Urbanes Sedimentmanagement – vom Einzugsgebiet bis zum Kanal

Um die hydraulische Wirksamkeit zu untersuchen, wurde der Durchfluss im Schotterfang schrittweise gesteigert, um die Strömungszustände bei verschiedenen Durchflüssen zu erfassen. Dabei entsprechen 2 l/s im Modell 0,63 m³/s in der Natur, 8 l/s im Modell 2,5 m³/s und 16 l/s im Modell 5,0 m³/s. Alle gewählten Durchflüsse entsprechen erhöhten Abflüssen im Krottenbachkanal, der einen Trockenwetterabfluss von circa 0,15 m³/s besitzt. Um einen qualitativen Überblick über die Strömung im Schotterfang zu gewährleisten, wurden Farbversuche wie in Abb. 6 bei den verschiedenen Durchflüssen, gegliedert in Szenario 1 bis 3, durchgeführt.

Anhand der Farbversuche ist deutlich erkennbar, dass die Strömung beide Schotterfangbecken bis zu einem Durchfluss kleiner als 16 l/s gleichmäßig durchströmt. Ab 16 l/s (Szenario 3) kommt es zur einseitigen Durchströmung des Schotterfanges und zur Ausbildung einer Kehrströmung. Dieser Effekt tritt zufällig auf und kann von einer Seite auf die andere wechseln. Dadurch erhöhen sich die Fließgeschwindigkeiten im durchströmten Becken, da nahezu der gesamte Durchfluss durch ein Becken (halber Querschnitt) abgeführt wird. Physikalisch entsteht dieser Effekt bei „großen Aufweitungen“ wie es beim Übergang zwischen Kanal zu Schotterfang der Fall ist. Die Hauptaufgabe der Aufweitung im Schotterfang ist die Reduzierung der Fließgeschwindigkeit sowie die Erzeugung eines einheitlichen Geschwindigkeitsprofils nach der Aufweitung, damit Sedimente abgesetzt werden können. Beim Anstieg des Durchflusses und somit der Fließgeschwindigkeit im Aufweitungsbereich kann die Strömung der Aufweitung nicht mehr folgen und es kommt zu Ablösungen an den Seitenwänden, Rückströmungen (Abb. 7 rechtes Bild mit 16 l/s) und instationären Phänomenen, die sowohl zu Verlusten als auch zu ungleichmäßigen Abströmverhältnissen führen. Da die Strömung im Bereich der Wände eine geringere kinetische Energie besitzt als im mittleren stark durchströmten Bereich (hohe Fließgeschwindigkeiten), werden die Fließgeschwindigkeiten bei gleichmäßigem Druckanstieg an der Wand früher Null oder negativ und führen zu Asymmetrien im System. Basierend auf kleinen, stets vorhandenen Asymmetrien geschieht dies an einer Seite der Aufweitung früher als an der anderen (Mohringer 2012). Aufgrund dessen kommt es über die Breite zu einem asymmetrischen Druckgradienten und die Strömung legt sich an der Seite mit geringerem Druck an. An der anderen Seite entstehen Ablösezonen (Abb. 7), die einen Teil des Querschnitts blockieren. In Anlehnung an den beobachteten instationären Vorgang kann dieser mit den von Kline (1959) definierten Ablösezustände bei Diffusoren verglichen werden, resultierend in einer stabilen Ablösung mit stationärer Rückstromzone. Abb. 7 stellt die Strömungsverhältnisse mit Rückströmzone schematisch im Aufweitungsbereich des Schotterfangmodells dar.

Wie Abb. 7 veranschaulicht, besitzt die Aufweitung des Schotterfangs im Modell einen Öffnungswinkel 2Ө = 36°, eine Länge L = 417 mm und eine Eingangsbreite b1 = 200 mm. Das Verhältnis von L/b1 beträgt ca. 2,1 und bei vorhandenem Öffnungswinkel ergibt sich laut dem Diagramm nach Renau et al. (1967) der Zustand im Übergangsbereich zur stabilen Ablösung (Abb. 8). Dies deckt sich mit den Beobachtungen der Farbversuche.

Um den Einfluss der asymmetrischen Strömung auf die sedimentologische Rückhaltewirkung zu beziffern, wurden Ausspülversuche des Schotterfangs durchgeführt (die folgenden Größen sind in Modellmaßen angegeben). Es wurden 22 dm³ Sediment mit Korngrößen zwischen 0,4 bis 0,8 mm (das entspricht d₅₀ bis d₉₀ des Schotterfangs), bei einem Durchfluss Q = 2 l/s im Zulauf zum Schotterfang zugegeben. Die Sedimentmenge entspricht dabei ca. 40 % des maximalen Rückhaltevermögens des Schotterfangs. Abb. 9 zeigt die schrittweise Verlandung und Entlandung des Schotterfanges.

