Im Jahr 2021 wurde im Versuchsbecken der BAW eine Weidenspreitlage eingebaut. Nach einer 23-wöchigen Wachstumsphase wurden Zugversuche an Einzelwurzeln und Wurzelbündeln und Wurzelaufgrabungen durchgeführt. In 2021, a willow bush mattress was installed in a test basin. After a 23-week growth phase, tensile tests were carried out on individual roots and root bundles, and roots were excavated.
Bei der Herstellung von Bohrpfählen in Böden unterhalb des Grundwassers kann es zu einem Bodeneintrag in den Beton und damit zu einer Schwächung des Pfahlbetonquerschnittes kommen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser zu bekommen, um das Risiko von Ausführungsmängeln zu reduzieren. Aufgabenstellung und Ziel Bei der Herstellung von verrohrt gebohrten Bohrpfählen besteht das Risiko eines Bodeneintrags in den Frischbeton beim und nach dem Ziehen der Verrohrung. Im Rahmen verschiedener Bauvorhaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) konnte dies bereits beobachtet werden. So wurde z. B. beim Bau einer überschnittenen Bohrpfahlwand in enggestuften Sanden, unterhalb des Grundwasserspiegels Bodenmaterial in die Pfähle eingetragen. Dabei handelte es sich um Boden aus dem Bereich des Pfahlfußes, der beim Betonieren an der Verrohrung anhaftete. Dieser Boden kann dann beim Ziehen der Verrohrung verschleppt und teilweise bis an die Oberfläche gefördert werden. Durch die Verschleppung des Bodeneintrags kann es zu einer Verunreinigung des Betons kommen, welche eine Schwächung des Pfahlbetonquerschnittes mit sich bringt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser bei der Pfahlherstellung zu erlangen. Dies soll dazu beitragen das Risiko von Ausführungsmängeln bei der Herstellung von Ortbetonpfählen zu reduzieren. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Im letzten Jahrzehnt fanden vermehrt gebohrte Ortbetonpfähle bei Bauvorhaben der WSV Verwendung. Überschnittene Bohrpfahlwände wurden z. B. an den Schleusenbaugruben der Schleusen Fankel, Zeltingen und Trier an der Mosel und an der Schleuse Bolzum am Stichkanal Hildesheim, sowie an der Schleuse Minden an der Weser als temporäre Baubehelfe ausgeführt. Des Weiteren wurden sie an der Weser bei der Schleusenkammer Dörverden oder als Uferwand bei den Schleusen Lehmen und Trier an der Mosel in das Bauwerk integriert und dienen zur dauerhaften Lastabtragung. Für die nächsten Jahre sind an den Schleusenbaugruben des Dortmund-Ems-Kanal (DEK) Nord, in Erlangen und in Kriegenbrunn am Main-Donau-Kanal (MDK) überschnittene Bohrpfahlwände in der Planung. Hierbei gilt es, Ausführungsmängel wie z. B. die oben beschriebenen zu vermeiden, da deren Sanierung, falls überhaupt möglich, zeit- und kostenintensiv ist. Untersuchungsmethoden Untersuchungen mithilfe von in situ Messungen und Modellversuchen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkung zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser beim Herstellungsprozess abzubilden. Im ersten Schritt wurde im Rahmen einer Literaturrecherche der aktuelle Stand der Technik erfasst. Bei den nachfolgenden auf mehreren Baustellen durchgeführten Untersuchungen lag der Fokus auf der Entwicklung des Frischbetondrucks im Bohrpfahl, um erste Ansätze für die Erfassung der Einflüsse des Betoniervorgangs auf den Boden zu erhalten. Die hierfür vorab im Labor getesteten Drucksensoren dienen den Messungen zur Frischbetondruckentwicklung auf der Baustelle. Auf Grundlage der Messergebnisse erfolgte anschließend die Planung und Durchführung von Modellversuchen, um den Einfluss der Herstellung der verrohrten Bohrpfähle auf den Boden zu untersuchen. Es ist geplant, die beobachteten Phänomene ergänzend mit numerischen Methoden zu simulieren.
