1 Einleitung

Das CD-Labor für Sedimentforschung und -management verfolgte das Ziel, die langfristige Nutzung der Speicherkapazitäten von Stauräumen zu sichern und die technische Lebensdauer wichtiger Anlagenteile zu verlängern. Es zielte darauf ab, die wirtschaftlichen, technischen und ökologischen Standards für die Wasserkraftnutzung zu verbessern (Hauer et al. 2018). All diese Fragen stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit dem vielfach gestörten Sedimenthaushalt in unseren Fließgewässern. Im Rahmen von experimentellen Studien, die in diesem Beitrag vorgestellt werden, näherte man sich diesen Zielsetzungen in systematischen, angewandten Studien ebenso wie in Grundlagenforschungsprojekten über den gesamten Zeitraum des CD-Labors von sieben Jahren (2017–2024) an. Während erstere unmittelbar in die Praxis umsetzbar sind, verfolgte die Grundlagenforschung das Ziel, das Prozessverständnis zu verbessern um mittel- und langfristig substanzielle Verbesserungen für die Wasserkraft und das Fließgewässermanagement zu erzielen. Im allerbesten Fall sollten daraus disruptive Innovationen und Technologien entstehen.

Dieser Beitrag gibt in Abschn. 2 einen Überblick über die Ergebnisse zur Grundlagenforschung, die von kohärenten Strukturen in der turbulenten Strömung bis hin zum Prozessverständnis für den vereinzelten Transport von Geschiebe in unseren Flüssen weit unter dem bisher bekannten kritischen Shields-Parameter reichen. Abschn. 3 behandelt angewandte Studien zur konstruktiven Gestaltung von Laufkraftwerken, Stauraumver- und -entlandung von Geschiebe, Sedimentmanagementstrategien sowie Studien zu Advektions- und Dispersionsprozessen, die u. a. im Zusammenhang mit künstlichen Geschiebezugaben in unseren Flüssen hochaktuell sind. Schlussfolgerungen und Ausblicke werden in Abschn. 4 gegeben.

2 Grundlagenforschung

2.1 Kohärente Strukturen und Wirbelbildung

In unseren Fließgewässern kommt der Strömung des Wassers eine zentrale Bedeutung zu. Mit Ausnahme von geraden Gerinnen mit einheitlichem Querschnitt, in denen die Strömung als quasi 1‑dimensional betrachtet werden kann, finden sich in Fließgewässern zumeist komplexe 3‑dimensionale Strömungsmuster. Die Strömung ist bis auf wenig durchflossene Flachwasserzonen oder stark aufgestaute Bereiche zumeist turbulent. Turbulenz wird häufig an einem Punkt in der Strömung betrachtet und beschreibt die Variation der Geschwindigkeit im zeitlichen Verlauf. In dieser Betrachtungsweise ist die Geschwindigkeit ein zufälliger, stochastischer Prozess, der einen wesentlichen Aspekt vernachlässigt: In turbulenten Strömungen treten organisierte, zusammenhängende Wirbelstrukturen auf, die sich räumlich ausdehnen, in Größe und Orientierung unterscheiden und unterschiedliche Lebensdauern haben. Diese zusammenhängenden Wirbelstrukturen werden auch als „kohärente Strukturen“ bezeichnet (Holmes et al. 1996; Kim und Adrian 1999; Adrian 2007; Adrian und Marusic 2012). Die größten kohärenten Strukturen sind von vergleichbarer Größe wie die Wassertiefe. Je größer sie sind, desto mehr Energie enthalten sie und beeinflussen wichtige Prozesse im Fließgewässersystem, bspw. die Verteilung von gelösten Stoffen und Schwebstoffen sowie den Transport von Geschiebe, Plastik, u. v. m. Werden Objekte (Brückenpfeiler, Schwellen, Vegetation, Fische, Steine etc.) um- oder überströmt, kommt es zu Strömungsablösungen und Wirbelbildungen (Sindelar 2022).

Moderne Messmethoden wie die zeitlich aufgelöste 3D Particle Tracking Velocimetry (tr-3D-PTV = time resolved – 3D – Particle Tracking Velocimetry) ermöglichen es, in einem abgegrenzten Messvolumen räumlich und zeitlich hochaufgelöste 3D-Fluidgeschwindigkeiten zu ermitteln. Daraus lassen sich kohärente Strukturen oder Wirbel erkennen und auch visualisieren (Schobesberger et al. 2020, 2021, 2022; Gold et al. 12,13,a, b, 2024a). Die weitergehenden Analysen der Wirbelstrukturen beschränken sich jedoch häufig auf eine rein qualitative Beschreibung der dargestellten Isoflächen-Konturen in wenigen Zeitschritten (Gold et al. 2023a). Diese qualitativen Beschreibungen sind durchaus berechtigt, da sie wesentlich zum Prozessverständnis beitragen können. Dennoch bleiben wesentliche zeitliche und räumliche Informationen der Messungen ungenutzt. Um dies zu verbessern, wurde in Gold et al. (2023a) ein innovativer Ansatz der digitalen Objektverfolgung von Wirbelstrukturen (DOT-Methode) vorgestellt. Dieser ermöglicht die Auswertung von Trajektorien kohärenter Strukturen und Wirbel, basierend auf der visuellen Darstellung von z. B. Wirbelintensitäts-Isoflächen. Die in Gold et al. (12,13,a, b) mit tr-3D-PTV und der DOT-Methode gewonnen Erkenntnisse zu Wirbeldynamik wurden in weiterer Folge von Gold et al. (2024a) zur Beschreibung des wirbelinduzierten Strömungswiderstands kugelförmiger Partikel genutzt. Dieser Ansatz aus tr-3D-PTV und DOT-Methode kann somit zur vertieften Analyse der Fluid-Partikel-Interaktion von Sediment- und Plastikpartikeln verwendet werden.

