Numerische Modellierung der Sedimentationsprozesse in Retentionsanlagen zur Steuerung von Stoffströmen bei extremen Hochwasserabflussereignissen

Abstract

Bei Hochwasserereignissen werden Sedimente und partikulärgebundene Schadstoffe unterschiedlicher Herkunft verstärkt mobilisiert und mitunter weite Strecken von der Strömung transportiert. Hieraus erwächst ein Ablagerungspotential ungelöster oder an den Sedimenten partikulär gebundener Schadstoffe in fließberuhigten Gewässerkompartimenten an anderer Stelle im Flusssystem. Insbesondere Hochwasserrückhaltebecken sind auf Grund der vorherrschenden Sedimentationstendenz in diesem System von Anlandungsprozessen und stofflicher Akkumulation betroffen.

Für jedwede Art der stofflichen Bewirtschaftung von Hochwasserrückhaltebecken ist das Verständnis von den Zusammenhängen der im System ablaufenden, zeitlich und räumlich mitunter hochgradig variablen Strömungs- und Transportphänomene und deren beeinflussende Faktoren unerlässlich. Denn nur so kann der zu erwartende Stoffrückhalt abgeschätzt und Maßnahmen zur Beeinflussung des Stoffrückhalts gezielt eingesetzt werden. Neben einer Reduzierung des stofflichen Rückhalts zur Gewährleistung der Funktionalität des Retentionsraumes ist grundsätzlich eine Erhöhung des Stoffrückhalts zur qualitativen Entlastung des Unterwasserbereichs denkbar. Diese Vorgehensweise greift die Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG auf, welche die Erhaltung und Verbesserung der aquatischen Umwelt in der Europäischen Gemeinschaft und langfristig die Eliminierung prioritärer, gefährlicher Stoffe zum Ziel hat.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die für den Schwebstoffrückhalt maßgeblichen Prozessabläufe innerhalb als Trockenbecken betriebener Hochwasserrückhaltebecken identifiziert und quantifiziert werden. Unter Verwendung 2D-numerischer Strömungs- und Transportmodelle wurden Simulationen an idealisierten Trockenbecken im Hauptschluss und Dauerstaubecken durchgeführt. Dabei wurden variierende Längen- zu Breitenverhältnisse, unterschiedliche Beckensteuerungen und Korngrößen von 10 µm bis 150 µm sowie ein konservativer Tracer betrachtet. Zu Vergleichszwecken erfolgten Untersuchungen an Poldersystemen. Bei diesen stand der Einfluss der Steuerungsstrategie auf die Ablagerungsmuster im Fokus der Untersuchungen.

Die gewählte Untersuchungsmethode hat maßgeblich zum Prozessverständnis innerhalb des Systems Trockenbecken beigetragen. Hierbei erfolgte neben der Auswertung kontinuierlicher Schwebstoff- und Tracerzugaben im Beckenzulauf die Analyse des Transports und des Absetzverhaltens von jeweils nur über eine Dauer von 10 Minuten zugegebenen Schwebstoffs und Tracers zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Beckenfüllung. Dadurch werden die Transportwege während unterschiedlicher Beckenfüllstände und Abflüsse nachvollziehbar. Dies ist im Hinblick auf natürliche Prozesse dann von Relevanz, wenn kontaminierte Schwebstoffe zeitlich begrenzt in ein Fließgewässer eingetragen werden. Die Untersuchungsmethode ermöglicht zudem die Quantifizierung der einzelnen Prozesse. In allen betrachteten Varianten konnte der Kurzschluss als dominierender Prozess hinsichtlich der stofflichen Rückhalteeffizienz der Trockenbecken identifiziert werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Beeinflussung des stofflichen Rückhalts anhand der Modifikation der Systemrandbedingungen. Im Rahmen der Fallstudie des Hochwasserrückhaltebeckens Horchheim konnte gezeigt werden, dass die Reduzierung des Regelabflusses die einzige Maßnahme ist, die nennenswerte Auswirkung auf den stofflichen Rückhalt hat. Geometrische Änderungen des Beckenraumes haben nur einen untergeordneten Einfluss auf die Rückhalteeffizienz absetzfähiger Stoffe.