Es sollen Versuche am Gewässerbett-Simulator durchgeführt werden, um die Erosionsrate und die Verflüssigung während Wellenbelastung quantitativ zu untersuchen. Außerdem wird der Einfluss von Sickerströmungen in und aus dem Boden auf das Strömungsprofil oberhalb der Bodenprobe untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Uferböschungen und die Sohle von Binnenwasserstraßen unterliegen hydraulischen Einwirkungen. Dazu gehören natürliche und schiffserzeugte Wellen und Strömungen sowie Sickerströmungen im Boden. Das Forschungsprojekt behandelt Prozesse und Wechselwirkungen, die durch diese Einwirkungen am und im Gewässerbett auftreten. Der Begriff Gewässerbett bezeichnet hier den dreiphasigen Bodenkörper, bestehend aus Korngerüst, Porenwasser und im Porenraum eingeschlossenen Gasblasen, an dessen Oberfläche frei fließendes Wasser angrenzt. Dieser Bodenkörper ist durchlässig und verformbar und interagiert mit der freien Strömung. Durch die hydraulischen Einwirkungen kann es am Gewässerbett zu Erosionsprozessen kommen. Gleichzeitig treten im Gewässerbett Porenströmungen auf, die den Spannungszustand im Boden ändern. Wie sich diese Mechanismen gegenseitig beeinflussen, wird im Rahmen des Forschungsprojektes mit experimentellen Methoden analysiert. Zunächst werden Bodenprozesse, die durch Welleneinwirkung hervorgerufen werden, untersucht. Vor allem bei feinsandigen Böden mit einem geringen Anteil an Luft im Porenraum kann es zur Verflüssigung einer oberflächennahen Schicht und damit zum vollständigen Verlust der Scherfestigkeit und der effektiven Spannungen kommen. Bei Überströmung treten Wechselwirkungen zwischen Porenströmung, freier Strömung und Verflüssigungsprozessen auf, die sich auf den Erosionsprozess auswirken können. In Modellversuchen im Gewässerbettsimulator können die hydraulischen Randbedingungen gezielt und reproduzierbar erzeugt und die Bodenreaktionen beobachtet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) In den Bemessungsgrundlagen für Böschungs- und Sohlensicherungen (GBB2010) werden durch Schiffswellen induzierte Porenwasserüberdrücke im Gewässerbett im Hinblick auf die Böschungsstabilität berücksichtigt. Die geotechnische Bemessung basiert auf halbempirischen Ansätzen, deren Genauigkeit mit den Laborversuchen überprüft wird. Bei 7.300 km Binnenwasserstraßen in Deutschland kann eine Optimierung der Bemessung einen deutlichen Beitrag zur Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Binnenwasserstraßen leisten, was in diesem FuE-Vorhaben in Verbindung mit weiteren laufenden Forschungsprojekten der BAW angestrebt wird. An technisch-biologischen Ufersicherungen wurde z. B. beobachtet, dass trotz geringer Strömungsgeschwindigkeiten Erosion auftritt. Ob entstehende Porenwasserüberdrücke oder Verflüssigung sich auf den Erosionsprozess auswirken, ist bisher nicht eindeutig geklärt. Ein vertieftes Prozessverständnis kann somit zu verbesserten Lösungsansätzen und einer technisch zuverlässigen Ausführung der naturnahen Ufersicherungen beitragen. Untersuchungsmethoden Im Jahr 2018 wurde der in der BAW entwickelte Gewässerbett-Simulator (GeSi) fertiggestellt. Mit dieser Versuchsanlage werden Bodenproben überströmt, während gleichzeitig fluktuierende Wasserdrücke zur Simulation von Wellen auf die Probe aufgebracht werden können. Damit können bei definierten hydraulischen Randbedingungen im Naturmaßstab die bodenmechanischen Reaktionen, die Mobilität der Sedimentoberfläche und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit analysiert werden. Der Erosionsprozess an der Sedimentoberfläche wird während der Experimente von oben gefilmt. Die Analyse der Videodaten wurde bisher durch Auswertung von Bilddifferenzen durchgeführt, um die Annahme, dass eine erhöhte Sedimentmobilität eine erhöhte Bildänderung hervorruft, qualitativ zu überprüfen (Ewers 2020). (Text gekürzt)
Die Wechselwirkung zwischen Oberflächenwasser, Porenwasser und Korngerüst bedingen die Lagestabilität bzw. den Bewegungsbeginn von Bodenpartikeln. Dieser Prozess soll numerisch simuliert werden.
