eingebaut. Der vorgeschlagene Austauschkoeffizient liegt bei 0.018 und der vorgeschlagene Wert für den Sedimentationsparameter ist 0.3. Kürzere Rechenzeiten erlauben eine statistische Auswertung der Ergebnisse. Zwei wesentliche Einflussfaktoren werden untersucht: Abfluss und kritische Erosionsschubspannung. Unterschiedliche hydrologische Szenarien, wie z.B. lang andauernder Mittelwasserabfluss und 1-, 5- und 100-jährliche Hochwasserereignisse werden auf einem Flussabschnitt mit 112 km Länge simuliert. Dabei werden sowohl Erosion als auch Sedimentation abgeschätzt. Das Längsprofil der aufsummierten Sedimentation deutet darauf hin, dass der von Sedimentation betroffene Elbeabschnitt mit steigendem Abfluß länger wird. Die Anzahl der Buhnenfelder, welche von Erosion betroffen sind, steigt mit steigendem Hochwasserabfluss. Bis zu 33% der eingetragenen Schwebstoffe werden in den ufernahen Seitenstreifen deponiert. Höhere Abflüsse führen erwartungsgemäß zu ausgeprägteren Erosionsvorgängen. Aufgrund der hohen Schadstofffracht der Mulde (km 259.6) ist der Einfluss des Mulde-Hochwassers auf die Sedimentation in den Buhnenfeldern längs der Elbe ein wichtiges Szenario. Die numerischen Ergebnisse deuten auf eine Deposition von 44% der insgesamt eingetragenen Feinsedimente in den Buhnenfeldern hin. Diese Sedimente können während Hochwasserereignissen erodiert werden, sofern die Stabilität und dadurch die kritische Erosionsschubspannung nicht durch eine langfristige Konsolidierung erhöht wird. Im Rahmen der Modellvereinfachungen wurde ein für den Schwebstoff repräsentativer Korndurchmesser modelliert unter der Annahme, dass Kontaminanten an dieser Kornfraktionen anhaften. Es kann erwartet werden, dass ein Teil dieser Partikel weit nach unterstrom transportiert wird und Überflutungsflächen, Hafenanlagen sowie den Küstenbereich beeinträchtigt. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit eine statistische Methodik eingesetzt zur Untersuchung des Einflusses der kritischen Erosionsschubspannung auf das Erosionsvolumen während eines Hochwasserabflusses. Die Ergebnisse der statistischen Methode werden diskutiert und mit denen der konventionellen Berechnungsmethode verglichen. Der deteministische Ansatz geht davon aus, dass die Erosion durch den Mittelwert der gemessenen kritischen Erosionsschubspannungen erfasst werden kann. Bei der statistischen Methode wird auf der Basis der verfügbaren Messdaten zur kritischen Erosionsschubspannung und deren Häufigkeitsverteilung jedem der etwa 2000 Buhnenfelder ein kritischer Schubspannungwert per Zufallsgenerator zugeordnet und nach dem Monte-Carlo Verfahren die statistischen Kenngrößen des erodierten Sedimentvolumens quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass aufgrund der räumlichen Variabilität der Buhnenfeldgrößen einschließlich der in den Buhnenfeldern herrschenden Strömungbedinungen die geostatistische Methode der Zuteilung der erosionskritischen Sohlschubspannung zu einem größeren Erosionsvolumen führt als der deterministische Ansatz mit einem konstanten Mittelwert. Dies bedeutet, dass die Nicht-Berücksichtigung der statistischen Sedimentstabilität zu einer Unterschätzung der Buhnenfelderosion führt. Die neuartige statistische Methode stellt somit in Kombination mit der numerischen Modellierung des Sedimenttransports eine innovative und für Umweltbelastungen relevante Vorgehensweise für die Bewertung erosiver Abflußereignisse dar. Da das Mehrstreifenmodell Strömungs- und Transporteigenschaften in jedem Streifen erfasst, kann es auf beliebige natürliche Flüsse angewendet werden. Das Mehrstreifenmodell stellt eine signifikante Verbesserung von 1D-Modellen dar, da es zum einen den Einsatzbereich von 1D-Modellen erweitert und zum anderen die Möglichkeit bietet, den Transport in buhnenregulierten Flüssen unter Beibehaltung der Vorteile von 1D-Modellen zu simulieren.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung der Transport- und sorptiven Reaktionsprozessen von Schwebstoffen und Schadstoffen in Fließgewässern. Das Transportverhalten wird durch zahlreiche interagierende Prozesse - beispielsweise Sedimentation, Erosion, Dispersion, Sorptionskinetik- beeinflußt und erfordert für den Modellaufbau die Bestimmung der transportrelevanten Prozesse sowie die daraus resultierende Aufstellung der notwendigen physikalisch und parametrisch basierten mathematischen Modellansätze. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Schwebstoff- und Schadstofftransportprozesse sowie die Umsetzung in das tiefenintegrierte zweidimensionale Transportmodell SUBIEF umfaßt dabei für mehrere Schwebstofffraktionen die folgenden maßgeblichen Prozesse: Transport, Sedimentation auf Basis eines Schwellenwertansatzes, Erosion und Disaggregation in die einzelnen Schwebstofffraktionen. Für die Sedimentationsprozesse wurde dabei der für ein Korngrößengemisch vorhandene Energieansatz zur Beschreibung der kritischen Sedimentationsschubspannung auf die multifraktionale Sedimentation übertragen und implementiert. Das Schadstofftransportmodell beschreibt den gelösten und fraktionsbezogenen partikulären Schadstofftransport, Adsorptions- und Desorptionsprozesse mit einer Reaktionskinetik erster Ordnung im Wasser- und Sedimentkörper, die Sedimentation und Erosion partikulärer Substanzen sowie diffusive Prozesse an der Wasser-Sedimentgrenzschicht. Die Ergebnisse der an einem idealisierten Gewässer durchgeführten Modellrechnungen bestätigen die Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Sedimentations- und Erosionsprozesse sowie der Reaktionsprozesse. Als Fallstudie wurden experimentelle Untersuchungen und numerische Studien mit dem entwickelten Modell für die Sedimentverspülung an der Staustufe Iffezheim/Rhein bearbeitet: Um einen ausreichenden Fließquerschnitt im Hochwasserfall zu gewährleisten, wurden im Frühjahr 2005 ca. 150.000 m³ mit Hexachlorbenzol (HCB) belastete Sedimente oberhalb der Staustufe Iffezheim mit einem Saugbagger entnommen und ins Unterwasser verspült. Die Umweltauswirkungen der Sedimentverspülung wurden durch ein umfangreiches Meßprogramm der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Zusammenarbeit mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg begleitet und durch Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, ergänzt: Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Abflußmessungen, Entnahme von Wasserproben zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration und der Korngrößenverteilung sowie Ausbringen und Auswerten von Sedimentfallen. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung wurde dabei mit unterschiedlichen Meßmethoden durchgeführt. Dabei ergaben sich teilweise stark voneinander abweichende Ergebnisse, die als Unsicherheitsfaktor für die Modellierung anzusehen. Die numerischen Untersuchungen wurden für den 22 km langen Flußabschnitt unterhalb der Staustufe Iffezheim durchgeführt. Es wurden drei Sedimentfraktionen < 200 µm sowie das gelöste und auf allen Fraktionen adsorbierte HCB berücksichtigt. Als Modelleingangsdaten dienten dabei die bei der Meßkampagne erhobenen Daten. Aufgrund des hochgradig diskontinuierlichen Verspülungsmassenstroms und der geringen Meßdatendichte war eine Kalibrierung des Modells im strengen Sinne nicht möglich. Daher wurden mehrere Sensitivitätsrechnungen mit Variation der Modellparameter durchgeführt. Obwohl die komplexen 3D Strömungsphänomene von überströmten Buhnen in einem 2D Modell nur näherungsweise abgebildet werden können, zeigten die Modellergebnisse ein gutes Verhalten hinsichtlich der Sedimentations- und Erosionsprozesse in Buhnenfeldern. Die Sensitivitätsrechnungen ergaben für die verschiedenen Fraktionen eine direkte Proportionalität zwischen der Sedimentation und der mittleren Sinkgeschwindigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Ablagerungszonen der einzelnen Fraktionen ergaben sich hieraus unterschiedliche Resuspensionspotentiale der einzelnen Fraktionen. Zum besseren Verständnis der Ablagerungs- und Transportprozesse wurden idealisierte quasistationäre Transportberechnungen mit Variation der Abfluß- und Verspülungsrandbedingungen durchgeführt. Im Modellgebiet stellt sich bei den quasistationären Transportverhältnissen eine Konzentrationsabnahme in Fließrichtung ein. Ein Transportgleichgewicht im Flußschlauch kann sich im Modellgebiet nicht einstellen, da durch die Buhnenfelder und Stillwasserzonen permanente Sedimentsenken vorhanden sind, die durch den dispersiven Eintrag einen permanenten Schwebstoffzustrom erhalten. Bei diesen quasistationären Rechnungen zeigen sich analog zur diskontinuierlichen Verspülung zunehmende Ablagerungsraten mit zunehmendem Partikeldurchmesser. Bei steigenden Abflüssen zeigt sich eine Reduktion der Ablagerungen für alle Fraktionen, die auf Verdünnungseffekte und die erhöhten Fließgeschwindigkeiten zurückzuführen sind., The topic of the presented work is numerical modelling of multifractional suspended sediment and associated pollutant transport in river systems. The transport behaviour of sediments and sediment-bound pollutants are determined by processes such as erosion, dispersion, sorption and sedimentation. For