2.2 Bewegung von Einzelkörnen weit unter dem kritischen Shields-Parameter

Zahlreiche Studien belegen, dass es in Fließgewässern zu (vereinzeltem) Transport von Geschiebe bei Bedingungen kommen kann, die weit unter dem kritischen Shields-Parameter für den Bewegungsbeginn liegen (Sindelar et al. 2023, Abb. 1). Wie in den Arbeiten des CD-Labors gezeigt werden konnte, spielen kohärente Strukturen auch in diesem Zusammenhang eine große Rolle. An der Gewässersohle kann – verursacht durch den Geschwindigkeitsgradienten in vertikaler Richtung – eine rotierende Walze quer zur Fließrichtung entstehen, die sich durch turbulente Vorgänge nach oben wölbt und einen haarnadelförmigen Wirbel (hairpin vortex) bildet (Abb. 1). Dieser Haarnadelwirbel wandert flussabwärts und kann eine Höhe in der Größenordnung der Wassertiefe erreichen, ehe er birst („bursting phenomenon“) und zerfällt. Dieser Prozess wiederholt sich. Haarnadelwirbel treten oft auch in Gruppen auf und bilden dann noch größere kohärente Strukturen („very large scale motions“, Kim und Adrian 1999; Adrian 2007; Schobesberger et al. 2021).

Abb. 1
figure 1

a Schema zweier flussabwärts wandernder Haarnadelwirbel. (Modifiziert nach Schobesberger et al. 2020). b Im Experiment mittels tr-3D-PTV gemessener Haarnadel-Wirbel bei Bewegungsbeginn eines Einzelkorns. (Modifiziert nach Schobesberger et al. 2022)

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Der Stand der Forschung war lange Zeit, dass Haarnadelwirbel für deren Entstehung eine glatte Sohle benötigen, bei der es eine laminare Unterschicht gibt. Die im Rahmen des CD-Labors durchgeführten Grundlagenexperimente konnten jedoch erstmals zeigen, dass Haarnadelwirbel auch bei rauen Sohlen entstehen. Mehr noch, sie konnten als Ursache für die Bewegung eines Einzelkorns an der Gewässersohle identifiziert werden (Schobesberger et al. 2022; Sindelar et al. 2023). Bei diesen Versuchen waren die Fließbedingungen weit unter dem kritischen Shields-Parameter für Bewegungsbeginn. Diese Haarnadelwirbel liefern damit ein Erklärungsmodell, warum es auch bei unterkritischen Shields-Bedingungen zu vereinzeltem Transport an der Gewässersohle kommen kann. Da in Gewässern über weite Strecken im Jahr unterkritische Shields-Bedingungen herrschen, ist der Geschiebetransport in der Jahresbilanz möglicherweise nicht zu vernachlässigen.

2.3 Fließbedingungen und Sohlschubspannungen mit und ohne Sedimenttransport

Eine weitere grundlegende Studie untersuchte das Strömungsfeld mit und ohne Sedimenttransport über eine raue Sohle mit lokalen Unregelmäßigkeiten. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Analyse von doppelt gemittelten Strömungsparametern in 14 aufeinanderfolgenden Abschnitten. Ziel war es, die lokale Strömungsentwicklung und die Sohlschubspannungen mit und ohne Sedimenttransport zu quantifizieren (Lichtneger et al. 2020).

Die Sohlschubspannung τ wurde mit dem bekannten Ansatz \(\tau =\rho gHS(\mathrm{N}/\mathrm{m}^{2})\) für breite Gerinne berechnet. Dabei bezeichnen \(\rho ,g,H\) und S die Dichte des Wassers, die Erdbeschleunigung, die Wassertiefe sowie die Sohlneigung. τ konnte aber auch anhand der gemessenen Reynolds-Schubspannungen \(-\rho \overline{u'w'}\), also dem gemittelten Produkt der Geschwindigkeitsfluktuationen \(u',w'\) in horizontaler und vertikaler Richtung, abgeschätzt werden. In stationären 2D-Strömungen ist die Reynolds-Schubspannung beim Wasserspiegel \((z=H)=0\) und steigt dann linear Richtung Sohle an. Kurz vor der Sohle wird das Maximum erreicht und die Reynoldsschubspannung nimmt bis zur Sohle auf 0 ab. Ein Maß für die Sohlschubspannung ist die lineare Extrapolation der Reynoldsschubspannung an die Gewässersohle, also \(\tau =-\rho \overline{u'w'}_{z\rightarrow 0}\). Das Reynolds-Schubspannungsprofil aus den Untersuchungen zeigte einen konkaven Verlauf, was in Übereinstimmung mit Hanmaiahgari et al. (2017) auf einen leicht verzögerten Abfluss aufgrund lokaler Sohlunregelmäßigkeiten hindeutet. Die lineare Extrapolation führte zu einer Überschätzung der Sohlschubspannung. Ein besserer Schätzwert konnte erzielt werden, wenn das Maximum des Reynolds-Schubspannungsprofils verwendet wurde. Dieses Ergebnis ist für die praktische Anwendung in natürlichen Strömungen wichtig, da hier in den seltensten Fällen perfekte 2D-Strömungen vorliegen und das Abschätzen der Sohlschubspannung aus gemessenen Reynolds-Schubspannungen mit der Verwendung des Maximalwerts realistischere Schätzwerte liefern könnte.