Mikroplastik (MP, Plastikteile kleiner als 5 mm) werden als neu aufkommende Schadstoffe betrachtet und neuste Studien belegen die potentielle Gefahr von MP für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Forschung hat sich bisher mehrheitlich auf die Untersuchung von MP in der marinen Umgebung konzentriert. Allerdings konnte MP auch vermehrt Süßwasser und -sedimenten weltweit nachgewiesen werden. Als Primärpartikel oder Sekundärprodukte aus dem Abbau von Makroplastik kann MP entweder direkt toxisch wirken oder als Überträger von sorbierten Schadstoffen fungieren. Neuste Studien belegen außerdem, dass MP in die menschliche Nahrungskette eindringen kann. Weiterhin können die dem MP beigefügten endokrinen Disruptoren wie Bisphenol A (BPA) and Nonylphenol (NP) während der Transportprozesse an das Süßwasser abgegeben werden. Dabei können Flussbettsedimente potentielle Hotspots für die Akkumulation von MP und deren Additive darstellen.Das Hauptziel dieses Projektes ist, die Akkumulation und den Transport von MP in Süßwasser und -sedimenten näher zu untersuchen. Dabei soll den folgenden beiden grundsätzlichen Fragen nachgegangen werden:(i) Welche Prozesse kontrollieren Transport und Akkumulation von MP verschiedener Größe, Dichte und Zusammensetzung und wie bilden sich sogenannte Mikroplastik-Hotspots in der hyporheischen Zone?(ii) Wie können Transport und Akkumulation von MP sowie die Freisetzung von Additiven wie BPA und NP unter variablen Umweltbedingungen beschrieben und vorhergesagt werden? Zwei Arbeitspakete (WP) sollen helfen, diese Fragen zu beantworten:WP1 befasst sich mit den Auswirkungen der grundlegenden Eigenschaften von MP wie Größe, Form, Zusammensetzung, Dichte, Auftrieb auf deren Transport und untersucht systematisch, wie verschiedene Arten von MP in der hyporheischen Zone (hier Flussbettsedimente) unter diversen hydrodynamischen und morphologischen Bedingungen akkumulieren. Dafür sollen Versuche in künstlichen Abflusskanälen (artificial flumes) durchgeführt werden. In diesen Versuchen werden repräsentative hydrodynamische und morphologische Bedingungen geschaffen, um eine Spannbreite an primären und sekundären MP zu testen, ihr Transportverhalten zu beschrieben und die Freisetzung von Additiven näher zu untersuchen. MP wird mit verschiedensten Methoden charakterisiert, z.B. mit single particle ICP-MS zur Bestimmung der Größe oder FT-IR zur Bestimmung des vorherrschenden Polymers. Während der Flume-Experimente werden die Eigenschaften der Sedimente, des Porenwassers und der Biofilme, sowie die Konzentration an BPA und NP gemessen und später analysiert, um die Reaktivität der Akkumulationshotspots zu bestimmen.WP2 beinhaltet die Entwicklung und Anwendung eines Models, um MP-Transport sowie die Freisetzung von Additiven in der hyporheischen Zone vorherzusagen. Da Modelle, die momentan im Bereich Stofftransport verwendet werden nicht für MP ausgelegt sind, soll die Lattice-Boltzmann Methode als neuer Modellansatz verfolgt werden.
Wasserbauliche Massnahmen, die zur Sicherung der Gewaesserufer gegen Erosion dienen, stellen Eingriffe in die Oekologie und die wasserwirtschaftliche Funktion der Gewaesser dar. Die in ihren hydrologischen, -dynamischen und morphologischen Eigenschaften veraenderten Gewaesser bewirken qualitative und quantitative Aenderungen in der Zusammensetzung der von ihnen beherbergten Lebensgemeinschaften. Eine Reduktion der Artenvielfalt, verbunden mit geringeren fischereilichen Ertraegen und Verringerung des Selbstreinigungsvermoegens der Gewaesser sind oft die unerwuenschten Folgen. Untersuchungen zum oekologischen Verhalten von Uferdeckwerken sollen daher die Eignung verschiedener Uferbefestigungsverfahren fuer die wasserbauliche Praxis pruefen. Durch Untersuchungen im Freiland und Versuche im Laboratorium sollte geprueft werden, on sich das zur Kolkverfuellung im Rhein verwendete Bergematerial nachteilig auf die Lebensgemeinschaft des Rheins auswirkt. Die faunistichen Erhebungen an der Rheinsohle zeigten, dass zwischen der Besiedlung von Bergematerial und den anderen an der Rheinsohle vorkommenden Besiedlungssubstraten (Naturstein) keine qualitativen und /oder quantitativen Unterschiede bestehen. Auch konnte keine vom Bergematerial ausgehende Qualitaetsaenderung des Porenwassers festgestellt werden. Eine Beeintraechtigung der Lebensgemeinschaft des Rheins durch das Bergematerial war nicht erkennbar.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von innovativen Indikatoren, die eine räumlich strukturierte Beschreibung und Bewertung der Belastungssituation und des Risikopotenzials von sedimentgebundenen Schadstoffen in marinen Systemen ermöglichen. Dieses Projekt wird es zum ersten Mal ermöglichen, Daten zur Toxizität der Porenwasserkonzentration von hydrophoben organischen Schadstoffen mit sehr geringer Unsicherheit zu erheben, direkt mit einer chemischen Analyse zu korrelieren und schließlich über entsprechende künstliche Mischungen zu verifizieren. Um dies zu erreichen, wird in diesem Projekt ein in situ Gleichgewichtssammlers (Passivsammlers) auf Basis der Festphasenmikroextraktion (passive sampling) für die Untersuchung von hydrophoben organischen Schadstoffen im marinen Bereich adaptiert. Anschließend werden die mittels Silikon Hohlfasern gesammelten Schadstoffmischungen direkt durch passive dosing in kleinskalige Biotestsysteme eingebracht. Durch Verzicht auf die vorherige Extraktion der Fasern wird das Risiko, die ursprüngliche Probenzusammensetzung zu verändern, deutlich reduziert. Erhobene Daten sind daher in hohem Maße repräsentativ für die tatsächliche Belastungssituation vor Ort. Des Weiteren werden die analysierten Schadstoffmischungen künstlich wiederhergestellt, um sie mittels passive dosing in unterschiedlichen Konzentrationen in Biotests zu untersuchen. Damit sollen Konzentrations-Wirkungskurven erstellt werden, die es erlauben, das von den sedimentgebundenen Schadstoffen ausgehende Risiko abzuschätzen (Mischtoxizität).
