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RT-OEKOBILANZ - Analyse der ökologischen Bilanz des Raumtransports

Sukzession und Alternativen in der forstlichen Rekultivierung in Kiesgruben

Nach heutigem Stand des Wissens und der Technik ist die forstliche Rekultivierung von Kiesgruben und Steinbrüchen sehr kosten- und energieaufwendig und dennoch vielfach nicht zufriedenstellend. Die vorliegende, auf mehrere Jahre angelegte Untersuchung befasst sich mit der Vegetationsentwicklung (ungelenkte Sukzession) in für forstliche Pflanzungen vorbereiteten Rekultivierungsflächen, und zwar auf 'rohem und mit Waldoberbodenauflage (mit entsprechendem Diasporenreservoir) behandeltem Rekultivierungssubstrat. Von besonderem Interesse sind hierbei die Gehölze. In zwei Versuchsanlagen (Kiesgrube, Versuchsgelände des Institutes) mit 32 Versuchsparzellen à 2,1 x 2,1 m bzw. 1,5 x 1,5 m werden vier Varianten werden untersucht: Rohboden (Bodengemisch), Auflage von Altwaldoberboden auf Rohboden, beide Varianten jeweils ohne und mit Strohabdeckung. Von April bis Oktober 1999 wurden acht mal Anzahl und Deckung der Arten höherer Pflanzen der Versuchsparzellen aufgenommen sowie der Diasporenregen auf die Versuchsanlage erfaßt. Um die Herkunft der keimenden Pflanzen zu erfassen, wurde neben der Erfassung des Diasporenregens mittels Keimversuchen das Diasporenreservoir der Ausgangssubstrate (Rohboden, Waldoberboden) ermittelt sowie die Flora der unmittelbaren Umgebung erfaßt. Des weiteren werden klimatische Daten einbezogen sowie auf dem Versuchsgelände standörtliche Parameter (Bodenfeuchte in unterschiedlichen Tiefen) gemessen. Es zeigen sich signifikante Unterschiede in der Besiedlungsentwicklung und der Artenzusammensetzung der verschiedenen Varianten. Die Besiedlung erfolgte am raschesten und mit höchsten Deckungsgraden auf Versuchsparzellen mit einer Auflage von Altwaldoberboden. Hier entwickelten sich erst Schlagfluren, im zweiten Jahr breitete sich verstärkt die Brombeere aus. Gehölze treten nur vereinzelt auf. Auf den Rohbodenparzellen siedelten sich erwartungsgemäß Pionier- und Ruderalarten an, die Besiedlung erfolgte gegenüber der Waldbodenvariante jedoch verzögert und nicht so üppig. Die Dynamik auf Parzellen mit Strohauflage wurde im ersten Jahr vor allem von Weizenpflanzen, im zweiten von Ruderalarten bestimmt; Arten der obigen Varianten traten stark verzögert und nur in Einzelexemplaren auf. Für gesicherte erste Prognosen reicht der kurze Untersuchungszeitraum (April bis November 1999) noch nicht aus. Bezüglich der Gehölzentwicklung lassen sich auf einzelnen Rohbodenparzellen Anzeichen für die Entwicklung von Weidengebüschen oder Brombeergestrüppen erkennen. Auf den Parzellen mit Waldbodenauflage wird sich in den nächsten Jahren möglicherweise die Brombeere durchsetzen und andere Pflanzen unterdrücken.

Notfallvorsorgeplanung der Wasserver- und -entsorgung von Einrichtungen des Gesundheitswesens - organisatorische und technische Lösungsstrategien zur Erhöhung der Resilienz, Teilvorhaben: Organisatorische Belange der Notfallvorsorgeplanung für Wasserinfrastruktur in Einrichtungen des Gesundheitswesens

Auswirkungen des Klimawandels auf marine Ökosysteme der Nord- und Ostsee sowie Erkenntnisse über die Potenziale der Kohlenstoffaufnahme mariner Ökosysteme: Entwicklung von an den Klimawandel angepassten und integrierten Maßnahmen für den Meeresnaturschutz und marine Ökosysteme)

Zukünftige stoffliche und mikrobiologische Herausforderungen für die kommunale Siedlungswasserwirtschaft

