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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Forschung: Versuchsanstalt für Wasserbau

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Forschungsschwerpunkt:
Hydromorphologie

Zusammenfassung:

Die Hydromorphologie beschreibt die Interaktion zwischen Wasser und Sedimenten in Fließgewässern, sowohl in räumlichen als auch auf zeitlichen Skalen. Erosions-, Transport- und Anlandungsprozesse spielen für die Entwicklung eines hydromorphologischen Systems eine wichtige Rolle. Die dadurch entstehenden natürlichen, aber auch anthropogen eingebrachten Strukturen und Formen, stehen wiederum in direkter Wechselwirkung zum vorherrschenden Abflussverhalten. Diese hydromorphologischen Prozesse stehen deswegen im Fokus unserer Forschung. Neben grundlegender Forschung zum Prozessverständnis werden auch anwendungsorientierte Forschungsprojekte, in enger Zusammenarbeit z.B. mit Verwaltungsbehörden und der Privatwirtschaft, auf den Themengebieten der naturverträglichen Gewässernutzung durchgeführt. Dabei steht die Verbindung zwischen ökologischen Ansprüchen und den baulichen sowie hydraulischen Anforderungen im Vordergrund. Zum Einsatz kommen dabei mehrdimensionale mathematisch-numerische Modelle, physikalische Modellversuche und Naturmessungen.
Die Forschungsschwerpunkte beinhalten:





Sedimenttransport, Morphodynamik und Sedimenthaushalt in Fließgewässern

Die Beschreibung und Erfassung der Geschiebe- und Schwebstofftransportprozesse ist essentiell, um langfristige Tendenzen in der Sohlentwicklung eines Fließgewässers zu erkennen und um diese gegebenenfalls beeinflussen zu können. Viele Gewässer sind aufgrund von vergangenen anthropogenen Maßnahmen in ihrem natürlichen Sedimenthaushalt und der damit verbundenen Sedimentdynamik gestört. Forschungsinhalt sind sowohl kleinräumige als auch großräumige Prozesse des Feststofftransports.

Großräumige Prozesse: Durch eine großräumige Bilanzierung des Geschiebe- und Schwebstoffhaushaltes über große Zeiträume können langfristige Tendenzen in der Sohlevolution abgeschätzt werden. Mit naturverträglichen Gewässergestaltungsmaßnahmen können diese beeinflusst werden, um eine natürliche Flussbettdynamik wiederherzustellen.

Kleinräumige Prozesse: Neben den globalen Geschiebetransportprozessen liegt ein spezieller Forschungsfokus auf der Analyse sog. Kolmationsprozesse, d.h. dem Transport von Feinteilen und deren Eindringen in die Gewässersohle. Hierbei werden neben grundlagenorientierten Laboruntersuchungen auch praktikable in-situ Messverfahren entwickelt, die es ermöglichen Kolmation im Feld zu erfassen und den Grad der Kolmation in-situ zu quantifizieren.




Physikalischer Modellversuch (Kiesschleuse)
Numerische Simulation eines offenen Deckwerkes in Kombination mit einer Uferaufweitung



Sedimentmanagement in Stauräumen

Das Sedimenttransportkontinuum eines Fließgewässers wird durch Stauanlagen unterbrochen. Die Untersuchung der Verlandungsprozesse in Stauräumen und die damit verbundene Problematik der Stauraumentlandung stellen einen weiteren Forschungsschwerpunkt dar. Neben anwendungsorientierten Arbeiten (messtechnische Erfassung und numerische Simulationen) liegt in der Grundlagenforschung der Fokus auf der Sedimentdynamik kohäsiver Sedimente. Die oftmals auftretende Besiedelung von Sedimenten (Algen, Biofilm etc.) und deren Wirkung auf das Transportverhalten wird in interdisziplinären Projekten zusammen mit Biolog/-innen untersucht. Die am IWS entwickelten labortechnischen Methoden zur Erfassung der Transporteigenschaften von Feinsedimenten (SETEG) als auch in-situ Verfahren tragen zum besseren Systemverständnis und Weiterentwicklung numerischer Berechnungsansätze bei.




Simulation der Konzentrationen im Angostura Speicher, Costa Rica




Naturnaher Flussbau und Gewässerentwicklung

Gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie ist das Erreichen eines guten ökologischen Zustands Ziel für alle Fließgewässer in Europa. Ein elementarer Baustein zur Verwirklichung dieses Ziels ist die Wiederherstellung natürlicher morphodynamischer Funktionen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser überwiegend anwendungsorientierten Forschung ist die hydromorphologische und ökologische Defizitanalyse von Gewässern. Darauf aufbauend gilt es interdisziplinär Gewässergestaltungsmaßnahmen zu entwickeln, zu planen und zu optimieren. Zur Überprüfung der Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist, neben physikalischen und numerischen Modellen, das am IWS entwickelte Habitateignungsmodell CASiMiR ein wichtiges Werkzeug. Mit CASiMiR können die Auswirkung von wasserwirtschaftlichen und wasser-baulichen Maßnahmen auf die Lebensräume von Fischen und Invertebraten qualitativ und quantitativ zu untersucht werden, um Vorhaben zur ökologischen Aufwertungen von Fließgewässern im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie zu unterstützen und zu optimieren.





Vergleich von simulierten Laichhabitateignungen und beobachteten Laichgruben



Bewertung von Hochwasserschutzmaßnahmen

Eine möglichst exakte Prognose von klein- und großskaligen Ausuferungsprozessen während Hochwasserereignissen ist Grundlage für die Planung eines nachhaltigen und effektiven Hochwasserschutzes. Um dem Ziel eines integrierten Hochwassermanagements nachzukommen, werden in anwendungsorientierten Projekten Überflutungsflächen, -höhen und -dauer sowie Fließgeschwindigkeiten zur Beurteilung der Hochwasserintensität und des Gefährdungsrisikos mittels numerischer Überflutungsmodellierung durchgeführt. Diese hydrodynamisch-numerische Modellierung erlaubt sowohl die Bewertung von baulichen Maßnahmen als auch die Simulation und Evaluierung von Szenarien zur Reaktivierung von Retentionsflächen und Auelandschaften. Es werden detaillierte Ausführungsvarianten für nachhaltige und ökologisch verträgliche Hochwasserschutzmaßnahmen erarbeitet (ggf. auch in Kombination mit physikalischen Modellversuchen).




Hydrodynamisch-Numerische Modellierung von Überflutungsflächen



Zugeordnete Forschungsprojekte: