Resumen de Characterization of complex pebble movement patterns in channel flow – a laboratory study

K. Becker, O. Gronz, S. Wirtz, Manuel Seeger, C. Brings, T. Iserloh, M.C. Casper, Johannes B. Ries

• español

  Durante mucho tiempo, las investigaciones sobre la erosión por flujos concentrados se centraban en la erosión y el transporte de materiales finos. Estudios más recientes han demostrado que, por un lado, los fragmentos de rocas pueden reducir la erosión, pero por otro, se han podido observar movimientos de éstos en pequeñas cárcavas o incluso en superficies sin concentración de la escorrentía superficial. Sin embargo, poco se conoce hasta ahora sobre los patrones de movimiento de los fragmentos de rocas dentro flujos efímeros concentrados. ¿Existen patrones de movimiento típicos para diferentes formas? ¿Existe una relación entre los diferentes patrones de movimiento y la pendiente y velocidad del flujo? Y, ¿son reproducibles esos patrones y esas relaciones? Para obtener información sobre los patrones de movimiento de gravas se realizaron experimentos en un canal de laboratorio variando los siguientes parámetros: forma (elipsoide, casi esférico, aplanado), tamaño (diámetros entre 1.97 y 4.0 cm) de las gravas y pendiente (5°, 10°) del canal. El movimiento de 8 piedras diferentes, pintadas especialmente para el caso, fue registrado con una cámara de alta velocidad. Las secuencias de imágenes resultantes fueron analizadas de forma automática al igual que de forma visual. Aparte de la identificación de los patrones de movimiento de las gravas se estimaron también la velocidad de éstas, así como la velocidad y la profundidad del agua. Se pudieron identificar diferentes patrones de movimiento dependiendo de la forma de la piedra y de la pendiente del canal. Al principio de los experimentos con pendiente de 5°, las gravas grandes y aplanadas que descansan sobre la superficie del canal, comienzan con un movimiento de guiñada para después pasar a rodar alrededor del eje mayor. Con una pendiente de 10°, estas mismas gravas comienzan el movimiento con el mismo patrón, para después pasar a rodar alrededor del eje más corto y finalmente combinar el rodamiento con saltos. Estos patrones se describen a base de un lenguaje simbólico simple: secuencias de pictogramas describen formas de movimiento consecutivas. Además, se identificaron 5 grupos de velocidad de las gravas para cada pendiente: cada sección transversal de la forma de la grava resulta en un patrón de aceleración diferente. La metodología está limitada a agua clara y el laboratorio. Mayores profundidades limitan las posibilidades de tratamiento de imágenes. Así, futuros experimentos se combinarán con un sensor instalado dentro de los fragmentos de roca que sea capaz de medir fuerzas (aceleración), orientación (densidad+ del campo magnético) y la rotación (giroscopio).

• English

  For a long time, studies concerning erosion caused by concentrated overland flow mainly dealt with the erosion and the transport of fine material. More recent studies have shown that rock fragments reduce the intensity of soil erosion processes on the one hand, but on the other hand rock fragment movements also have been observed both in the rill- and interrill erosion processes. However, there is little knowledge about the movement process of rock fragments in shallow channel flow. Are certain movement patterns typical for different shapes? Are there relationships between movement patterns and slope and flow velocity? Are all these patterns and relationships reproducible? To answer these questions, we performed laboratory channel experiments. With these experiments, we could obtain information about movement patterns of pebbles, by varying the following parameters: shape (flat, ellipsoidal, nearly spherical), size (diameter between 1.97 and 4.0 cm) and channel slope (5°, 10°). During the experiments, a high-speed camera was used to capture the motion of eight specially painted pebbles. The resulting image sequences were processed using both automatic image processing and manual visual inspection. Besides the movement patterns, the pebbles velocity, the water velocity and the water depth were estimated. We could show that there were different movement patterns depending on the shape and the slope. For the 5° experiments, the big, flat pebbles lie at the beginning of the tests. After the following yawing, the pebbles mainly showed the movement form rolling around the longest axis. For the 10° experiments the big, flat pebbles showed the same movement pattern firstly, but later in the sequence, they started to roll around their shortest axis and in the end this movement form was combined with saltation. These patterns are described using a simple symbolic language: sequences of pictograms describe the consecutive movement forms. Furthermore, we detected five different velocity groups of the pebbles for each slope: different cross-section shapes of the pebbles result in different acceleration behavior. The methodology is limited to clear water in laboratory use. Even a larger water depth restricts the image processing. Thus, in the future the experiments will be combined with a small sensor that is implanted in the pebbles and measures forces (acceleration), compass (magnetic flux density) and rotations (gyroscope).