Die Abtrennung des Anteils des kurzschlussbedingten Transports am Beckenauslass im Fall der Simulationen mit stoßweiser, zeitabhängiger Tracerzugabe ermöglicht Aussagen über die hydraulischen Aufenthaltszeiten der jeweiligen Wasserpakete im Stauraum. Diese sind weitaus höher als theoretisch ermittelte Aufenthaltszeiten als Quotient aus Beckenvolumen und Abfluss, da letztere die unterschiedlichen Zeitskalen der Prozesse des kurzschlussbedingten Transports und des Austrags aus dem Becken nach erfolgter Durchmischung nicht berücksichtigen. Wichtig für die Beurteilung zeitabhängiger Sorptions- oder Abbauprozesse von Schadstoffen ist die tatsächliche Aufenthaltszeit im durchmischten Anteil des Wasserkörpers. Betrachtet man die modellhaft ermittelten Aufenthaltszeiten der Schwebstoffe im Wasserkörper, so liegen diese deutlich unter den hydraulischen Aufenthaltszeiten.

Vereinfachende empirische Ansätze zur Abschätzung der Ablagerungsmengen in Stauräumen oder Sedimentationsbecken basieren in der Regel auf der Annahme stationärer Verhältnisse. Dadurch vernachlässigen sie den für die stoffliche Rückhalteeffizienz von Trockenbecken maßgeblichen Effekt des kurzschlussbedingten Transports. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei vereinfachende Ansätze zur Abschätzung von Ablagerungsmengen in Trockenbecken im Hauptschluss unter Berücksichtigung der relevanten Prozesse entwickelt.

During flood events, sediments as well as particle bound pollutants are mobilised by the current and occasionally transported for long distances. This results in a potential of deposition of undissolved or particle bound pollutants in areas located further downstream, where reduced flow velocities appear in the water body. Flood retention reservoirs are affected by sediment aggradations and accumulation of toxicants in particular due to the predominant sedimentation tendency within these systems.

For any concept of retention reservoir management the knowledge of the time and space dependent variable flow and transport phenomena occurring inside of the system as well as their influencing factors is of importance. This knowledge is essential for estimating amounts of particulate matter getting deposited. Furthermore, it is essential for the targeted application of measures for influencing the retention of particulate matter. This way, not only the reduction of sedimentation to guarantee the functionality of the retention reservoir is possible, but also an increased retention of contaminated particulate matter. As a consequence the downstream reach of a flood retention reservoir could be improved qualitatively. This is according to the European Water Framework Directive 2000/60/EG, which aims at preserving and improving the aquatic environment and eliminating priority hazardous substances in the long term.

In the framework of the present work, the main phenomena relevant for the retention of particulate matter in green flood retention reservoirs could be identified and quantified. Applying 2D-numerical flow and transport models, simulations were conducted using idealised instream green flood retention. Varying length to width ratios, operation rules and grain sizes from 10 µm to 150 µm were considered as well as a conservative tracer. For comparative purposes, investigations of permanent reservoirs and polder systems were conducted. The latter was focused on the impact of operation rules on deposition patterns within the polder.

The chosen method of investigation has significantly led to an understanding of the processes within the system green flood retention reservoir. At this, the behaviour of transport and sedimentation of suspended sediment and tracer, added at different levels of reservoir filling over a period of only 10 minutes in each case at the reservoirs inlet, was analysed in addition to a continuous addition of sediment. Thus, ways of transport depending on filling levels and discharges become apparent. With regard to natural processes this is relevant, if particle bound pollutants enter a river only for a short period. Furthermore, the investigation method enables the quantification of the individual processes as well. The hydraulic short circuit could be identified as dominating process regarding the trap efficiency of green flood retention reservoirs concerning particulate matter.

The findings allow for influencing the retention of particulate matter by modifying the system’s boundary conditions. In the framework of the case study “green flood retention reservoir Horchheim” it could be shown, that the reduction of the reservoir outflow is the only measure which has an appreciable impact on sediment retention. Modifying the reservoirs geometry is only secondary concerning the sediment related trap efficiency.

Separating the portion of tracer transported by the hydraulic short circuit from the tracer output signal at the reservoirs outlet enables the determination of the hydraulic residence time of a water particle within the flood retention reservoir. These residence times are much higher than the theoretical residence time as quotient of reservoir volume and discharge at the outlet. This is because the latter approach for determining the hydraulic residence time doesnt account for the different time-scales of the hydraulic short circuit processes as well as the mixing processes within the ponded water body. Important for the assessment of time dependent sorption and degradation processes of pollutants, which occur in the ponded water body, is the effective residence time in the mixed part of the water body in contrast to the short circuit flow. The residence times of suspended sediment particles, determined by means of the models are significant shorter than the hydraulic residence times.

Empirical approaches for the estimation of trap efficiencies in retention reservoirs or sedimentation tanks are generally based on the assumption of steady conditions. Thus the decisive, unsteady effect of sediment transport by the hydraulic short circuit is unavoidably neglected if used for estimating the trap efficiency of green flood retention reservoirs. In the framework of this work, two simplifying approaches were developed for the first estimation of sediment deposition amounts in green flood retention reservoirs considering the relevant processes.