2.4 Vor- und Nachteile klein- und großmaßstäblicher Versuche

Die Skalierung eines physikalischen Modells ist mit sogenannten Skalierungseffekten behaftet. Somit entsprechen beispielsweise bei Freispiegel-Modellen, die nach Froude-Ähnlichkeit skaliert werden, die Reynoldszahlen im skalierten Modell nicht jenen der Natur (/des Protoptypen) (Sindelar et al. 2019).

Dennoch wird die Skalierung hydraulischer Modelle nicht selten von folgenden Faktoren maßgebend beeinflusst: (i) Räumliche Verfügbarkeit, (ii) Verfügbare Durchflussmengen (Sindelar et al. 2019) und (iii) Wirtschaftlichkeit. Die letztgenannten Punkte würden somit zumeist für eine Skalierung sprechen. Insbesondere stellen die verfügbaren Durchflussmengen oftmals eine Limitierung dar. Jedoch sind einer möglichen Skalierung, je nach Fragestellung, Grenzen hinsichtlich Machbarkeit und resultierender Aussagekraft der Ergebnisse gesetzt. Bei der Untersuchung von Fluid-Struktur-Interaktionen und Mehrphasenströmungen ist dies mehrfach der Fall. Soll beispielsweise das Abdriftrisiko von Menschen im Hochwasserabfluss (Buchinger et al. 2024) oder das Verhalten von Fischen in Gerinnen mit Innovativen Buhnen (Sindelar et al. 2024) untersucht werden, so lassen sich die Versuchsobjekte nicht beliebig verkleinern.

Ähnliches gilt bei Versuchen zu Mehrphasenströmungen, wie dem Sedimenttransport in Fließgewässern. Auch hier sind der Skalierung der Sedimente Grenzen gesetzt, da Sand oder Kiesfraktionen der Natur im verkleinerten Modell durch Schluff- oder Tonfraktionen ersetzt werden müssten. Das hat Auswirkungen auf den Transportbeginn sowie den sedimentologischen Zeitmaßstab, welcher häufig auch für die Kalibrierung numerischer Modelle genutzt wird. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit großmaßstäblicher Versuche (bis zu Maßstab 1:1) mit naturnahen Reynoldszahlen im Bereich 106–107 (Gold et al. 2024b). Solche großmaßstäblichen (1:1) Versuche lassen sich im neuen Wasserbaulabor der BOKU University mit verfügbarem Durchfluss von bis zu 10 m3/s durchführen (Gold et al. 2024b).

Letztendlich ergibt sich hierdurch auch die Möglichkeit zur Kombination von klein- und großskaliger physikalischer Modellierung (Gold et al. 2024b). Es lassen sich Modellfamilien bilden, welche aus unterschiedlich skalierten Teilversuchen bestehen. Somit können im verkleinerten Modell rasch und mit reduziertem Ressourceneinsatz Vorversuche durchgeführt werden, deren Ergebnisse als Grundlage für großskalige Versuche dienen. Umgekehrt können auch im großmaßstäblichen (Schnitt)-Modell die Sedimenttransportkapazität und der sedimentologische Zeitmaßstab bestimmt werden, um anschließend die Auswahl geeigneter (Ersatz‑)Materialien und Kalibrierung in skalierten Vollmodellen zu erleichtern und damit letztendlich die Aussagekraft zu erhöhen. Es lässt sich abschließend sagen, dass die Auswahl geeigneter Modellskalierungen im Wasserbau eine multifaktorielle Problematik darstellt und, neben der entsprechenden Fachexpertise, wesentlich von der Ressourcenverfügbarkeit geprägt ist.

2.5 Skalierungseffekte

In skalierten Modellversuchen, in denen Freispiegelströmungen untersucht werden, wird Froude-Ähnlichkeit hergestellt, damit die wesentlichen Fließvorgänge Strömen-Schießen in Natur und Modell gleich sind. Wird das skalierte Froude-ähnliche Modell ebenfalls mit Wasser betrieben, dann verletzt man die Reynolds-Ähnlichkeit. Im skalierten Modell ist dann die Reynolds-Zahl um den Faktor L3∕2 kleiner ist als in der Natur, wobei L den geometrischen Längenmaßstab bezeichnet. Alle Reynolds-abhängigen Prozesse sind damit im verkleinerten Modell potenziell fehlerbehaftet. Diese Tatsache ist hinlänglich bekannt, dennoch gibt es relativ wenige Studien, die sich mit der Skalierungsthematik auseinandersetzen (Sindelar et al. 2024). Skalierungseffekte können in sogenannten Modellfamilien untersucht werden. Dabei wird ein und derselbe Versuchsaufbau in mehreren Skalen untersucht. Im BOKU Wasserbaulabor besteht die Möglichkeit von großmaßstäblichen Versuchen bis hin zum 1:1-Maßstab. Das BOKU Wasserbaulabor bietet daher ideale Voraussetzungen für Modellfamilien, die auch den Naturmaßstab beinhalten.