numerical model development the analysis of the relevant physical processes is necessary. The model concept developed for this thesis is focused on the description of multifractional suspended sediment and pollutant transport processes with emphasis on the interaction of dissolved and sediment-bound pollutants. The special module is implemented in the 2-dimensional depth averaged transport model SUBIEF. For sediments the model includes the following relevant processes: transport, sedimentation based on a threshold approach, and erosion with disaggregation of suspended sediments into fractions. The critical sedimentation shear stress is described by a turbulent energy approach adapted for multifractional sedimentation. The pollutant transport comprises the dissolved phase and particulate phase of different fractions, first-order kinetic adsorption and desorption processes as well as diffusion of solute pollutants at the water-sediment interface. The 2-dimensional depth averaged model concept for the multifractional erosion and the reaction processes in the water and sediment body can be generally applied to a 3-dimensional model. The model conception for the multifractional sedimentation and erosion processes and the sorption processes are tested by the results of model calculations done for an idealised channel. The sediment maintenance dredging in the headwater of the hydropower-station Iffezheim at the river Rhine offered a unique opportunity to perform field measurements and model application. To ensure sufficient flow cross section for flood events in the headwater of the weir, about 150.000 m³ fine cohesive sediments, polluted with Hexachlorobenzene (HCB), had to be removed in spring 2005. The sediment was dredged with a suction dredger and disposed to the tailwater through a 3.5 km long pipeline. The environmental impact of the suspended sediment disposal was monitored by an extensive measurement program designed by the German Federal Institute of Hydrology (BfG) in cooperation with the German Waterways and Shipping Office Freiburg (WSA). Additionally, within the framework of this thesis, the following measurements have been carried out to determine flow velocity and discharge, suspended sediment concentration, grain size distributions of suspended sediments in the water body and of freshly deposited sediments (sediment traps). Different measurement techniques were used for analysis of grain size distribution, leading to significantly different results which are considered as uncertainty factor for modelling. Numerical studies were performed for a 22 km long river section in the tailwater of the weir Iffezheim. The model describes the behaviour of three sediment fractions < 200 µm and the dissolved and particulate HCB as associated to each fraction. Model input data are based on the monitoring program. The unsteadiness of river discharge, the discontinuity of the sediment disposal and the poor data basis caused special difficulties for model calibration process. Therefore, several sensitivity calculations with variation of the model parameters were performed. The existing measurement data were usually in the range of the numerical results. Even though the complex 3-dimensional flow phenomenon of overtopped groyne structures can be captured only approximately by 2-dimensional model, the model results point out characteristic sedimentation and erosion processes in the groyne fields. The studies on the behaviour of the sediment fractions underline the importance of the fall velocity for the sedimentation rate and the spatial distribution of deposited sediment fractions as well. Idealized quasi-steady flow and transport calculations were performed, to exclude the effects of irregular interruptions of the sediment dredging and disposal and the unsteady discharge on transport and deposition processes. The results show a nearly exponential decay of suspended sediment concentration in the main channel of the river due to lateral dispersion and deposition in dead zones such as groyne fields and harbour areas. The quasi-steady calculations show an increasing deposition rate with increasing particle diameter. At higher discharge the total mass of deposited sediment is reduced which can be attributed to dilution effects (lower concentration) and higher flow velocities (lower sedimentation rate).

