Forschungsprojekte
Hochwasserschutz
Schwemmholz
- Feldversuch an der Glatt: Schwemmholzverklausung an Brückenpfeiler
- Hydrodynamic processes due to partially spanning logjams (in English)
- SmartWood_3D: Quantifizierung und Bewertung von Schwemmholztransport- und Verklausungsprozessen
Sohlenstabilisierung
Projekthintergrund
Durch das Hochwasserschutzprojekt "Alpenrhein Internationale Strecke km 65 bis 91" (externe Seite www.rhesi.org) soll in den kommenden Jahrzehnten die Abflusskapazität des Alpenrheins von derzeit 3'100 m3/s (ca. HQ100) auf 4'300 m3/s (ca. HQ300) ausgebaut werden.
Diese Steigerung der Abflusskapazität soll ohne Ansteigen der Hochwasserspiegel sowie ohne Erhöhung der Hochwasserschutzdämme erreicht werden. Eine der Hauptmassnahmen des Projekts besteht somit in der Erhöhung des Abflussquerschnitts durch Verbreiterung des Mittelgerinnes und die gezielte Dynamisierung definierter Bereiche der Vorländer. Das in früheren Korrektionen (1892 - 1923) erstellte, für die internationale Strecke charakteristische, Doppeltrapezprofil des Alpenrheins wird über weite Strecken aufgegeben (Abb. 1). Diese Anpassungen der Gerinnegeometrie sollen neben der Erhöhung der Hochwassersicherheit auch eine naturnahe Gestaltung des Gerinnes ermöglichen.
Die Auswirkungen der projektierten Massnahmen auf das Strömungsverhalten, den Geschiebehaushalt sowie die Ufer- und Bauwerksbelastungen sind nur schwer prognostizierbar, da kaum Erfahrungen mit Revitalisierungs- und Hochwasserschutzprojekten dieser Grössenordnung vorliegen.
Auftrag der VAW
Die im Projekt vorgesehenen wasser- und flussbaulichen Massnahmen werden im Auftrag der externe Seite Internationalen Rheinregulierung von der VAW mittels hybrider Modellversuche (Untersuchungen in gegenständlichen und numerischen Modellen) geprüft und optimiert. Folgende Fragestellungen werden untersucht:
- Prüfung der Hochwassersicherheit
- Morphologische Entwicklung
- Prozesse bei Veränderungen des Gewässerquerschnitts (Verengung / Aufweitung)
- Uferschutz und Böschungssicherheit
- Brückenbauwerke (Freibord, Verklausungsrisiko, Pfeilerkolke)
- Vegetation auf Kiesbänken (Rückstau im Hochwasserfall und Rückhaltepotential von Schwemmholz, Einfluss auf morphologische Entwicklung
Versuchsprogramm
Die Untersuchungen werden in zwei gegenständlichen Modellen in einer externen Halle im Massstab 1:50 für charakteristische Abschnitte des Hochwasserschutzprojekts durchgeführt (Abb. 2):
- Im Abschnitt «Widnau / Höchst» (km 81.1 bis 86.4) befindet sich der schmalste Abschnitt des Projekts. Dieser eignet sich insbesondere für die Untersuchung der Prozesse bei Querschnittsänderungen (Verengungen, Aufweitungen) sowie der Uferbelastung in Kurvensituationen.
- Der Abschnitt «Oberriet / Koblach» (km 66.0 bis 71.1) beinhaltet die grösste Aufweitung innerhalb des Projekts. Der Übergang vom heutigen, schmalen Gerinne mit Breiten von 70 - 90 m auf die neue Breite von bis zu 350 m soll nach Entfernen der bestehenden Ufersicherungen grösstenteils eigendynamisch erfolgen. Die Untersuchung der auftretenden morphologischen Dynamik in einem verzweigten Gerinne ist von grossem Interesse in Bezug auf Ökologie und Geschiebehaushalt.
