praxisbeispiele für die sedimentbewirtschaftung an bundeswasserstraßen

Wallgau, 01.07.2016

Praxisbeispiele für die Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen

Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann

Wasserbau – Mehr als Bauen im Wasser, 18. Wasserbau-Symposium der TU München

Dr.-Ing. Thomas Brudy-Zippelius Dr.-Ing. Nils Peter Huber

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Inhalt

1. Veranlassung 2. Methodeneinsatz in der BAW 3. Praxisbeispiel:

Optimierung der Geschiebezugabestrategie am Mittleren Niederrhein 4. Zusammenfassung und Ausblick

Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 2

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Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen

Ziel: großräumiges dynamisches Sohlengleichgewicht

Maßnahmen gegen Sedimentation: • Geschiebeentnahme oberstrom der Sedimentationsstrecke (Geschiebefang) • Strombau (Buhnen, Parallelwerke, Kolkverbau) • Unterhaltungsbaggerungen

Maßnahmen gegen Erosion: • Geschiebezugabe • Querschnittsaufweitung (z. B. Uferrückverlegung, Nebenrinne) • Unterstützung der natürlichen Deckschichtbildung • Herstellung von Grund- oder Sohlenschwellen, Sohlendeckwerk • Kolkverbau

Veranlassung


Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick

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Geschiebebewirtschaftung am Rhein


Ort Zugabe / Entnahme

Iffezheim 174.000 m³/a, seit 1978

Weisenau 71.000 m³/a, seit 1989

Moselmündung 17.500 m³/a, seit 2005

Oberer Niederrhein 49.000 m³/a, Pilot 2014

Mittlerer Niederrhein 51.000 m³/a, seit 2002

Unterer Niederrhein 77.000 m³/a, seit 2000


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Geschiebezugaben am Niederrhein


0

25.000

50.000

75.000

100.000

125.000

150.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

[m³/a]

Jahr

Oberer Niederrhein Mittlerer Niederrhein Unterer Niederrhein


© Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Duisburg-Rhein

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Methodeneinsatz bei morphodynamischen Fragestellungen


Numerische Modelle: 2-/3-dimensional

Gegenständliche Modelle Naturuntersuchungen

Kalibrierung Validierung

Prozessverständnis

Hydrodynamik

Telemac2D/3D

Baggern u. Verklappen DredgeSim

Morphodynamik

Sisyphe


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Einsatzgebiete der numerischen morphodynamischen Modelle

1D- querschnittsgemittelt

2D- tiefengemittelt

3D

Prozesse / Phänomene

großräumige, langfristige morphologische Entwicklungen

Sedimentmanagement

Gerinnekrümmungen

Bettformen

großräumige Wirbelsysteme

Sedimentmanagement

Gerinnekrümmungen

Bettformen

Bewegungsbeginn

Schwebstofftransport

Kolkbildung

Projekt- beispiele / Ausdehnung

Rhein (227 km / 40 Jahre)

Elbe (175 km / 40 Jahre)

Geschiebezugabe Mittlerer Niederrhein (46,5 km / 10 Jahre)

PFV Donauausbau Straubing-Vilshofen (23 km / 25 Jahre)

Geschiebezugabe Mittlerer Niederrhein (10,0 km / 2 Jahre)

Sedimentation OW Iffezheim (3 km / 3 Monate)

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Verkehrswasserbauliche Projekte am Mittleren Niederrhein



Optimierung der Geschiebezugabe Kornzusammensetzung Zugabestellen Intensität und Dauer der Zugaben Zugabe bei unterschiedlichen Abflüssen

Projekt aus BVWP 2030 (Entwurf, 16. März 2016) Abladeverbesserung und Sohlenstabilisierung am Rhein zwischen Duisburg und

Stürzelberg

© http://www.bvwp-projekte.de/wasserstrasse/w27/w27.html

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Modelleinsatz am Mittleren Niederrhein


Modell Ausdehnung Elemente

2D 46,5 km 190.000

3D 10,0 km 820.000


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Naturmessungen


Umfangreiche Datenerhebungen:

Wasserspiegelfixierungen

ADCP-Messungen

Flächenpeilungen

Sedimentproben (Greiferproben, Gefrierkerne)

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Naturmessungen



Gewässersohle bei Rh-km 749,00 Abstand zur Fahrrinnenachse in Fließrichtung (minus: links, plus: rechts)

- 100 m - 50 m + 100 m

Rh-km 749,00

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Modellvalidierung – Sekundärströmungen 3D-Modell / Naturmessungen


ADCP-Langzeitmessungen

Modellrechnung Telemac-3D

Rhein-km 740+700


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Parametrisierung der Wirkung der Sekundärströmung auf den Geschiebetransport mit Korrekturansatz von Engelund:

Schubspannungsanteil der Sekundärströmung abhängig von Wassertiefe und Krümmungsradius (ermittelt aus Wasserspiegelquerneigung)

→ Änderung der Sohlenschubspannung in Betrag und Richtung

Modellvalidierung – Korrekturansatz im 2D-Modell


© Blanckaert, K., de Vriend, H. J. (2003)

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Modellvalidierung – Vergleich Sohlenhöhenentwicklung 2D- / 3D-Modell


Rhein-km 740+700


2D mit Korrektur

2D ohne Korrektur

3D

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Modellvalidierung – Vergleich mittlerer Korndurchmesser 2Dkorr / Natur




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Modellanwendung – Einfluss der Abflussganglinie



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Modellanwendung – Einfluss der Kornzusammensetzung



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Zusammenfassung und Ausblick

Für die verkehrswasserbaulichen Projekte am Mittleren Niederrhein hat die BAW ein morphodynamisches 2D-Modell aufgebaut, das aufwändig kalibriert und validiert wurde.

Der Einfluss der im Modellgebiet ausgeprägten Sekundärströmungen auf die Morphodynamik wird im 2D-Modell durch den Korrekturansatz von Engelund realistisch abgebildet.

Das Modell soll zunächst für Szenarienbetrachtungen zur Optimierung der Geschiebezugabestrategie eingesetzt werden.

Zur weiteren Validierung der Modellaussagen empfiehlt die BAW, Tracerversuche zum Ausbreitungsverhalten des zugegebenen Geschiebematerials durchzuführen.


Bundesanstalt für Wasserbau 76187 Karlsruhe www.baw.de

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