Strategische Ziele: Das Projekt zielt auf die Identifikation möglicher zukünftiger Herausforderungen an die kommunale Siedlungswasserwirtschaft aufgrund stofflicher und mikrobiologischer Belastungen ab. Durch die Zusammenstellung aller potentiellen Belastungen, die überwiegend aus der Siedlungswasserwirtschaft kommen, ihrer Minimierungsmaßnahmen und der jeweiligen Kosten dienen die Ergebnisse des Projektes auf politischer Ebene als Entscheidungsgrundlage, wo die Schwerpunkte der Siedlungswasserwirtschaft in den kommenden Jahren liegen werden. Im Sinne einer umfassenden Betrachtungsweise werden im Projekt alle Eintragspfade aus der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft in die Umwelt berücksichtigt. Konkret sind das - gereinigtes kommunales Abwasser von Kläranlagen, - kommunales Abwasser von Mischwasserentlastungen, - Niederschlagswassereinleitungen aus der Trennkanalisation, - Straßenabwassereinleitungen (soweit kommunalen Ursprungs, also keine Autobahnen), - Klärschlamm. Darüber hinaus werden Eintragspfade außerhalb der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft angesprochen, wenn klar ist, dass wirksame Hebel dort sinnvoll angesetzt werden können. Inhaltliche Ziele: Das Projekt wird den derzeitigen Stand des Wissens und der Forschung zusammenfassen, mögliche Herausforderungen und Lösungsansätze aber auch weiteren Forschungsbedarf und Wissenslücken darstellen. Dabei werden die benötigten Daten aus der bestehenden Literatur verwendet; es werden im Projekt keine Messungen und keine komplexen Modellierungen (z. B. anhand von MONERIS oder MoRe) durchgeführt.

Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an Seeschifffahrtsstraßen

1 Problemdarstellung und Ziel. 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg, berät die für den Bereich der Küstenregionen zuständigen Wasser und Schifffahrtsämter (WSÄ) der Wasser und Schifffahrtsverwaltung (WSV) u.a. hinsichtlich Funktion und Stabilität von Strombauwerken an den Seeschifffahrtsstraßen (SeeSchStr) der Tideästuare, der Ostsee sowie dem Nord-Ostseekanal. Schadensfälle an Leitwerken und Buhnen sowie Deckwerken an den Seeschifffahrtsstraßen aufgrund schifferzeugter Belastungen wurden in der letzten Dekade verstärkt in der Außenweser sowie in der Unterelbe festgestellt. Für eine Abschätzung der schiffserzeugten, langperiodischen hydrodynamischen Belastung der Deckschichten als Basis für die Ermittlung der erforderlichen Steingrößen / - gewichte konnten nur vorhandene theoretische, fachlich nicht exakt zutreffende und nur bedingt gültige Ansätze verwendet werden (BAW, 2010). Hoch instationäre und turbulente hydrodynamische - zudem in Tideästuaren wasserstandsabhängige - schiffserzeugte Belastungen führen zu komplexen Untersuchungsaufgaben mit einer hohen Zahl von zu erfassenden und physikalisch zu beschreibenden hydrodynamischen Parametern, verteilt über verschiedene zu bemessende Abschnitte von Leitdämmen und Buhnen einschließlich deren Anbindung an die Ufersicherungen. Durch die Kooperation mit universitären Einrichtungen wie dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI) der TU Braunschweig sowie dem Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW) der RWTH Aachen werden wichtige Impulse für - über dieses Projekt hinausgehende - weitere Grundlagenforschungen erwartet, so dass dadurch ein zusätzlicher Mehrwert auf diesem WSV-relevanten Forschungsgebiet durch ebendiese Universitätsinstitute geschaffen wird. 1.2 Bedeutung für die WSV: Aufgrund der weiterhin zunehmenden Größenentwicklung der Containerschifffahrt mit der Inbetriebnahme von 14.000 TEU-Containerschiffen in 2010 und der Beauftragung von 18.000 TEUContainerschiffen mit Längen von ca. 400 m und Breiten von 56 m (erste Auslieferung 2013) erhält die nachhaltige Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken und Ufersicherungen an den Seeschifffahrtsstraßen der Tideästuare bei der Kenntnis der bemessungsrelevanten Parameter der schiffserzeugten Belastungen eine wachsende Bedeutung. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in Form von Bemessungshinweisen für Vorhabensträger der WSV an Seeschifffahrtsstraßen erarbeitet und von der BAW veröffentlicht. Die Dringlichkeit des FuE-Projekts ergibt sich aus der akut erforderlichen, fachgerechten und nachhaltigen Sanierung der Schadensfälle (z.B. Außenweser Langlütjennord und Unterelbe Juelssand).

