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Sukzession und Alternativen in der forstlichen Rekultivierung in Kiesgruben

Nach heutigem Stand des Wissens und der Technik ist die forstliche Rekultivierung von Kiesgruben und Steinbrüchen sehr kosten- und energieaufwendig und dennoch vielfach nicht zufriedenstellend. Die vorliegende, auf mehrere Jahre angelegte Untersuchung befasst sich mit der Vegetationsentwicklung (ungelenkte Sukzession) in für forstliche Pflanzungen vorbereiteten Rekultivierungsflächen, und zwar auf 'rohem und mit Waldoberbodenauflage (mit entsprechendem Diasporenreservoir) behandeltem Rekultivierungssubstrat. Von besonderem Interesse sind hierbei die Gehölze. In zwei Versuchsanlagen (Kiesgrube, Versuchsgelände des Institutes) mit 32 Versuchsparzellen à 2,1 x 2,1 m bzw. 1,5 x 1,5 m werden vier Varianten werden untersucht: Rohboden (Bodengemisch), Auflage von Altwaldoberboden auf Rohboden, beide Varianten jeweils ohne und mit Strohabdeckung. Von April bis Oktober 1999 wurden acht mal Anzahl und Deckung der Arten höherer Pflanzen der Versuchsparzellen aufgenommen sowie der Diasporenregen auf die Versuchsanlage erfaßt. Um die Herkunft der keimenden Pflanzen zu erfassen, wurde neben der Erfassung des Diasporenregens mittels Keimversuchen das Diasporenreservoir der Ausgangssubstrate (Rohboden, Waldoberboden) ermittelt sowie die Flora der unmittelbaren Umgebung erfaßt. Des weiteren werden klimatische Daten einbezogen sowie auf dem Versuchsgelände standörtliche Parameter (Bodenfeuchte in unterschiedlichen Tiefen) gemessen. Es zeigen sich signifikante Unterschiede in der Besiedlungsentwicklung und der Artenzusammensetzung der verschiedenen Varianten. Die Besiedlung erfolgte am raschesten und mit höchsten Deckungsgraden auf Versuchsparzellen mit einer Auflage von Altwaldoberboden. Hier entwickelten sich erst Schlagfluren, im zweiten Jahr breitete sich verstärkt die Brombeere aus. Gehölze treten nur vereinzelt auf. Auf den Rohbodenparzellen siedelten sich erwartungsgemäß Pionier- und Ruderalarten an, die Besiedlung erfolgte gegenüber der Waldbodenvariante jedoch verzögert und nicht so üppig. Die Dynamik auf Parzellen mit Strohauflage wurde im ersten Jahr vor allem von Weizenpflanzen, im zweiten von Ruderalarten bestimmt; Arten der obigen Varianten traten stark verzögert und nur in Einzelexemplaren auf. Für gesicherte erste Prognosen reicht der kurze Untersuchungszeitraum (April bis November 1999) noch nicht aus. Bezüglich der Gehölzentwicklung lassen sich auf einzelnen Rohbodenparzellen Anzeichen für die Entwicklung von Weidengebüschen oder Brombeergestrüppen erkennen. Auf den Parzellen mit Waldbodenauflage wird sich in den nächsten Jahren möglicherweise die Brombeere durchsetzen und andere Pflanzen unterdrücken.