Long-term prediction of the quantity and spatial distribution of sedimentation is required in the planning and management of reservoirs. Numerical models, conceptual models, empirical models, scale models, or a combination of them can be used in order to predict long-term sedimentation of reservoirs. Some approaches are complex while others tend to oversimplify addressing practical questions related to sediment management. This work has attempted to address simplified methodologies to predict the amount and spatial distribution of reservoir sedimentation. Two complementary approaches were specifically assessed: the numerical and the data-driven modeling approaches. Numerical modeling of long-term sedimentation processes involve model, parameter, and data uncertainties and often require very high computational costs. Model conceptualization and solution procedures involved in long-term simulation of sedimentation processes of riverine systems are challenging. The first part of the study deals with the investigation of simplification of numerical simulations. The study begins with investigations made on the basic system response of reservoirs to unsteady inputs. By making use of hypothetical domains and periodic inputs, efforts were made to try to specify the theoretical concepts. The response of the reservoirs was investigated by using aggregate parameters such as theoretical residence time, critical erosion discharge, amplitude and the frequency of inputs. The analytical solutions of ideal continuously stirred reactors and/or plug flow reactors as compared with the real two-dimensional advection-dispersion numerical solutions of the TELEMAC modeling system were evaluated. Criteria for the refinement of quasisteady steps were investigated revealing the importance of reservoir shape, range of discharges, and residence time. The work then continues by investigating into long-term simulation and simplification strategies. A thorough evaluation of hydrological, topographical, and sediment data was conducted on the Lautrach reservoir of River Iller. Using the two-dimensional depth-integrated TELEMAC modeling system, sensitivity studies were conducted with relevance to data aggregation, temporal and spatial discretization, coupling methods, turbulence models, and sediment gradation. Based on the simplifications from the preliminary studies, long-term reservoir sedimentation was calibrated and validated with fully unsteady simulation. The validated morphological simulations were tested for the extent of the applicability of quasisteady approximation considering large steady time steps. It was found out that except for extreme discharges and low flows with high sediment concentrations, the quasisteady approximation with large time steps can be successfully applied without major discrepancy from the fully unsteady simulation. Comparisons of the prediction of bed evolution were made using complete unsteady, mixed-unsteady-quasisteady, and steady approximations. In the second part of the work, an approach on the use of principal component regression in modeling the spatio-temporal bed evolution processes of riverine system was developed. The principal component analysis made on long-term bed evolution simulation indicated that only the first four principal components represent some 95 percent of the variance. This indicated that a significant simplification and representation of the spatio-temporal simulated data can be made in a condensed form. Multiple regression models were then investigated between the first four principal component scores and the flow and the sediment inputs, resulting in a very good correlation. The reconstruction of reservoir bed evolution resulted in an excellent agreement when multiple regression was used between the principal component score and the time series of discharge, change in discharge, and suspended sediment concentration. The model was also reasonably validated with acceptable uncertainty for ranges outside the period of reconstruction. It was found that the regression parameters are dynamic due to the dynamic nature of reservoir bed as well as flow and sediment parameters. The work is a step forward towards simplifying the complex and computationally demanding task of modeling of long-term reservoir sedimentation by assimilating dynamic and data modeling techniques., Langzeitvorhersagen bezüglich Menge und räumlicher Verteilung der Sedimentation sind im Rahmen der Planung und des Managements von Reservoiren unerlässlich. Numerische Modelle, konzeptionelle Modelle, empirische Modelle, massstäbliche Modelle oder Kombinationen daraus können zur Langzeitvorhersage von Reservoirsedimentation herangezogen werden. Einige dieser Ansätze sind komplex, wohingegen andere die