Flusskrümmungen im Labor

Wer trotz Lockdown und Home Office in den letzten Monaten einen Blick in die Halle V am Standort Karlsruhe werfen konnte, wird unschwer festgestellt haben, dass sich hier so einiges getan hat. Wo über 20 Jahre die Oder bei Hohenwutzen mit einem Geschiebetransportmodell (GTM) und später z. B. die Verringerung der Sedimentation in Häfen mit Hilfe von Lenkbuhnen untersucht wurden, wird seit November 2020 auf einer Fläche von fast 800 m² ein großes gegenständliches GTM aufgebaut – das sogenannte Krümmungsmodell. Es sieht dem Odermodell sogar ähnlich, da das gleiche gelbe Kunststoffgranulat genutzt wird, um das Geschiebe nachzubilden. Geschiebe ist das Sohlmaterial im Gewässerbett, das hüpfend und springend entlang der Gewässersohle bewegt wird.

Das neue Flächenmodell entsteht im Rahmen des Forschungsvorhabens „Hydraulische und morphodynamische Untersuchungen in Krümmungsstrecken mit Geschiebetransport“. Flusskrümmungen stellen im Wasserbau eine komplexe hydraulische und morphodynamische Situation dar, die gekennzeichnet ist durch dreidimensionale Strömungseffekte und eine große Veränderlichkeit von Strömung und Sohlgeometrie über den Ort und die Zeit.

Im Fokus der Untersuchungen stehen die Wirkung von Regelungsbauwerken im Gewässerbett (z. B. Buhnen oder Schwellen) und der Einfluss der Vorlandcharakteristik auf die Strömung und die Umformung der Gewässersohle in Flusskrümmungen. Im Modell sind drei Krümmungen mit zwei unterschiedlichen Radien abgebildet. Es werden Zusammenhänge unterschiedlicher geometrischer und hydraulischer Randbedingungen untersucht, um den Ansprüchen an die Wasserstraße sowohl für den Schiffsverkehr als auch als Lebensraum für Tiere und Pflanzen durch Strukturierung besser gerecht zu werden.

Ziel ist es, allgemeingültige Empfehlungen für strukturierende Maßnahmen in durch Krümmungen geprägten Flussstreckenabschnitten an den Bundeswasserstraßen abzuleiten. Die Modelluntersuchungen schaffen damit eine Schnittstelle zwischen anwendungsorientierter Forschung und WSV-Beratung.

Abb. 1: Projektion des Krümmungsmodells auf den Hallenboden.

Was ist bei diesem Geschiebetransportmodell denn nun aber so anders im Vergleich zu seinen Vorgänger-Modellen? Im Gegensatz zu stark anwendungsorientierten Laborrinnen oder zu GTM, die konkrete Flussabschnitte abbilden, ermöglicht das parametrisierbare Modell zu möglichst unterschiedlichen Flusskrümmungsabschnitten entlang der deutschen Bundeswasserstraßen Rhein, Elbe, Donau und Oder einen Bezug. Das Modell wurde daher so konzipiert, dass wesentliche geometrische, hydraulische und morphologische Parameter relativ leicht verändert werden können:

  • Änderung des Modellmaßstabs zur Anpassung an unterschiedliche Flüsse
  • Wahl des Modell-Sohlmaterials (ermöglicht die Simulation von Sand-Kies- als auch überwiegend Kiesführender Flüsse)
  • Bauwerksmodifikationen, z.B. Veränderung der Buhnenhöhe bezogen auf die Gewässersohle oder die Höhe des Vorlandes, Austausch von Buhnen durch Parallelwerke etc.
  • Vorlandmodifikationen durch unterschiedliche Vorlandhöhen, -breiten oder Rauheiten, Aktivierung einer Vorlandrinne

Der Modellaufbau ist beendet. Die Vorländer wurden zwischen Querprofilen aus Metall mit Sand gestaltet, der durch eine Estrichschicht befestigt wurde. Ca. 90  Buhnen wurden in Formen gegossen, im Gewässerbett eingebaut und zusätzlich mit einem Belag zur Erhöhung der Rauheit versehen. Als Sohlmaterial wurde gelbes Kunststoffgranulat aus Polystyrol zwischen Ufer und Buhnen eingeschwemmt. Nun kann das Modell mit der umfangreichen Mess- und Regeltechnik in Betrieb genommen werden.

Abb. 2: Rohbau des Modellaufbaus– Blick nach unterstrom (Stand: 18.12.2020).
Abb. 3: Frisch gefülltes Modell mit gelbem Granulat als Sohlmaterial, Buhnen in weiß an beiden Ufern, Vorlandfläche in grau – Blick nach oberstrom (Stand: 30.06.2021).

Die Art der Kalibrierung und die dabei zu erhebenden Daten wurden mit den Numerikern der BAW abgestimmt.  So können geeignete Daten für die Weiterentwicklung und Validierung von numerischen Modellverfahren zur Simulation von Strömung und Geschiebetransport bereitgestellt werden. Und wer weiß, bei all den vielen möglichen zu untersuchenden Fragestellungen, Parametervariationen und der ständig in der Entwicklung befindlichen Messtechnik wird das Krümmungsmodell bezüglich seiner Lebenszeit vielleicht an seinen Vorgänger heranreichen…

Weitere Informationen zum Forschungsvorhaben finden sich unter:

https://izw.baw.de/publikationen/forschung-xpress/0/BAWFoX_2021_26.pdf

An der Entstehung dieses Beitrages haben Petra Faulhaber und Bernd Hentschel mitgewirkt.

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