Die Flusssysteme Amazonas und Rio Pará tragen das größte Volumen an Süßwasser in den Ozean ein und bilden eine wichtige Schnittstelle für den Eintrag von Spurenmetallen und gelösten organischen Stoffen (DOM) vom Land in den Ozean. Neben der Bedeutung des Amazonas für den globalen Spurenmetallhaushalt des Ozeans hat sein Mikronährstoff-Eintrag auch einen großen Einfluss auf die biologische Produktivität der Küsten- und Schelfregion und darüber hinaus. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, die Rolle der chemischen Speziation und der physiko-chemischen Größenfraktionierung von Spurenmetallen im Mischungskontinuum dieser Flüsse zum Atlantik zu verstehen. Wir werden die Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit DOM und Kolloiden in der Wassersäule und den Oberflächensedimenten der Amazonas- und Pará-Mündung und der damit verbundenen Mischungsfahne sowie des Mangrovengürtels mit Grundwassereintrag südöstlich des Rio Pará untersuchen. Basierend auf Proben, die während der Forschungsfahrt M147 in der Hochwasserperiode 2018 genommen wurden, und vorläufigen Daten, die in unserem Labor erzeugt wurden, werden wir Veränderungen der Spurenmetallverteilungen und -speziationen in der Amazonas-Region entlang der Salzgradienten untersuchen. Um zu beurteilen, was die chemische und physikalische Speziation und den Transport von Spurenmetallen im Ästuar und in der Abflussfahne kontrolliert, werden wir uns auf drei verschiedene Prozesse konzentrieren: • Größenfraktionierung, Sorption und Entfernung von Spurenmetallen: Sorption von Spurenmetallen an Flusspartikeln und Ausfällung durch Koagulation von Kolloiden und Größenfraktionierung; wie verändert sich die Assoziation von Spurenmetallen mit verschiedenen löslichen, kolloidalen und partikulären Fraktionen entlang des Salzgehaltsgradienten?• Lösungskomplexierung: Bildung von löslichen metall-organischen Komplexen; wie verstärkt dieser Prozess den Metalltransport durch Konkurrenz mit Sorption an Kolloiden und Ausfällung? • Akkumulation von Spurenmetallen in Sedimenten: wie wirken die Sedimente als Senke und Quelle von Spurenmetallen, und können Oberflächensediment und Porenwasser zu den Spurenmetallflüssen in der Region beitragen? Zusätzlich zu den voltammetrischen und ICP-MS-Analysen der M147-Proben werden wir eine systematische Untersuchung des Mischungsverhaltens verschiedener Elementgruppen (konservativ, partikel-reaktiv und organisch-komplexiert) durchführen, indem wir Labor-Mischungsexperimente mit Meer- und Flusswasser-Endgliedern durchführen, die während der anstehenden Fahrt M174 im Amazonasgebiet genommen werden. Damit erwarten wir, ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse der Spurenmetall-Biogeochemie und der Elementflüsse in diesem größten Mündungssystem der Welt zu erhalten. Dieses Wissen wird auch wichtig sein, um mögliche Auswirkungen in diesem Gebiet aufgrund der anhaltenden anthropogenen Einflüsse in dieser Region und der sich ändernden klimatischen Bedingungen vorherzusehen.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 352 |
| Land | 10 |
| Type | Count |
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| Förderprogramm | 330 |
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