Neben den gegenständlichen Modellen wurden in der Simulationssoftware BASEMENT hydronumerische 2D-Geschiebemodelle betrieben, welche den gesamten Perimeter des Alpenrheins abbilden. Diese sind elementare Grundlagen für die Bereitstellung und Überprüfung der Randbedingungen der gegenständlichen Modelle, die Validierung der Ergebnisse sowie die Durchführung von Sensitivitätsanalysen («hybride Modellierung»). Die numerischen Simulationen wurden weiter mit morphodynamischen Berechnungen ergänzt. Mit Hilfe des gegenständlichen Modells konnten die numerischen Parameter kalibriert und validiert werden. Dadurch konnten die Sohlenveränderungen während verschiedenen Abflussszenarien im gegenständlichen Modell ebenfalls im numerischen Modell sehr gut nachgebildet werden.
Abschnitt Widnau/Höchst
Die Untersuchungen des ersten Abschnitts «Widnau / Höchst» wurden zwischen Juni 2019 und Januar 2021 durchgeführt. Nach der Kalibrierung des gegenständlichen Modells im heutigen flussbaulichen Zustand erfolgten Untersuchungen zur Entwicklung der Morphologie nach Umsetzung des Projekts. Diese Untersuchungen sollten aufzeigen, an welchen Stellen der Längsverbau mit zusätzlichen Schutz- und Lenkungsbauwerke geschützt resp. Optimiert werden soll (Abb.3). Die Versuche wurden mit Untersuchungen zum Schwemmholztransport und der Verklausungswahrscheinlichkeit an Brückenpfeilern abgeschlossen.
Abschnitt Oberriet/Koblach
Zwischen Januar 2021 bis Ende 2023 wurde der Abschnitt Oberriet/Koblach bearbeitet, wobei der Modellaufbau rund 4 Monate dauerte und die Modellversuche während 1.5 Jahren durchgeführt wurden.
In diesem Abschnitt lag der Fokus auf dem Übergang von dem monotonen schmalen Bestandsgerinne zu einem dynamischen sehr breiten Gerinne. Die Aufweitungen sollen mit minimalem maschinellem Aufwand, möglichst eigendynamisch, innerhalb weniger Jahre erfolgen. Ob diese Umgestaltung ohne maschinellen Aufwand möglich ist, resp. welche Initialisierungsmassnahmen umgesetzt werden müssen, wurde im Modell untersucht.
Die erste Versuchsreihe zeigte, dass die Entfernung der Ufersicherungen allein nicht ausreicht, um innerhalb weniger Jahre das Gerinne umzugestalten. Im weiteren Verlauf wurden verschiedene Massnahmen zur Initialisierung der eigendynamischen Entwicklung geprüft. Anschliessend wurden diese durch die Fachplaner in einem Gesamtkonzept zusammengefasst, welches wiederum im Modell geprüft wurde. Maschinelle Eingriffe finden in diesem Konzept nur innerhalb einer anfänglichen Bauphase statt; anschliessend erfolgt die Entwicklung des Gerinnes grösstenteils eigendynamisch. Innerhalb von wenigen Jahren konnte mit diesem Konzept eine Entwicklung der Sohle beobachtet werden (Abb. 4).
Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in der Zeitschrift «Wasser Energie Luft, WEL» Heft 116 (2) vom Juni 2024 genauer erläutert.
Das Hochwasser 1987 an der Reuss und Unteralpreuss hat in Andermatt zu grossflächigen Überschwemmungen von Siedlungs- und Landwirtschaftsgebieten geführt. Die Unteralpreuss hat Geröll und Schlamm mittransportiert, wodurch Brücken, Strassen – und Bahnanlagen beschädigt oder zerstört wurden. Durch dieses Ereignis wurde ein deutliches Schutzdefizit aufgezeigt, welches durch die Umsetzung des Hochwasserschutzprojekts Andermatt aus Jahr 2009 bereinigt werden sollte.
