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Praxisbeispiele für die Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen

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Die Optimierung der Sedimentbewirtschaftung, im Zusammenwirken mit Stromregelungsmaßnahmen, ist ein wesentlicher Arbeits- und Forschungsschwerpunkt der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), in ihrer Funktion als verkehrswasserbaulicher Dienstleister für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes. Mit dem Ziel, das ausgeprägte Erosionsregime zu kompensieren, wird am Beispiel des Mittleren Niederrheins der Methodeneinsatz der BAW zur Verbesserung der Geschiebezugabestrategien aufgezeigt.

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Praxisbeispiele für die Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen

  1. 1. Wallgau, 01.07.2016 Praxisbeispiele für die Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann Wasserbau – Mehr als Bauen im Wasser, 18. Wasserbau-Symposium der TU München Dr.-Ing. Thomas Brudy-Zippelius Dr.-Ing. Nils Peter Huber
  2. 2. www.baw.de Inhalt 1. Veranlassung 2. Methodeneinsatz in der BAW 3. Praxisbeispiel: Optimierung der Geschiebezugabestrategie am Mittleren Niederrhein 4. Zusammenfassung und Ausblick Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 2
  3. 3. www.baw.de Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen  Ziel: großräumiges dynamisches Sohlengleichgewicht  Maßnahmen gegen Sedimentation: • Geschiebeentnahme oberstrom der Sedimentationsstrecke (Geschiebefang) • Strombau (Buhnen, Parallelwerke, Kolkverbau) • Unterhaltungsbaggerungen  Maßnahmen gegen Erosion: • Geschiebezugabe • Querschnittsaufweitung (z. B. Uferrückverlegung, Nebenrinne) • Unterstützung der natürlichen Deckschichtbildung • Herstellung von Grund- oder Sohlenschwellen, Sohlendeckwerk • Kolkverbau Veranlassung Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 3 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  4. 4. www.baw.de Geschiebebewirtschaftung am Rhein Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 4 Ort Zugabe / Entnahme Iffezheim 174.000 m³/a, seit 1978 Weisenau 71.000 m³/a, seit 1989 Moselmündung 17.500 m³/a, seit 2005 Oberer Niederrhein 49.000 m³/a, Pilot 2014 Mittlerer Niederrhein 51.000 m³/a, seit 2002 Unterer Niederrhein 77.000 m³/a, seit 2000 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  5. 5. www.baw.de Geschiebezugaben am Niederrhein Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 5 0 25.000 50.000 75.000 100.000 125.000 150.000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 [m³/a] Jahr Oberer Niederrhein Mittlerer Niederrhein Unterer Niederrhein Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick © Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Duisburg-Rhein
  6. 6. www.baw.de Methodeneinsatz bei morphodynamischen Fragestellungen Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 6 Numerische Modelle: 2-/3-dimensional Gegenständliche Modelle Naturuntersuchungen Kalibrierung Validierung Prozessverständnis Hydrodynamik Telemac2D/3D Baggern u. Verklappen DredgeSim Morphodynamik Sisyphe Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  7. 7. www.baw.de Einsatzgebiete der numerischen morphodynamischen Modelle 1D- querschnittsgemittelt 2D- tiefengemittelt 3D Prozesse / Phänomene  großräumige, langfristige morphologische Entwicklungen  Sedimentmanagement  Gerinnekrümmungen  Bettformen  großräumige Wirbelsysteme  Sedimentmanagement  Gerinnekrümmungen  Bettformen  Bewegungsbeginn  Schwebstofftransport  Kolkbildung Projekt- beispiele / Ausdehnung  Rhein (227 km / 40 Jahre)  Elbe (175 km / 40 Jahre)  Geschiebezugabe Mittlerer Niederrhein (46,5 km / 10 Jahre)  PFV Donauausbau Straubing-Vilshofen (23 km / 25 Jahre)  Geschiebezugabe Mittlerer Niederrhein (10,0 km / 2 Jahre)  Sedimentation OW Iffezheim (3 km / 3 Monate) 01.07.2016 | Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber Seite 7 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  8. 8. www.baw.de Verkehrswasserbauliche Projekte am Mittleren Niederrhein Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 8 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick Optimierung der Geschiebezugabe  Kornzusammensetzung  Zugabestellen  Intensität und Dauer der Zugaben  Zugabe bei unterschiedlichen Abflüssen Projekt aus BVWP 2030 (Entwurf, 16. März 2016)  Abladeverbesserung und Sohlenstabilisierung am Rhein zwischen Duisburg und Stürzelberg © http://www.bvwp-projekte.de/wasserstrasse/w27/w27.html
