Mehrdimensionale morphodynamisch-numerische Modelle für Fließgewässer

Die Deutsche Vere­ini­gung für Wasser­wirtschaft, Abwass­er und Abfall e. V. (DWA) hat den Entwurf des Merk­blatts DWA‑M 540 „Mehrdi­men­sion­ale mor­pho­dy­namisch-numerische Mod­elle für Fließgewäss­er“ vorgelegt, der hier­mit zur öffentlichen Diskus­sion gestellt wird.

Selb­st wenn heute viele Fließgewäss­er durch anthro­po­gene Ein­griffe wie Begr­a­di­gung, Ufer­schutz, Fluss- und Stau­regelung, Bewirtschaf­tung der Sohlensed­i­mente durch Bag­gern und Verk­lap­pen, Rena­turierungs­maß­nah­men etc. stark über­prägt sind, bleibt der Sed­i­ment­trans­port als treibende Kraft der Mor­pho­dy­namik meist aktiv und soll zum Beispiel zur ökol­o­gis­chen Aufw­er­tung stark verän­dert­er Gewäss­er sog­ar wieder ver­stärkt wer­den. Deshalb ist der Geschiebe- und Schweb­stoff­trans­port bei allen Gewässern mit kon­struk­tiv nicht völ­lig unter­bun­de­nen bet­tbilden­den Prozessen im Fluss­bau stets zu berück­sichti­gen. Dies vor allem, wenn die Nach­haltigkeit von Aus­bau- und Unter­hal­tungs­maß­nah­men über­prüft und durch angepasste Maß­nah­men wie zum Beispiel örtliche Sohlen­be­fes­ti­gun­gen und Fest­stoff­be­wirtschaf­tun­gen opti­miert wer­den soll. Deshalb ist die prob­lemgerechte Analyse und Prog­nose des Fest­stoff­trans­ports in allen rel­e­van­ten Aus­prä­gun­gen und damit die Mor­pho­dy­namik, das heißt die Verän­derung der Gestalt von Fließgewässern durch bet­tfor­mende Prozesse, wichtiges Ziel fluss­baulich­er Unter­suchun­gen. Hierzu wer­den in der heuti­gen Inge­nieur­prax­is über­wiegend hydro­dy­namisch-numerische Strö­mungs- und Fest­stoff­trans­port­mod­elle einge­set­zt, wobei zumeist tiefengemit­telt-zwei­di­men­sion­ale Mod­elle ver­wen­det wer­den, die den Schw­er­punkt des vor­liegen­den Merk­blatts bilden.

Mit dem ATV-DVWK-Arbeits­bericht „Fest­stoff­trans­port­mod­elle für Fließgewäss­er“ vom März 2003 wurde das dama­lige Fach­wis­sen zur Mod­el­lierung des Fest­stoff­trans­ports im Sinne eines Nach­schlagew­erks zusam­mengestellt. Dabei wur­den sowohl physikalis­che, also maßstäblich verklein­erte Mod­elle, als auch numerische Mod­elle betra­chtet. Die Erstel­lung eines Merk­blatts zur gewählten The­matik hat­ten die dama­li­gen Autoren als ver­früht ange­se­hen, da sich ins­beson­dere die numerischen Fest­stoff­trans­port­mod­elle noch in stetiger Entwick­lung befan­den und sich Anwen­dun­gen der­sel­ben zum Beispiel in Inge­nieur­büros noch nicht etabliert hat­ten. Deshalb war der Kreis der Leser*innen und Anwender*innen über­wiegend beschränkt auf Fach­leute, die sich mit der Mod­el­lierung von mor­pho­dy­namis­chen Vorgän­gen und der Entwick­lung von dazu geeigneten Mod­el­lver­fahren beschäfti­gen. Die üblichen Adres­sat­en von DWA-Merk­blät­tern, die in Ver­wal­tun­gen oder Inge­nieur­büros täti­gen Ingenieur*innen, die vor prak­tis­chen Mod­el­lierung­sprob­le­men ste­hen, für die sie Hil­festel­lun­gen benöti­gen, wur­den dadurch nur zum Teil angesprochen.