Folgende Massnahmen wurden mit dem Dimensionierungsabfluss eines 100-jährigen Ereignisses ausgearbeitet und seit 2012 bereits umgesetzt:
- Bau eines Geschiebesammlers oberstrom von Andermatt, um das Geschiebe der Unteralpreuss bei grösseren Abflüssen zurückzuhalten
- Erosionsschutz der Sohle zwischen Geschiebesammler und der Matterhorn Gotthard Bahn Brücke (MGB-Brücke)
- Neubau und Höherlegung der Brücke Bahnhofstrasse oberhalb der MGB-Brücke (Abb. 1)
- Seitliche Überlast-Entlastung zwischen Brücke Bahnhofstrasse und MGB-Brücke
Als letztes Element des Gesamtprojekts ist die Erhöhung der Hochwassersicherheit bei der MGB-Brücke direkt am Bahnhof in Andermatt ausstehend. Im Zusammenhang mit dem bereits gestarteten Umbau des Bahnhofs soll die vorhandene Brücke durch eine neue, breitere Brücke, welche als Druckbrücke geplant ist, ersetzt werden. Mit dem Ausbau des Bahnhofs Andermatt wird ebenfalls ein neuer Unterhaltsstütz-punkt der MGB realisiert. Die Zufahrt zu diesem Unterhaltsstützpunkt soll durch eine weitere neu gebaute Brücke zwischen der bestehenden ASTRA-Brücke und der neu geplanter Druckbrücke gewährleistet werden.
Auftrag der VAW
Im Auftrag der Matterhorn Gotthard Bahn werden die zwei neu geplanten Brücken beim Bahnhof Andermatt im hydraulischen Modell 1:30 an der VAW (Abb. 2) auf ihre Machbarkeit geprüft und optimiert.
Folgende Fragestelllungen werden im hydraulischen Modell untersucht:
- Prüfung der hydraulischen Machbarkeit des geplanten Systems
- Funktionalität der Druckbrücke in Kombination mit oberstromig seitlich angeordneter Notentlastung
- Gegenseitige Beeinflussungen der untersuchten Brücken
- Verhalten der Sohle in Kombination mit Geschiebetrieb bei Hochwasserereignissen
Holz ist ein wesentlicher Bestandteil eines Fliessgewässers, da es heterogene Fliessbedingungen und morphologische Strukturen schaffen kann. Falls die Holzmenge in einem Fluss jedoch die Transportkapazität des Fliessgewässers übersteigt, kann die Gefahr von Verklausungen an Brückenbauwerken oder Wehren stark zunehmen. Verklausungen von Schwemmholz an Bauwerken können einen Aufstau verursachen, der einerseits zu Überflutungen führen und andererseits die Stabilität des betroffenen Bauwerks beeinträchtigen kann. Schwemmholz stellt daher insbesondere im Hochwasserfall ein erhöhtes Gefahrenpotential dar. Um die Auswirkungen von Schwemmholz im Hochwasserfall genauer zu untersuchen, wurden im Rahmen von Modellversuchen die Verklausungswahrscheinlichkeit von Schwemmholz an Brückenpfeilern untersucht (Dissertation Download Schalko, 2018 (PDF, 33.9 MB)). Die Modellversuche haben gezeigt, dass die Verklausungswahrscheinlichkeit mit zunehmender Holzlänge und abnehmender Fliessgeschwindigkeit zunehmen. Mit Hilfe von Feldversuchen soll nun die Skalierbarkeit der Modellversuche überprüft und das Prozessverständnis der Verklausung sowie der Interaktion zwischen Holz und Pfeiler verbessert werden.
