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Forschung

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Rekonstruktion von Hochwässern. Dabei werden Extremereignisse seit dem Pleistozän untersucht, beispielsweise Ausbrüche von natürlichen Stauseen. Zahlreiche Hochwasser in historischer Zeit sind hinsichtlich ihrer Wasserstände überliefert; um diese im Sinne der Risikoabschätzung und Katastrophenvorsorge interpretieren zu können, sind Umrechnungen zu Scheitelabflüssen erforderlich. Hochwässer hinterlassen vielfältige Kleinformen im Gelände, die im Rahmen der Prozessforschung ihrer Entstehung hydraulisch interpretiert werden können. Hierbei sind Experimente im hydraulischen Versuchskanal hilfreich.


Natürliche Stauseen

Natürliche Stauseen können u.a. durch die Blockade von Flussläufen durch Erdrutsche, Vulkanausbrüche, Gletschereis oder Moränen entstehen. Häufig sind diese Dämme nicht stabil genug, um dauerhaft das rückgestaute Wasser zu halten. So kann es zu unerwarteten Ausbruchsflutwellen kommen, die um ein Vielfaches größer als witterungsbedingte Hochwasser sein können. Im Pleistozän gab es u.a. in Nord-Amerika und Russland Eisstauseen, die mehrere hundert Meter tief waren und große Regionen bedeckt haben. Als die Gletscher den Weg für das rückgestaute Wasser frei gegeben haben, ergossen sich Flutwellen mit Scheitelabflüssen von mehreren Millionen Kubikmetern pro Sekunde, die damit zu den größten Hochwasserereignissen in der Erdgeschichte zählen. Neben der Rekonstruktion von ehemaligen Stauseeausbrüchen finden Untersuchungen an rezenten natürlichen Stauseen statt, um zu überprüfen, wie stabil die Dämme sind bzw. welche Dimension ein Hochwasser bei einem Dammbruch haben würde.


Im Mittellauf des Flusses Katun (Altai-Gebirge, S-Sibirien) finden sich an den Talflanken markante hier rund 200 m hohe Großterrassen, die vorwiegend aus in Suspension transportierten Kiesen bestehen und während eines Stauseeausbruches vor rund 20.000 Jahren aufgeschüttet wurden. Der durch die Terrassenhöhe markierte Paläowasserstand ist mit einem Abfluss von 10 x 106 m³/s verbunden.


Die beiden natürlichen Stauseen von Ikhnach liegen im oberen Einzugsgebiet des Flusses Pskem (NE Tashkent, Usbekistan) in den westlichen Ausläufern des Tien Shan Gebirges. Der obere See ist durch einen Bergsturz von der angrenzenden Bergflanke gebildet worden, während der untere See durch eine pleistozäne Endmoräne aufgestaut wird. Die in den Bergsturzmassen sichtbare Überlaufrinne ist nur bei höherem Seewasserstand im Frühjahr aktiv, gefährdet aber akut die Stabilität des Dammes.


Die Ausbruchsflutwellen aus dem pleistozänen Eisstausee Lake Missoula haben im Westen des US-Bundesstaat Washington zahlreiche Kanäle in den anstehenden Basalt erodiert. Westlich der Palouse-Falls im SW des Staates ist der damalige Wasserstand durch die Erosion der aufliegenden Lössdecke markiert.


Historische Hochwässer

Historische Hochwassermarken entlang zahlreicher Flüsse zeigen den Wasserstand ehemaliger Hochwässer an. Ergänzt werden diese durch textliche Überlieferungen und Beschreibungen. Aus diesen Archiven ist das Klima und die unterschiedliche Hochwasserhäufigkeit in historischer Zeit abgeleitet worden. Da in der Zwischenzeit die Flussbetten intensiv umgestaltet wurden, sind die historischen Hochwasserstände nicht in die heutige Zeit übertragbar. Unter Berücksichtigung der Topographie der Flussauen in historischer Zeit lassen sich über hydraulische Berechnungen die Scheitelabflüsse der ehemaligen Hochwässer abschätzen. Erst durch diese Umrechnung ist unter Berücksichtigung von Klimaveränderungen eine Beurteilung der heute möglichen Hochwassergefährdung anhand der Beobachtungen in historischer Zeit durchführbar.



In Wertheim, gelegen an der Mündung der Tauber in den Main, sind aus historischer Zeit zahlreiche Hochwasser-marken überliefert - die Älteste von 1595 (links). Diese überlieferten Hoch-wasserstände sind an einem Gebäude am Ufer der Tauber zur Übersicht zusammengestellt worden (rechts). Aus dieser Übersicht wird deutlich, dass die historischen Wasser-stände neben den aktuellen Messungen eine wichtige Größe zur Abschätzung möglicher extremer Hoch-wasser bilden.



Aus Köln ist für das Jahr 1374 überliefert, dass während eines Hochwassers des Rheins die Stadtmauer per Boot überquert werden konnte. Dieser außer-gewöhnlich hohe Wasserstand lässt sich mit einem Abfluss von rund 23.200 m³/s korrelieren - mehr als das Doppelte der Hochwasser in den 90er Jahren. (Abb.: H. Meurs)


Prozessforschung

In Abhängigkeit von den hydraulischen Randbedingungen bilden sich am Gerinnebettboden unterschiedliche fluviale Kleinformen aus. Auch ohne direkte Messungen lassen sich durch die Analyse der verbliebenen Formen Aussagen über die Abflussbedingungen ableiten. Um die individuelle Bedeutung der einzelnen Einflussfaktoren systematisch untersuchen zu können, wird in hydraulischen Versuchskanälen die Bildung der Formen experimentell nachvollzogen.

Im Chuja-Becken (Altai-Gebirge, S-Sibirien) hat sich während der Entleerung des pleistozänen Eisstausees darin um einen 50 m hohen Hügel aus anstehendem Festgestein ein Kolk gebildet, der laut Darstellung in Lehrbüchern in dieser Form nicht hätte entstehen können. Zur Erklärung der Genese ist Grundlagenforschung in hydraulischen Versuchskanälen erforderlich.

Die Aufnahme eines Experimentes im hydraulischen Versuchskanal zeigt die Bildung eines nahezu symmetrischen Kolkes unter Laborbedingungen (Hindernisdurchmesser 3 cm; Pfeil gibt Fließrichtung an) (Abb.: T. Euler)

 




Im Kuraj-Becken (Altai-Gebirge, S-Sibirien) entstanden während der Entleerung des pleistozänen Eisstausees darin fluviale Kiesdünen. Diese prinzipiell mit den bekannten Rippelmarken im Wattenmeer vergleichbaren Formen weisen Höhen von bis zu 16 m auf. Bemerkenswerterweise entstanden diese Formen bei Wassertiefen von weniger als 50 m.

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