Nachgefragt: Modellierung von Morphodynamik

Ich habe mich mit Frau Dr. Zorndt über das Thema „Modellierung von Morphodynamik“ unterhalten. Frau Dr. Zorndt hat an der Leibnitz Universität Hannover Bauingenieurwesen studiert und anschließend am Franzius-Institut für Wasserbau, Ästuar- und Küsteningenieurwesen promoviert. Seit 2014 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin der Abteilung Wasserbau im Küstenbereich der Bundesanstalt für Wasserbau. Dort beschäftigt sie sich unter anderem mit der Morphodynamik der Weser.

Klöpper: Frau Dr. Zorndt, Sie waren Ende September auf dem internationalen Workshop Morphodynamics 2015 an der TU Hamburg-Harburg. Was versteht man unter Morphodynamik?

Zorndt: Der Begriff Morphologie bedeutet allgemein die Lehre der Gestalt. Die Morphodynamik beschreibt die Änderung der Morphologie im Laufe der Zeit. Im Wasserbau oder Küsteningenieurwesen ist überwiegend die Geomorphologie gemeint. In Tideflüssen besteht das Gewässerbett überwiegend aus sandigem Material, manchmal auch aus feinkörnigeren Schluffen. Veränderungen des Gewässerbettes durch Erosion oder Sedimentation werden durch Tideströmungen und Seegang induziert. Über lange Zeiträume kann man in der Natur die Verlagerung von Prielen und Rinnen beobachten – ein Resultat des Sedimenttransports.

Klöpper: Sie verstehen sich als Küsteningenieurin. Der Workshop, auf dem Sie waren, wurde aber vom Institut für Geotechnik und Baubetrieb der TUHH organisiert. Sind das nicht ganz unterschiedliche Disziplinen?

Zorndt: Im Küsteningenieurwesen kommt überwiegend die prozessbasierte morphodynamische Modellierung zum Einsatz. Im Workshop ging es darum, welche Erkenntnisse oder Methoden aus dem Bereich der Geotechnik gewonnen werden können, um die Konzepte oder Parametrisierungen des Sedimenttransports in morphdynamischen Modellen zu verbessern.

Klöpper: Was ist prozessbasierte morphodynamische Modellierung?

Zorndt: Es ist eine Methode, morphodynamische Prozesse zu simulieren. Mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens werden Hydrodynamik und Transportprozesse (z.B. von Sedimenten) berechnet. Daraus ergibt sich die morphologische Änderung im Untersuchungsgebiet. Wir betrachten hierbei jedoch nicht einzelne Sandkörner, sondern ein vereinfachtes Ersatzsystem, nämlich einen Bodenkörper, der aus bestimmten Sedimentfraktionen zusammengesetzt ist. Unsere Sedimenttransportformeln werden dann für jede dieser Fraktionen gelöst. Hierbei parametrisieren wir den Beginn der Sedimentbewegung mit Hilfe der Bodenschubspannung. Erst beim Überschreiten einer kritischen Schubspannung beginnt die Bewegung der Sedimente. Für unsere großen Untersuchungsräume (100e von Quadratkilometern) und oft langen Simulationsdauern (Wochen bis Monate) ist das ein geeigneter Modellansatz. Es ist jedoch eine starke Vereinfachung der natürlichen Prozesse, bei der die Bewegung des einzelnen Sandkorns nur parametrisiert wird. Die Wahl des Modellaufbaus und der einzelnen Komponenten ist dabei immer von der Fragestellung abhängig, denn ein Modellsetup, das für alle Raum- und Zeitskalen geeignet ist, gibt es nicht.

Klöpper: Wo kann ich dann nachlesen, was dem aktuellen Stand der Technik oder Wissenschaft in der morphodynamischen Modellierung entspricht?

Zorndt: Das ist eine Frage, die auch auf dem Workshop thematisiert wurde. Denn ein Merkblatt oder eine Richtlinie, wie es sie in anderen Bereichen gibt, haben wir nicht. Die Entwicklung eines solchen Dokuments wurde auf dem Workshop diskutiert.

Klöpper: Verwenden die Geotechniker auch die prozessbasierte morphodynamische Modellierung?

Zorndt: In der Geotechnik werden zurzeit Methoden weiter entwickelt und angewendet, die tatsächlich die Bewegung von einzelnen Partikeln beschreiben, wie zum Beispiel Smoothed Particle Hydrodynamics, die Discrete Element Method oder die Material Point Method. Die Physik der Sedimentbewegung kann mit Hilfe dieser Methoden komplexer abgebildet und höher aufgelöst betrachtet werden. Damit werden Prozesse betrachtet, die wir in unseren Modellen nicht abbilden können. Allerding können mit solchen Modellansätzen nur sehr kleine Raum- und Zeitskalen betrachtet werden.

Klöpper: Das bedeutet, man müsste einen Weg finden die verschiedenen Modellansätze miteinander zu verbinden?

Zorndt: Viele Prozesse, nehmen wir nur mal den Porenüberdruck im Boden, der zu Sedimentbewegung führt, können wir mit Hilfe der heutigen Sedimenttransportformeln nicht berücksichtigen. Für die Morphodynamik können diese Prozesse aber durchaus wichtig sein. Das sehen wir z.B. beim schiffserzeugten Sedimenttransport oder dem Einfluss von Seegang auf Wattflächen. Ein Ziel des Workshops war es daher zu diskutieren, wie man die oben genannten Methoden der Geotechnik nutzen kann, um diese Prozesse in unseren Modellen zu beschreiben oder parametrisieren.

Klöpper: Und was haben Sie aus dem Workshop mitgenommen?

Zorndt: Im Workshop konnten wir die Zusammenführung der Methoden nur oberflächlich andiskutieren. Aber dieser interdisziplinäre Austausch ist wichtig. Bei der BAW wird dieser Austausch hausintern schon länger gepflegt, da hier beide Fachdisziplinen (Geotechnik und Wasserbau) unter einem Dach sitzen und eng zusammen arbeiten. Das Thema ist auch nicht neu, die BAW unterhält bereits Forschungs- und Entwicklungskooperationen mit Geotechnikinstituten der Universitäten. Bis zur ersten Umsetzung wird es aber sicherlich noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit benötigen.

Klöpper: Herzlichen Dank Frau Dr. Zorndt für diese Einblicke.

Verfasst von Morten Klöpper

Als wissenschaftlicher Angestellter im Bereich Wasserbau im Küstenbereich untersuche ich die deutschen Ästuare und Küstengewässer und nutze dabei überwiegend hydrodynamisch numerische Modelle.

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