Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

STK-Workshop
Atelier du CSB
Schwemmholz
Bois flottant
Schwemmholz an Hochwasserentlastungen (HWE) von
Stauanlagen
Bois flottant et évacuateurs de crues des barrages
Kriterien zur Beurteilung des Gefahrenpotentials einer Talsperre durch
Schwemmholz
Critères pour l’évaluation du potentiel de danger dû au bois flottant
pour des barrages
EDF
Michael Pfister
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Schwemmholz
Bois flottant
Inhalt Contenu
22/6/2016
2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Einleitung
Schwemmholzaufkommen
Speicher
Verklausungswahrscheinlichkeit der HWE
Einwirkungen auf die HWE
Schlussfolgerungen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introduction
Occurrence du bois flottant
Réservoir
Probabilité de blocage
Effets sur évacuateur de crue
Conclusions
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Bois flottant
1. Einleitung Introduction
• Charakteristik des Einzugsgebiets
(welches V wird bei welchem Q
aktiviert?)
• Transport des Schwemmholzes
zur HWE (wie viel kommt an, mit
welcher Charakteristik?)
• Verklaust das Schwemmholz an
der HWE?
• Wie reagiert die HWE (bzw. das
Reservoir)?
• Caractéristique du bassin versant
(BV, quel V est activé pour quel Q
?)
• Transport du bois flottant vers
l’évacuateur de crue (quel V arrive
à l’évacuateur, avec quelle
caractéristique ?)
• Blocage du bois à l’entrée de
l’évacuateur ?
• Quelle est la réaction de
l’évacuateur (et de la retenue) ?
22/6/2016
Planat
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Raphael Schwitter
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NOAA
Welches Schwemmholzvolumen
generiert das Einzugsgebiet der
Talsperre? (Seitenerosion,
Rutschungen, Totholz)
Quel volume de bois flottants est
produit par le BV de la retenue ?
(érosion des rives, glissement de
terrain, activation bois mort) ?
1. Abschätzformeln
2. Analyse vergangener Ereignisse
3. Analyse des Einzugsgebiets
1. Equations approximatives
2. Analyse des événements passés
3. Analyse du BV
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
22/6/2016
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Internet
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Schwemmholz
Bois flottant
2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
Welches Schwemmholzvolumen
generiert das Einzugsgebiet der
Talsperre? (Seitenerosion,
Rutschungen, Totholz)
Quel volume de bois flottants est
produit par le BV de la retenue ?
(érosion des rives, glissement de
terrain, activation bois mort) ?
1. Abschätzformeln
2. Analyse vergangener Ereignisse
3. Analyse des Einzugsgebiets
1. Equations approximatives
2. Analyse des événements passés
3. Analyse du BV
Nur grobe Schätzung möglich.
Volumen oft zweitrangig, da erster
Haufen und einzelne lange Stämme
zuerst blockieren
Seulement une estimation grossière
est possible. Le volume est de faible
importance, car le premier tas et les
longs troncs coincent en priorité
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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Schwemmholz
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Volumen: 1. Abschätzformeln
z.B. Rickenmann (1997)
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V
A
VW
VG
[m3]
[m2]
[m3]
[m3]
Volume : 1. Equations approximatives
p.ex. Rickenmann (1997)
Schwemmholz Lockervolumen Volume en vrac
Fläche Einzugsgebiet Surface BV
Wasserfracht Hochwasserereignis Volume eau de crue
Geschiebefracht Hochwasserereignis Vol. sédiments de crue
V = 45 ⋅ A2 / 3
V = 4 ⋅ VW
Limitationen für Schweizer
Einzugsgebiete:
2/5
V = 0.02 ⋅ VG
Limitations pour BV suisse:
1 km2 ≤ A ≤ 6‘273 km2, 11 m2 ≤ V ≤ 25‘000 m2
21‘600 m3 ≤ VW ≤ 390 Mio m3 , 560 m3 ≤ VG ≤ 1.8 Mio m3
Volumen: 1. Abschätzformeln
• Repräsentative Kurve oder
Umhüllende?
• Charakteristik Hochwasser
(Wiederkehrperiode)?
• Geschichte Einzugsgebiet?
Volume : 1. Equations approximatives
• Courbe représentative ou
enveloppe ?
• Caractéristique de la crue (période
de retour) ?
• Histoire du BV ?
Es gibt weitere Ansätze mit
aktuelleren Daten!
D’autres approches avec des donnes
plus récents sont disponibles !
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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Volumen: 2. Vergangene Ereignisse
• Daten von vergangenen
Ereignissen vorhanden?
• Extrapolation von ähnlichem
Einzugsgebiet?