Kolmation als Schlüsselgröße der Interaktion Oberflächenwasser - Grundwasser

1 Problemdarstellung und Ziel. 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die Interaktion zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser wird neben den hydrogeologischen Randbedingungen maßgeblich durch die Gewässerstruktur, Substratzusammensetzung der Gewässersohle und der Ausbildung des Grundwasserleiters gesteuert. Hierbei ist die Kolmation einer Gewässersohle, d.h. alle Vorgänge, die zu einer Reduktion des Porenvolumens, einer Verfestigung, des Filtermediums und zu einer Durchlässigkeitsabnahme der Gewässersohle führen, als Schlüsselgröße zu sehen. Prinzipiell wird zwischen einer äußeren Kolmation, d.h. einer Ablagerung von Wasserinhaltsstoffen auf der Gewässersohle, einer inneren Kolmation, d.h. der Eintrag und die anschließende Ablagerung von Wasserinhaltstoffen in die Gewässersohle sowie einer biologischen und auch physiko-chemischen Kolmation, d.h. einer Förderung der Kolmationsbildung durch biologische sowie physiko-chemische Prozesse, unterschieden. Dabei wird die Kolmation von Gewässersohlen von zahlreichen, zeitlich und räumlichen variablen Einflussfaktoren beeinflusst (Bild 1). Die maßgebenden Parameter für die Kolmation sind nach SCHÄCHLI, 1992 die Sohlenschubspannung, der hydraulische Gradient zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer, die Schwebstoff- und Geschiebehaushalt des Oberflächengewässers und die Kornverteilung der Gewässersohle. Die Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit im angrenzenden Grundwasserleiter hat zudem einen maßgeblichen Einfluss auf die Kolmation. Die Durchlässigkeitsverteilung des Grundwasserleiters ist meist sehr heterogen. Dadurch liegt i.d.R ein heterogenes Strömungsfeld zwischen Oberflächengewässer und Grundwasser vor, so dass die Gewässersohlstruktur entsprechend ausgebildet ist. Zudem werden Gewässersohlstrukturen auch stark durch zeitlich variierende äußere Faktoren (z.B. jahreszeitlichen Unterschiede im Abflussregime und im Sedimenttransport) sowie durch das wasserbaulichen Regelungskonzept geprägt. Insgesamt ergeben sich dadurch sehr komplexe Wirkungszusammenhänge. Die komplexen Wirkungszusammengänge zahlreicher Einflussfaktoren sind durch zahlreiche Forschungsaktivitäten bereits identifiziert und untersucht sowie in der Fachliteratur beschrieben worden. Jedoch sind bisher kaum Untersuchungen durchgeführt worden, die die Randbedingungen, die an Bundeswasserstrassen anzutreffen sind, berücksichtigen. Dadurch ist eine belastbare Prognose von Auswirkungen, die durch wasserbauliche Maßnahmen bedingt sind, auf die Wechselwirkung Oberflächengewässer und Grundwasser im Bereich der Bundeswasserstrassen, nur unzureichend möglich. usw.

RT-OEKOBILANZ - Analyse der ökologischen Bilanz des Raumtransports

Notfallvorsorgeplanung der Wasserver- und -entsorgung von Einrichtungen des Gesundheitswesens - organisatorische und technische Lösungsstrategien zur Erhöhung der Resilienz, Teilvorhaben: Organisatorische Belange der Notfallvorsorgeplanung für Wasserinfrastruktur in Einrichtungen des Gesundheitswesens

Auswirkungen des Klimawandels auf marine Ökosysteme der Nord- und Ostsee sowie Erkenntnisse über die Potenziale der Kohlenstoffaufnahme mariner Ökosysteme: Entwicklung von an den Klimawandel angepassten und integrierten Maßnahmen für den Meeresnaturschutz und marine Ökosysteme)

Betone für Verkehrswasserbauwerke mit Hydroabrasionsbeanspruchung

1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Im Bereich des Verkehrswasserbaus werden Betonoberflächen durch Hydroabrasion in unterschiedlicher Ausprägung beansprucht (Tosbecken, Wehrrücken, Sparbeckenzuläufe, Schleusensohlen, Schleusenkammerwände). Ein Verschleiß der Betonoberflächen erfolgt insbesondere durch die im Wasser mitgeführten Feststoffe, die eine kombinierte schleifende und stoßende Beanspruchung auf die Betonoberflächen ausüben können. Der Grad der Beanspruchung wird unter anderem durch die Fließgeschwindigkeit des Wassers und durch Anteil, Härte, Form und Größe der Feststoffe im Wasser beeinflusst. Auf europäischer Ebene wird der Verschleißwiderstand im Regelwerk der EN 206-1 nicht gesondert behandelt. Im nationalen Anwendungsdokument der DIN 1045-2 wird zur Beschreibung der Intensität der mechanischen Verschleißbeanspruchung eine Expositionsklasseneinteilung XM1 bis XM3 vorgenommen. Diese wurde bei der Erarbeitung der ZTV-W LB 215 bzw. 219 übernommen. Inwiefern die im Wesentlichen aus Verkehr herrührende Expositionsklassensystematik der DIN 1045-2 auch die Hydroabrasion angemessen beschreibt, ist ungewiss. Eine Überprüfung und ggf. Anpassung der Regelungen wäre daher erforderlich. Auch auf der Widerstandsseite, die durch den Beton beschrieben wird, sind noch viele Fragen offen, beispielsweise in wiefern die deskriptiven Regelungen der DIN 1045-2 zur Sicherstellung eines ausreichenden Widerstandes gegenüber Verschleiß durch Hydroabrasion angemessen sind. Der Betonoberfläche kommt eine wichtige Bedeutung zu, da die Beanspruchung stets von der Oberfläche her stattfindet. Derzeit existiert kein standardisiertes Prüfverfahren mit festgeschriebenen Abnahmekriterien, welches diese kombinierte Beanspruchung zufrieden stellend abbilden kann. Aussichtsreiche Untersuchungsmethoden basieren derzeit auf der Verschleißprüfmaschine nach Bania (Bania, A., 1989). Weiterentwicklungen dieser Prüfeinrichtung werden in (Haroske, G., 1998), (Vogel, M.; Müller, H. S., 2009) beschrieben. In der BAW wurde in der Vergangenheit die Unterwassermethode nach ASTM C1138M zur Untersuchung des Widerstands gegenüber Hydroabrasion verwendet. In (Helbig, U.; Horlacher, H.-B. (2007)) wird auf Betonuntersuchungen mit einer Versuchseinrichtung in Anlehnung an das Prüfgerät zur Bestimmung der Abriebbeständigkeit von Geotextilien nach RPG (RPG, 1994) verwiesen. 1.2 Bedeutung für die WSV: Hydroabrasion ist eine Beanspruchung des Betons, die wesentlich im Verkehrswasserbau auftreten kann. Bei Bauwerken wie beispielsweise Tosbecken oder Wehrrücken, die einer solchen Beanspruchung ausgesetzt sind, ist es daher von zentraler Bedeutung, dort Betone oder Betonersatzsysteme einzusetzen, die der Beanspruchung einen ausreichenden Widerstand entgegensetzen. Aufwendige Instandsetzungen derartiger Bauteile sollen damit künftig möglichst vermieden bzw. erforderliche Instandsetzungsmaßnahmen dauerhaft gegenüber dieser Beanspruchung ausgeführt werden.

Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an Seeschifffahrtsstraßen

1 Problemdarstellung und Ziel. 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg, berät die für den Bereich der Küstenregionen zuständigen Wasser und Schifffahrtsämter (WSÄ) der Wasser und Schifffahrtsverwaltung (WSV) u.a. hinsichtlich Funktion und Stabilität von Strombauwerken an den Seeschifffahrtsstraßen (SeeSchStr) der Tideästuare, der Ostsee sowie dem Nord-Ostseekanal. Schadensfälle an Leitwerken und Buhnen sowie Deckwerken an den Seeschifffahrtsstraßen aufgrund schifferzeugter Belastungen wurden in der letzten Dekade verstärkt in der Außenweser sowie in der Unterelbe festgestellt. Für eine Abschätzung der schiffserzeugten, langperiodischen hydrodynamischen Belastung der Deckschichten als Basis für die Ermittlung der erforderlichen Steingrößen / - gewichte konnten nur vorhandene theoretische, fachlich nicht exakt zutreffende und nur bedingt gültige Ansätze verwendet werden (BAW, 2010). Hoch instationäre und turbulente hydrodynamische - zudem in Tideästuaren wasserstandsabhängige - schiffserzeugte Belastungen führen zu komplexen Untersuchungsaufgaben mit einer hohen Zahl von zu erfassenden und physikalisch zu beschreibenden hydrodynamischen Parametern, verteilt über verschiedene zu bemessende Abschnitte von Leitdämmen und Buhnen einschließlich deren Anbindung an die Ufersicherungen. Durch die Kooperation mit universitären Einrichtungen wie dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI) der TU Braunschweig sowie dem Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW) der RWTH Aachen werden wichtige Impulse für - über dieses Projekt hinausgehende - weitere Grundlagenforschungen erwartet, so dass dadurch ein zusätzlicher Mehrwert auf diesem WSV-relevanten Forschungsgebiet durch ebendiese Universitätsinstitute geschaffen wird. 1.2 Bedeutung für die WSV: Aufgrund der weiterhin zunehmenden Größenentwicklung der Containerschifffahrt mit der Inbetriebnahme von 14.000 TEU-Containerschiffen in 2010 und der Beauftragung von 18.000 TEUContainerschiffen mit Längen von ca. 400 m und Breiten von 56 m (erste Auslieferung 2013) erhält die nachhaltige Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken und Ufersicherungen an den Seeschifffahrtsstraßen der Tideästuare bei der Kenntnis der bemessungsrelevanten Parameter der schiffserzeugten Belastungen eine wachsende Bedeutung. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in Form von Bemessungshinweisen für Vorhabensträger der WSV an Seeschifffahrtsstraßen erarbeitet und von der BAW veröffentlicht. Die Dringlichkeit des FuE-Projekts ergibt sich aus der akut erforderlichen, fachgerechten und nachhaltigen Sanierung der Schadensfälle (z.B. Außenweser Langlütjennord und Unterelbe Juelssand).