Bisher wurden zwei Untersuchungen zu Modellfamilien durchgeführt. In der ersten Studie wurde die Strömung über eine Kiessohle in den Maßstäben 1:16,6; 1:5 und 1:1 untersucht (Clark 2021). Bei der zweiten Versuchsserie wurden deklinante, leicht überströmte Buhnen in den Maßstäben 1:5 und 1:1 untersucht (Sindelar et al. 2024). In beiden Untersuchungen zeigte sich ein ähnliches Bild. Gemittelte Fließgeschwindigkeiten können im skalierten Modell sehr gut reproduziert werden, jedoch zeigen sich teilweise Unterschiede in den (Reynolds-abhängigen) Turbulenzparametern (Sindelar et al. 2024, Abb. 5). Begleitende numerische Simulationen wiesen ebenfalls Skalierungseffekte nach (Glas et al. 2024). Da das Widerstandsverhalten um- und überströmter Körper von der Reynoldszahl abhängt, sind bei Untersuchungen dazu im skalierten Modell Skalierungseffekte nicht auszuschließen (Sindelar et al. 2024). Auf diesen Umstand wird auch in einer Studie hingewiesen, die das Verklausungsverhalten bei Brückenpfeilern im skalierten Modell untersuchte (Schalko et al. 2020). Weiters konnte in einer numerischen Studie nachgewiesen werden, dass sich die Wirbelablösungen hinter einem konischen Körper an der Gewässersohle im skalierten von jenem im Naturmaßstab unterschieden (Tartandyo et al. 2023). Für die Praxis bedeutet das, dass für Untersuchungen bspw. zum Verklausungsverhalten und zur Kolkbildung bei Brückenpfeilern großmaßstäbliche Versuche eine wichtige Ergänzung darstellen, um die Strömungs‑, Erosions- und Verklausungsprozesse realistisch abzubilden.

3 Angewandte Forschung

3.1 Einfluss von Wehrhöhe und -breite von Laufkraftwerken auf die Stauraumverlandung

Als eine technische Randbedingung wird bei einem Laufkraftwerk im Fluss eine Wehranlage errichtet, um das Wasser auf ein vorgegebenes Stauziel aufzustauen. Im Turbinenbetrieb wird das zulaufende Flusswasser durch das angrenzende Krafthaus mit den Turbinen geleitet. Nur im Hochwasserfall, oder für gezielte Staulegungen bspw. zum Spülmanagement, werden die beweglichen Verschlüsse der Wehranlage geöffnet, um den Abfluss über die Wehranlage abzuführen (Abschn. 3.4). Je höher die feste Wehrschwelle über der ursprünglichen Sohle liegt, desto niedriger sind die beweglichen Verschlüsse auszuführen, was ökonomische Vorteile in der Herstellung und Instandhaltung bringt. Da im Hochwasserfall der gesamte Abfluss über die Wehranlage abgeführt wird, entspricht die Breite der Wehranlage in etwa der ursprünglichen Flussbreite w0, das angrenzende Krafthaus wird häufig in einer Bucht ausgeführt, sodass die Flussbreite w beim Kraftwerk größer ist als w0. Im Turbinenbetrieb spielt die Höhe der festen Wehrschwelle hw keine Rolle (Abb. 2). Der Einfluss von hw und vom Verhältnis w∕w0 im Hochwasserfall wurde in einem systematischen Modellversuch untersucht (Sindelar et al. 2017).

Abb. 2
figure 2

Schema eines Laufkraftwerks, oben: Grundriss im Nahbereich des Kraftwerks (Sec 3), unten: Längenschnitt vom Zulauf, Stauwurzel und Wehranlage. (Modifiziert nach Sindelar et al. 2020)

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Das Modell im Maßstab 1:20 repräsentierte dabei einen mittelgroßen Kiesfluss mit Anlehnung an die Mürz bei Kindthal. Als Hochwasserereignis wurde das einjährliche Hochwasser HQ1 untersucht. Die unbeeinflusste Strecke (Sec 1 in Abb. 2) hatte bei Sedimentzugabe (Annahme: volle Transportkapazität) ein Gleichgewichtsgefälle von \(S_{0}=0{,}005\). Im Modell wurde der Nachbereich des Kraftwerks (Sec 3 in Abb. 2) abgebildet. In diesen Versuchen wurden nur die Geschiebefraktionen untersucht. Die als Schwebstoffe transportierten bzw. die im Hochwasser remobilisierten Feinanteile der Stauraumanlandung wurden nicht untersucht. Es wurden 5 Szenarien getestet (Tab. 1). In den ersten beiden Szenarien wurde angenommen, dass die Wehrschwelle niedriger liegt als die ursprüngliche Sohllage, womit sich im Stauraum ein steileres Gefälle S einstellt als im unbeeinflussten Zustand (\(S_{0}=0{,}005\)). Im ersten Szenario gibt es beim Kraftwerk keine Verbreiterung. Im zweiten Szenario ist der Fluss beim Kraftwerk um ein Drittel breiter als im unbeeinflussten Zustand. Im dritten Szenario wurde die Wehrschwellenhöhe genau auf Sohlniveau gesetzt. Bei den Szenarien 4 und 5 lag die Wehrschwellenhöhe über dem ursprünglichen Sohlniveau, was zu einem flacheren Gefälle im Stauraum führt. Eine erhöhte Wehrschwelle und eine Aufweitung im Nahbereich des Kraftwerks (Szenario 5) entspricht der klassischen Planung von Laufkraftwerken.

