Feststofftransportmodelle

Der Strömungsvorgang des Wassers in einem Fliessgewässer lässt sich mit computergestützten Strömungsmodellen (1d, 2d, 3d) unterschiedlich genau erfassen und berechnen. Zusätzlich finden aber in einem Gewässer noch weitere Transportprozesse statt, die mannigfache Auswirkungen auf den Gewässerlauf und die Flusssohle haben können. In den steileren Gewässern im Bergland wird durch die hohe Transportkraft des Wassers hauptsächlich Material aus der Sohle des Flusses oder den Ufern abtransportiert (erodiert). Hingegen beobachtet man im Flachland wegen des geringeren Gefälles und der kleineren Fliessgeschwindigkeit eher die Ablagerung (Sedimentation) von Feststoffen. Hinzu kommt, dass durch den massiven Eingriff des Menschen in die Flusslandschaften noch vielfältigere Auswirkungen auf den Geschiebehaushalt festgestellt werden können.
Bei begradigten oder stark befestigten Flüssen ist durch den Abtransport des Geschiebes oft eine Eintiefung der Flusssohle zu beobachten, während sich vor und in Stauhaltungen Gesteinsmaterial massiv ablagert und nicht mehr dem Unterlauf zur Sohlpflasterung zur Verfügung steht.

Bei den Feststoffen unterscheidet man zwischen Geschiebe (Korndurchmesser größer 2 mm), welches sich nur langsam (bei Hochwasser) über die Flusssohle bewegt und Schwebstoffen (Korndurchmesser kleiner als 2 mm), die sich schwebend mit ähnlicher Geschwindigkeit wie das Wasser im Fluss fortbewegen.

Um die Transportprozesse in einem Gewässer besser verstehen und analysieren zu können, bedient man sich computergestützter Feststofftransportmodelle, welche in der Regel auf hydrodynamischen Strömungsmodellen aufbauen. In der Bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung werden auf der Grundlage eines zweidimensionalen Strömungsmodells ein 2d-Schwebstoffmodell und ein 2d-Geschiebetransportmodell betrieben. Im universitären Bereich werden zur Untersuchung von Feststofftransportprozessen zudem physikalische Modellversuche in einem verkleinerten Maßstab durchgeführt.

Bei der Untersuchung des Feststofftransports werden im Geschiebetransportmodell neben den reinen Strömungsgleichungen noch die Gleichungen für den Geschiebetransport (nach Meyer-Peter & Müller) gelöst. Die aus den dynamischen Transportprozessen resultierenden Veränderungen der Flusssohle werden mathematisch nach der sog. Exner-Gleichung gelöst.
Mit einem Feststofftransportmodell lassen sich Ablagerungs- und Erosionsprozesse bei Hochwasserereignissen voraussagen. Entscheidend für die Prognose ist dabei der sog. bettbildende Abfluss, also die Menge an Wasser im Fluss, die dazu führt, dass das Geschiebe in Bewegung gerät.

Wichtig zu wissen ist auch, dass sich die Veränderungen an der Sohle sich im Laufe der Zeit wiederum auf den Abfluss im Modell und damit auf den Wasserspiegel auswirken und dass dieses wechselseitige Spiel fortdauernd während der Simulation am Computer abläuft. Für den Hochwasserschutz lassen sich daraus Prognosen ableiten, wo sich im Gewässer oder im Vorland die Sohle erhöhen kann und wo nicht. Die Veränderungen der Flusssohle werden dann ausgewertet und grafisch dargestellt.
Für eine Bilanzierung der aufkommenden Feststoffe lassen sich im Berechnungsmodell außerdem an gewählten Stellen die transportierten Geschiebefrachten ablesen.