Autor:innen:
Dr. Anneka Mordhorst | Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde, Christian-Albrechts-Universität Kiel | Germany
Dr. Heiner Fleige | Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde, Christian-Albrechts-Universität Kiel | Germany
Dr. Dörthe Holthusen | Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Koblenz | Germany
Dr. Elmar Fuchs | Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Koblenz
Prof. Dr. Rainer Horn | Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde, Christian-Albrechts-Universität Kiel | Germany
Die Uferböden der Tideelbe werden durch Gezeiten sowie wind- und schiffsinduzierten Wellenschlag regelmäßig hydromechanisch belastet. Besonders Wellenschlag und Sogwirkung durch vorbeifahrende Schiffe führen zu kurzzeitigen Änderungen des dreidimensionalen Spannungszustandes im Uferboden, die mit Hilfe von Wellenschlagsensoren (Stress State Transducer Sensoren: „Watt-SST“) im Rahmen des Forschungsprojekts „SpaTe“ in Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde Koblenz (BfG) untersucht wurden.
Die für den Einsatz unter Wasser und im wassergesättigten Boden konstruierte Messsensorik ermöglicht es, die Spannungsverteilung im Uferbereich in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen und den dynamisch variablen, dreidimensionalen Spannungszustand mittels berechneter Hauptspannungen, mittlerer Normalspannung und oktaedrischer Scherspannung abzubilden. Die Sensoren wurden im Frühjahr 2021 und 2022 in drei Tiefen über und unter der Bodenoberfläche am Standort Hollerwettern (Schleswig-Holstein) an unterschiedlichen Positionen des Uferbereichs für mehrwöchige Dauermessungen eingebaut. Zusätzlich wurden ungestörte Bodenproben (Stechzylinder) entnommen, um Aussagen über die mechanische Belastbarkeit anhand der Stabilitätsparameter Scherwiderstand (Winkel der inneren Reibung, Kohäsion), zyklische Kompressibilität und Vorbelastung zu treffen.
Ein durch ein vorbeifahrendes Schiff generiertes Wellenmuster mit charakteristisch langperiodischen Primär- und kurzperiodischen Sekundärwellen spiegelt sich in den Spannungsverläufen im Wasser bzw. im Boden wider. Dabei treten Abnahmen (Sogwirkung, z.B. durch Absunk seitlich am Schiff) und Zunahmen der Haupt-und Scherspannungen (durch Wellenschlag) auf, die sich unterschiedlichen Schiffstypen und -eigenschaften zuordnen lassen. Aus dem erhobenen Datensatz von knapp 100 Tidehochwasserphasen mit insgesamt 377 schiffsinduzierten Wellenereignissen wurden die maximal auftretenden hydromechanischen Belastungen ereignisbezogen anhand der 1. Hauptspannung und oktaedrischen Scherspannung auf die Uferböden quantifiziert. Ein Überschreiten der mechanischen Bodenstabilität (1. Hauptspannung > Vorbelastung, Scherspannung > Scherwiderstand) führt potenziell zur Ufererosion, wozu auch die Prozesse der Bodenverflüssigung durch dynamisch wirkende Porenwasser(über)drücke insbesondere in kohäsionsarmen Böden (etwa Feinsande) verstärkend beitragen können.