Dr.-Ing. Volker Weitbrecht
Influence of Dead-Water Zones an the Dispersive Mass Transport in Rivers

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Qualität der Fließgewässer in Deutschland durch die starke Kontrolle bestehender oder geplanter neuer Emissionen wesentlich verbessert, jedoch besteht für kurzzeitige Verunreinigungen infolge von Schadstoffaustritten bei Schiffkollisionen oder Störfällen in Industriebetrieben ein oft unterschätztes Risikopotential. Nach dem verheerenden Unfall bei der Firma Sandoz (1986) in Basel wurde das Rheinalarmmodell von der Internationalen Kommission zum Schutz der Rheines (IKSR) zur Vorhersage von Konzentrationsverläufen und Transportzeiten von Basel bis in die Niederlande entwickelt. Es hat sich seitdem nach einer Vielzahl weiterer Störfällen als unverzichtbares Instrument bewährt, um rechtzeitig Maßnahmen seitens der Wassernutzer in die Wege zu leiten. Weitere Alarmmodelle sind weltweit und in Europa insbesondere für die Elbe und die Donau in Planung. Dies ist auf Grund immer wiederkehrender Unfälle z.B. an der Theiss/Donau (Baia Mare, Rumänien 2001) oder am Guadalquivir (Spanien 1998) eine dringliche Priorität. Da jedoch die mechanistischen Zusammenhänge zwischen Fluss-morphologischen Heterogenitäten (z.B. Buhnenfelder und Auen) und dem Transportcharakter eines Flussabschnitts nicht ausreichend bekannt sind, werden solche Alarmmodelle nur durch Kalibrierung unter dem Einsatz von groß angelegten und äußerst teuren Feldversuchen zu hilfreichen Werkzeugen. Eine Übertragung auf abweichende hydrologische Situationen oder gar auf andere Flusssysteme ist damit aber kaum durchführbar. Um den Kalibrieraufwand für Alarmmodelle zu minimieren, untersuchte Herr Weitbrecht systematisch die Einflüsse von durch Buhnenfelder geschaffenen Totwasserzonen auf die Transporteigenschaften gelöster Substanzen in Flüssen mittels physikalischer und numerischer Experimente. Als Vorbereitung der physikalischen Laborversuche wurde anhand verschiedener Karten- und Bildmaterialien typische Buhnenfeldgeometrien charakterisiert. Zur Bestimmung der Fließ- und Transporteigenschaften in buhnengeregelten Fließstrecken wurden in einer Versuchsrinne zeitlich und räumlich hochaufgelöste flächenhafte Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessungen durchgeführt. Die Aufenthaltszeiten von Schadstoffen in Totwasserzonen wurden mit einem von Herrn Weitbrecht entwickelten Messverfahren, bei dem tiefenintegriert nach instantaner Tracerinjektion der Massenaustausch mit Hilfe digitaler Bildauswertung erfasst wurde, bestimmt. Für die Übertragung der Versuchsergebnisse auf eine typische Fließstrecke mit vielen Buhnenfeldern entwickelte er ein Transportmodell auf Basis eines Lagrangian-Particle-Tracking-Method Ansatzes (LPTM) in Kombination mit einer zusätzlichen Haftrandbedingung, die die Buhnenfeldretention simuliert. Hiermit konnte der Einfluss verschiedener praxistypischer Buhnengeometrien auf die wesentlichen Transporteigenschaften wie Transportgeschwindigkeiten, Maximalkonzentrationen und Dispersionskoeffizienten systematisch ermittelt werden. Die so ermittelten Zusammenhänge werden für existierende und neu aufzubauende Warn- und Alarmmodelle (z.B. Donau, Elbe) zur Verfügung gestellt, um mit deutlich verringertem Kalibrieraufwand robuste Werkzeuge zur verbesserten Prognose von Schadstofftransportszenarien durch Wasseraufsichtsbehörden zu erstellen.

Preisgeld: 4.000 € für Dr.-Ing. Volker Weitbrecht - Dissertation