Die Strömung von Gewässern ist seit jeher von großem Interesse für die Menschen. Bereits vor 4000 Jahren beobachteten die Ägypter den Nil und profitierten von den jährlichen Hochwassern. Heutzutage müssen wir in dicht besiedelten Gebieten an großen Flüssen wie dem Rhein mit Hochwasser umgehen. Durch den Einsatz von hydraulischen Strömungsmodellen und Abflussrouting können wir Hochwasserwellen modellieren und entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergreifen.
In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die verschiedenen Arten von Strömungen in einem Vorfluter und zeigen auf, welche Modellansätze bei der Strömungsmodellierung verwendet werden. Außerdem klären wir, welche Parameter für Strömungsmodelle und das Abflussrouting benötigt werden.
Fließvorgänge im offenen Gerinne
Wenn Wasser im Vorfluter aufgestaut ist, folgt es dem größten Steigungsgefälle und es entsteht ein Fließvorgang im offenen Gerinne. Das Wasser bewegt sich in Richtung eines Sees oder Meeres und wird dabei von Nebenflüssen und Grundwassereintrag gespeist. Durch diesen Fließvorgang steht das Wasser in Wechselwirkung mit den Uferböden. Der Vorfluter kann sowohl Wasser speichern als auch Wasser an die Böden abgeben. Dieses abgegebene Wasser kann zur Grundwasserneubildung beitragen. Während eines Hochwasserereignisses kann Wasser vorübergehend in den ufernahen Bodenschichten gespeichert werden und nach Abklingen des Ereignisses wieder an den Vorfluter abgegeben werden.
Kräfte auf Wasser im offenen Gerinne
Es gibt zwei Arten von Kräften, die auf Wasser im offenen Gerinne wirken: Volumenkräfte und Flächenkräfte. Volumenkräfte wirken auf das gesamte Volumen des Wassers, wie zum Beispiel die Gravitationskraft. Flächenkräfte hingegen wirken nur an den Oberflächen der Flüssigkeitselemente, wie zum Beispiel der atmosphärische Druck auf die Wasseroberfläche oder Reibungskräfte im Gerinnebett. Die Summe dieser Kräfte beeinflusst den Bewegungsprozess des Wassers im Vorfluter.
Charakterisierungen von Strömungen
Strömungen im Vorfluter können als laminar oder turbulent charakterisiert werden. Bei laminarer Strömung bewegt sich jedes Wasserteilchen entlang eines spezifischen Weges mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Bei turbulenter Strömung gibt es eine Durchmischung der fließenden Elemente. Turbulente Strömung ist durch Verwirbelungen und Strudel gekennzeichnet. Die Fließgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab, erreicht aber kurz unter der Wasseroberfläche ihr Maximum.
Die Reynoldsche Zahl und die Froude’sche Zahl sind mathematische Mittel, um die Strömung als laminar oder turbulent zu bestimmen. Die Reynoldsche Zahl vergleicht Trägheitskräfte mit Reibungskräften und die Froude’sche Zahl vergleicht Trägheitskräfte mit Schwerkraftkräften.
Die Fließgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit
Die Fließgeschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich das Wasser im Vorfluter bewegt. Die Fließgeschwindigkeit variiert sowohl horizontal als auch vertikal. Horizontal nimmt die Fließgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung vom Ufer zu. Vertikal nimmt die Fließgeschwindigkeit von der Gewässersohle bis kurz unter die Wasseroberfläche zu. Die Messung der Fließgeschwindigkeit erfolgt mit einem Messflügel oder Ultraschallgeräten. Durch Messungen können der Durchflussquerschnitt und die mittlere Fließgeschwindigkeit ermittelt werden.
Modellansätze für Strömungsmodelle
Hydraulische Strömungsmodelle basieren auf verschiedenen Gleichungen, um Probleme im Vorfluter analysieren zu können. Die Kontinuitätsgleichung beschreibt die Erhaltung der Masse und zeigt auf, dass im Vorfluter der Abfluss an jeder Stelle gleich ist. Die Energie-Gleichung beschreibt, wie sich die Energie mit dem Fließen von einem Ort zum anderen ändert. Diese beiden Gleichungen ermöglichen es, Änderungen der Fließgeschwindigkeit und des Fließquerschnitts zu verfolgen.
Hydraulische Strömungsmodelle und Abflussrouting sind entscheidende Werkzeuge, um Hochwassersituationen besser zu verstehen und entsprechende Schutzmaßnahmen zu treffen. Durch eine genaue Kenntnis der Strömungsmodelle und der benötigten Parameter können wir unsere Flüsse und Vorfluter effizienter und sicherer machen.