• Ereignisanalyse Hochwasser
BAFU
• Kleine Hochwasser können
grosse Schwemmholzvolumen
aktivieren, sofern vorgängig lange
kein Hochwasser aufgetreten ist
(„first flush“)
• Nachfolgende grosse
Hochwasser bringen weniger
Schwemmholz, da das
verbleibende Potenzial gering ist.
Volume 2 : Analyse des événements
passés
• Données des événements passés
disponibles ?
• Extrapolation d’autre BV similaire ?
• Analyse approfondie des crues
2005 par l’OFEV
• Des faibles crues peuvent activer
un volume considérable de bois
flottants, si la crue précédente date
(« first flush »)
• Les prochaines crues importantes
peuvent donc seulement activer un
volume plus faible
2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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Volumen: 3. Analyse Einzugsgebiet
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Volume 3 : Analyse du BV
• GIS, Luftbildanalyse,
• SIG, photos aériennes, inventaire
Felderhebung
in situ
• Quel volume est existant
• Welches Volumen ist vorhanden
(inventaire bois vert et mort,
(Inventar von Grün- und Totholz,
surface boisée, état de la forêt) ?
Bewaldungsfläche, Waldzustand)
• Welches Volumen wird potentiell • Quel volume peut potentiellement
être activé (proximité cours d’eau
aktiviert (Nähe zu Gewässer
(érosion des rives) et inclination de
(Seitenerosion) und Hangneigung
pente (géologie, glissement)) ?
(Geologie, Rutschung))?
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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Schwemmholzabmessungen
• Erhebung an der betroffenen
HWE
• Landesforstinventar (LFI)
• Ereignisanalyse Hochwasser
BAFU
Dimensions des bois flottants
• Inventaire à l’évacuateur concerné
• Inventaire forestier nationale (LFI)
• Analyse approfondie des crues
2005 par l’OFEV
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2. Schwemmholzaufkommen Occurrence du bois flottant
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Schwemmholzabmessungen
• Zollinger (1983) Gebirgsbäche:
Zerkleinerung in 1 bis 5 m lange
Stücke, entastet und geschält
• CFBR Richtlinie (2013)
Dimensions des bois flottants
• Zollinger (1983) torrents : broyage
dans pièces de 1 à 5 m, élagué et
écorcé
• Recommandation CFBR (2013)
CFBR
 Oft ist der längste Stamm
massgebend
 Bäume in Ufernähe
berücksichtigen
 Fréquemment, le tronc le plus long
est déterminant
 Donc considérer arbres aux
berges de la retenue
• Wird Schwemmholz direkt in
• Des bois flottants sont-ils
Speicher eingetragen? (steile und
directement introduits dans la
bewaldete Böschungen)
retenue (rive raide et boisée) ?
• Wird Schwemmholz bis zur HWE • Est-ce que le bois flottant arrive à
l’évacuateur (courant, vent) ?
transportiert? (Strömung, Wind)
• Des « anciennes » accumulations
• Werden „alte“ Teppiche im
peuvent-elles être activées ?
Reservoir aktiviert?
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3. Speicher Réservoir
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4. Verklausungswahrscheinlichkeit (VW)
Probabilité de blocage (PB)
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Viele Modellversuche für spezifische
Anlagen, keine allgemeingültigen
Ansätze
Einige generelle Ergebnisse:
• Wehrbrücken und Aufbauten
erhöhen VW
• Einzelne Stämme haben eine
kleinere VW, verglichen mit
Haufen (ab ca. 5 Stämmen) ohne
Wurzelstöcken, verglichen mit
Haufen mit Wurzelstöcken
• Einfeldriger (oder alternierender)
Wehrbetrieb besser
(asymmetrische Anströmung,
Rotation der Stämme)
• Länge Stamm relativ zur
Wehrfeldbreite ist wichtig
Nombreux cas particuliers testés sur
modèle réduit, pas d’approche
générale
Quelques conclusions
• Un pont-barrage et d’autres
structures augmentent la PB
• Des troncs individuels ont une
PB plus faible qu’un tas (à partir
de 5 troncs) sans souche, ayant
une PB plus faible qu’un tas avec
des souches
• Opération d’une passe (ou
alternant) est favorable (courant
asymétrique, rotation des troncs)
• Longueur d’un tronc relative à la
largeur de la passe est
importante
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4. Verklausungswahrscheinlichkeit
Probabilité de blocage
Hartlieb (2015)
Π Verklausungswahrscheinlichkeit Probabilité de blocage
D Stammdurchmesser Diamètre tronc
L
Stammlänge Longueur tronc
W Wehrbreite Larguer passe
H Überfallhöhe Charge
• für Einzelholz Π≈0
• für Haufen

L