Fragestellungen, welche im Rahmen des Sedimentmanagements auftreten, tendenziell zu sehr vereinfachen. In dieser Arbeit werden vereinfachte Methoden zur Vorhersage von Menge und räumlicher Verteilung der Sedimentation in Reservoiren entwickelt. Zwei komplementäre Ansätze werden eingehender beurteilt, dies sind die numerische sowie die datenbasierte Modellierung. Zur numerischen Modellierung von Langzeit-Sedimentationsprozessen einschließlich der Modellerstellung, der Parameterwahl und der oftmals unzureichenden Datengrundlage bedarf es häufig eines sehr hohen Zeit- und Kosteneinsatzes. Der erste Teil der Studie befasst sich mit der Untersuchung möglicher Vereinfachungen numerischer Modelle. Zunächst erfolgte die Untersuchung grundlegender Systemreaktionen von Wasserspeichern auf instationäre Eingangssignale. Die Erarbeitung theoretischer Konzepte erfolgte unter Verwendung idealisierter Speichergeometrien und periodischer Eingangssignale. Bei der Untersuchung der Reservoirreaktion wurden aggregierte Parameter wie die theoretische Aufenthaltszeit, erosionskritischer Abfluss, Amplitude und Frequenz des Eingangssignals herangezogen. Die analytischen Lösungen volldurchmischter Speicher und/ oder nicht durchmischter Pfropfenströmungen wurden mit der numerischen, 2-dimensionalen Lösung verglichen, welche aus der Anwendung des TELEMAC Modellverfahrens resultieren. Im Zuge der Zusammenstellung der Kriterien für die Verfeinerung quasi-stationärer Zeitschritte zeigte sich der wesentliche Einfluss der Speicherform, der Bandbreite der Abflüsse sowie der Aufenthaltszeit. Im weiteren Verlauf der Arbeit stehen Langzeit-Simulationen sowie Vereinfachungsstrategien im Vordergrund, wobei zunächst eine vollständige Untersuchung der hydrologischen, topographischen sowie der sedimentbezogenen Daten des Lautrach Reservois an der Iller stattfand. Unter Verwendung des 2-dimensionalen, tiefenintegrierten Verfahrens TELEMAC wurden Sensitivitätsanalysen bezüglich der Datenaggregation, zeitlicher und räumlicher Diskretisierung, Kopplungsmethoden, unterschiedlicher Turbulenzmodelle und Abstufung der Sedimentgrößen durchgeführt. Basierend auf den Vereinfachungen aus den vorangegangenen Studien konnte die Langzeit-Sedimentation im Reservoir vollständig instationär kalibriert und validiert werden. Daraus kann gefolgert werden, dass die quasi-stationäre Näherung mit großen Zeitschrittlängen verwendet werden kann, ohne dass wesentliche Unterschiede zur vollständig instationären Simulation auftreten. Ausgenommen sind hierbei extreme Abflüsse sowie niedrige Abflüsse mit hohen Sedimentkonzentrationen. Hinsichtlich der Sohlevolution wurden die Ergebnisse der vollständig instationären, gemischt stationär-instationären und der näherungsweise stationären Simulationen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Ansatz entwickelt, räumlich-zeitliche Sohlevolutionsprozesse in Oberflächengewässersystemen mittels Hauptkomponenteregression zu modellieren. Die Anwendung der Hauptkomponentenregression im Rahmen der Langzeit-Simulation der Sohlevolution zeigte, dass die ersten vier Hauptkomponenten bereits 95% der Varianz abdecken. Das bedeutet, dass eine signifikante Vereinfachung und Darstellung der räumlich-zeitlich simulierten Daten in zusammengefasster Form erfolgen kann. Die Rekonstruktion der Sohlevolution im Reservoir resultierte in einer hervorragenden Übereinstimmung, im Falle dass die Multiregression zwischen der Hauptkomponentenkoeffizient und der der Zeitreihe des Abflusses, der Veränderung des Abflusses sowie der suspendierten Sedimentkonzentration verwendet wurde. Ausserdem konnte das Modell mit einer akzeptablen Ungenauigkeit für die Bereiche ausserhalb der Rekonstruktionsperiode validiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass es sich bei den Regressionsparametern auf Grund der dynamischen Natur sowohl der Reservoirsohle als auch der Strömungs- und Sedimentparameter ebenfalls um dynamische Größen handelt. Die vorgestellte Arbeit leistet einen Beitrag, die Vereinfachung der komplexen und rechenaufwändigen Modellierung von Langzeit-Simulationen der Reservoirsedimentation durch Integration dynamischer- und daten- Modellierung Techniken voranzutreiben.