  9. 9. www.baw.de Modelleinsatz am Mittleren Niederrhein Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 9 Modell Ausdehnung Elemente 2D 46,5 km 190.000 3D 10,0 km 820.000 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  10. 10. www.baw.de 01.07.2016 | Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber Seite 10 Naturmessungen Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick Umfangreiche Datenerhebungen:  Wasserspiegelfixierungen  ADCP-Messungen  Flächenpeilungen  Sedimentproben (Greiferproben, Gefrierkerne)
  11. 11. www.baw.de Naturmessungen Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 11 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick Gewässersohle bei Rh-km 749,00 Abstand zur Fahrrinnenachse in Fließrichtung (minus: links, plus: rechts) - 100 m - 50 m + 100 m Rh-km 749,00
  12. 12. www.baw.de Modellvalidierung – Sekundärströmungen 3D-Modell / Naturmessungen Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 12 ADCP-Langzeitmessungen Modellrechnung Telemac-3D Rhein-km 740+700 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  13. 13. www.baw.de Parametrisierung der Wirkung der Sekundärströmung auf den Geschiebetransport mit Korrekturansatz von Engelund:  Schubspannungsanteil der Sekundärströmung abhängig von Wassertiefe und Krümmungsradius (ermittelt aus Wasserspiegelquerneigung) → Änderung der Sohlenschubspannung in Betrag und Richtung Modellvalidierung – Korrekturansatz im 2D-Modell Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 13 © Blanckaert, K., de Vriend, H. J. (2003)
  14. 14. www.baw.de Modellvalidierung – Vergleich Sohlenhöhenentwicklung 2D- / 3D-Modell Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 14 Rhein-km 740+700 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick 2D mit Korrektur 2D ohne Korrektur 3D
  15. 15. www.baw.de Modellvalidierung – Vergleich mittlerer Korndurchmesser 2Dkorr / Natur Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber 01.07.2016 | Seite 15 Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  16. 16. www.baw.de 01.07.2016 | Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber Seite 16 Modellanwendung – Einfluss der Abflussganglinie Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  17. 17. www.baw.de 01.07.2016 | Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber Seite 17 Modellanwendung – Einfluss der Kornzusammensetzung Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  18. 18. www.baw.de 01.07.2016 | Sedimentbewirtschaftung an Bundeswasserstraßen | Ch. Heinzelmann, T. Brudy-Zippelius, N. P. Huber Seite 18 Zusammenfassung und Ausblick  Für die verkehrswasserbaulichen Projekte am Mittleren Niederrhein hat die BAW ein morphodynamisches 2D-Modell aufgebaut, das aufwändig kalibriert und validiert wurde.  Der Einfluss der im Modellgebiet ausgeprägten Sekundärströmungen auf die Morphodynamik wird im 2D-Modell durch den Korrekturansatz von Engelund realistisch abgebildet.  Das Modell soll zunächst für Szenarienbetrachtungen zur Optimierung der Geschiebezugabestrategie eingesetzt werden.  Zur weiteren Validierung der Modellaussagen empfiehlt die BAW, Tracerversuche zum Ausbreitungsverhalten des zugegebenen Geschiebematerials durchzuführen. Veranlassung | Methodeneinsatz | Praxisbeispiel: Geschiebezugabe am Mittleren Niederrhein | Zusammenfassung und Ausblick
  19. 19. Bundesanstalt für Wasserbau 76187 Karlsruhe www.baw.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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