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Über dieses Buch

In der vorliegenden Arbeit wurden die laterale Sedimentation und Korngrößenverteilung untersucht. Die laterale Sedimentation in natürlichen Gewässern beschreibt die Bildung von Sandbänken besser als das Modell einer longitudinalen Sedimentation. Die Korngrößen verteilen sich lateral. Die groben Körner liegen auf den Bänken oben, die feinen unten. Die Länge der Bänke ist auf etwa die dreifache Breite des Gewässers beschränkt. Die Beobachtungen beziehen sich auf Gewässerbreiten von 1 m bis 300 m und auf Korngrößen von 0,16 mm bis 32 mm. Buhnenfelder können in dauerhaft verlandende und dauerhaft nichtverlandende unterschieden werden. Neben dem kontinuierlichen Sedimentanfall bei Niedrigwasser fällt das Sediment bei jedem Abfluß- Ereignis paketweise an. In der Praxis können Sedimente in einer geraden Strömung mittels einer aufgezwungenen Walzenströmung wirkungsvoll und auf kleiner Kanallänge abgeschieden werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Ansatz zur einheitlichen Betrachtung der Morphologie von Flüssen und von Sand- und Kiesbänken

Immer anders und immer gleich scheint die Gestalt des idealisierten Flusses von der Quelle bis zum Meer. Worin aber liegt das Andere und worin das Gleiche? Man nehme das Fließen des Wassers und das Schicksal des enthaltenen Sandes, um den Fluß, wie man ihn sieht, zu beschreiben. Er ändert fortschreitend oder durch Hochwasser seine Gestalt. Flußmorphologische Hauptsätze besagen: 1. Ein natürliches Gewässer fließt auf Dauer nicht geradeaus, 2. Ein natürliches Gewässer ändert auf Dauer seine Lage. Das eine Kennzeichen natürlicher Gewässer ist die Erosion des Ufers, das andere ist die Sedimentation des erodierten Materials.
In Kap. 1 werden die Schritte genannt, die zu der neuen Erkenntnis führten, daß es in der Natur fast keine longitudinale Sedimentation gibt, sondern vorwiegend eine laterale Sedimentation. Sie ist gestaltbestimmend für die Sandbänke, auf denen in physikalischer Einheit eine laterale Korngrößensortierung stattfindet.
Bertram Botsch

2. Laterale Sortierung des Sediments in einem geraden Kanal mit horizontaler Walzenströmung, CFD-Berechnung und Vergleichsmessung im Maßstab 1:1

Die Krümmung eines Flusses wird aufgelöst in einen polygonalen Zug kubischer Strömungsabschnitte mit horizontaler Walzenströmung. Dadurch entfallen im einzelnen Strömungsabschnitt alle Parameter der Krümmung. In dem Strömungsabschnitt kann man erkennen:
  • Die Bahnlinien verschiedener Korngrößen, die von einem gemeinsamen Startpunkt ausgehen, trennen sich und führen zu ihren eigenen Sedimentationspunkten auf der Sohle
Rechnerisch und im Strömungslabor wird nachgewiesen, daß
  • nur eine kurze Sandbank entsteht,
  • alle Korngrößen (0,2mm bis 0,5mm) nebeneinander im gleichen Sedimentationsbereich abgeschieden werden, der sehr kurz ist,
  • das Fraktionsgemisch im Sediment über der Sandbanklänge annähernd konstant ist,
  • die Sedimentationspunkte nach Korngrößen sortiert liegen, was einer lateralen Sortierung der Korngrößen entspricht,
  • die Wirkung der Sedimentation mit dem Zufluß zunimmt.
Bertram Botsch

3. Kennwerte der Sandabscheidung in einem geraden Kanal mit horizontaler Walzenströmung

Die Wirkung der Sedimentation in einem Strömungsabschnitt oder in einem Kanal mit horizontaler Walzenströmung wird über die sogenannte Abscheidefunktion gemessen. Dabei wird nur die Kanallänge herangezogen, in der die Sedimentation stattfindet. Dies geschah an der Ethohydraulikrinne am Theodor- Rehbock- Flußbaulabor am IWG (Institut für Wasser- und Gewässerentwicklung) am KIT (Karlsruher Institut für Technologie). Die verfahrenstechnischen Kennwerte Flächenbeschickung qA, Kanalbreite B, Längen- Breiten- Verhältnis L/B und der Abscheidegrad η (%) der Trennkorngröße dT sind für die Sandabscheidung maßgebend.Die Kennwerte können auch für Abschnitte in fließenden Gewässern (Abschätzung von Parallelgerinnen) oder bei technischen Anwendungen (Entsander in Kraftwerkseinläufen, Sandfänge in Kläranlagen) angesetzt werden.
Bertram Botsch

4. Laterale Korngrößensortierung in Sand- und Kiesbänken in Bächen und im Rhein

Die natürliche laterale Korngrößensortierung wurde in Bächen und Flüssen von 1 m bis 300 m Breite gemessen und nachgewiesen. Hierzu wurden Sieblinien der aus Sandbänken entnommenen Proben ermittelt. Überall zeigt sich unabhängig von der Art des Gewässers und unabhängig von der Art der Sedimente eine Korngrößenverteilung in Abhängigkeit von ihrer Lage auf der Sandbank (vereinfachte Darstellung):
die groben Körner liegen oben auf den Bänken,
die mittleren Körner am Hang und
die feinen Körner unten oder auf der Sohle.
Eine Klassifizierung von Sandbänken über ihre mittlere Korngröße dm ist möglich.
Bertram Botsch

