Druckgetriebene Filtrationsprozesse, wie z.B. die Querstrommikrofiltration, sind in ihrer Leistungsfaehigkeit durch Effekte wie Fouling und Konzentrationspolarisation bzw. Deckschichtwachstum beschraenkt. Ziel der hier genannten Arbeit ist es, durch eine gezielte Induzierung von Stroemungsinstabilitaeten in Form von Sekundaerstroemungen das Deckschichtwachstum an der Membran zu limitieren, somit hoehere Filtratfluesse zu erzielen und den Filtrationsprozess insgesamt effizienter zu betreiben. Die Stroemungsinstabilitaeten werden durch die Stroemungsfuehrung in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen aufgrund von Zentrifugalkraeften erzeugt. In Technikumsversuchen mit Latex- und Hefesuspensionen konnte nachgewiesen werden, dass sich der Filtratfluss durch den Einsatz von Dean Wirbeln gegenueber der Filtration mit geraden Kapillarmembranen um bis zu 140 Prozent steigern laesst, die Effizienz des Prozesses kann bei gleichem spezifischen Filtratfluss sogar um bis zu 400 Prozent hoeher sein. Neben den experimentellen Untersuchungen erfolgt eine intensive theoretische Betrachtung des Filtrationsprozesses. Mit Hilfe einer CFD-Software werden die hydrodynamischen Vorgaenge untersucht und in Hinblick auf den Deckschichtaufbau analysiert. Die Berechnung mehrphasiger Stroemungen und der Ablagerungsmechanismen von Partikeln soll in Zukunft durch die Simulation des dynamischen Deckschichtaufbaus in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen erfolgen und zur Optimierung von Filtrationsmodulen hinsichtlich der Hydrodynamik herangezogen werden.
Die weltweiten Warentransporte werden zu über 90 Prozent auf dem Seeweg abgewickelt. Die Seehäfen dienen den Warenströmen als Anlaufstelle und haben daher eine besondere Bedeutung für den gesamten Welthandel. Auch die deutsche Volkswirtschaft ist auf eine leistungsfähige Infrastruktur der Seehäfen angewiesen, um das Außenhandelsvolumen von jährlich rund zwei Billionen Euro effizient umsetzen zu können.
Um die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Seehäfen international zu sichern, wurden sie, wie auch ihre Zufahrten, in der Vergangenheit immer wieder an die Anforderungen der modernen Seeschifffahrt angepasst. So wurden seit dem Ende des 19. Jahrhunderts viele Fahrrinnen verändert, beispielsweise an Ems, Jade, Weser und Elbe. Zusätzlich haben umfangreiche Küstenschutzmaßnahmen, wie etwa Eindeichungen, die ursprünglich natürlichen Tideflusssysteme nachhaltig verändert. Auch heute sind noch weitere Fahrrinnenanpassungen für die Unter- und Außenelbe, die Unter- und Außenweser und die Außenems geplant. Die Pläne werden auf Antrag eines Bundeslandes (überwiegend Niedersachsen, Hamburg, Bremen) von der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes durchgeführt und der Planfeststellungsbehörde zur Genehmigung vorgelegt. Die BAW ist im Auftrag der WSV als Sonderfachgutachter an den Planungen beteiligt.
Da Seehafenzufahrten wie beim Hamburger Hafen leicht 100 Kilometer lang sein können, ergeben sich großflächige zusammenhängende Eingriffsflächen. Die geplanten Fahrrinnenanpassungen zählen entsprechend zu den größten Infrastrukturprojekten Deutschlands, bei denen zahlreiche Nutzungskonflikte beachtet werden müssen. Dazu gehört, dass die Seeschifffahrt auf den Tideflüssen in einem besonders schützenswerten Ökosystem stattfindet. Darüber hinaus schließen sich meist Schutzgebiete von nationaler und europäischer Bedeutung an. Fahrrinnenanpassungen können daher komplexe Auswirkungen auf die biotischen und abiotischen Systemparameter eines Tideflusses haben. Im Rahmen der für die Planungen nach nationaler und europäischer Gesetzgebung erforderlichen Umweltverträglichkeitsprüfung besteht somit eine hohe Verantwortung der Gutachter bei der Ermittlung und Prognose der ausbaubedingten Auswirkungen auf das Ökosystem. Hieraus ergibt sich die besondere Bedeutung der BAW-Gutachten: Die von der BAW prognostizierten Auswirkungen auf die abiotischen Systemparameter sind Grundlage für die ökologische Bewertung. So werden durch einen Ausbau der Wasserstand (z. B. Tidehochwasser, Tideniedrigwasser, Sturmflutscheitelwasserstände), die Strömungen und der Salzgehalt beeinflusst. Auch müssen die Auswirkungen auf den Sedimenttransport und das Gewässerbett (Morphodynamik) der von Gezeiten geprägten Flüsse ermittelt werden. (Text gekürzt)
Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen).
Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt.
Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen).
Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt.
Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen).
Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt.
Das Projekt VARSTIDE untersucht die räumliche Variabilität der Wechselwirkungen von Sediment- und Hydrodynamik im Emsästuar. Durch die Analyse von Messdaten aus vergangenen Messkampagnen liefert das Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Ursachen und Auswirkungen der Verschlickung und Bildung von Flüssigschlickschichten in Ästuaren.
Aufgabenstellung und Ziel
Die Entwicklung des Emsästuars ist durch eine starke Zunahme von Tidehüben und Schwebstoffkonzentrationen bis hin zur Ausbildung einer mächtigen Flüssigschlickschicht geprägt. Diese Veränderungen wurden insbesondere durch vergangene Eingriffe zur Änderung der Geometrie (Vertiefungen und Begradigungen) ausgelöst (Winterwerp und Wang 2013, van Maren et al. 2015). Untersuchungen zur Hydro- und Sedimentdynamik des Emsästuars in den vergangenen FuE-Projekten MudEstuary (B3955.03.04.70235) und MudEms (B3955.03.04.70241) haben deutlich gezeigt, dass die Prozesse, die zu einem Anstieg der Sedimentkonzentrationen und zur Verschlickung (und Ausbildung von Flüssigschlick) führten, von hoher Komplexität geprägt sind. Zudem variieren sie auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen.
In den Messkampagnen EDoM (August 2018, Januar 2019) und MudMeas (September 2021) wurde dies unter anderem individuell betrachtet. Um die verschiedenen Prozesse im Emsästuar auch in Modellen weiterhin abbilden zu können, ist es notwendig, diese umfangreichen Datensätze systematisch hinsichtlich der räumlichen Variabilität der Tidecharakteristika und Schwebstoffdynamik zu untersuchen.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Die Konzentrationen und Ausdehnung (vertikal und horizontal) der Schwebstoffe beeinflussen maßgeblich die lokale Hydrodynamik, somit auch die Ausbreitung von salzreichem Wasser und daraus resultierende Strömungsgeschwindigkeiten. Das Verständnis der vorherrschenden Prozesse beeinflusst demnach auch die Schifffahrt. Ein verbessertes Systemverständnis der Sedimentdynamik ermöglicht zusätzlich die Optimierung des Sedimentmanagements.
Um auch in Zukunft zuverlässige Aussagen zur Hydrodynamik in (hyper-) turbiden Ästuaren treffen zu können, ist es notwendig, die verwendeten Methoden stets fachlich zu erweitern und abzusichern. Diese Erkenntnisse fließen unmittelbar in die behördliche Gutachtertätigkeit der BAW im Emsästuar ein.
Untersuchungsmethoden
Die Auswertungen in VarSTiDE erfolgen für Datensätze verschiedener Messtypen. Die Analysen der Dauermessungen, bereitgestellt durch WSA Ems-Nordsee und NLWKN, bilden das Arbeitspaket 1 (AP1).
AP1 beinhaltet die Untersuchung von Saisonalität und langfristiger Entwicklung von Tidekennwerten, Tideasymmetrie, Salzgehalt und Schwebstoffkonzentrationen. Diese Ergebnisse liefern Kenntnisse über die zu erwartenden Unterschiede, die aufgrund der verschiedenen Messzeiträume in den Untersuchungsparametern Schwebstoffkonzentration, Salzgehalt und anderen Tidekennwerten entstehen.
