Labormessungen im Maßstab 1:1 und Modellentwicklung zur Verformung und Rauigkeit flexibler Vegetation in Fließgewässern

Abstract

ZusammenfassungDie Vegetation gewinnt im Hochwasserschutz zunehmend an Bedeutung, da aktuelle Wasserbauprojekte auch ökologische Ziele verfolgen und die Vegetation integraler Bestandteil natürlicher und renaturierter Flüsse ist. Darüber hinaus werden Funktionen der Vegetation – wie jene der Beschattung und fließenden Retention – bewusst eingesetzt, die im Zusammenhang mit dem Klimawandel angesichts steigender Wassertemperaturen und zunehmender Hochwasserabflüsse an Bedeutung gewinnen. Die Vegetation steht bei Hochwasserereignissen in Wechselwirkung mit der Strömung und dem Sedimenttransport und die durch die Wechselwirkung hervorgerufenen Sohlhöhenänderungen und Strömungswiderstände beeinflussen die Wasserspiegelhöhen und somit die Hochwassersicherheit. Bisher werden die Strömungswiderstände in hydrodynamisch-numerischen Modellen durch einen Rauigkeitsbeiwert berücksichtigt. Dieser wird meist als konstant angenommen, während flexible Vegetation aber ihre Form und somit den Strömungswiderstand anpasst.Wir stellen Entwicklungen zu einem numerischen Modell der mechanischen Verformung einer Pflanze unter Strömungsbelastung vor, welches die Pflanze als Stabmodell mithilfe der Finite-Elemente-Methode diskretisiert. Die Geometrie der untersuchten Pflanzen wurde mittels Fotogrammmetrie erfasst und mit Messungen zu den Stamm- und Astdurchmessern und der Belaubung ergänzt. Parameter betreffend die Steifigkeit gegenüber Biegung und Torsion wurden in Abhängigkeit von den Durchmessern der Äste erfasst. Der im BOKU-Wasserbaulabor gegebene Durchfluss von bis zu 10 m3s−1 erlaubt Versuche im 1:1-Maßstab an einzelnen Pflanzen und ganzen Pflanzenverbänden. Messungen zur Verformung und Strömungswiderstandskraft einzelner Pflanzen sowie zu den Fließgeschwindigkeiten in Pflanzenverbänden bilden die Grundlage für die Überprüfung des Modells. Eine Umrechnung der Strömungswiderstandskraft in einen Rauigkeitsbeiwert ermöglicht die Einbindung des Modells in zweidimensionale hydrodynamisch-numerische Modelle, die eine häufige Anwendung in der Simulation von Hochwasserabflüssen finden.