Projekt Töging, Beispiel für eine kolmatierte Gewässersohle

Kolmation im wasserbaulichen Labor

Kolmation - Untersuchung der physikalischen Interaktionen zwischen Prozessen im Oberflächengewässer und Interstitial

Hintergrund

Unter Kolmation wird allgemeinhin die „Verstopfung“ von kiesigen Gewässersohlen mit teilweise weitreichenden negativen ökologischen Auswirkungen verstanden. Es existiert ein wissenschaftlicher Konsens, dass sowohl Prozesse im Oberflächengewässer, als auch interstitiale Prozesse in der Gewässersohle die zeitliche und räumliche Verteilung von Kolmationsprozessen verursachen.

Prof. Dr.-Ing. Markus Noack

Beispiel für eine unkolmatierte Gewässersohle

Prof. Dr.-Ing. Markus Noack

Beispiel für eine kolmatierte Gewässersohle

Jedoch bestehen substantielle Wissenslücken in der Beschreibung der Dynamik der beteiligten Prozesse sowie deren Wechselwirkungen. Folglich existiert bisher keine grundlagenorientierte Beschreibung der physikalischen Interaktionen zwischen Oberflächen- und Interstitialprozessen, welche im Rahmen dieses Projektes auf Basis von wasserbaulichen Laborversuchen unter kontrollierten Randbedingungen untersucht werden.

Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten in Poren einer kubisch gelagerten Kugeln

Benjamin Mester

Abb.1: Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten in Poren einer kubisch gelagerten Kugel

Zielsetzung

Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf physikalischen Laborversuchen in einer Versuchsrinne, um die Mechanismen der Kolmation durch Isolation von einzelnen Prozessen gezielt zu erforschen. Die wesentlichen Untersuchungsziele beinhalten Untersuchungen zum Einfluss der Turbulenzen an der Grenzfläche Sediment-Wasser auf die Sedimentinfiltration und auf das lokale mehrdimensionale Geschwindigkeitsfeld in den Poren.

Benjamin Mester

Abb.2: Messtechnisch erfasstes mehrdimensionaes interstitiales Strömungsfeld

Zusätzlich werden die auf bereits infiltrierte Partikel wirkenden interstitialen Strömungskräfte untersucht, um daraus Grenzwerte für den interstitialen Transportbeginn abzuleiten. Letztlich gilt es funktionale Zusammenhänge zwischen der zunehmenden Porenverfüllung, deren Auswirkung auf das interstitiale Strömungsfeld zu unterschiedlichen Infiltrationsraten zu erkunden.

Benjamin Mester

Abb. 3: Laser-beleuchtete Partikel für die Particle-Image-Velocimetry (PIV)

Methoden

Für die Rinnenversuche im Labor wird ein innovatives Aufbau- und Messkonzept zur räumlichen und zeitlichen Erfassung der Infiltrations- und Akkumulationsprozessen, sowie des interstitialen Strömungsfelds verwendet. Zum Einsatz kommen u.a. die Particle Image Velocimetry (PIV) für die mehrdimensionale Erfassung Strömungsfeldern, die Gamma-Absorptions-Messung für die Messung von Infiltrationsmassen, sowie 3D-Drucker zur Herstellung von vereinfachten Gewässersohlen. Das Messkonzept resultiert in der Erfassung eines detaillierten und bisher einzigartigen Datensatzes.