Die VAW hat in Zusammenarbeit mit dem Gewässerunterhalt des Kantons Zürich einen Feldversuch an der Glatt durchgeführt, um den Verklausungsprozess von Schwemmholz an einem einzelnen, kreisförmigen Brückenpfeiler unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen (Abb. 1). Das Vorgehen wurde in Anlehnung an die Modellversuche an der VAW gewählt. Es wurden einzelne Stämme (Länge L = 4 m) mittels eines Kranwagens in einem Abstand von 5 bis 10 m oberstrom des Brückenpfeilers (d = 1.2 m) quer zur Fliessrichtung zugegeben. Ähnlich wie bei den Modellversuchen wurde dieses Vorgehen mindestens 40-mal wiederholt, um eine statistisch signifikante Verklausungswahrscheinlichkeit zu ermitteln. Neben der Verklausungswahrscheinlichkeit wurde der Prozess der Verklausung mit Hilfe von Kamera- und Videoaufnahmen analysiert.
SmartWood_3D wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union in Form eines Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendiums (MSCA-IF) unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 887254 finanziert. Darüber hinaus wird das Projekt vom Schweizerischen Bundesamt für Umwelt (BAFU) unterstützt.
Holz spielt eine wichtige Rolle in Fliessgewässern, da es Strömungsbedingungen und Sedimenttransport auf natürliche Weise reguliert und gleichzeitig Lebensräume für Fische und andere Organismen schafft. Während natürliche Mengen an Holz in Fliessgewässern vorwiegend positive Effekte zeigen, wirkt sich ein Überangebot an Holz häufig negativ auf Fluss- und Bachsysteme aus. Vor allem Gewässerökologie, flussbauliche Infrastruktur und Hochwasserschutz leiden verstärkt unter dem plötzlichen und unkontrollierten Auftreten von Schwemmholz, welches mit ansteigendem Wasserstand rasch mobilisiert und transportiert werden kann.
Aufgrund eines Defizits an anwendbaren Messmethoden für die Schwemmholzforschung ist bisher wenig über Transportprozesse und Ablagerungsverhalten von Schwemmholz in Fliessgewässern bekannt. Für ein besseres Verständnis der Wechselwirkungsprozesse zwischen Abfluss, Sediment und Schwemmholz, insbesondere bei höheren Abflüssen, ist die Erforschung und Entwicklung von innovativen Messmethoden erforderlich. Daher werden an der VAW neuartige Methoden, unter Anwendung innovativer Technologien, für die Schwemmholzforschung weiterentwickelt und für den Einsatz in der Praxis geprüft.
So werden z.B. zum ersten Mal intelligente Smart-Sensoren mit neun Freiheitsgraden (9-DoF) und externen GPS-Einheiten in Prototyp-Holzstämmen – sog. SmartWood (Abbildung 1) - eingesetzt, um die Bewegungsprozesse von Schwemmholz im Feld genauer zu untersuchen. Die Sensoren bestehen aus einem Beschleunigungsmesser, Winkelgeschwindigkeitsmesser und Magnetometer, und ermöglichen die Aufzeichnung von Mobilisierungs-, Transport- und Ablagerungsprozessen mit hoher Genauigkeit. Die gewonnenen Sensordaten ermöglichen die 3D-Rekonstruktion von Transportpfaden und erlauben zudem das Messen von Anprallkräften, die durch Kollisionen von Schwemmholz mit flussbaulichen Infrastrukturanlagen und Flussufer auftreten.
Schwemmholztransport endet sehr oft in Verklausungen an einer flussbaulichen Infrastruktur (z.B. Brückenpfeilern, Wehren und Durchlässen), aber auch an natürlichen Engstellen im Fliessgewässer (z.B. Schluchten und sich ausbreitender Ufervegetation). Schwemmholzverklausungen wirken sich erheblich auf das hydraulische Abflussverhalten aus und können darüber hinaus eine enorme Beanspruchung für das blockierte Objekt darstellen. Über Verklausungseigenschaften wie etwa dem Volumen, der strukturellen Anordnung oder der Verklausungsporosität, welche für die Bewertung von Aufstau und Auswirkungen auf die Gerinnemorphologie von grosser Bedeutung sind, ist jedoch wenig bekannt. Eine bildbasierte Methode - Structure from Motion (SfM) Photogrammetrie - bietet vielversprechende Einblicke in Schwemmholzverklausungen und wird derzeit vom SmartWood_3D-Projekt angewandt. SfM-Photogrammetrie generiert Punktwolken und 3D-Modelle aus 2D-Bildern (Abbildung 2), die für die Berechnung des Verklausungsvolumens sowie der strukturellen Anordnung von Nutzen sind. An der VAW wird an der Entwicklung eines effizienten Workflows gearbeitet, welcher zur Erstellung von 3D-Modellen sowie zur zuverlässigen Bewertung von Schwemmholzverklausungen benötigt wird.
