Erkenntnisse über Sedimenttransport schützen vor Auswirkungen des Klimawandels
Aus dem Transport von Feststoffen in Flüssen, Mündungsgebieten und entlang der Küste können sich beträchtliche morphologische Veränderungen ergeben, die das Auftreten von Überschwemmungen und Sturmfluten verstärken. Zudem können morphologische Veränderungen in Stauseen und in der Umgebung von künstlichen Bauwerken Wasserversorgungen und Energienetze schädigen und die Gefahr eines Strukturversagens auf dramatische Weise erhöhen. Es drohen ökonomische Verluste, Lebensgefahr für Menschen, Störungen im sozialen Gefüge und Schaden an natürlichen Ökosystemen. Auswirkungen durch Sedimenttransport werden durch den Klimawandel noch verschärft und deshalb ist es hochwichtig, an aktuelles Wissen über den Feststofftransport zu gelangen und zukünftige Ingenieure in diesem Bereich zu schulen. Das von der EU finanzierte Projekt SEDITRANS (Sediment transport in fluvial, estuarine and coastal environment) formte ein europäisches Netzwerk zur Koordinierung von Forschungs- und Fortbildungsaktivitäten, die sich mit den durch Sedimenttransport aufgeworfenen Fragen befassen. Das Netzwerk umfasste 6 Hochschul- und 4 Industriepartner und verschaffte 12 Nachwuchskräften sowie 4 erfahrenen Forschern ein umfassendes interdisziplinäres Programm für Ausbildung durch Forschung. Es beinhaltete Workshops, Winter- und Sommerschulen, Konferenzen, die Ausarbeitung von Richtlinien und Abordnungen in Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Die Forscher konzentrierten sich auf Küsten- und Flussläufe sowie Verlandung von Stauseen und Wechselwirkungen mit künstlichen Bauten. „Ziel war, das Wissen über die Mechanismen des Sedimenttransports und deren Beziehungen zur Strömungshydrodynamik zu vertiefen, um die Entwicklung von Fluss-, Mündungs- oder Küstenmorphologie besser zu verstehen und zu prognostizieren“, sagt Projektkoordinator Professor Athanassios Dimas. Bessere Modelle - entwickelt in Partnerschaft Die Projektpartner entwickelten Algorithmen zur Modellierung des Sedimenttransports in Fluss- und Küstenströmungen sowie für Trübe- oder Schuttströme im Binnenland und in Küstennähe. Man erstellte die Modelle auf drei Wegen, wobei man mit einem Zweiphasen-Kontinuumsmodell und einem Bewegungsmodell für aufgelöste Partikel für den Sedimenttransport begann. Der Schwebstofftransport wurde mit Hilfe von verbesserten gekoppelten Fluidströmungs-/Sedimenttransport-Modellen modelliert, wobei der Grobstruktursimulationsansatz zur Turbulenzschließung verwendet wurde. Zu guter Letzt wurde die Zweischichtenmodellierung von Strömungen in offenen Gerinnen oder Gravitationsströmungen mit Sedimenttransport und Bettmorphodynamik gekoppelt. „Die Modellierung beruhte auf modernen numerischen Verfahren, zum Beispiel der Immersed-Boundary-Methode zur Auferlegung von Randbedingungen für komplexe Geometrien und der Anwendung des parallelen Rechnens“, erläutert Professor Dimas. Auch im Zusammenhang mit dem Sedimenttransport in Flüssen und an Küsten sowie sedimentbeladenen Dichteunterströmungen in Stauseen und Unterwasserschluchten wurden Versuche durchgeführt. Diese wurden mit Hilfe des Hochleistungsrechnens in gemeinsamer Arbeit der Hochschul- und Industriepartner anhand realer technischer Anwendungen erforscht. Präzise Vorhersagewerkzeuge - der Gesellschaft zum Nutzen Die Resultate integrierte man in Instrumente zur Morphologievorhersage, die gut ausgebildete Praktiker auf dem Gebiet des Ingenieurwesens einsetzen können. Zudem ermöglichten die Ergebnisse der Feldexperimente entscheidende Fortschritte bei konzeptionellen Modellen, auf denen die Simulationswerkzeuge aufbauten. Professor Dimas zufolge werden die Ingenieure direkt von den neuen Modellen und den experimentellen Daten profitieren. Sein Kommentar dazu: „Es ist wahrscheinlich, dass Häufigkeit und Ausmaß von Katastrophen, die mit einer übermäßigen morphologischen Dynamik verbunden sind oder durch diese verursacht werden, aufgrund des Klimawandels zunehmen. Daher werden die von dem Projekt für die Planer entwickelten Prognoseinstrumente tiefgreifende positive gesellschaftliche Auswirkungen haben.“ SEDITRANS unterstützte die Koordinierung von Forschungs- und Bildungsaktivitäten zum Thema Sedimenttransport auf europäischer Ebene, womit die Konkurrenzfähigkeit Europas in diesen wichtigen technischen und wissenschaftlichen Bereichen gesteigert wird. Professor Dimas dazu abschließend: „Mit dem Schwerpunkt auf numerischen Modellen und experimentellen Daten wird man Forschung und Technik im Bereich Sedimenttransport voranbringen und damit großräumige Probleme in Hinsicht auf Planung und Schutz vor Überschwemmungen und Erosion in Angriff nehmen können.“
Schlüsselbegriffe
SEDITRANS, Sedimenttransport, Feststofftransport, Fluss, Klimawandel, an der Küste gelegen, ästuarin, hydrodynamisch, Algorithmen