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem korngrößenabhängigen Transport von Feinpartikeln in turbulenten Gerinneströmungen. Diese Untersuchung basiert auf den Daten von Experimenten, welche in einem Laborkanal durchgeführt wurden. Der Schwerpunkt liegt auf dem sich einstellenden Transportgleichgewicht bei nicht beliebig hoher Verfügbarkeit von Sohlmaterial. Der Einfluss des Laborsystems auf die erzielten Gleichgewichtszustände wird berücksichtigt. Zur Beschreibung der sohlnahen Austauschprozessen werden schwellwertbezogene Ansätze und solche,die auf den zeitlich und räumlichen Skalen turbulenter Burstprozesse beruhen, betrachtet. Beide Ansätze werden mittels nummerischer Modellrechnungen verglichen und anhand der Versuchsergebnisse bewertet. Die Messungen wurden mit Feinsedimenten ( bis 100μm), welche überwiegend klein gegen die Kolmogoroffsche Mikroskala sind, durchgeführt. Der Versuchsstand besteht aus einem Laborgerinne mit zirkulierender Strömung. Neben Messung von Korngröße und Konzentration suspendierter Partikel ist die Sedimentbewegung an der Sohle durch einen selbst entwickelten Partikelsensor erfasst worden. Den Versuchsbedingungen entsprechend findet eine sohlnahe Partkelbewegung in Form von sich zu Linienstrukturen akkumulierenden Partikeln oder unter Bildung von Riffeln statt. Der durch turbulente Burstprozesse hervorgerufene sohlnahe Sedimentaustausch, wurde während der Versuche mit dem Partikelsensor messtechnisch erfasst. Im Falle einer dicht mit einer einfachen Lage von Sandkörnern beklebten Sohle, welche einen Durchmesser von ca. 1mm haben, ergeben sich, im Vergleich zur glatten Sohle, qualitative Veränderungen im Transportverhalten der Sedimente im Gerinne. Die Adaption an einen Gleichgewichtszustand nimmt erheblich mehr Zeit in Anspruch als bei glatten Sohlverhältnissen, wobei die in die Rauheitselemente eingelagerten Partikel nicht mehr der umlaufenden Strömung zur Verfügung stehen. Die gemessenen Partialkonzentrationen suspendierter Partikel, sowie die Sieblinien der in den Sedimentfallen gefangenen, sohlnah bewegten Partikel, erlauben eine Abschätzung der bei glatter Sohle als erosions- bzw. sedimentationskritisch zu bewertenden Korngrößen. Aufgrund der Messdaten lässt sich im Shieldsdiagramm ein Bereich eingrenzen, für welchen ein Austausch zwischen Geschiebe und Suspension stattfindet. Die Annahme von Schwellwerten für Sedimentation und Erosion führt bei hinreichend kleinen Konzentrationen zu einem ablagerungsfreien Transport suspendierter Partikel, sofern diese kleiner als der erosionskritische Durchmesser sind. Dieses Transportverhalten konnte durch die den Meßdaten jedoch nicht ausreichend bestätigt werden. Diese Unstimmigkeit führte zu einer genaueren Analyse der Auswirkungen der Laborbedingungen auf die Messergebnisse. Zur Abschätzung der Abweichungen der am Gerinneende sich einstellenden Gleichgewichtskonzentration, von der in einem sehr langen Gerinne, wurde ein heuristischer Ansatz entwickelt, welcher auf den charakteristischen Zeitskalen der Transportprozesse in einem zirkulierenden Laborsystem beruht. Dabei ergibt sich qualitativ eine Erhöhung der gemessenen Konzentrationswerte am Gerinneende, verglichen mit der Gleichgewichtskonzentration, welche sich durch gegenseitiges Aufheben sedimentativer und erosiver Massenströme ergibt. Ein instationäres, 2-dimensional-vertikales numerisches Modell wurde erstellt, um die Transportmechanismen in einem solchen Laborsystem besser untersuchen zu können und um zu quantitativen Aussagen zu gelangen. Die Geschiebebewegung, sowie die rücklaufende Strömung wird dabei berücksichtigt. Die Erosionsraten werden wahlweise durch den Schwellwertansatz oder eine, an die Mechanismen des turbulenten Burstprozess angelehnte Formulierung, beschrieben. Die burstbasierte Variante liefert hierbei Ergebnisse, welche qualitativ mit den experimentellen Befunden übereinstimmt. Die Einführung einer, mit den erosiv wirksamen Phasen des Burstprozesses einhergehenden Übergangswahrscheinlichkeit für Partikel im viskositätsdominierten wandnahem Bereich, in die turbulente Strömung, führt zur quantitativen Übereinstimmung mit den Messdaten. Diese Übergangswahrscheinlichkeit ist abhängig von der Sohlschubspannung, nicht hingegen von der Korngröße. Mit dem so kalibrierten Modell wurde nun Berechnungen für sehr lange Gerinne durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass durch die lokalen, zeitlich periodisch auftretenden Erosionsprozesse und den damit verbundenen erosionsfreien Phasen der Aufbau eines sohlnahen Sedimentspeichers ermöglicht wird, welcher mit der Partikelsuspension erst nach einem Zeitraum, der deutlich größer als die mittlere Aufenthaltsdauer im System ist, im Gleichgewicht steht., The present work is focussed on the grain size-dependent transport of fine particles in turbulent open channel flow. This investigation is based on the data of experimental investigations, which were conducted in