Die Forschungsziele von SmartWood_3D sind:
- die Einführung moderner Technologien und Erarbeitung von effizienten Arbeitsabläufen zur bestmöglichen Anwendung in der Schwemmholzforschung,
- die Quantifizierung von Schwemmholzbewegungsprozessen von der Mobilisierung, über Transport bis hin zur Ablagerung,
- die Ermittlung von Anprallkräften, die durch Kollisionen von Schwemmholz mit flussbaulichen Infrastrukturen bzw. Flussufern entstehen,
- die Erstellung genauer 3D-Modelle von Schwemmholzverklausungen im Feld für eine Reihe von Anwendungen wie z.B. Messen von Schwemmholzvolumen, Abschätzung der strukturellen Anordnung und Verklausungsporosität, und
- die Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse zur Verbesserung des Verständnisses der komplexen Wechselwirkungsprozesse zwischen Abfluss, Sediment und Holz in Fliessgewässern.
Ein besseres Verständnis von Schwemmholzbewegungs- und Verklausungsprozessen ist wichtig, um auftretende Auswirkungen auf Gerinnemorphologie und flussbauliche Infrastrukturanlagen besser abschätzen zu können. Die erzielten Ergebnisse können für die Risikobewertung von Schwemmholzgefährdeten Gewässern hilfreich sein, und zu einem Unterhaltskonzept beitragen, welches Holz als ökologisch wertvolles Element in Fliessgewässern berücksichtigt.
Update: August 2022
Es wurden 10 Smart-Sensoren speziell für dieses Forschungsprojekt entwickelt und in 4 m lange Baumstämme mit einem mittleren Durchmesser von rund 0.33 m installiert, um aus den Baumstämmen «SmartWood» zu machen. Während der Hochwasser im Sommer 2021 wurden zum ersten Mal SmartWood-Experimente im Naturmassstab an drei verschiedenen Schweizer Fliessgewässern; der Grossen Melchaa im Kanton Obwalden sowie der Thur und Limmat im Kanton Zürich, durchgeführt (Abbildung 3). Es konnte gezeigt werden, dass die Sensoren und SmartWood-Stämme den Anforderungen für den Einsatz im Feld entsprechen. Dabei wurden neuartige Daten über die Schwemmholzdynamik generiert, die derzeit ausgewertet werden.
Die gewonnenen Sensordaten erlauben die Abschätzung der Stammorientierung und Transportgeschwindigkeit aus den Trägheitsmessungen (Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, magnetische Flussdichte), und zeigen darüber hinaus grosses Potential für die Rekonstruktion des zurückgelegten Transportpfads (IMU- und GPS-Daten). Des Weiteren liefern SmartWood-Daten neue Einblicke in resultierende Anprallkräfte von Schwemmholz, die durch Kollisionen mit flussbaulicher Infrastruktur, grossen Blöcken im Gewässer, oder Gewässerbegrenzungen entstehen.
