Mehrdimensionale statistische Analyse räumlich und zeitlich hoch aufgelöster Oberflächen von Dünenfeldern

Henning, Martin

Sanddünen haben entscheidenden Einfluss auf den Geschiebetransport und die Rauheit von Flachlandflüssen. Maßgeblich für das Prozessverständnis ist deren geometrische und dynamische Beschreibung. Diese erfolgt zumeist anhand von Sohlenlängsschnitten nach der Modellvorstellung zweidimensionaler, formkonstanter Dünen, welche angesichts der Dreidimensionalität natürlicher Dünenfelder eine starke Vereinfachung darstellt. Eine Möglichkeit Dünensohlen zu beschreiben, besteht in deren Betrachtung mittels statistischer Analyse. Diese Methode wurde bereits für Sohldaten angewendet, findet in der wasserbaulichen Praxis bisher jedoch wenig Verbreitung. Ziel der Arbeit ist, den Nutzen der Statistik für die Beschreibung von Dünensohlen aufzuzeigen und mit geeigneter Methodik die Bedeutung für das Verständnis des Dünentransports nachzuweisen. Dazu wurden Rinnenversuche konzipiert, in denen sich dreidimensionale Sanddünenfelder unter definierten Randbedingungen ausbildeten. Diese wurden großflächig vermessen. Während der Versuche wurden hoch aufgelöste Zeitreihen der Bewegung von Dünenfeldern mittels Photogrammetrie aufgenommen. Die einmaligen Daten ermöglichen neue Erkenntnisse bezüglich der Dünendynamik. Durch Anwendung von Korrelationsverfahren und Spektralanalyse wird die Bedeutung dieser Methoden für das Verständnis des Dünentransports gezeigt. Der Vergleich mit konventionellen Methoden zeigt, dass die Statistik in ihren Möglichkeiten und durch die einfache und eindeutige Anwendung überlegen ist. Die praktische Relevanz wird anhand von Daten aus Maßstabsmodellen und Naturdaten gezeigt. Großskalige Analysen liefern robuste Ansätze, wie z. B. anhand eines Ansatzes zur Bestimmung des Geschiebetransports durch Dünen gezeigt wird. Mithilfe räumlich und zeitlich auflösender Ansätze werden Heterogenität und Dynamik bzw. Deformation von Dünenfeldern beschrieben. Die Gleichwertigkeit von Analysen über Raum und Zeit wird betrachtet.

Dunes play an important role for bed load transport and roughness of low-land rivers. The description of their geometrical and dynamic features is essential for understanding those processes. Commonly, dunes are characterized by means of longitudinal bed profiles on the basis of the model concept of two-dimensional dunes that migrate without deformation. Considering the three-dimensionality of natural dunes, this is a rough simplification. One way to assess dune field characteristics is by means of statistical analysis. The method was already applied for bed elevation data but is hardly considered for practical purposes. The present work aims at showing the benefits of statistical analysis for the description of dune surfaces and developing a methodology for the understanding of transport processes over dunes. Flume experiments were designed in which three-dimensional dune fields formed under defined boundary conditions. Large-area dune fields were measured after the experiments. High resolution time series of moving dune fields were recorded during the experiments using photogrammetry. The unique data set allows for new analyses of dune field dynamics and deformation. By application of correlation and power spectra functions the importance of these methods for understanding dune transport processes is shown. The comparison with results of conventional approaches shows that statistical analysis is superior for its straightforward and unambiguous applicability. The practical relevance is shown by analysis of scale model experiments and field data. The results show that large scale analyses yield solid approaches, e.g. a straightforward approach for bed load estimation over dune migration. By application of temporally and spatially resolving approaches the heterogeneity, dynamics and deformation of dune fields are described. Furthermore, the equivalence of the results of temporal and spatial analysis is considered.

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Henning, Martin: Mehrdimensionale statistische Analyse räumlich und zeitlich hoch aufgelöster Oberflächen von Dünenfeldern. 2013.

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