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Forschung

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Rekonstruktion von Hochwassern. 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.

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Im Mittellauf des Flusses Katun (Altai-Gebirge, S-Sibirien) finden sich an den Talflanken markante hier rund 200m 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.

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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.

 

 

 

 

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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.

 

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Hochwasserstände des Mains am Stadttor von Eibelstadt.

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Aus Köln ist für das Jahr 1374 überliefert, dass während eines Hochwassers des Rheins die Stadtmauer per Boot überquert werden konnte. Dieser außergewöhnlich hohe Wasserstand lässt sich mit einem Abfluss von rund 23.000 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.

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Im Chuja-Becken (Altai-Gebirge, S-Sibirien) hat sich während der Entleerung des pleistozänen Eisstausees darin um einen 50m 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.

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Kolkstruktur im hydraulischen Versuchskanal.

 

 

 

 

 

 


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Fluviale Kiesdünen im Kuraj-Becken, Altai-Gebirge/ Sibirien.

Hydraulische Versuchskanäle

Als Arbeitsgeräte der prozessorientierten Forschung werden hydraulische Versuchskanäle in der Geomorphologie unter anderem zur analytischen Untersuchung und Simulation von Strömungsfeldern und der Beobachtung von Sedimentverlagerungen in Fließgewässern eingesetzt. Um diese systematisch und insbesondere unter kontrollierten Randbedingungen studieren zu können, bedient man sich derartiger Versuchsgeräte.

Hydraulische Versuchskanäle sind physikalische Modelle von Fließgewässern, deren prinzipieller Aufbau meist so gestaltet ist, dass Wasser durch einen rechteckigen oder trapezförmigen Kanal befördert wird, welcher einer entsprechenden Trägerkonstruktion aufsitzt. Je nach Kanaltyp können, als Voraussetzung für sedimentäre Studien, Sedimente in einen solchen Kanal eingebracht werden, die dann entsprechend den vorherrschenden Strömungsbedingungen mobil oder immobil sind. Spezifische Strömungsbedingungen werden in der Regel über Pumpenleistung, Kanalgefälle und über Reguliermechanismen im Kanal gesteuert.

Die Arbeitsgruppe verfügt über zwei hydraulische Versuchskanäle, welche nicht nur für Forschungszwecke, sondern auch in der Hochschullehre verwendet werden. Beide Geräte bestehen aus Stahlgerüsten, denen rechteckige Kanäle aus Plexiglas aufsitzen. Das Wasser wird jeweils über eine Kreiselpumpe befördert, als Wasserspeicher dienen Kunststofftanks.
Der ältere der beiden Kanäle ist mit einem durchflossenen Bereich von 450 cm (L) x 45 cm (H) x 4,5 cm (B) ausgestattet und enthält ein unbewegliches Kiesbett. Dieser Kanal wird vorwiegend in Lehrveranstaltungen zur Veranschaulichung von prinzipiellen Strömungsmechanismen in Fließgewässern eingesetzt.
Der zweite, neuere Versuchskanal hat einen durchflossenen Bereich von 500 cm (L) x 27 cm (H) x 32 cm (B) und eine Gesamtlänge von etwa 9 m. Im Gegensatz zu ersterem Kanal sind hier auch Studien zur Verlagerung von Sedimenten möglich. Momentan wird dieser Kanal zur Untersuchung von kleinskaligen Gerinnebettformen, welche sich an überströmten Hindernissen bilden („Fluviale Hindernismarken“), verwendet. Weitere Versuchsreihen mit unterschiedlichen thematischen Schwerpunkten befinden sich in der Planung.

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Seitlicher Blick auf die Versuchskanäle (links). Im Vordergrund der neuere, im Hintergrund der ältere Kanal. Rechts Blick über den Auslass des neuen Versuchskanals.

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