Tab. 1 Getestete Szenarien zur Stauramverlandung in Abhängigkeit von Wehrschwellenhöhe und Aufweitung im Nahbereich des Kraftwerks
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Ein Szenario im Modellversuch wurde so lange durchgeführt, bis der Geschiebeeintrag am Beginn des Modells dem Geschiebeaustrag entsprach und sich somit ein dynamischer Sohlzustand eingestellt hatte. In Abb. 3 sind die Ergebnisse zusammengefasst. Das Gleichgewichtsgefälle stellt sich unabhängig von der Wehrschwellenhöhe ein, und ist um die Wehrschwellenhöhe versetzt. Abgesehen von der erhöhten Hochwassergefahr durch eine höhere Sohle, ergibt sich auch ein größeres Sedimentationsvolumen. Im Falle der aufgeweiteten Szenarien 2 und 5 liegt die angelandete Sohle im Bereich der Aufweitung höher als im nicht aufgeweiteten Bereich, was einen weiteren Sedimentrückhalt bedeutet.

Abb. 3
figure 3

Einfluss von Wehrhöhe hw und Aufweitungfaktor w∕w0 beim Kraftwerk auf die Stauraumverlandung. (Modifiziert nach Sindelar et al. 2017)

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Die Ergebnisse des Modellversuchs zeigen, dass eine Aufweitung beim Kraftwerk bspw. eingespart werden könnte, wenn der Turbineneinlauf über ein Streichwehr erfolgt. Es könnte auch das Krafthaus außerhalb des Gerinnes positioniert werden, sodass maßgeblich die Wehrfelder die Breite bestimmen. Ebenso könnten Schleusen in das Vorland verlagert werden. Eine weitere Möglichkeit einer optimierten Bauweise ist beim Kraftwerk Rottau bereits realisiert. Hier befindet sich im Stauraum (Ausgleichsbecken Rottau) ein bei Stauziel überströmter Leitdamm. Im Hochwasserfall (geöffnete Verschlüsse) fließt der gesamte Abfluss zwischen rechtem Ufer und Damm ab, wodurch die ursprüngliche Breite der Möll erhalten bleibt, was für die Sedimentdurchgängigkeit förderlich ist.

3.2 Deltabildung und -erosion bei Laufkraftwerken

Basierend auf den Versuchen aus Abschn. 3.2 wurden weitere systematische Untersuchungen zum Transport‑, Ablagerungs- und Remobilisationsverhalten von Sedimenten in Stauräumen durchgeführt. Diese dienen in weiterer Folge der Entwicklung möglicher Managementkonzepte zur Verbesserung gestörter Sedimenthaushalte. Die hier vorgestellten zusammengefassten Studien (Sindelar et al. 2020; Reiterer et al. 2020; Gold und Reiterer 2020) befassen sich mit dem Stauwurzelbereich eines Stauraums (Sec 2 in Abb. 2). Es wurde der Prozess der Deltabildung an der Stauwurzel im Turbinenbetrieb erforscht. Anschließend wurden Möglichkeiten der Sediment-Remobilisierung mittels Spülungen bei moderaten Hochwasserereignissen untersucht. Hierzu wurde ein typischer mittelgroßer Kiesbettfluss mit einer Breite von 20 m, einem mittleren Sohlgefälle von 0,005, einem mittleren Durchfluss von 22 m3 s−1 und einem einjährigen Hochwasser von 104 m3 s−1 in einem physikalischen Modell im Maßstab 1:20 nachgebildet. Es wurden heterogene Sedimentmischungen unter Mobilbettbedingungen verwendet, die einen Bereich von 14–120 mm in der Natur repräsentieren. Bei den Experimenten wurde die Durchflussmenge auf 70 % des einjährlichen Hochwassers (HQ1) festgelegt. Der Prozess der Deltabildung bei gehaltenem Stau (Turbinenbetrieb) ist in Abb. 4a dargestellt. Mit der Ablagerung im Stauwurzelbereich geht auch ein Wasserspiegelanstieg einher. Die Deltaformation kann in vier Bereiche unterteilt werden: (i) die steile Delta-Front am flussab gelegenen Ende, (ii) weiter flussauf das flache Delta-Top, gefolgt vom (iii) Delta-Schweif, der in etwa das Gefälle des unbeeinflussten Flussabschnitts hat, sowie (iv) einen Appendix, der an die ursprüngliche Sohle anschließt. Die Wasserspiegelanhebung durch die Deltabildung erhöht das Hochwasserrisiko. Die experimentellen Ergebnisse von Reiterer et al. (2020) zeigten, dass Deltaablagerungen durch Spülungen mit Teil‑/Vollabstau innerhalb eines angemessenen Zeitraums (ca. 9 h in der Natur) remobilisiert und flussab geschleust werden können. Während der Versuche konnte eine rapide flussauf rückschreitende Erosion der Ablagerungen festgestellt werden. Hierdurch konnte doppelt so viel abgelagertes Geschiebe remobilisiert werden, wie in gleicher Zeit in den Stauraum eingetragen wird (Reiterer et al. 2020). Abb. 4b zeigt ein Schemadiagramm, welches zeitlich und räumlich die vorherrschenden Erosionsprozesse während der Stauraumspülung verbildlicht.

