Mehrdimensionale morphodynamisch-numerische Modelle für Fließgewässer • WASSER & ABWASSER

Gewässer Wasser Abwasser Technik W&A Fließgewässer
Mehrdimensionale morphodynamisch-numerische Modelle für Fließgewässer

Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) hat den Entwurf des Merkblatts DWA-M 540 „Mehrdimensionale morphodynamisch-numerische Modelle für Fließgewässer“ vorgelegt, der hiermit zur öffentlichen Diskussion gestellt wird.

Selbst wenn heute viele Fließgewässer durch anthropogene Eingriffe wie Begradigung, Uferschutz, Fluss- und Stauregelung, Bewirtschaftung der Sohlensedimente durch Baggern und Verklappen, Renaturierungsmaßnahmen etc. stark überprägt sind, bleibt der Sedimenttransport als treibende Kraft der Morphodynamik meist aktiv und soll zum Beispiel zur ökologischen Aufwertung stark veränderter Gewässer sogar wieder verstärkt werden. Deshalb ist der Geschiebe- und Schwebstofftransport bei allen Gewässern mit konstruktiv nicht völlig unterbundenen bettbildenden Prozessen im Flussbau stets zu berücksichtigen. Dies vor allem, wenn die Nachhaltigkeit von Ausbau- und Unterhaltungsmaßnahmen überprüft und durch angepasste Maßnahmen wie zum Beispiel örtliche Sohlenbefestigungen und Feststoffbewirtschaftungen optimiert werden soll. Deshalb ist die problemgerechte Analyse und Prognose des Feststofftransports in allen relevanten Ausprägungen und damit die Morphodynamik, das heißt die Veränderung der Gestalt von Fließgewässern durch bettformende Prozesse, wichtiges Ziel flussbaulicher Untersuchungen. Hierzu werden in der heutigen Ingenieurpraxis überwiegend hydrodynamisch-numerische Strömungs- und Feststofftransportmodelle eingesetzt, wobei zumeist tiefengemittelt-zweidimensionale Modelle verwendet werden, die den Schwerpunkt des vorliegenden Merkblatts bilden.

Mit dem ATV-DVWK-Arbeitsbericht „Feststofftransportmodelle für Fließgewässer“ vom März 2003 wurde das damalige Fachwissen zur Modellierung des Feststofftransports im Sinne eines Nachschlagewerks zusammengestellt. Dabei wurden sowohl physikalische, also maßstäblich verkleinerte Modelle, als auch numerische Modelle betrachtet. Die Erstellung eines Merkblatts zur gewählten Thematik hatten die damaligen Autoren als verfrüht angesehen, da sich insbesondere die numerischen Feststofftransportmodelle noch in stetiger Entwicklung befanden und sich Anwendungen derselben zum Beispiel in Ingenieurbüros noch nicht etabliert hatten. Deshalb war der Kreis der Leser*innen und Anwender*innen überwiegend beschränkt auf Fachleute, die sich mit der Modellierung von morphodynamischen Vorgängen und der Entwicklung von dazu geeigneten Modellverfahren beschäftigen. Die üblichen Adressaten von DWA-Merkblättern, die in Verwaltungen oder Ingenieurbüros tätigen Ingenieur*innen, die vor praktischen Modellierungsproblemen stehen, für die sie Hilfestellungen benötigen, wurden dadurch nur zum Teil angesprochen.

Dies hat sich grundlegend geändert. Numerische Feststofftransportmodelle haben sich in Ergänzung zu mehrdimensionalen Strömungsmodellen als Standardwerkzeug in der Ingenieurpraxis etabliert. Dies betrifft insbesondere die tiefengemittelten zweidimensionalen Modelle. Eindimensionale Feststofftransportmodelle werden wegen der beschränkten Aussagekraft und, da die Strömungsmodellierung ohnehin meist zweidimensional erfolgt, nur noch für lange Gewässerabschnitte und Langzeitaussagen angewendet. Dreidimensionale Modelle werden wegen des zum Teil erheblichen Rechenzeitaufwands meist nur für Sonderprobleme des Feststofftransports wie lokale Kolkbildung sowie an Hochschulinstituten und vergleichbaren Einrichtungen angewendet. Dies gilt auch für physikalische Modelle. Deshalb liegt der Fokus im vorliegenden neuen Merkblatt DWA-M 540 „Mehrdimensionale morphodynamisch-numerische Modelle für Fließgewässer“ auf tiefengemittelten, zweidimensionalen numerischen Modellen und ihrer Anwendung in der Ingenieurpraxis.

Die erleichterte Anwendung von Feststofftransportmodellen kann aber dazu führen, dass das für Fragestellungen des Feststofftransports fundamentale Fachwissen beim Bearbeitenden nicht ausreichend vorliegt. Hinzu kommt, dass der Kostendruck vonseiten der Auftraggebenden einer im Grunde erforderlichen, umfangreichen und damit sachgerechten Modellierung im Wege steht. Die mit solchen Feststofftransportmodellen erzielten Ergebnisse können deshalb nicht in jedem Anwendungsfall einer fachwissenschaftlichen Prüfung standhalten. Hier setzt das vorliegende Merkblatt an. Es vermittelt das aus Sicht erfahrener Ingenieur*innen erforderliche Fachwissen hinsichtlich der semiempirischen Ansätze zum Feststofftransport, der Erhaltungsgleichungen und der numerischen Umsetzung sowie der Anfangs- und Randbedingungen zur Erstellung und zum Betrieb des morphodynamischen Modells. Weiterhin gibt es Hinweise auf die erforderlichen Daten zum Aufbau, zur Kalibrierung und zur Verifikation der Modelle sowie zur problemgerechten Interpretation der Ergebnisse.

Das Merkblatt wurde von der DWA-Arbeitsgruppe WW-2.4 „Feststofftransportmodelle“ (Sprecher PD Dr.-Ing. habil. Peter Mewis) im Auftrag des DWA-Hauptausschusses „Wasserbau und Wasserkraft“ (HA WW) im Fachausschuss WW-2 „Morphodynamik der Binnen- und Küstengewässer“ erarbeitet. Es richtet sich an Ingenieur*innen, Umweltwissenschaftler*innen und Gewässerökolog*innen in Verwaltung, Ingenieurbüros und Hochschulen.