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

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Noack; Professorin Dr.-Ing. Silke Wieprecht
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445027764

Die Forschung der letzten Jahrzehnte zur Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten in kiesige Gewässersohlen, sowie jüngeren Forschungsarbeiten, die diese Prozesse im Zusammenhang mit der Kolmation betrachten, zeigen die Bedeutung und Notwendigkeit das Systemverständnis zu erweitern, insbesondere da die Kolmation massive Auswirkungen auf die Fließgewässerökologie hat. Es existiert ein wissenschaftlicher Konsens, dass sowohl Prozesse im Oberflächengewässer, als auch interstitiale Prozesse in der Gewässersohle sowie hydraulische, sedimentologische und biogeochemikalische Interaktionen die zeitliche und räumliche Verteilung von Kolmationsprozessen verursachen. Jedoch bestehen substantielle Wissenslücken in der Beschreibung der Dynamik der beteiligten Prozesse sowie deren Wechselwirkungen. Die Interaktionen zwischen Turbulenzen an der Grenzfläche Sediment-Wasser, den interstitialen Strömungseigenschaften und der zunehmenden Reduzierung der Porengröße mit infiltrierenden Feinsedimenten sind nahezu unerforscht, stellen aber essentielle Faktoren dar, um die Dynamik von Kolmationsprozessen zu beschreiben. Folglich existiert bisher keine grundlagenorientierte Beschreibung der physikalischen Interaktionen zwischen Oberflächen- und Interstitialprozessen.Schwerpunkt des Forschungsvorhabens sind physikalische Rinnenversuche zur gezielten Untersuchung einzelner Prozesse des Kolmationsvorgangs. Hierzu wird ein innovatives Messkonzept (Kombination von PIV, endoskopisches PIV, Gamma-Strahlen-Absorption, 3D-Drucker für vereinfachte Gewässersohlen) verwendet, welches in einem detaillierten und bisher einzigartigen Datensatz resultiert. Die wesentlichen Ziele beinhalten Untersuchungen zum Einfluss der Turbulenzen an der Grenzfläche Sediment-Wasser auf die Sedimentinfiltration und auf das Geschwindigkeitsfeld in den Poren. Zusätzlich werden die auf bereits infiltrierte Partikel wirkenden interstitialen Strömungskräfte untersucht, um Grenzwerte für den interstitialen Transportbeginn abzuleiten. Weitere Experimente untersuchen den Einfluss der zunehmenden Porenverfüllung auf Infiltrationsraten und Änderung der interstitialen Strömung (zeitliche Kolmationsentwicklung). Diesbezüglich werden Schlüsselfaktoren, wie die Zusammensetzung und Lagerung der Gewässersohle, die hydraulischen Randbedingungen und die Zugabe an Infiltrationsmaterial variiert, um Relationen zu den jeweiligen Strömungsfeldern und den Infiltrationsmassen abzuleiten. Die Ergebnisse aus den Versuchen des beantragten Forschungsvorhabens besitzen somit ein hohes Potential die Kolmationsprozesse hinsichtlich ihrer Interaktionen und Dynamik physikalisch zu beschreiben. Besonders die gezielten Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Interstitialprozessen tragen wesentlich zur Erhöhung des Systemverständnisses bei. Die hochaufgelösten Messdaten zur Strömung und zur Sedimentation (auch im Porenraum) stellen einen idealen Datensatz für weitere (auch numerische) Modellierungen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Italien, USA
• Kooperationspartner: Professor Gianluca Blois, Ph.D.; Professor Dr. Maurizio Righetti; Professor Dr.-Ing. Thorsten Stößer