Die räumliche Variabilität des Porengehalts in fluvialen Sedimenten - Stratifikation und Imbrikation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf; Dr.-Ing. Stefan Wolf-Dietrich Vollmer, seit 5/2020
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283927452

Eine Flusssohle besteht aus Sedimentpartikeln und wassergefüllten Poren. Der Porengehalt (auch Porosität genannt) bestimmt die Eignung der Flusssohle als Lebensraum für Organismen, die Stabilität der Fahrrinne, die Verlandungsrate von Stauhaltungen und das nutzbare Volumen von Öl und Grundwasser in Flussablagerungen.Trotz ihrer wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Relevanz wurde die natürliche Variabilität der Porosität in Flusssystemen kaum erforscht. In einem gemeinsamen DFG-Projekt (2016-2019) haben die RWTH Aachen University und die Bundesanstalt für Gewässerkunde diese Wissenslücke adressiert. Dabei wurden innovative Techniken zur Messung der Porosität entwickelt und die räumlichen Variationen der Porosität auf verschiedenen Skalen gemessen. Weiterhin wurde der Einfluss von Korngröße und Kornform auf die Porosität untersucht und eine avancierte physikalische Methode zur Vorhersage der Porosität entwickelt. Dieses (laufende) DFG-Projekt hat bereits zu 4 peer-reviewed Journal Papers, sowie einer Doktorarbeit geführt (weitere folgen in Kürze).Die hohe Präzision der neu-entwickelten Techniken ermöglichte eine interessante und unerwartete Beobachtung: Im Feld gemessenen Porositätswerte weichen grundlegend von den im Labor an denselben Sedimentproben gemessenen Porositätswerten ab. Dies zeigt, dass - anders als oft angenommen - die Porosität von Flussablagerungen stark von Lagerungseffekten, insbesondere Stratifikation und Imbrikation, beeinflusst wird. Eine systematische Studie der Effekte von Stratifikation und Imbrikation auf die Porosität ist unentbehrlich um die räumliche Variabilität des Porengehalts zu verstehen und vorherzusagen.Ziel des hier vorgeschlagenen Projektes ist es, den Einfluss von Stratifikation und Imbrikation auf die Porosität von fluvialen Sand-Kies-Mischungen zu bestimmen. Folgende Fragen sind zu beantworten: Wie beeinflussen Stratifikation und Imbrikation die Porosität? Wie groß ist dieser Einfluss? Wie kann dieser Effekt in Porositätsvorhersagen berücksichtigt werden? Welche Bedeutung hat dieser Effekt für die tägliche Praxis eines Flussingenieurs?Um diese Fragen zu beantworten, soll zunächst eine mathematische Parametrisierung des Stratifikations- und Imbrikationsgrades erfolgen, basierend auf theoretischen Grundlagen aus den Materialwissenschaften und der Geologie. Mittels Laborversuche und numerischer Simulationen wird eine mathematische Beziehung zwischen Stratifikations- und Imbrikationsparametern und Porosität entwickelt. Diese Beziehung wird in einer umfangreichen Feldstudie validiert und zur Erweiterung des Porositätsprädiktors aus dem aktuellen DFG-Projekt herangezogen. Für Laborexperimente, numerischen Simulationen und Feldmessungen werden avancierte, innovative Techniken verwendet, insbesondere Photogrammetrie, Magnetresonanztomographie und physikalische Packungsmodelle. Zum Schluss werden die Ergebnisse dieser Studie in einer Fallstudie zur Sedimentmanagement am deutschen Niederrhein angewandt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Roy Frings, bis 5/2020