Neben der Analyse der Bewegungsdynamik von Schwemmholz in Schweizer Flüssen wurden auch die Eigenschaften (z.B. Volumen, Porosität, strukturelle Anordnung) von Schwemmholzansammlungen im Feld untersucht. Dabei wurden intakte Schwemmholzansammlungen mittels Drohnenvermessung aus nächster Nähe aufgenommen. Beruhend auf dem Prinzip der Structure-from-Motion Photogrammetrie wurden aus den Luftbildaufnahmen 3D Modelle (digitale Zwillingsmodelle) der Schwemmholzansammlung erstellt. Die erzeugten digitalen Zwillingsmodelle erlauben eine präzise Abschätzung des Schüttvolumens (2.5D und 3D Volumen). Nach der Drohnenvermessung wurden die Schwemmholzansammlungen aus dem Fliessgewässer entfernt und manuell vermessen (Gewichtsbestimmung, Verarbeitung zu Hackschnitzel, Abbildung 4), während Holzproben zur detaillierten Analyse ins Labor gebracht wurden (Trocken- und Feuchtdichtebestimmung, Wassergehalt). Anhand der gewonnen Daten und Parameter konnte das Festmeter-Volumen (Netto-Holzvolumen) nachgewiesen werden. Das ermittelte Festmeter-Volumen stellt neben dem 2.5D und 3D Volumen (Schüttvolumen) einen wichtigen Parameter zur Porositätsbestimmung dar. Derzeit wird ein effizienter Workflow ausgearbeitet, der die rasche Generierung und Bewertung der Eigenschaften von Schwemmholzansammlungen mit Hilfe digitaler Zwillingsmodelle ermöglichen sollte.
Die im Rahmen des SmartWood_3D-Forschungsprojekts gewonnenen Daten sind für den Gewässerunterhalt relevant, um bestehende Flussbauwerke sicher zu erhalten und neue Infrastrukturanlagen bestmöglich zu planen. Darüber hinaus liefern die generierten Daten wichtige Informationen über Transport und Ablagerungsdynamiken von Schwemmholz, die für die Kalibrierung und Verifizierung numerischer Modelle erforderlich sind.
Wir schätzen die Unterstützung der Kraftwerksbetreiber (EKZ, EWO, KHR, Axpo, Ofible), der Gemeinde Sarnen, der Baudirektion Kanton Zürich, dem Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) sowie jedes einzelnen Beteiligten.
Untersuchungen von Pfeilerkolkschutzmassnahmen in einem feinsandigen Untergrund an der Aare
Zwischen zwei rund 35m langen und ca. 6m breiten Pfeilerfundamenten der Autobahnbrücke bei Wangen an der Aare entwickelte sich im Verlauf der letzten Jahre ein ausgeprägter Kolk von ca. 10 m in der Aare. Wegen des geplanten Ausbaus der Fahrspuren sollen zwei zusätzliche Pfeiler mit Fundamenten (ca. 20m Länge und 6.5m Breite) vor die bestehenden Pfeiler gebaut werden. Die Veränderungen durch den Bau hinsichtlich Hydraulik sowie der Belastungen der Sohle sind durch das ausprägte Kolkloch schwer abzuschätzen.
Zusätzlich besteht der Untergrund der Aare aus einem aussergewöhnlichen zweischichtigen Aufbau: Eine mächtige Schicht von Feinsanden (dm ≈ 0.1 – 0.2 mm) wird von einer dünnen Deckschicht mit gröberem Geschiebe überdeckt und vor Kolkbildung geschützt. Sobald allerdings die Deckschicht aufbricht, kann dies aufgrund der Feinsande zu einer beschleunigten Erosion führen, was wiederum die Pfeilerfundamente oder Ufersicherungen gefährden kann.
Im hydraulischen Modell 1:35 sollen, durch einen zweischichtigen Aufbau des Untergrunds, folgende Fragestellungen untersucht werden:
- Variantenstudium und Optimierung von Kolkschutzmassnahmen in feinem Sand
- Bauzustände
- Robustheit der Bestvariante: Prüfung im EHQ und mit Schwemmholz
Neben Sohlenvermessungen mittels Laserscanning und Wasserspiegelmessungen werden ebenfalls Geschwindigkeitsmessungen mittels Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) durchgeführt.