Abb. 4
figure 4

Räumlich-zeitliches Schema der Deltabildung im Turbinenbetrieb (a, Sindelar et al. 2020) und der rückschreitenden Erosion bei (Teil‑)Abstau, welche zur Remobilisierung und zum Abtransport der Ablagerungen an der Stauwurzel führt (b, Reiterer et al. 2020)

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Zusammenfassend lässt sich aus diesen speziellen Experimenten ableiten, dass Spülungen auch bei moderaten Durchflüssen (0,7 × HQ1) bereits einen beachtlichen Teil des im Stauraum abgelagerten Grobmaterials remobilisieren können. Dies spricht für ein aktives Sedimentmanagement v. a. auch bei kleinen bis mittleren Laufkraftwerken, welches einen regelmäßigen Voll- oder zumindest Teilabstau vorsieht, sobald transportwirksame Abflüsse (0,7 × HQ1) erreicht oder überschritten werden.

3.3 Überlegungen zum Spülmanagement bei Laufkraftwerken

Laufwasserkraftwerke verfügen in der Regel über geringe oder gar keine Speicherkapazität, dennoch können die abnehmenden Fließgeschwindigkeiten und Rückstaueffekte in der Stauhaltung zum Geschieberückhalt führen (Hauer et al. 2018). In den letzten Jahren fanden, u. a. im Zuge von CD-SED, eine Reihe physikalischer Modellversuche mit dem Ziel einer nachhaltigen Stauraumbewirtschaftung an Laufkraftwerken statt. Der Einfluss von Wehrhöhe und -breite von Laufkraftwerken auf die Stauraumverlandung wurde in Sindelar et al. (2017) untersucht. Die Ergebnisse sprechen für niedrige Wehrhöhen und den Verzicht von Aufweitungen, um effiziente Stauraumspülungen zu ermöglichen.

Die Untersuchungen von Reiterer et al. (2020) und Gold und Reiterer (2020) befassten sich mit Staulegungen im Oberwasserbereich bei relativ niedrigen Hochwasserabflüssen (0,7 × HQ1). Es zeigte sich, dass häufig auftretende kleinere Hochwasserereignisse effektiv für die Spülung von Laufkraftwerken genutzt werden können, wenn eine volle Staulegung durchgeführt wird. Bereits bei 0,7 × HQ1 scheint es möglich, eine bestehende Deltaablagerung zu remobilisieren.

Die experimentelle Arbeit von Gold et al. (2023c) befasste sich mit den Auswirkungen der Wehrsegmentstellung auf die Spüleffizienz von Laufwasserkraftwerken während Durchflüssen von 0,7 × HQ1. Der Fokus lag dabei auf einer Charakterisierung der strömungsmechanischen Zustände mithilfe von 2D-LDV. Dies wurde auf Grundlage eines idealisierten physikalischen Modells, bestehend aus zwei beweglichen Drucksegmenten über einer fixen Wehrschwelle, durchgeführt. Die höchste Spüleffizienz ergab die vollständige Öffnung beider Wehrklappen, und diese nahm bei leicht eingetauchten Segmenten bereits deutlich ab. Bei beidseitiger, vollständiger Klappenöffnung wurde die Bewegung des Bettmaterials in Form von Dünen festgestellt. Dies erfolgte in Zusammenhang mit der Verschiebung des Geschwindigkeitsprofils, einer Abnahme des Geschwindigkeitsgradienten und erhöhten normierten Reynolds-Spannungen. Die erzielten Ergebnisse heben die Bedeutung einer vollständigen Staulegung für erfolgreiche Spülvorgänge hervor. Bei asymmetrischer Wehrklappenöffnung (ein Segment geschlossen, ein Segment geöffnet) entstand in der Nähe des Wehrs ein Spül-Kolk. Dieser 3D-Erosionsprozess führte zu einem anfänglich hohen Sedimentaustrag, der nach kurzer Zeit wieder abflaute (Gold et al. 2023c). Dieser Prozess ist auf 3D-Strömungszustände im Nahbereich der Wehranlage und der asymmetrischen Strömung zurückzuführen. Aus den großmaßstäblichen Untersuchungen von (Gold et al. 2024b) kann weiters geschlossen werden, dass bereits bei MQ mit erheblichem Geschiebeeintrag in die Stauhaltung, unter Annahme entsprechender Sedimentverfügbarkeit, zu rechnen ist.

Als Teil einer hybriden Modellierung wurden auch numerische Simulationen des Modellversuchs durchgeführt. Dazu wurde das Programm „Virtual Flow Simulator“ (VFS-Geophysics) eingesetzt (Worf et al. 2022). Dieses verwendet eine Immersed Boundary Methode, spezifisch die Curvilinear Immersed Boundary Methode (Ge und Sotiropoulos 2007). Dabei wird die Strömung auf einem nicht-konformen strukturierten Rechengitter berechnet. Die Geometrie wird dazu über unstrukturierte Oberflächendreiecksgitter definiert und die Randbedingungen über eine wandnormale Interpolation rekonstruiert. Auf dem Rechengitter wurde die Strömung mittels Large-Eddy-Simulation berechnet. Aufgrund der Abhängigkeit des Wasserspiegels von der Wehrstellung wurde die freie Wasseroberfläche mitsimuliert. Dazu wurde eine Level-Set-Methode verwendet (Kang et al. 2011; Calderer et al. 2014). Für diese Methode wird eine vorzeichenbehaftete Distanzfunktion eingeführt, welche die Distanz von der Wasseroberfläche beschreibt. Wenn diese Funktion positiv ist, ist das simulierte Fluid Wasser, falls es negativ ist, ist es Luft. Dort wo die Distanzfunktion gleich Null ist, befindet sich die Wasseroberfläche (Abb. 5).

Abb. 5
figure 5

Visualisierung der Level-Set-Distanzfunktion beim Wechselsprung am geöffneten Wehr. Die Konturlinien zeigen die Distanz zur Wasseroberfläche, und die Farbe zeigt die skalare Geschwindigkeit

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Die Zusammenführung der Ergebnisse zeigte, dass ein kombinierter Ansatz, bei dem die Spülphase mit asymmetrischen Schützenstellungen beginnt und anschließend in eine vollständige Absenkung übergeht, vielversprechend sein könnte, um die Spüleffizienz weiter zu steigern.

3.4 Advektions- und Dispersionsprozesse von Geschiebeinput

Geschiebezugaben sind ein gängiges Mittel, um möglichen Folgen eines gestörten Sedimenthaushalts entgegenzuwirken. An europäischen Flüssen wie dem Rhein oder der Donau werden beispielsweise jährlich hunderttausende Kubikmeter Kies künstlich zugegeben, um Sohlerosion zu verhindern, unsere Wasserwege zu sichern und deren Infrastruktur zu schützen. Außerdem werden Kieszugaben zur Verbesserung der Habitatvielfalt genutzt. Um ein besseres Verständnis über die Ausbreitungs- und Transportcharakteristik solcher Zugaben zu schaffen, wurde in Laborversuchen das 1D Advektions- und Dispersionsverhalten analysiert und die Eignung eines 1D-Modellierungsansatzes basierend auf der Advektions-Dispersions-Gleichung (ADG) bestätigt.

Die Experimente fanden in einer 0,3 m breiten und 10 m langen Laborrinne statt, welche über einen eigenen Wasserkreislauf mit frequenzgeregelter Pumpe und einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser verfügt. Ausgangsbedingung für die Versuche war ein mittleres Gefälle von 0,005 und ein stationärer Durchfluss von 0,0078 m3 s−1. Über eine programmierbare Sedimentzugabe am Beginn der Versuchsstrecke wurde zuerst eine Zugabe von 12,6 kg simuliert. Anschließend wurde die Zugaberate auf den zuvor ermittelten Gleichgewichtstransport reduziert. Die Sedimentwellenausbreitung wurde dabei mittels Unterwasserlaserscan sowie über zwei in die mobile Sohle eingelassene Wägezellen erfasst. Genauere Informationen zur Versuchsdurchführung und messtechnischen Umsetzung sind in Reiterer et al. (2022) zu finden. Abb. 6 zeigt eine Skizze des Versuchsaufbaus sowie die umgesetzte Messtechnik.

Abb. 6
figure 6

Versuchsaufbau und Mess-Setup. (Reiterer et al. 2022)

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Aus den Versuchsergebnissen konnten Advektions- und Dispersionskoeffizienten ermittelt werden, welche im Anschluss an die Versuche Eingang in eine mathematische Modellierung mittels ADG fanden (Reiterer et al. 2022):

$$C_{\left(x,t\right)}=\frac{M}{A\sqrt{4\pi D_{x}t}}\exp \left(-\left(\frac{\left(x-ut\right)^{2}}{4D_{x}t}\right)\right)$$

Hier ist M die zugegebene Masse, A der Transportquerschnitt, Dx der longitudinale Dispersionskoeffizient, t die Zeit, x die Stationierung in Längsrichtung und u der Advektionskoeffizient (Reiterer et al. 2022).

Wie in Abb. 7 (Laserscans) zu sehen, führte der lokale Überschuss zu einem sich flussab fortpflanzenden Geschiebepuls und zu einer anfänglichen Erhöhung des mittleren Gefälles von 0,005 auf 0,007, welches sich im Laufe des Versuchs jedoch wieder dem Gleichgewichtsgefälle angleicht. Mittels statistischer Auswertung der Laserscandaten konnten Dispersions- und Advektionskoeffizienten ermittelt werden, welche zur Modellierung über die ADG herangezogen wurden.

