Kolmation – Untersuchung der physikalischen Interaktionen zwischen Prozessen im Oberflächengewässer und Interstitial
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten in kiesigen Gewässersohlen, auch als Kolmation bekannt, ist ein natürlicher im Flussökosystem auftretender Prozess. Wenn jedoch durch anthropogene Einflüsse (z. B. intensive Landwirtschaft, Bergbau) übermäßige Mengen an Feinsedimenten in die Flüsse eingetragen werden, kann dies zum „Verstopfen“ des Porenraums in kiesigen Gewässersohlen (Kolmation) führen und die dort vorherrschende hydraulische Leitfähigkeit verringern. Dies wirkt sich häufig negativ auf die Wasserqualität und die Ökologie aus. Trotz umfassender Forschungsarbeiten zur Kolmation bestehen substanzielle Wissenslücken bezüglich der räumlich-zeitlichen Dynamik und der Wechselwirkungen zwischen der sohlnahen und den interstitiellen Strömungen sowie der auftretenden Prozesse. Das liegt vor allem daran, dass es keine bestehenden Messmethoden gibt, die auf der Porenskala eingesetzt werden können, ohne die natürlich auftretenden Prozesse zu stören. Daher haben wir einen innovativen Sensor entwickelt der ein Monitoring der Sedimentinfiltration und Akkumulation in den Poren der Kiessohle ermöglicht. Die Messungen mittels des entwickelten Sensors wurden mit Ergebnissen einer Gammastrahlen-Computertomographie (Industriestandard) verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung für infiltrierende Korngrößen von Sand bis Feinkies. Die durchgeführte Rinnenversuche belegen die Zuverlässigkeit des Sensors bei der Erfassung der räumlichen Kolmationsdynamik mit hoher zeitlicher Auflösung und reproduzierbaren Ergebnissen. Während anhaltende technische Störungen die Erfassung von interstitiellen Strömungen mittels eines endoskopischen PIV-Systems verhinderten, liefert der entwickelte Sensor wertvolle Einblicke in Akkumulationsprozesse, die ihn zu einer vielversprechenden Messtechnik für Ingenieur*innen, Geomorpholog*innen und Ökolog*innen machen. Eine mögliche Kombination des Sensors mit Geschwindigkeitsmessungen auf der Porenskala und/oder „eddy-resolving“ numerischer Modellierung, sollte in Zukunft in Betracht gezogen werden, um die Wechselwirkungen zwischen lokalen Strömungsfeldern und zunehmender Porenfüllung durch Feinsedimente zu untersuchen. Unser Beitrag füllt nicht nur eine wichtige Wissenslücke in der zerstörungsfreien Messung von Kolmationsprozessen, sondern bietet auch das Potenzial, die Entwicklung realistischerer hochaufgelöster numerischer Modelle zu unterstützen. Solche Modelle sind entscheidend für das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen dem Interstitial und dem sohlnahen Bereich der Gewässersohle und somit für die Entwicklung nachhaltiger Managementstrategien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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PIV measurements of turbulent open-channel flow over/inside a permeable bed. IAHR World Congress 2023, Vienna, Austria, 20.-25.08.2023
Koca, K., Haun, S., Wieprecht, S. & Noack, M.
