Sweep and clean : A laboratory investigation on fine-sediment erosion in immobile coarse-grained beds

In river systems characterized by sediment-supply limited conditions, such as mountain streams or river-reaches below damns, fine-sediments are transported over a coarse bed of cobble or gravel, immobile for most of the flow conditions. The prediction of sediment transport is particularly challenging, under these conditions, as it is strongly correlated to the level of protrusion of the immobile grains. The aim of this work is to investigate the influence of immobile grains on the fine-sediment erosion at the bedform- and grain-scale on the basis of an experimental approach in a laboratory flume. ... mehrThe immobile gravel bed was modelled with a staggered pattern of spheres (2 cm in diameter) with different roughness densities. Two types of fine sediments were used. Experiments were performed for varying Shields parameter, aspect ratio and relative submergence. The bed topography and the sediment transport were measured during the whole duration of the experiment (until a stable bed elevation was reached), while simultaneous stereo-PIV measurements were performed at selected staged of the bed development. A novel approach is developed to extend the stereo-PIV measurements to obtain data deep in between the roughness elements down to the level of the fine-sediments.
The morphodynamic measurements at the reach scale showed the development of ridges with a lateral inter-ridge spacing of 1.3 times the water depth, which defines the characteristic ridge wavelength. The number of ridges is given by the integer number of wavelengths which fit into the effective width of the channel. It is shown that the reason for faster erosion over the troughs than over the ridges is connected to the local downflow that pushes the sweeps towards the bed.
Both over the ridges and over the troughs, the analysis shows that the erosive behaviour changes with the protrusion level of the spheres $P$. Four stages take place: reduced erosion for $P$ < 0.2, enhanced erosion rates for 0.2 < $P$ < 0.4, decreased erosion rates 0.4 < $P$ < 0.7 and complete sheltering for $P$ > 0.7. The first transition at $P_{c1}$ = 0.2 is connected to the development of a shear layer at the top of the spheres which induces enhanced fine-sediment shear stresses through generation of sweep events. The second transition transition for $P_{c2}$ = 0.4 is connected to the dominance of strong upflow conditions in the lee side of the spheres which locally prevent the shear layer to reach the fine sediments, damping the shear stress. The flow there is characterized by isotropic turbulent conditions. In the stoss side of the spheres, the shear layer is still able to reach the fine-sediment bed. Here the flow is characterized by the predominance of sweeps which effectively originate in the shear layer. The interaction between the shear layer and the sphere downstream suggests wake-interference regimes. The third transition for $P_{c3}$ = 0.7 is characterised by the switch to skimming flow conditions, as the upflow extends up to the top of the spheres pushing the shear layer out of the bed interstices. At the level of the bed critical conditions of motion are observed. In the lee side of the spheres, inward interactions are predominant, while in the stoss side isotropic turbulence is observed. The influence of the roughness density, Shields parameter, sediment size and relative submergence on the fine-sediment erosion were also investigated. For a generic rough bed, the second and third transitions can be identified by the protrusion levels for which the planar density of the roughness elements reach 0.3 and 0.5. The first transition is expected when the protrusion level corresponds to the angle of attack of approximately 20° for which the shear layer starts to develops.

In Flusssystemen, die durch ein begrenztes Sedimentangebot gekennzeichnet sind, wie z. B. Gebirgsbäche oder Flussabschnitte unterhalb von Staudämmen, werden Feinsedimente über ein grobes Bett aus Geröll oder Kies transportiert, das für den größten Teil der Strömungsbedingungen unbeweglich ist. Die Vorhersage des Sedimenttransports ist unter diesen Bedingungen besonders schwierig, da er stark mit dem Ausbreitungsgrad der unbeweglichen Körner zusammenhängt. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss immobiler Körner auf die Feinsedimenterosion auf der Bettform- und Kornskala auf der Grundlage eines experimentellen Ansatzes in einer Laborrinne zu untersuchen. ... mehrDas unbewegliche Kiesbett wurde mit einem gestaffelten Muster von Kugeln (2 cm Durchmesser) mit unterschiedlichen Rauhigkeitsdichten modelliert. Es wurden zwei Arten von Feinsedimenten verwendet. Die Topographie des Bettes und der Sedimenttransport wurden während der gesamten Versuchsdauer (bis zum Erreichen einer stabilen Betthöhe) gemessen, während gleichzeitig Stereo-PIV-Messungen in ausgewählten Stadien der Bettentwicklung durchgeführt wurden. Es wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um die Stereo-PIV-Messungen so zu erweitern, dass Daten tief zwischen den Rauhigkeitselementen bis hinunter auf die Ebene der Feinsedimente gewonnen werden können.