Abb. 7
figure 7

Digitale Geländemodelle aus den Laserscanmessungen, WZ1 = Wägezelle 1, WZ2 = Wägezelle 2. (Reiterer et al. 2022)

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Abb. 8 zeigt die kontinuierlich gemessenen Lastverläufe beider Wägezellen (schwarz) zusammen mit der Lösung der ADG (rot). Details zu den genauen Eingangswerten der Modellierung sowie zu den Unterwassermessungen der Wägezellen sind in Reiterer et al. (2022) zu finden.

Abb. 8
figure 8

Wägezellenmessung (schwarz) zusammen mit Ergebnis der ADG (rot): (a) Wägezelle 1 (WZ1) bei x = 1,1 m, (b) Wägezelle 2 (WZ2) bei 8,1 m. (Reiterer et al. 2022)

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Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass das Transportverhalten lokaler und kurzfristiger Sedimenteinträge durch ADGs ausreichend genau abgebildet werden kann, was somit für die Verwendung der 1D-ADG als geeignetes Instrument für die Planung, Bewertung und Optimierung von Kieszugaben spricht. Da neben der ganzheitlichen Pulsausbreitung auch der korngrößenspezifische Transport von großem Interesse ist, wurde in einer weiteren Studie (Reiterer et al. 2024) eine nicht-invasive Auswertemethode basierend auf Bildauswertung entwickelt und getestet. Hierzu wurden unterschiedlich eingefärbte Kornfraktionen auf ein einfärbiges Gewässerbett zugebenen und deren Transport über Unterwasseraufnahmen und Farbklassifizierungsalgorithmen analysiert (Reiterer et al. 2024).

4 Schlussfolgerungen und Ausblick

Um für die multifaktoriellen Ursachen eines gestörten Sedimenthaushalts in unseren Fließgewässern passende Managementkonzepte und bauliche Maßnahmen zu entwickeln, die sowohl technische, ökonomische als auch ökologische Erfordernisse erfüllen, bedarf es gleichermaßen grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung. Die in diesem Überblicksbeitrag vorgestellten experimentellen Arbeiten liefern erstmals ein Erklärungsmodell für (vereinzelten) Geschiebetransport bei unterkritischen Shieldsbedingungen basierend auf kohärenten Strukturen. Mithilfe einer berührungslosen zeitaufgelösten, dreidimensionalen Geschwindigkeitsmessung (tr-3D-PTV) und einer neu entwickelten Wirbel-Visualisierungstechnik (DOT) konnte ein faszinierender Einblick in die Welt der kohärenten Wirbelstrukturen gewonnen werden. Diese rücken in Zusammenhang mit der Verteilung von Schwebstoffen, gelösten Stoffen (z. B. Nähr- oder Schadstoffen), der Bewegung von Fischen und anderen Wasserlebewesen und bei umströmten Strukturen wie Brücken- und Wehrpfeilern, Vegetation etc. mehr und mehr in den Forschungsfokus. Die im Rahmen des CD-Labors weiter vertiefte Expertise in der Methodik tr-3D-PTV und DOT wird in Zukunft das Prozessverständnis in (öko-)hydraulischen und wasserbaulichen Fragestellungen vertiefen. Gerade im Zusammenhang mit instationären Vorgängen und zeitaufgelösten Prozessen sind großmaßstäbliche Versuche, wie sie im BOKU Wasserbaulabor möglich sind, eine unverzichtbare Methode, um unter kontrollierten Bedingungen Prozesse (nahe) 1:1-Bedinungen untersuchen zu können. Der anwendungsorientierte Teil der experimentellen Studien fokussierte auf die Stauraumver- und -entlandung vor allem bei Laufkraftwerken, woraus Vorschläge für ein Spülmanagement gewonnen werden konnten. Die Bedeutung der Wehrschwellenhöhe und der möglichst geringen Aufweitung im Bereich von Laufkraftwerken im Zusammenhang mit Sedimentkonnektivität konnte aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde ein 1D-Advektions- und Dispersionsmodell (1D-ADE), das üblicherweise für die räumlich-zeitliche Verteilung gelöster Stoffe eingesetzt wird, erfolgreich für lokale Geschiebeeinträge angewandt. Ebenfalls untersucht wurden die künstlichen Geschiebezugaben in Flüssen als eine weit verbreitete Methode, um den negativen Auswirkungen eines gestörten Sedimenthaushalts vorzubeugen. Jährlich werden an großen europäischen Flüssen hunderttausende von Kubikmetern Kies eingebracht. Hier wurde gezeigt, dass der einfach anzuwendende 1D-ADE-Modellierungsansatz ein wichtiges Werkzeug sein kann, um die räumlich-zeitliche Entwicklung von Geschiebezugaben zu prognostizieren. Für die einfache Verwendung dieser Modelle müssen Advektions- und Dissipationskoeffizienten bekannt sein oder abgeschätzt werden. Hier empfiehlt sich die Bestimmung dieser Koeffizienten des 1D-ADE-Modells anhand von Feld- oder Laborversuchen, um sukzessive eine Koeffizienten-Datenbank für die Praxis aufzubauen.