Wellen für die Wissenschaft. Strömungsphänomene im Wasserbaulabor.

Noch ist es still und vor allem trocken in der großen Halle. Doch das wird sich bald ändern. In wenigen Monaten werden hier bis zu 300.000 Liter Wasser durch Rohre, Becken und Rinnen fließen. Bauingenieur Mario Oertel wird dann zusammen mit seinem wissenschaftlichen Team anhand hydraulischer Modellversuche beispielsweise erforschen, welche hydraulischen Prozesse in Schleusen und im Bereich von Wehren stattfinden, wie Fischaufstiegsanlagen konstruiert werden sollten oder wie sich die Wasserbelastung auf Wasserbauwerke auswirkt.

Oertel hat im März 2021 die Professur für Wasserbau für die neu eingerichteten Bachelor- und Masterstudiengänge Bauingenieurwesen an der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg übernommen. Die Schwerpunktthemen seines Lehrstuhls sind hydraulische Dimensionierung von Wasserbauwerken, naturnaher Wasserbau und numerische Strömungssimulationen. In Glinde, an der östlichen Stadtgrenze von Hamburg, richtet Oertel dafür derzeit mit seinem Team auf etwa 1.000 Quadratmetern das neue Wasserbaulabor ein, in einer Halle, die LIST Bau Nordhorn im Auftrag der BEOS AG gebaut hat. Der erste Probebetrieb mit Wasser wurde bereits im Mai durchgeführt. Es habe alles sehr gut funktioniert, berichtet Oertel. Nun fehlen nur noch weitere Aufbauten und Konstruktionen, um die wissenschaftlichen Wasserbauexperimente durchführen zu können. 

Das Wissen über Wassertiefen, Fließgeschwindigkeiten, Strömungseffekte oder Energieumwandlung ist wichtig für die Planung von beispielsweise Schleusen, Fischaufstiegsanlagen, Wehren und Talsperren, aber auch bei Hochwasserschutzmaßnahmen oder der Trinkwassergewinnung. Und dafür braucht es hydraulische Experimente. Denn Strömungsphänomene im Wasserbau nur analytisch zu beschreiben, sei extrem schwierig, sagt der Professor. „Deswegen gehen wir ins Labor, errichten maßstäbliche Modelle und arbeiten mit empirischen Ansätzen.“ Die Wissenschaftler:innen erstellen zwar auch Strömungssimulationen am Computer, sich aber nur darauf zu verlassen, sei derzeit noch nicht zielführend, da sie immer mit Unsicherheiten behaftet seien. „Deswegen arbeiten wir mit einem hybriden Ansatz, wir koppeln Versuche im Labor mit Versuchen am Computer“, sagt Oertel.

Auffällig in der großen Halle des neuen Wasserbaulabors sind zunächst die drei etwa 50 Meter langen Bahnen auf dem Boden, die rechts und links von niedrigen Betonwänden eingefasst sind. „Das ist eine Art Becken, welches für die Bereitstellung des Wasservolumens notwendig ist“, erklärt Oertel. An einer Seite enden die drei Bahnen an einer großen Betonwand, vor der auch zwei Pumpen installiert sind. Die Pumpen befördern das Wasser von dem tiefen Behälter in einen Hochbehälter. „Wir brauchen ein spezielles Wasservolumen als Speicher“, sagt Oertel. „Weil das Wasser im Kreis zirkulieren muss, wird es aus dem Tiefbehälter nach oben in den Hochbehälter gepumpt. Dann fließt es durch die Rohre in die Versuchsstationen und von dort wieder in den Tiefbehälter. Wichtig ist, dass wir im Hochbehälter eine konstante Druckhöhe halten, um einen konstanten, eingestellten Durchfluss zu gewährleisten“, sagt Oertel.

Der Tiefbehälter mit den drei langen Bahnen wird noch mit einem Betondeckel abgedeckt, der dann der eigentliche Hallenboden sein wird. So können die Wissenschaftler:innen verschiedene Modelle darauf konstruieren, um beispielsweise Flussverläufe oder Wehre zu untersuchen. Ergänzend ist in der Halle eine Krananlage installiert, um Baumaterialien für die Versuche oder auch die Strömungsrinnen befördern zu können. Pro Sekunde können künftig etwa 1.600 Liter Wasser für die Modellversuche bereitgestellt werden.

Ob ein neues Wehr errichtet, eine Schleuse erweitert oder eine Fischaufstiegsanlage installiert wird – solche Maßnahmen seien immer Prototypen, bei denen jeweils ganz individuelle Gegebenheiten berücksichtigt werden müssen. „Daher sollte man solche Projekte auch immer vorab untersuchen lassen“, rät der Wasserbauingenieur, „und dafür auch ein gewisses Budget einplanen.“

Oertel freut sich auf die Arbeit in dem neuen Wasserbaulabor. „Das Labor gehört zu den Top 5 in Deutschland. Die Geräte und Installationen sind auf dem neusten Stand der Technik und es ist relativ groß“, sagt Oertel. Je größer der Maßstab ist, umso naturgetreuer können die Wasserbauforscher:innen die Versuche abbilden und umso weniger Einfluss haben Maßstabseffekte, die berücksichtwerden müssen. „Damit stehen wir für die Grundlagenforschung ebenso wie für die Auftragsforschung bereit“, sagt Oertel.