Nachdem das gesamte Sediment zugegeben war (40 min), wurde der Durchfluss auf 16 l/s erhöht, 20 min konstant gehalten und danach wieder reduziert. Dies entspricht in etwa dem skalierten Zeitraum des Extremereignisses, wie in Abb. 3 dargestellt. Anhand der Sedimentversuche ist ersichtlich, dass es zur Bildung einer ausgeprägten Sedimentfront kommt, die nach 3 min nahezu das hintere Ende des Schotterfangs erreicht und so Sedimentaustrag aus dem Schotterfangbecken verursacht. Anhand der Fächerlaserscans wurden die relevanten Volumina berechnet. Das verlandete Volumen (V_Ver) im aufgenommenen Schotterfangbecken beläuft sich auf 11 dm³, wodurch von einer symmetrischen Sedimentverlandung hinsichtlich der beiden Schotterfangbecken ausgegangen werden kann. Nach der Erhöhung des Durchflusses (Entlandungsversuch) wurde ein Restvolumen von 2 dm³ (V_Ent) gemessen. Daraus ergibt sich eine Differenz von 9 dm³ zwischen V_Ver und V_Ent und eine Rückhaltewirkung R_Sed von 0,18 bzw. von 18 % im gemessenen Schotterfangbecken.

Dies entspricht in Naturwerten rund 9 m³ die aus dem Schotterfang bei einem Extremereignis ausgetragen werden. Während das stark durchströmte Becken, hier in Fließrichtung links (Abb. 9), nahezu komplett ausgespült wird, kommt es im rechten Becken auf Basis optischer Kontrolle nur zu sehr geringem Sedimentaustrag.

Um der beschriebenen Ausspülungstendenz aufgrund der hydraulisch einseitigen Durchströmung entgegenzuwirken, wurde der Schotterfang im physikalischen Modell optimiert. Dafür wurde ein keilförmiger Strömungsbrecher, dessen Winkel 3° vom Öffnungswinkel des Schotterfanges abweicht, im Bereich der Aufweitung eingebaut (die folgenden Größen sind in Modellmaßen angegeben): Der Strömungsbrecher hat eine Länge von 200 mm und eine Höhe von 170 mm. Durch die Reduktion des Öffnungswinkels von 36° auf 3° ist nach Abb. 8 nicht mit Ablösungserscheinungen zu rechnen. Dies konnte mit Farbversuchen bei einem Durchfluss von 16 l/s bestätigt werden (Abb. 10).

Da es zur Bildung einer ausgeprägten Sedimentfront und dadurch zum Austrag des Sediments kommt, wurden Trennwände quer zur Fließrichtung in die Schotterfangbecken, über die gesamte Breite, eingebaut. Insgesamt wurden pro Becken vier Trennwände mit einer Höhe von 60 mm (halbe Beckentiefe) und symmetrischen Abständen von jeweils 240 mm angeordnet. Diese wirken wie Kammern und sollen durch kontinuierliches Auffüllen mit Sedimenten die Ausbildung einer dominanten Sedimentfront verhindern und die Geschwindigkeit der abgetragenen bzw. abgeschwächten Sedimentfront verlangsamen. Abb. 11 stellt die Optimierungsvariante dar.

Durch den Strömungsbrecher und die Anordnung der Trennwände konnte bei gleicher Sedimentzugabe und hydraulischen Eingangsgrößen, wie bei der Variante des Ist-Stands, vor allem hinsichtlich der Entlandung ein besseres Ergebnis erzielt werden. Während die Verlandung ähnlich verläuft, ist in Abb. 12 gut erkennbar, dass durch die Trennwände und den Strömungsbrecher die Ausbildung der Sedimentfront sowie die Geschwindigkeit der Sedimentbewegung reduziert werden konnten.

Basierend auf den Laserscandaten konnte festgestellt werden, dass es bei der Optimierungsvariante zu minimalem Austrag kommt. So beläuft sich das ausgetragene Volumen (V_Ver − V_ent) in einem Schotterfangbecken auf 0,5 dm³ und die sedimentologische Rückhaltewirkung auf 0,95 bzw. auf 95 %. Abb. 13 stellt die Verlandung sowie den Zustand nach dem simulierten Extremereignis vergleichend zwischen dem Ist-Stand und der Optimierung für ein Schotterfangbecken dar. Fließrichtung von links nach rechts.

Nachdem der Verlandungs- sowie der Entlandungszustand nach den Experimenten symmetrisch war, kann bei der Optimierungsvariante insgesamt von rund 1 dm³ Sedimentaustrag ausgegangen werden, das entspricht in Naturmaßen 1 m³.