a laboratory channel. The main focus is the transport equilibrium in case of a limited availability of bed material, regarding the influence of the laboratory system on the experimental results. For the description of the near-bed vertical mass fluxes, either a threshold based approach and a formulation, based on the spatial and temporal scales of the turbulent burst cycle was applied. Both approaches were compared by means of numerical calculations and are evaluated on the basis of the experimental results. The experimental investigation with fine sand particles (max.100μm), which are smaller than Kolmogoroffs microscale, were conducted under hydraulically smooth and rough conditions. The experimental set up consists of a laboratory flume with recirculating flow. In addition to concentration and particle size measurements, the near-bed movement of sediment particles was observed with a self-developed particle sensor. Depending on the hydraulic parameters, the near-bed movement of particles is characterized by accumulation at low speed streaks or the development of ripples. Intermittend particle erosion du to turbulent burst processes was identified by evaluating the signals of the above mentioned particle sensor. In case of a rough channel bed, realized by a single layer of closely packed sand particles with a diameter of about 1mm, the sediment transport in the flume behaves qualitatively different from the hydraulically smooth conditions. The transient process, which leads to equilibrium transport, takes substantially more time than in case of smooth bed conditions. As a consequence of the irreversible deposition of the coarser particles into the gaps between the roughness elements, these particles are not longer available in the circulating flow. The measured partial concentrations of suspended particles, as well as the particle size distribution in the sediment traps, allows an estimation of the critical particle size for sedimentation and erosion. Based on the measured data, a range in Shields diagram was marked, for which an exchange between bed- and suspended load takes place. The assumption of critical shear stresses for sedimentation and erosion leads for sufficiently small concentrations to a deposition-free transport of suspended particles, if the particle size is below the critical diameter for erosion. This transportation behavior could not be sufficiently validated by the measured data. This discrepancy led to a more exact analysis of the effects of the laboratory conditions, here realized by a circulating flow, on the experimental results. To find a first estimation of the deviations of equilibrium concentrations in laboratory systems, compared with those in a very log channel, a heuristic approach was developed, which is based on the characteristic time scales of the transportation processes in a circulating laboratory channel. The result of this qualitative consideration is, that the measured concentration at the end of the laboratory channel is higher than the equilibrium concentration, which results from equality of sedimentative and erosive mass fluxes. An unsteady, two-dimensional-vertical numeric model was developed, in order to enable a more detailed investigation of the transportation mechanisms in such laboratory systems which allows also quantitative statements. In this model the bed-load motion, as well as the circulating flow are considered. The erosion rates are described alternatively by a threshold value or by a formulation, based on the mechanisms of the turbulent burst process. Only the burst-based formulation leads to results, which agree qualitatively with the data, obtained from the experimets. A quantitative agreement between measured and simulated data can be obtained by introducing a probabiltity for the erosion of particles in the viscous sub layer during the erosive eject events of the turbulent burst cycle. The probability turned out to be a function of the bed shear stress, but seems to be independent from particle size. Now, with the numerical model calibrated in the above mentioned way, calculations for a very long channel were performed. The results show, that the local, temporally and spatially distributed erosion processes and the settling of suspended particles between their occurence, enables the accumulation of a large amont of bed-load material. The transport equilibrium, characterized by a balanced net mass flux between bed- and suspended load, is reached after some time, which is considerably larger than the average retention period in the system.