umwelt-online: Ölsperren für Binnengewässer (2)

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5.3 Hydraulische Eigenschaften

Wahl der Sperrentypen (Konstruktion), Einsatzart, Handhabung und das dadurch bedingte Stau- bzw. Rückhaltevermögen einer Ölsperre werden wesentlich durch die Einwirkungen von Strömungen, Wind und Wellen auf den Sperrenkörper bestimmt. Im folgenden werden diese Zusammenhänge erläutert.

5.3.1 Einfluß der Strömung

Die Strömung eines Gewässers transportiert das Öl zur Sperre, wo es sich im Staubereich, d.h. dem Rückhaltebereich der Sperre, in einer Schicht sammelt, deren Fläche und Dicke von der Ölmenge und den hydraulischen Verhältnissen an der Sperre bestimmt werden (Bild 6).

Das Wasser taucht unter der Sperre hindurch und fließt mit einer der Querschnittseinengung entsprechenden erhöhten Geschwindigkeit ab. Die Sperre bildet eine teilgetauchte Stauwand, an der das anströmende Wasser einen vertikalen Staupunkt S_v erzeugt. Oberhalb dessen wird das Wasser nach oben und entgegen der Anströmung umgelenkt und bildet eine Rezirkulationszone aus. Die stromauf gerichtete Oberflächenströmung innerhalb dieser Zone verhindert weitgehend einen Kontakt des Öls mit der Sperre, der nur durch die turbulenten Schwankungen der Rezirkulationsströmung vorübergehend hergestellt wird. Unterhalb des Staupunkts fließt das Wasser nach unten in Richtung Unterkante der Sperrenwand ab. Die Lage des Staupunkts zur Sperrenoberkante ist in einer Strömung ohne Wellenbeeinflussung im gesamten betrachteten Geschwindigkeitsbereich (0 < v_A < 0,35 m/s) praktisch unverändert. Sie kennzeichnet gleichzeitig die maximal aufstaubare Ölschichtdicke und dadurch das mögliche Rückstauvolumen der Sperre.

Bei geringer Anströmgeschwindigkeit (0 < v_A < 0,1 m/s) staut sich das Öl an der Sperre mit sehr geringer Stauhöhe entsprechend dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des gestauten Öls zu dessen Transportgeschwindigkeit gegen die Sperre, wobei es sich praktisch unbegrenzt stromauf ansammeln kann. In horizontaler Ebene wird das Öl am horizontalen Staupunkt S_h im Staubereich nach beiden Seiten der Sperre umgelenkt. Am Übergang zwischen dem Leit- und dem Staubereich der Sperre entstehen zwei Wirbel (Bilder 7, 8 und 9), die Randwirbel.

Mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit (0,1 m/s < v_A < 0,25 m/s) rückt die gestaute Ölschicht an die Sperre heran. Gleichzeitig wird die Rücklaufgeschwindigkeit in der oberhalb des vertikalen Staupunkts S_v entstehenden Rezirkulationszone größer. An der Stelle, wo die Komponenten der Horizontalgeschwindigkeiten aus der Strömung und der Rezirkulation sich aufheben und nach unten umgelenkt werden (Bild 9), entsteht eine sich verdickende Ölschicht, die sogenannte Frontzone, unmittelbar stromunterhalb der sogenannten Frontlinie.

Das Rückstauvolumen nimmt durch das Heranrücken der Ölschicht an die Sperre ab, denn der Staupunkt verändert seine Lage an der Sperrwand nicht. Die an beiden Übergängen des Staubereichs zum Leitbereich der Sperre entstehenden Randwirbel können nun so stark werden, daß mit ihnen Öl aus dem Staubereich unter der Sperre hindurchtransportiert wird.

Bei weiter gesteigerter Anströmgeschwindigkeit (0,25 m/s < v_A < 0,35 m/s) rückt die Frontlinie näher an die Sperrwand heran und die Ölschicht in der Frontzone verdickt sich. Die Randwirbel transportieren nun ständig aus der gestauten Öllache herausgelöste Tröpfchen und Schlieren in die Verdrängungsströmung und unter der Sperre hindurch. Da der vertikale Staupunkt an der Sperrenwand sich weiterhin nicht merklich abwärts bewegt, wird der für den Rückstau zur Verfügung stehende Raum (~ L_R x h_c x B_S) und damit das Rückstauvolumen noch kleiner (Bild 10).

Der durch die Rezirkulationsströmung direkt an der Sperre entstehende ölfreie Raum ist klar erkennbar. Starke Turbulenzen innerhalb der Rezirkulationsströmung erlauben der gestauten Ölschicht jedoch ständig, mit der Wand in Berührung zu kommen.

Übersteigt die herantransportierte Ölmenge das Rückstauvolumen oberstrom der Sperre, d.h. den von der Lage h_e des vertikalen Staupunkts S_v, der Rückstaulänge L_R und der Staubreite B_Sgebildeten Raum, wird der Überschuß direkt unter der Sperrwand hindurchbefördert. Es ist also nicht möglich, durch Erhöhung der Tauchtiefe einer Sperre ein größeres Rückstauvermögen zu erreichen und dadurch größere Mengen an Öl durch eine Sperre zurückzuhalten, als durch das kritische Volumen gegeben ist, da ausschließlich die effektive Tauchtiefe h_e die vertikale Begrenzung des rückstaufähigen Volumens festlegt und diese ihre Lage über den gesamten Bereich von v_A = 0 m/s bis zur kritischen Anströmgeschwindigkeit v_{a krit} ≅ 0,35 m/s kaum ändert.

Meßdaten aus Natur- und Laborversuchen haben bestätigt, daß es eine kritische Anströmgeschwindigkeit von v_{a krit} ≅ 0,35 m/s gibt, ab der Sperren das herandriftende Öl nicht mehr dauerhaft zurückhalten können.

5.3.2 Erforderliche Tauchtiefe

Um ein wirkungsvolles Zurückhalten und Sammeln von Öl zu gewährleisten, muß die Sperre eine Mindesttauchtiefe h_tmin erhalten. Diese muß so groß sein, daß die Sperre das Öl sicher aufstauen und zurückhalten kann. Die erforderliche Tauchtiefe entspricht dabei mindestens dem Abstand des vertikalen Staupunktes von der Wasserlinie an der Sperre, da das Rückstauvolumen der Sperre durch seine Position nach unten begrenzt wird, d.h.

h_tmin = h_e > 0,10 m