5. Morphologische Feststellungen zu Buhnenfeldern in Rhein und Elbe

Es treten dauerhaft verlandende und dauerhaft nichtverlandende Buhnenfelder V und Nauf. Sie sind Folge der unterschiedlichen Strömungseinmischung aus dem Fluß in die Buhnenfelder. Dies geschieht in gekrümmten Flußabschnitten hauptsächlich durch die Sekundärströmung in der Walzenströmung, in geraden Flußabschnitten hauptsächlich durch die horizontale und vertikale Einmischung entlang der Trennfläche an der Streichlinie. Dies ist an Beispielen im Rhein und Elbe aufgezeigt.
Bertram Botsch

6. Beschreibung des Transportes und der Sortierung der Korngrößen in Sand- und Kiesbänken in Kanälen und Mäandern nach dem Stand der Forschung

Im Stand der Forschung ist hauptsächlich das Wesen abnehmender Korngrößen entlang einer längeren Fließstrecke des Flusses beschrieben. Dies entspricht nicht einer longitudinalen Korngrößensortierung innerhalb der Sandbänke.An dem Auftreten ausgesuchter Korngrößen in verschiedenen Strandabschnitten (Sand, Kies, Wacker) ist die sortierende Wirkung der Walzenströmung in der maritimen Brandungszone zu erkennen. Der zugrundeliegende hydraulische Effekt ist hier beschrieben.Einige Arbeiten zur abweichenden Korngrößenverteilung durch die Sekundärströmung in Mäanderbögen sind auf einschränkende Bedingungen zurückzuführen. Sie unterscheiden sich grundsätzlich von der in diesem Buch vorgestellten lateralen Sedimentation und lateralen Korngrößensortierung.
Bertram Botsch

7. Ereignismuster von Abfluß und Sediment, Spezifische Geometrien von Mäandern und besondere Merkmale der Sekundärströmung

Kontinuierlicher und stoßweiser Anfall von Sediment tritt in drei Ereignismustern paketweise innerhalb des jeweiligen Abflußereignisses auf. Bei Hochwasser verlaufen Sedimentanfall und Abflußgang zeitlich versetzt. Die für die Sedimentation maßgebende Sekundärströmung herrscht über die ganze Krümmungslänge und auch bei Ein- und Ausflutungen aus dem und in das Vorland.
Die Länge der Sedimentationszone beschränkt sich auf etwa dreifache Fließbreite.
Bertram Botsch

8. Spezifische Geometrien von alternierenden Sandbänken in geraden Kanälen

Alternierende Bänke behalten bei ihrer kontinuierlichen Wanderung talwärts annähernd eine gleiche Größe, wobei sich die an der Stirnseite der Bank erodierte Sedimentmenge am Ende der Bank in Folge der Sekundärströmung wieder anlagert. Die Morphokinetik der alternierenden Bankbildung entspricht einer Mäandrierung eines Flusses bei verhinderter seitlicher Ausbreitung.
Die alternierenden Bänke zeigen eine im wesentlichen auf die dreifache Gewässerbreite beschränkte Banklänge.
Der Abstand der alternierenden Bänke voneinander ist kleiner als die Banklänge.
Die beobachteten morphologischen Vorgänge scheinen für den ganzen Korngrößenbereich 0,2 mm < d < 82 mm ihres Vorkommens in alluvialen Gewässern zu gelten.
Bertram Botsch

9. Zu geometrischen Mustern in Bänken in strömenden Vorgängen

Die Muster der Sedimentformation sind
  • unabhängig von der absoluten Größe der beteiligten Parameter.
  • unabhängig von der Art des Fluids.
  • unabhängig von der Art der Feststoffe
Die Muster der Sedimentformation haben häufig kleinzahlige Längenproportionen (L~B oder L~3B) und haben häufig eine fraktale Charakteristik.
Die Muster der Sedimentformation zeigen häufig eine Sortierung der Korngrößen (Riffel oder Pflästerung).
Bertram Botsch

10. Zusammenfassung und Homologie-Hypothese

Diese Homologie-Hypothese folgt aus den Erkenntnissen der Kapitel 2 bis 9. Die dort genannten Ansätze sind als gleichartig (homolog) über die gesamten Anwendungsbereiche zu sehen.
Die hydraulischer Mechanismen sind bei allen Formen und Größen der Gewässer gleichartig, darunter:
  • die Mechanik der lateralen Sedimentation in jeder beliebigen Flußkrümmung oder bei anderswo auftretender Walzenströmung,
  • die laterale Sortierung aller Korngrößen auf Sandbänken,
  • die gleichzeitige Sedimentierung aller Korngrößen an derselben Fließlänge.
  • Abschluß jeder neuen Bankbildung mit Abschluß jedes Ereignisses
Bertram Botsch

11. Einige wasserbauliche Folgerungen aus der lateral gerichteten Sedimentation in der Walzenströmung

Die laterale Sedimentation ist als schnell zu bezeichnen und durch eine kurze Sedimentationslänge gekennzeichnet. Alle herkömmlichen technischen Anwendungen nach dem hydraulischen Modell einer longitudinalen Sedimentation (Entsander in Kraftwerkseinläufen, Sandfänge in Kläranlagen usw.) könnten in dieser Hinsicht hinterfragt werden, ob und unter welchen Umständen sich ein Wechsel zu dem Modell der lateralen Sedimentation lohnt. Die wenigen bekanntgewordenen Messungen des Abscheideerfolges nach dem Modell einer longitudinalen Sedimentation sind mit ihrer geringen Effizienz beschrieben und verweisen auf ein sehr großes Erwartungspotential eines Wechsels zum Modell der lateralen Sedimentation.
Im Wasserbau könnten auch Einläufe in revitalisierten Altwassern und Notüberläufe an Dämmen und Deichen hinsichtlich der Sedimentablagerung verbessert werden.
Bertram Botsch

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