Zukünftige stoffliche und mikrobiologische Herausforderungen für die kommunale Siedlungswasserwirtschaft

Strategische Ziele: Das Projekt zielt auf die Identifikation möglicher zukünftiger Herausforderungen an die kommunale Siedlungswasserwirtschaft aufgrund stofflicher und mikrobiologischer Belastungen ab. Durch die Zusammenstellung aller potentiellen Belastungen, die überwiegend aus der Siedlungswasserwirtschaft kommen, ihrer Minimierungsmaßnahmen und der jeweiligen Kosten dienen die Ergebnisse des Projektes auf politischer Ebene als Entscheidungsgrundlage, wo die Schwerpunkte der Siedlungswasserwirtschaft in den kommenden Jahren liegen werden. Im Sinne einer umfassenden Betrachtungsweise werden im Projekt alle Eintragspfade aus der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft in die Umwelt berücksichtigt. Konkret sind das - gereinigtes kommunales Abwasser von Kläranlagen, - kommunales Abwasser von Mischwasserentlastungen, - Niederschlagswassereinleitungen aus der Trennkanalisation, - Straßenabwassereinleitungen (soweit kommunalen Ursprungs, also keine Autobahnen), - Klärschlamm. Darüber hinaus werden Eintragspfade außerhalb der kommunalen Siedlungswasserwirtschaft angesprochen, wenn klar ist, dass wirksame Hebel dort sinnvoll angesetzt werden können. Inhaltliche Ziele: Das Projekt wird den derzeitigen Stand des Wissens und der Forschung zusammenfassen, mögliche Herausforderungen und Lösungsansätze aber auch weiteren Forschungsbedarf und Wissenslücken darstellen. Dabei werden die benötigten Daten aus der bestehenden Literatur verwendet; es werden im Projekt keine Messungen und keine komplexen Modellierungen (z. B. anhand von MONERIS oder MoRe) durchgeführt.

Entwicklung eines vereinfachten Füllsystems für Sparschleusen

1 Problemdarstellung und Ziel. 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Für Sparschleusen mit großer Hubhöhe hat sich in Deutschland ein Füllsystem mit einer Druckkammer unter der eigentlichen Schleusenkammer als einfache Gestaltungsvariante bewährt. Hierbei dient die Druckkammer zur gleichmäßigen Verteilung des einströmenden Füllwassers von Oberstrom und den Sparbecken. Die Einläufe werden dabei aufwändig gestaltet und möglichst tief angeordnet, um das Einziehen von Luft in das Füllsystem zu verhindern. Im Zuge der Bearbeitung der hydraulischen Gestaltung des Füll- und Entleersystems der neuen Schleusen Erlangen und Kriegenbrunn wurde die Idee verfolgt, auf Umläufe (und die zugehörigen Schütze) sowie einen tiefliegenden Einlaufbereich zum Anschluss an das Oberwasser vollständig zu verzichten. Hierzu wurde ein Konzept entwickelt, bei dem das Druckkammerfüllsystem direkt über ein Drucksegmentobertor beaufschlagt wird. Erste numerischen Untersuchungen zeigten, dass die hydraulische Leistungsfähigkeit bei Normalbetrieb den Anforderungen entspricht (Thorenz und Strybny, 2012). Im gestörten Betrieb ohne Sparbecken ist jedoch mit einem verstärkten Eintrag von Luft in das Füllsystem zu rechnen, welche die globalen Strömungseigenschaften des Systems maßgeblich beeinflussen könnten. Möglichst genaue Informationen über das Verhalten der Luft- Wasser-Strömung im untersuchten System sind daher von großer Bedeutung. Im Bereich der gegenständlichen Maßstabsmodelle ergeben sich durch die Skalierung unvermeidbare Maßstabseffekte, die bei Luft-Wasser-Gemischen dazu führen, dass der tatsächliche Lufteintrag und die daraus entstehenden Effekte nicht maßstabsgetreu abgebildet werden. Dies resultiert vor allem daraus, dass an der Phasengrenzfläche die Oberflächenspannung des Wassers eine entscheidende Rolle spielt, welche selbst bei der Verwendung eines Ersatzfluids mit entsprechender Oberflächenspannung das Verhalten der Luftblasen im Wasser nur fehlerhaft abbilden kann (Chanson, 1999). Bei der Untersuchung von Strömungen mit Hilfe von numerischen Werkzeugen können nur dann brauchbare Ergebnisse erzielt werden, wenn alle physikalisch relevanten Prozesse im Modellansatz hinreichend genau abgebildet werden. Die im Wasserbau üblichen computergestützten Modelle, die auf den Navier-Stokes-Gleichungen mit einem Volumeof- Fluid-Ansatz basieren, sind nur bei sehr hoher Gitterauflösung geeignet, den erwarteten Lufteintrag abzubilden. Es muss daher ein alternativer Ansatz gefunden werden. 1.2 Bedeutung für die WSV: Das vereinfachte Füllsystem hätte erhebliche Vorteile: Kein großer und tiefer Einlauf wie bei anderen Sparschleusen mit großer Hubhöhe, durch den Verzicht auf Umläufe eine reduzierte Anzahl von schlecht erreichbaren Betriebsverschlüssen, eine reduzierte Größe der Baugrube und des Gesamtbauwerks. Es ist davon auszugehen, dass dieses Konzept bei Realisierbarkeit zu einer erheblichen Reduzierung der Baukosten und der Betriebskosten großer Sp

