Sedimente

1) Die Erosionsstabilität der Sedimentdepositionen im Großen Brombachsee war im Vergleich mit den anderen Stauräumen am größten (tiefengemittelte mittlere kritische Sohlschubspannung von 4,69 Pa), gefolgt vom Kleinen Brombachsee (0,51 Pa) und der Schwarzenbachtalsperre (0,38 Pa). 

2) Die kritische Sohlschubspannung korreliert dabei positiv mit der Lagerungsdichte und dem Tongehalt (für den Großen Brombachsee) und dem Sandgehalt (für die Schwarzenbachtalsperre) und negativ mit der gemessenen Organik für beide Stauräume.

3) Die 3D numerischen Simulationen zum Stauraummanagement (Sedimenttransport und Stauraumspülung) der Schwarzenbachtalsperre zeigten eine eindeutige Abhängigkeit vom Zufluss, vom Wasserspiegel im Speicher und den Sedimenteigenschaften. Die effizienteste Form einer Stauraumspülung erfolgte bei Vollabstau (erzielen eines Sedimentgleichgewichts).

Motivation: Erkenntnisgewinn und Wissenszuwachs zum Transportverhalten und Bewegungsbeginn von Feinsedimenten (kohäsive Sedimente)

Novum: Tiefenabhängige Untersuchung komplexer physikalisch-chemischer Interaktionen und biologischer Aktivität in den jeweiligen Sedimentschichten

Strategie: In-situ Messungen, Laboruntersuchungen, numerische Modellierung

Methoden: SETEG Rinne (Bewegungsbeginn, τ_crit), EROMOB (Bewegungsbeginn in-situ, τ_crit), LISST (SSC, PSD, Sinkgeschwindigkeiten), ADCP (Strömungsmessungen), SSIIM 2 (Numerisches Modell)

Zielsetzung: Parameterermittlung, die für den Resuspensionsprozess verantwortlich sind, Implementierung in numerisches Modell

Stauräume sind komplexe Bauwerke die von der Menschheit bereits im Altertum errichtet wurden (überliefert bis 5000 v. Chr.) mit dem Ziel, Wasser für eine Vielzahl von Verwendungszwecken zu speichern. Weltweit dienen Stauräume vor allem zur Sicherung von Trinkwasser und für die landwirtschaftliche Bewässerung. Es ist daher offensichtlich, dass Stauräumen in vielen Ländern eine wichtige Bedeutung zukommt. Insbesondere in denen, die unter klimatisch bedingtem Wassermangel und/oder einer Verunreinigung von natürlichen Wasserreserven leiden.

(A) Motivation: Sedimentanlandungen sind ein ernstzunehmendes Problem in vielen Stauräumen da sie zu einem kontinuierlichen Verlust an Speichervolumen führen. Dabei stellt insbesondere die Ablagerung von Feinsedimenten eine große Herausforderung an ein nachhaltiges Stauraummanagement dar. Der Erfolg von Managementstrategien (z. B.: eine Stauraumspülung) hängt stark von der genauen Vorhersagbarkeit der Sedimenteigenschaften und des Transportverhaltens von Feinsedimenten ab. Vor allem die Remobilisierung von abgelagerten Feinsedimenten ist aufgrund von räumlicher und zeitlicher Varianz der Sedimentzusammensetzungen sowie stark unterschiedlichen Sedimenteigenschaften nur schwer abzuschätzen. Erschwerend kommt hinzu, dass eine Interaktion von physikalischen, chemischen und biologischen Effekten die Sedimentstabilität in Form von Kohäsions- und Adhäsionskräften zwischen den einzelnen Teilchen beeinflusst.

(B) Ziele: Das Ziel von Arbeitspaket 1 - (Sedimente) ist es, Parameter zu identifizieren, die für den Resuspensionsprozess und Transportmechanismus feiner Sedimente verantwortlich sind, um das Verhalten von Feinsedimenten in Stauräumen besser beschreiben zu können. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist kein analytischer Ansatz vorhanden der den Transportbeginn kohäsiver Sedimente unter der multidisziplinären Wechselwirkung verschiedener Disziplinen beschreibt um damit eine bessere sowie realistischere Vorhersage zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig die Sedimenteigenschaften, die den Transportbeginn von Feinsedimenten beeinflussen, genauestens zu untersuchen.

(C) Methoden: Sedimentkerne werden aus Stauräumen entnommen um sie anschließend detailliert in der SETEG-Rinne (Strömungskanal zur Ermittlung der tiefenabhängigen Erosionsstabilität von Gewässersedimenten) der Versuchsanstalt für Wasserbau zu untersuchen. Damit kann eine spezifische und tiefenabhängige Auswertung der Sedimentstabilität in Kombination mit einer Bestimmung der Lagerungsdichte (Gamma-Strahlen Methode) erfolgen. Diese Herangehensweise erlaubt es, einen tiefgründigen Einblick in die Struktur der Sedimentablagerungen zu erlangen und resultiert in spezifischen und hochaufgelösten Messdaten der tiefenabhängigen kritischen Sohlschubspannung (τcrit). Des Weiteren werden in gewissen Schichten der Wassergehalt, die Lagerungsdichte, die Korngrößenverteilung (Sand, Schluff, Ton), der gesamte organischer Kohlenstoff (TOC) und die Kationen-Austausch-Kapazität (KAK) ermittelt. Um die Laboruntersuchungen mit Feldmessungen zu ergänzen, kommt der EROMOB (bodennahe Rinne für Feldeinsatz) zur Anwendung um die Erosionsstabilität der oberflächennahen Sedimente in-situ zu quantifizieren.

(D) Zielsetzung: Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen (Bestimmung von Sedimenteigenschaften und SETEG Versuche) und der in-situ Messungen (EROMOB) werden korreliert um eine Beziehung zwischen den gemessenen kritischen Sohlschubspannungen der Sedimentablagerungen sowie der Vielzahl von heterogenen und komplexen Parametern abzuleiten. Ziel dabei ist es, einen Zusammenhang zwischen diesen Parametern abzuleiten. Dabei wird ein zusätzlicher Schwerpunkt auf die biologischen Einflüsse und auf die Methanfreisetzung aus den Sedimentablagerungen gelegt. In einem weiteren Schritt werden die Ergebnisse und Beziehungen zwischen den ermittelten Werten und den erzielten kritischen Sohlschubspannungen verwendet, um neue konzeptionelle Ansätze der physikalisch relevanten Prozesse zu entwickeln. Diese neuen Ansätze werden anschließend genutzt um Algorithmen zu entwickeln, die schließlich in das numerische Modell SSIIM implementiert werden.

Eine numerische Implementierung der kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften von Feinsedimenten in die entsprechenden Modellansätze wird in einer besseren Beschreibung und genaueren Simulation der Sedimentdynamik resultieren. Damit werden schließlich verlässliche Vorhersagen des Sedimentverhaltens in einem Stauraum möglich und somit auch eine bessere Aussage zur Strategie des Stauraummanagements.