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Bessere Werkzeuge zur Erosionsmodellierung

Tiefer gelegene Gebiete sind infolge der globalen Erwärmung immer stärker von Hochwasser bedroht. Ein EU-finanziertes Konsortium aus Ingenieuren und Wissenschaftlern hat deshalb ein verbessertes Recheninstrument zur Modellierung von Phänomenen im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen zwischen dem Boden und Fluiden sowie Erosionsproblemen entwickelt.
Bessere Werkzeuge zur Erosionsmodellierung
Ökonomische Aktivitäten, Bevölkerungswachstum und die Folgen des Klimawandels üben weltweit Druck auf den verfügbaren Lebensraum in Deltas, Flussgebieten und Küstenbereichen aus. Der technische Fortschritt hat es ermöglicht, dem Wasser neues Land abzuringen, nun sind allerdings größere und bessere Verteidigungsanlagen erforderlich, um es vor Überflutung zu schützen.

Der Bau von Hochwasserschutzanlagen in Küstengebieten und Flusseinzugsgebieten kann äußerst schwierig sein und erfordert teure Experimente, die an maßstabsgetreuen Modellen durchgeführt werden. Auch standen keine Rechenmodelle zur Verfügung, in denen starke Bodendeformationen und die Wechselwirkung zwischen Boden und Wasser und dem Einfluss wechselnder Strömungen präzise berücksichtigt werden.

Dieses Problems nahm man sich im Projekt 'Enhancement of the Material Point Method for fluid-structure interaction and erosion' (GEO FLUID) an, das ein Modell zur Untersuchung der Erosion entwickelte. Das Konsortium erweiterte und verallgemeinerte die Materialpunktmethode (material point method, MPM), um Probleme der Fluid-Struktur-Interaktion zu lösen. Das Verfahren gestattete den Forschenden, die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Strukturen zu ermitteln sowie die Erosion und den Sedimenttransport in offenen Kanalströmungen zu modellieren.

Die Projektpartner setzten die Navier-Stokes-Gleichung zur Beschreibung der Bewegung einer viskosen Flüssigkeit ein und wendeten sie im Materialpunktverfahren zur Simulation von Fluid-Oberflächen-Wechselwirkungen ein. Die Wissenschaftler konnten Probleme der Festkörper-Fluid-Interaktion modellieren und nahmen die Installation eines Geo-Containers am Boden eines Wasserreservoirs vor. Geo-Container sind große mit Erde gefüllte Textilsäcke und werden zur Reparatur beschädigter Deiche oder zum Bau zeitweiliger Dämme verwendet.

Die erweiterte Materialpunktmethode kann auf körnige Materialien wie Sand oder Kies angewandt werden. Auch komplexere Probleme könnten erfolgreich modelliert werden, etwa Sickerströmungen durch poröses Material, die Bodenfluidisierung und die Sedimentation von in Wasser suspendiertem Granulatmaterial. Überdies gelang mit der Materialpunktmethode die Modellierung des Abscheuerungsprozesses, mit dem Boden erodiert und nachfolgend an andere Orte transportiert wird.

Das Rechenwerkzeug von GEO FLUID kann zum Entwurf wirksamerer Geo-Container und zur Vorhersage der Wirkung von Abscheuerung und Erosion dienen. Somit kann das durch das Projekt weiterentwickelte Verfahren zur Bestimmung von Regionen, die durch Überschwemmungen und die damit in Zusammenhang stehenden Ereignisse gefährdet sind, und zur Hilfe bei der Vorbereitung von Evakuierungsplänen oder zum Schutz des bedrohten Gebiets genutzt werden.

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