Evaluierung und Adaptierung der SPH-Methode für wasserbauliche Fragestellungen an Bundeswasserstraßen

Problemdarstellung und Ziel. Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Die in den Abteilungen W und K derzeit sowohl in ingenieurpraktischen, als auch Forschungsprojekten verwendeten numerischen Verfahren für die Strömungssimulation sind ausschließlich netzbasiert. In diesen konventionellen Verfahren, die üblicherweise mit den Finite-Elementen-, -Differenzen- und -Volumen-Methoden (FEM, FDM, FVM) aufgebaut sind, wird abgesehen von der teilweise in der Advektion verwendeten Lagrange'schen Methode der Charakteristiken ausnahmslos die Euler'sche Betrachtung des zu modellierenden Fluids angenommen. Obwohl äußerst erfolgreich, haben diese netzbasierten Verfahren gewisse Anwendbarkeitsgrenzen, an die man sich nur ausnahmsweise und oft mit klaren Verlusten an der rechnerischen Effizienz nähern kann. Hiermit sind Strömungen gemeint, die charakterisiert sind durch größere geometrische Deformationen bzw. stärkere Schubspannungen an Kontaktflächen zwischen der sich in Bewegung befindenden physikalischen Phasen (wie Wasser, Luft, Feststoffe), bzw. diesen Phasen und beweglichen Objekten, oder durch eine stärkere, sich dynamisch verändernde Vermischung. Dazu zählen verschiedene Strömungsprozesse, die relevant für wasserbauliche Fragestellungen sind (Kapitel 1.2). SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics, ist eine alternative Methode zur Modellierung dieser o. g. Strömungen, die mit konventionellen - netzbasierten - numerischen Methoden schwer zu erfassen sind. Sie basiert auf der konsequent angewendeten Lagrange'schen Form der Betrachtung der Gleichungen der Strömungsmechanik (Violeau 2012). Im Gegensatz zu Netzmethoden werden die physikalischen Eigenschaften des Fluids Partikeln und nicht fixierten Punkten im Raum zugeordnet. Es wird kein Netz benötigt, um diese Eigenschaften zu interpolieren bzw. Operatoren der Gleichungen zu formulieren: Das Fluid wird durch eine endliche Anzahl makro- oder mesoskopischer (im Sinne der Mechanik des Kontinuums) Objekte abgebildet. Diese Objekte haben eine konstante Masse und ein gegebenes Volumen, das genügend klein ist, um annähernd als miteinander wechselwirkende Fluidpartikel betrachtet zu werden. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt dann wesentlich von Partikeldichte also der Partikelanzahl ab. Obwohl die mathematische Theorie komplex und die Begriffe abstrakt sind, zeichnen sich die resultierenden numerischen Codes durch elegante Geradlinigkeit aus. Der rechnerische Aufwand in SPH-Codes wird durch die Komplexität der Kernelfunktionen, den Suchalgorithmus für die Nachbarpartikel und die Begrenzung der Zeitschrittlänge bestimmt. Insbesondere diese letzte Limitierung ist für die SPH-Methode besonders kritisch: Um die Inkompressibilität der Strömung korrekt wiederzugeben, muss zur Einhaltung von Stabilitätskriterien die Zeitschrittlänge umgekehrt proportional zu der (sehr großen) Schallgeschwindigkeit im gegebenen Fluid sein, was theoretisch zu sehr kleinen Zeitschritten zwingt. (Text gekürzt)

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