Π = 0.73  − 0.96 

W
Arnd Hartlieb
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Limitationen Limitations
0.35 ≤ H/W ≤ 0.9, 0.07 ≤ F ≤ 0.35, 1 ≤ L/W ≤ 2
4. Verklausungswahrscheinlichkeit
Probabilité de blocage
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Bessere Dokumentation im Flussbau Plus d’information pour cours d’eau
• Verklausung an Brücken
• Blocage aux ponts
• Verklausung von Rechen
• Blocage aux grilles
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VW hoch wenn
• Freibord gering
• Grosse Holzdimensionen
• Froude Zahl F gering (niedrige
Anströmgeschwindigkeit)
Paloma Furlan
PB élevée si
• Revanche faible
• Grande dimensions des bois
• Nombre de Froude faible (faible
vitesse d’approche)
Pascal Venetz
4. Verklausungswahrscheinlichkeit
Probabilité de blocage
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Spezialfall PKW Cas particulier du PKW
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Michael Pfister
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4. Verklausungswahrscheinlichkeit
Probabilité de blocage
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Spezialfall PKW (Pfister et al. 2013)
(a) Einzelstämme Troncs
individuels
(b) Einzelne Wurzelstöcke souche
individuels
Π VW PB
D Stammdurchm. Diamètre tronc
H Überfallhöhe Charge
• Π ist von D und H abhängig
• Π=0.5 entspricht D=(2/3)H
(kritische Abflusstiefe)
• Wurzelstöcke blockieren bei
kleineren D als Stämme
• Stammlänge spielt keine Rolle
• Π dépends de D et H
• Π=0.5 est équivalent à D=(2/3)H
(hauteur critique)
• Des souches bloquent pour des
plus petits D que des troncs
• La longueur des troncs est peu
importante
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5. Einwirkungen auf HWE Effets sur évacuateur de crue
22/6/2016
San Clemente Dam, USA, NOAA
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5. Einwirkungen auf HWE Effets sur évacuateur de crue
Verklausung → Reduktion
Durchlässigkeit → zusätzlicher
Aufstau → Überströmen Talsperre
Aufstau verglichen mit Normalbetrieb
(ohne Holz)
• Yang et al. (2009), 3 Wehrfelder,
Aufstau 16 bis 27%
• Hartlieb (2015), 1 bis 3
Wehrfelder, Aufstau 20 bis 30%
• Schmocker und Hager (2013),
Rechen, Aufstau bis Faktor 4,
lineare Funktion von F
Blocage → réduction de section →
augmentation charge →
débordement barrage
Surélévation plan d’eau compare au
régime sans bois
• Yang et al. (2009), 3 passes,
surélévation de 16 à 27%
• Hartlieb (2015), 1 à 3 passes,
surélévation de 20 à 30%
• Schmocker et Hager (2013),
grille, surélévation jusqu’à facteur
4, fonction linéaire de F
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VAW
Ofima
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5. Einwirkungen auf HWE Effets sur évacuateur de crue
Spezialfall PKW Cas particulier du PKW (Pfister et al. 2013)
Schwemmholz
Bois flottant
1.6
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H/H
1
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20
q [m2/s]
i
1.63
1.78
2.96
3.62
4.97
5.34
5.68
6.84
7.05
7.66
9.39
12.45
1.4
1.2
0
5
V [m3/m]
s
10
0.2
q [m2/s]
∆H [m]
1.63
1.78
2.96
3.62
4.97
5.34
5.68
6.84
7.05
7.66
9.39
12.45
Eq. (2)
0.1
0
0
5
V [m3/m]
s
10
H=Überfallhöhe Charge, Hi=Überfallhöhe vor Schwemmholzzugabe
Charge initiale, ΔH=Zunahme Überfallhöhe Surélévation charge,
q=Spezifischer Abfluss Débit spécifique, VS= Schwemmholzvolumen
Volume bois flottants
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6. Schlussfolgerungen Conclusions
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• Vorhersage des
• Prédiction d’occurrence du bois
Schwemmholzaufkommens mit
flottant incertaine
Unsicherheit behaftet
• Prédiction de son effet sur
• Vorhersage des Effekts auf die
l’évacuateur incertaine
HWE mit Unsicherheit behaftet
• Un blocage peut mettre en
• Verklausung kann die Talsperrendanger la sécurité de la retenue
Sicherheit beinträchtigen
 Extremszenario mit kaum
vorhersehbaren Parametern
 Analyse in Szenarien, u.A. mit
hier gezeigten Ansätzen
 Robuste Ansätze wählen
 Scenario extrême avec conditions
peu prévisibles
 Analyse de la situation à partir de
scenarios, entre autres avec les
approches mentionnés
 «Robustesse» du système
Michael Pfister
[email protected]
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Merci pour votre attention!
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Michael Pfister