Modellierung aufwärtsgerichteter Fischwanderung auf Basis der 'Eulerian-Lagrangian-agent method'

Problemdarstellung und Ziel. Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die Auffindbarkeit ist für die Funktionsfähigkeit von Fischaufstiegsanlagen (FAA) ein entscheidender Faktor. Existierende Richtlinien wie das DWA-Merkblatt 509 (DWA, 2014) und weitere wissenschaftliche Erkenntnisse sind jedoch oft nicht detailliert genug, um Planungsfragen zur Auffindbarkeit quantitativ zu beantworten. Rein hydraulische Modelluntersuchungen können Antworten liefern, stoßen jedoch bei geringfügigen Planungsunterschieden mangels geeigneter biologischer Bewertungsmethoden an ihre Grenzen. Untersuchungsziel: Ziel des FuE-Projekts ist die Entwicklung eines numerischen Verfahrens, welches den quantitativen Vergleich von FAA-Varianten in Bezug auf die Auffindbarkeit möglich macht. Basis dieses Verfahrens ist die Kopplung hydrodynamisch-numerischer (HN-)Modelle mit der ELAM ('Eulerian-Lagrangian-agent method'). Die Arbeitsbezeichnung der Implementierung der ELAM für die Bundeswasserstraßen lautet 'ELAM-de'. Untersuchungsmethoden: Zur Simulation der relevanten Bereiche in Kraftwerksunterwassern setzt die BAW momentan 3D-HN-Modelle in OpenFOAM® ein (Heinzelmann und Gisen, 2013). Zur 2D-Simulation von Stauhaltungen wird Telemac-2D verwendet. Es ist ein Teilziel dieses Projekts, die Genauigkeit und den Gültigkeitsbereich der Modelle für auffindbarkeitsbezogene Anwendungen weiter zu verbessern. Die ELAM wird seit ca. 15 Jahren vom renommierten US Army Corps of Engineers zur Beschreibung der abwärtsgerichteten Wanderung von Jungsalmoniden entwickelt und angewandt. Bestehende ELAM-Modelle verwenden hydraulische Parameter aus 2D- und 3D-HN-Modellen sowie kalibrierte Grenzwerte, um das Schwimmverhalten von Fischen nachzubilden (Goodwin et al., 2014). Der Quellcode (Fortran 90) liegt BAW/BfG vor, ist in der alten Version (ELAM-2014) jedoch nicht mit unstrukturierten Gittern, wie von aktuellen Verfahren wie OpenFOAM und Telemac-2D verwendet, kompatibel. Die Kompatibilität zu OpenFOAM soll innerhalb dieses Projekts hergestellt werden. Ein Verhaltensmodell für die aufwärtsgerichtete Wanderung einer einheimischen Spezies soll durch Analyse des bestehenden Verhaltensmodells für die abwärtsgerichtete Wanderung, Literaturrecherche und Auswertung von Verhaltensbeobachtungen in Kooperation mit der BfG entwickelt werden. Felddaten über das Verhalten von aufwandernden einheimischen Fischarten werden durch die BfG mittels Telemetrie in der Stauhaltung Kostheim/Main und an der FAA Koblenz/Mosel gewonnen. Labordaten über 3D-Fisch-Bewegungen soll ab Frühjahr 2016 die neue ethohydraulische Rinne an der BAW liefern. Die Daten sollen als Input für mehrere ELAM-de-Modelle verwendet werden.

