Geländeexperimente mit künstlichen Hochwasserwellen zur Erforschung des Stofftransportes im Gerinnebett eines kleinen Mittelgebirgseinzugsgebiet
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die hydrologische und gewässerchemische Reaktion eines Einzugsgebiets auf einen Niederschlagsimpuls setzt sich stets aus den Gerinne- und den Einzugsgebietsprozessen zusammen. Die Überlagerung beider Prozessgruppen fuhrt im Verlauf von natürlichen Hochwasserereignissen zu komplexen Mustern interagierender Prozesse, die die Interpretation der Messsignale an einem Pegel sowie die Analyse der Hochwasserentstehung und des fluviatilen Schadstoffiransports erschweren. Sollen jedoch gewässerchemische Reaktionen auf einen Niederschlagsimpuls modelliert werden, um als Basis für ein Umweltmanagement zu dienen, müssen beide Prozessgruppen getrennt erfasst und die relevanten Prozesse extrahiert werden. Aus diesem Grunde wurde die Gruppe der "Gerinneprozesse" in Zusammenarbeit mit den Stadtwerken Trier mit der Erzeugung von künstlichen Hochwasserwellen in zwei mesoskaligen Mittelgebirgseinzugsgebieten der Region Trier skalenübergreifend und unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen untersucht. Wir konnten bisher in beiden Einzugsgebieten zeigen, dass sich im Verlauf der künstlichen Hochwasser mit zunehmendem Fließweg Welle, Wasserkörper und die darin transportierten Stoffe in Abhängigkeit hydraulischer Faktoren wie dem induzierten Abfluss oder dem antezedenten Basisabfluss immer deutlicher entkoppeln. Für diese Trennung von Welle und Wasserkörper ist der kinematische Welleneffekt verantwortlich, der somit auch in kleineren Einzugsgebieten deutlich nachweisbar ist. Während die Konzentrationsveränderungen der gelösten Stoffe innerhalb des Wasserkörpers entscheidend von der longitudinalen Dispersion gesteuert werden, kann es beim Schwebstoff auf Fließstrecken von nur l bis 2 km zu einem völligen Materialwechsel kommen, der letztlich ebenfalls durch den kinematischen Effekt und hydraulische Randgrößen gesteuert wird. Daher bestehen derzeit auch erhebliche Zweifel an der skalenübergreifenden Anwendbarkeit von Mischungsmodellen und des EMMA Konzepts (endmember mixing analysis); beides Verfahren, die selbst in größeren mesoskaligen Einzugsgebieten zur Untersuchung der Abflussbildung und des Stofftransports angewendet werden. Des Weiteren fuhrt die Trennung von Welle, Wasserkörper und Schwebstoff dazu, dass chemische Variationen innerhalb einer Hochwasserwelle je nach Ausprägung des kinematischen Welleneffekts nur von einem kurzen Fließabschnitt pegelaufwärts stammen und somit nur für einen kleinen Teil des Einzugsgebietes repräsentativ sind. Mit der Kombination von gelösten (u.a. DOC) und künstlich eingebrachten, feinpartikulären Tracern (Kaolinit, dso = 2,0 um) konnte ferner die hyporheische Zone als potentieller Retentionsund kurzfristiger Speicherraum für feinpartikuläre Stoffe in einem Mittelgebirgsfließgewässer identifiziert werden. Die Massenbilanzierung mit Hilfe der für den Kaolinit-Tracer hoch sensitiven FTIR-DRIFT Spektroskopie zeigte, dass von den im Verlauf der künstlichen Hochwasserwellen eingegebenen Tracermengen bereits über 55 % in einem nur 570 m langen Gerinneabschnitt sedimentieren bzw. zurückgehalten werden können. In einem derzeit in Vorbereitung befindlichen Neuantrag bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft soll diese Retention von Feinpartikeln und der Feinsedimenttransport in Mittelgebirgsfließgewässern skalenübergreifend näher differenziert werden, wobei die relative Bedeutung der einzelnen Speicherzonen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche) sowie der morphologischen Gerinnebettstrukturen (z.B. Riffle-Pool-Sequenzen) in Abhängigkeit der hydrologisch - hydraulischen Randbedingungen quantifiziert werden soll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 9th International Symposium on Stochastic Hydraulics Kurtenbach, A. & Galle, T. (2005): Kinematic waves and their impact on constituent transport during artificial floods. - 23-24. Mai, Nijmegen, Niederlande.
- International Symposium on Stochastic Hydraulics Kurtenbach, A. & Galle, T. (2005): Kinematic waves and their impact on constituent transport during artificial floods. - Proceedings, 9th International Conference on Stochastic Hydraulics, 23 and 24 May 2005, Nijmegen, The Netherlands, Published by: IAHR, Paseo Bajo Virgen del Puerto 3, 28005 Madrid, Spain, ISBN: 90-805649-9-0, Editors: Vrijling JK et al., 6 pp.
- Kurtenbach, A., Krein, A., Symader, W. (2005): Die Bedeutung der Gerinneprozesse für die Verknüpfung von Abflussbildung und Stofftransport - eine Analyse mit Hilfe künstlicher Hochwasserwellen in zwei mesoskaligen Mirtelgebirgseinzugsgebieten. - Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 49, 4, 172-181.
- Kurtenbach, A., Möller, S., Krein, A. & Symader, W. (2006): On the relationship between hydrographs and chemographs. - Hydrological Processes, 20, 2921 - 2934.
- SEDYMO International 2006 Kurtenbach, A., Krein, A., Symader, W. (2006): Pre-event hydrological conditions as determinants for sediment and particle bound pollutant transport dynamics during artificial and natural floods. - International Symposium on Sediment Dynamics and Pollutant Mobility in River Basins, March 26 to 29, Hamburg University of Technology (TUHH).
- tfh International Symposium on Sediment Quality Assessment Kurtenbach, A., Krein, A., Bierl, R. (2004): Hydraulic implications on sediment transfer and pollutant transport during artificial flood events in two mid-mountain river channels. - 17.- 20. August, Antwerpen, Belgien, Scientific theme "Origin, transport and quantity of sediments".