Dies hat sich grundle­gend geän­dert. Numerische Fest­stoff­trans­port­mod­elle haben sich in Ergänzung zu mehrdi­men­sion­alen Strö­mungsmod­ellen als Stan­dard­w­erkzeug in der Inge­nieur­prax­is etabliert. Dies bet­rifft ins­beson­dere die tiefengemit­tel­ten zwei­di­men­sion­alen Mod­elle. Eindi­men­sion­ale Fest­stoff­trans­port­mod­elle wer­den wegen der beschränk­ten Aus­sagekraft und, da die Strö­mungsmod­el­lierung ohne­hin meist zwei­di­men­sion­al erfol­gt, nur noch für lange Gewässer­ab­schnitte und Langzeitaus­sagen angewen­det. Drei­di­men­sion­ale Mod­elle wer­den wegen des zum Teil erhe­blichen Rechen­zeitaufwands meist nur für Son­der­prob­leme des Fest­stoff­trans­ports wie lokale Kolk­bil­dung sowie an Hochschulin­sti­tuten und ver­gle­ich­baren Ein­rich­tun­gen angewen­det. Dies gilt auch für physikalis­che Mod­elle. Deshalb liegt der Fokus im vor­liegen­den neuen Merk­blatt DWA‑M 540 „Mehrdi­men­sion­ale mor­pho­dy­namisch-numerische Mod­elle für Fließgewäss­er“ auf tiefengemit­tel­ten, zwei­di­men­sion­alen numerischen Mod­ellen und ihrer Anwen­dung in der Ingenieurpraxis.

Die erle­ichterte Anwen­dung von Fest­stoff­trans­port­mod­ellen kann aber dazu führen, dass das für Fragestel­lun­gen des Fest­stoff­trans­ports fun­da­men­tale Fach­wis­sen beim Bear­bei­t­en­den nicht aus­re­ichend vor­liegt. Hinzu kommt, dass der Kos­ten­druck von­seit­en der Auf­traggeben­den ein­er im Grunde erforder­lichen, umfan­gre­ichen und damit sachgerecht­en Mod­el­lierung im Wege ste­ht. Die mit solchen Fest­stoff­trans­port­mod­ellen erziel­ten Ergeb­nisse kön­nen deshalb nicht in jedem Anwen­dungs­fall ein­er fach­wis­senschaftlichen Prü­fung stand­hal­ten. Hier set­zt das vor­liegende Merk­blatt an. Es ver­mit­telt das aus Sicht erfahren­er Ingenieur*innen erforder­liche Fach­wis­sen hin­sichtlich der semi­em­pirischen Ansätze zum Fest­stoff­trans­port, der Erhal­tungs­gle­ichun­gen und der numerischen Umset­zung sowie der Anfangs- und Randbe­din­gun­gen zur Erstel­lung und zum Betrieb des mor­pho­dy­namis­chen Mod­ells. Weit­er­hin gibt es Hin­weise auf die erforder­lichen Dat­en zum Auf­bau, zur Kalib­rierung und zur Ver­i­fika­tion der Mod­elle sowie zur prob­lemgerecht­en Inter­pre­ta­tion der Ergebnisse.

Das Merk­blatt wurde von der DWA-Arbeits­gruppe WW‑2.4 „Fest­stoff­trans­port­mod­elle“ (Sprech­er PD Dr.-Ing. habil. Peter Mewis) im Auf­trag des DWA-Haup­tauss­chuss­es „Wasser­bau und Wasserkraft“ (HA WW) im Fachauss­chuss WW‑2 „Mor­pho­dy­namik der Bin­nen- und Küstengewäss­er“ erar­beit­et. Es richtet sich an Ingenieur*innen, Umweltwissenschaftler*innen und Gewässerökolog*innen in Ver­wal­tung, Inge­nieur­büros und Hochschulen.