Störung des Baugrundes durch Kampfmittelsondierungen

1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Im Vorwege einer Baumaßnahme ist die Kampfmittelfreiheit im Baufeld sicherzustellen. Die zur Kampfmittelsuche eingesetzten, überwiegend magnetischen und elektromagnetischen Sondierverfahren arbeiten selbst zwar zerstörungsfrei, erfordern aber häufig Aufgrabungen oder Bohrungen. Bei Tiefensondierungen wird die Messsonde dann vom Bohrloch aus eingesetzt. Das Bohrverfahren, das Erkundungsraster und die Erkundungstiefe werden vom Kampfmittelräumdienst (KRD) des jeweiligen Bundeslandes auf Grundlage länderspezifischer Verordnungen und Verwaltungsvorschriften und auch einzelfallbezogen nach eigenem Ermessen festgelegt. Für den Bund gelten zudem eigene Vorgaben. Hier kommt es zu einem Interessenkonflikt zwischen dem KRD einerseits und dem Bauherrn bzw. dessen Baugrundgutachter andererseits. Während der KRD für gesicherte Aussagen zum Kampfmittelverdacht ein möglichst enges Erkundungsraster benötigt (s. Bild 1), bedeutet die Kampfmittelsondierung mittels Bohrungen für den Bauherrn in erster Linie eine Störung des Baugrundes, die es aus geotechnischer Sicht zu begrenzen gilt. So zeigte sich z.B. bei der Herstellung von HDI-Sohlen im Rahmen mehrerer Berliner Bauvorhaben eine Reduzierung der Festigkeit in den anstehenden Sanden (s. Hans Lorenz Symposium 2007). Zum Ausmaß der durch Kampfmittelsondierungen verursachten Verminderung der Festigkeitseigenschaften des Baugrundes liegen derzeit keine gesicherten, belastbaren Informationen vor. Konkrete Informationen hierzu sind aber eine wichtige Grundlage für erdstatische Bemessungen, d.h. für die Dimensionierung von Bauteilen, und sind damit auch eine Argumentationsgrundlage in Besprechungen zwischen Bauherrn und KRD. Zudem können nur in Kenntnis der veränderten Festigkeiten Altaufschlüsse, die vor der Kampfmittelerkundung durchgeführt wurden, neu interpretiert werden. 1.2 Bedeutung für die WSV: Es obliegt dem Bauherrn, sich im Vorwege einer Baumaßnahme die Kampfmittelfreiheit des Baufeldes z.B. durch den KRD des jeweiligen Bundeslandes bescheinigen zu lassen. Für die WSV ergibt sich daraus folgende Problemstellung: Die Zuständigkeitsbereiche der einzelnen Wasser- und Schifffahrtsämter decken sich i.d.R. nicht mit den Grenzen der Bundesländer. Als Folge können für ein Bauprojekt größerer räumlicher Ausdehnung (z.B. die Vertiefung eines Kanals oder eines Flusses) mehrere KRDs zuständig sein, die dann für einzelne Baubereiche unterschiedliche Kampfmittelerkundungsprogramme auf der Grundlage unterschiedlicher Technischer Anleitungen festlegen. Zudem können bei Bundesliegenschaften neben länderspezifischen auch bundesspezifische Vorschriften gelten. Für Pfahlgründungen und Spundwänden, die im Zuständigkeitsbereich der WSV häufig verwendete Bauteile sind, werden in den Technischen Anleitungen meist spezifische Anforderungen an die Kampfmittelsondierungen gestellt. usw.

Evaluierung und Adaptierung der SPH-Methode für wasserbauliche Fragestellungen an Bundeswasserstraßen

Problemdarstellung und Ziel. Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die in den Abteilungen W und K derzeit sowohl in ingenieurpraktischen, als auch Forschungsprojekten verwendeten numerischen Verfahren für die Strömungssimulation sind ausschließlich netzbasiert. In diesen konventionellen Verfahren, die üblicherweise mit den Finite-Elementen-, -Differenzen- und -Volumen-Methoden (FEM, FDM, FVM) aufgebaut sind, wird abgesehen von der teilweise in der Advektion verwendeten Lagrange'schen Methode der Charakteristiken ausnahmslos die Euler'sche Betrachtung des zu modellierenden Fluids angenommen. Obwohl äußerst erfolgreich, haben diese netzbasierten Verfahren gewisse Anwendbarkeitsgrenzen, an die man sich nur ausnahmsweise und oft mit klaren Verlusten an der rechnerischen Effizienz nähern kann. Hiermit sind Strömungen gemeint, die charakterisiert sind durch größere geometrische Deformationen bzw. stärkere Schubspannungen an Kontaktflächen zwischen der sich in Bewegung befindenden physikalischen Phasen (wie Wasser, Luft, Feststoffe), bzw. diesen Phasen und beweglichen Objekten, oder durch eine stärkere, sich dynamisch verändernde Vermischung. Dazu zählen verschiedene Strömungsprozesse, die relevant für wasserbauliche Fragestellungen sind (Kapitel 1.2). SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics, ist eine alternative Methode zur Modellierung dieser o. g. Strömungen, die mit konventionellen - netzbasierten - numerischen Methoden schwer zu erfassen sind. Sie basiert auf der konsequent angewendeten Lagrange'schen Form der Betrachtung der Gleichungen der Strömungsmechanik (Violeau 2012). Im Gegensatz zu Netzmethoden werden die physikalischen Eigenschaften des Fluids Partikeln und nicht fixierten Punkten im Raum zugeordnet. Es wird kein Netz benötigt, um diese Eigenschaften zu interpolieren bzw. Operatoren der Gleichungen zu formulieren: Das Fluid wird durch eine endliche Anzahl makro- oder mesoskopischer (im Sinne der Mechanik des Kontinuums) Objekte abgebildet. Diese Objekte haben eine konstante Masse und ein gegebenes Volumen, das genügend klein ist, um annähernd als miteinander wechselwirkende Fluidpartikel betrachtet zu werden. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt dann wesentlich von Partikeldichte also der Partikelanzahl ab. Obwohl die mathematische Theorie komplex und die Begriffe abstrakt sind, zeichnen sich die resultierenden numerischen Codes durch elegante Geradlinigkeit aus. Der rechnerische Aufwand in SPH-Codes wird durch die Komplexität der Kernelfunktionen, den Suchalgorithmus für die Nachbarpartikel und die Begrenzung der Zeitschrittlänge bestimmt. Insbesondere diese letzte Limitierung ist für die SPH-Methode besonders kritisch: Um die Inkompressibilität der Strömung korrekt wiederzugeben, muss zur Einhaltung von Stabilitätskriterien die Zeitschrittlänge umgekehrt proportional zu der (sehr großen) Schallgeschwindigkeit im gegebenen Fluid sein, was theoretisch zu sehr kleinen Zeitschritten zwingt. (Text gekürzt)