Die morphodynamischen Messungen auf der Bettformskala zeigten die Entwicklung von Rippen mit einem seitlichen Abstand zwischen den "Ridges" (parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Sedimentstrukturen) von 1.3 mal der Wassertiefe, was die charakteristische Wellenlänge der "Ridges" definiert. Die Anzahl der "Ridges" ist durch die ganzzahlige Anzahl der Wellenlängen gegeben, die in die effektive Breite des Gerinnes passen. Es wird gezeigt, dass der Grund für die schnellere Erosion über den "Troughs" (Regionen des Bettest zwichen den Ridges) als über den "Ridges" mit der lokalen Abwärtsströmung zusammenhängt, die die Sweeps in Richtung Sohle drückt.
Sowohl über den "Ridges" als auch über den "Troughs" zeigt die Analyse, dass sich das Erosionsverhalten mit der Höhe des Vorsprungs der Kugeln $P$ ändert. Es finden vier Phasen statt: verringerte Erosion für $P$ < 0.2, erhöhte Erosionsraten für 0.2 < $P$ < 0.4, verringerte Erosionsraten 0.4 < $P$ < 0.7 und vollständige Abschirmung für $P$ > 0.7. Der erste übergang bei $P_{c1}$ = 0,2 steht im Zusammenhang mit der Entwicklung einer Scherschicht an der Kronenoberkante der Kugeln, die durch die Erzeugung von Sweep-Ereignissen erhöhte Feinsediment-Schubspannungen induziert. Der zweite übergang für $P_{c2}$ ist mit der Dominanz starker Aufströmungsbedingungen im Lee der Kugeln verbunden, die lokal verhindern, dass die Scherschicht die Feinsedimente erreicht, wodurch die Scherspannung gedämpft wird. Die Strömung dort ist durch isotrope turbulente Bedingungen gekennzeichnet. Vor den Kugeln kann die Scherschicht immer noch das Feinsedimentbett erreichen. Hier ist die Strömung durch das Vorherrschen von Sweeps gekennzeichnet, die tatsächlich in der Scherschicht entstehen. Die Wechselwirkung zwischen der Scherschicht und der stromabwärts gelegenen Kugel deutet auf Nachlauf-Interferenz-Regime hin. Der dritte übergang für $P_{c3}$ = 0.7 ist durch den Wechsel zu Skimming-Strömungsbedingungen gekennzeichnet, da sich die Aufwärtsströmung bis zur Oberseite der Kugeln ausdehnt und die Scherschicht aus der Kappe verdrängt. Auf der Höhe des Bettes werden kritische Bewegungsbedingungen beobachtet. Auf der Leeseite der Kugeln herrschen nach innen gerichtete Wechselwirkungen vor, während auf der Stoss-Seite isotrope Turbulenz herrscht. Untersucht wurden auch änderungen der Rauhigkeitsdichte, des Shields-Parameters, der Sedimentgröße und der relativen überflutung. Für ein allgemeines raues Bett können der zweite und dritte übergang durch die Vorsprungsniveaus identifiziert werden, für die die Flächendichte der Rauhigkeitselemente 0,3 und 0,5 erreicht. Der erste übergang wird erwartet, wenn der überstandsgrad dem Anstellwinkel von etwa 20° entspricht, bei dem sich die Scherschicht zu entwickeln beginnt.