Der wissenschaftliche Austausch mit weiteren Partnern aus Forschung und Praxis ist ein Bestandteil des Forschungsvorhabens. Es bestehen Kooperationen, u. a. mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.
Ziel des Projektes ist der Nachweis der numerischen Modellierbarkeit des lateralen Sedimentaustauschs von nicht-kohäsivem Material zwischen Vorland bzw. Buhnenbereich und Hauptgerinne an Binnenwasserstraßen sowie eine Verbesserung der langfristigen morphodynamischen numerischen Modellierungen durch die Berücksichtigung des Suspensionstransports.
Aufgabenstellung und Ziel
Sedimenttransportprozesse werden bislang in den numerischen flussbaulichen Modellen der Abteilung Wasserbau im Binnenbereich nahezu ausschließlich als Geschiebetransport abgebildet. Die Limitierungen durch diese Vereinfachung sind gering, sofern das vorrangige Interesse der Untersuchungen dem Hauptstrom gilt. Allerdings werden u. a. durch die Anforderungen aus der EU-Wasserrahmenrichtlinie in den Projekten an Binnenwasserstraßen zunehmend Fragestellungen aufgeworfen, die das Vorland und die Interaktion zwischen Vorland und Hauptgerinne betreffen (z. B. Verlandungen von Vorlandgewässern). Bei zunehmendem Strömungsangriff gerät das als Geschiebe transportierte Material in Suspension; es trägt somit nicht nur zur Sohlentwicklung im Hauptstrom bei, sondern gelangt in Abhängigkeit der Korngröße in die Buhnenfelder und auf das Vorland bzw. wird dort wieder remobilisiert und gegebenenfalls erneut in den Hauptstrom eingetragen. Der seitliche Ein- und Austrag kann somit einen nicht unerheblichen Anteil an der Sedimentbilanz haben. Fragestellungen zu Verlandungstendenzen auf dem Vorland oder zur morphologischen Entwicklung von Vorlandgewässern können nur unter der Berücksichtigung von Suspensionstransport beantwortet werden. Die Anschlüsse zwischen Hauptgerinne und Vorlandgewässer sind oft nicht sohlnah realisiert, um bewusst den Geschiebeeintrag zu verhindern. Ein Materialeintrag auf das Vorland und in die Vorlandgewässer erfolgt dabei vorwiegend in Suspension. Ziel des Projektes ist der Nachweis der numerischen Modellierbarkeit des lateralen Sedimentaustauschs von nicht-kohäsivem Material zwischen Vorland und Hauptgerinne an Binnenwasserstraßen sowie eine Verbesserung der langfristigen morphodynamischen numerischen Modellierungen durch die Berücksichtigung des Suspensionstransports.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Mithilfe von prognosefähigen hydro-morphodynamischen Modellen für Geschiebetransport und Transport in Suspension können Projekte mit zunehmend ökologisch geprägten Fragestellungen effektiv und mit belastbaren Ergebnissen bearbeitet werden. Zudem ist eine Verbesserung der langfristigen morphodynamischen Modellierungen durch die Berücksichtigung der Suspensionsvorgänge zu erwarten.
Untersuchungsmethoden
Neben einem intensiven Literaturstudium werden in dem Vorhaben vor allem zweidimensionale tiefengemittelte bzw. dreidimensionale numerische Modelle unter Verwendung des Programmpakets openTELEMAC eingesetzt. Zunächst soll das numerische Modell anhand von Labormodellversuchen zum lateralen Sedimentaustausch validiert werden. Dazu gehören auch Sensitivitätsuntersuchungen für eine geeignete kombinierte Suspensions- und Geschiebetransportmodellierung an Bundeswasserstraßen im Binnenbereich. Anschließend können verschiedene Fragestellungen zum lateralen Sedimentaustausch an Prinzipmodellen und spezifischen Flussabschnitten bearbeitet werden, wie z. B. Fragen zur Vermeidung von Sedimentablagerungen bei der Anbindung von Vorlandgewässern an das Hauptgerinne und der kausale Zusammenhang zwischen der Hydrodynamik und dem lateralen Sedimenteintrag bzw. -austrag zwischen Hauptgerinne und Buhnenfeldern.