Schaffung von tidebeeinflussten Marschen an der Tideelbe zur Verbesserung des physikalisch-biologischen Systems

Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: In diesem Projekt wird der Einfluss von neugeschaffenen tidebeeinflussten Marschen auf die hydrodynamischen Bedingungen in der Tideelbe sowie auf den Sedimenthaushalt untersucht. Dafür wird eine Landfläche, die gegenwärtig noch eingedeicht ist und deutlich unter NHN liegt, als Sedimentationsfläche genutzt. Diese könnten einen entscheidenden Beitrag leisten, die Auswirkungen bisheriger Ausbaumaßnahmen und eines möglichen zukünftigen Klimawandels ausgleichen zu können. Im Projekt soll mithilfe eines geeigneten Bearbeitungskonzeptes geprüft werden, ob die Fläche so angeschlossen werden kann, dass die Tidedynamik und der Sedimenthaushalt positiv beeinflusst werden können. Zusätzliche Fragen ergeben sich im Zusammenhang mit der Wechselwirkung Physik - Biologie (z.B. Einfluss der Vegetation auf die Sedimentation), der Entwicklung der Brackwasser- und Trübungszone sowie der Schadstoffbelastung. Außerdem wird untersucht, ob diese Fläche auch als Vorfluter dienen könnte, um den NOK und den Binnenfluss Stör bei Extremereignissen bezogen auf die Entwässerung zu entlasten. Eine weitere wichtige Fragestellung besteht darin, ob und in welchem Maße die angeschlossene Fläche zu einer verbesserten Wechselwirkung zwischen dem Oberflächen-gewässer und dem Grundwasser führen kann (Beurteilung durch K1). Für die Tideelbe ist bislang noch keine derartige Maßnahme untersucht worden. Den aktuellen Stand der Forschung geben die Untersuchungen wieder, die im Rahmen der Untersuchungen des Tideelbekonzeptes (BAW 2012, HPA 2013) durchgeführt werden. Hier werden jedoch speziell Retentionsräume und Sedimentationsflächen im Bereich der Trübungszone untersucht. Untersuchungsmethoden: In Absprache mit der Universität Hamburg (Fremdleistungsempfänger) ist ein Konzept entwickelt worden zur Abschätzung des langfristigen Sedimentationsgeschehens und der Vegetationsentwicklung auf der Marsch über 100 Jahre unter Berücksichtigung eines Meeresspiegelanstiegs. Grundlage bildet die Anwendung des HN-Modells der Tideelbe durch die BAW und eines multiplen Regressionsmodells durch die Universität Hamburg. Es werden 4 Zeitscheiben à 25 Jahre sowie der Ist-Zustand 2010 mit angeschlossenem Flutraum betrachtet. Es wird pro Zeitscheibe näherungsweise ein Meeresspiegelanstieg von 25 cm angenommen (entspr. 100 cm in 100 Jahren). Des Weiteren wird mithilfe von HN-Simulationen und Tidekennwertanalysen der Einfluss des angeschlossenen Flutraums auf die Tidedynamik und den Salz- und Schwebstofftransport in der Tideelbe untersucht. Ergebnisse: Im Berichtsjahr sind Untersuchungen zum Einfluss des Flutraums auf die Tidedynamik und den Salz- und Sedimenttransport bei konstantem Oberwasserzufluss in der Tideelbe durchgeführt worden. Außerdem ist eine Einschätzung des Sedimentationsverhaltens in Vegetationsgebieten auf der Grundlage von Modellsimulationen erfolgt. Alle Projektergebnisse sind in dem Abschlussbericht zusammengefast worden.

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