umwelt-online: Ölsperren für Binnengewässer (2)

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_S gebildeten 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

Treten Wellen auf, ist die Tauchtiefe um so größer zu wählen je höher die Wellen sind, um ein Unterschreiten der Sperrentauchtiefe durch ein Wellental zu vermeiden. Außerdem ist die Sperrentauchtiefe so auszulegen, daß bei der sich aus den angreifenden Strömungs-, Wind- und Wellenkräften einstellenden Neigung der Sperre h_tmin nicht unterschritten wird. Bei beschränkter Wassertiefe h sollte die Tauchtiefe der Sperre h_t einen Wert von

h_tmax = 2/3 h

nicht überschreiten, um Blockageeffekte der Strömung (erhöhte Abflußgeschwindigkeit durch verkleinerten Restquerschnitt unter der Sperre) möglichst klein zu halten (Bild 11). Sonst besteht die Gefahr, daß die Sperre auch bei geringeren Anströmgeschwindigkeiten (v_A < 0,35 m/s) vom Öl unterlaufen wird. Außerdem kann die Sperre vertikal zu schwingen beginnen (Drosseleffekt), wodurch sich das Unterlaufen noch verstärkt.

5.3.3 Bei Anströmgeschwindigkeit v_A > 0,35 m/s

Überschreitet die Anströmgeschwindigkeit einen kritischen Wert von v_{A krit} = 0,35 m/s, versagen alle Stau- und Sammelsperren. In diesem Fall muß versucht werden, das herandriftende Öl mittels Leitsperren in Gewässerbereiche umzulenken, wo die aus der Fließgeschwindigkeit v_F resultierende Anströmgeschwindigkeit unter den Wert v_{A krit} sinkt und das Öl wieder wirkungsvoll gestaut werden kann. Die Umlenkwirkung solcher Leitsperren ist dann eine Funktion des spitzen Winkels β zwischen der Achse des einzelnen Sperrensegmentes und der Richtung der Strömung (Bild 13). Übersteigt die Fließgeschwindigkeit im Staubereich den Wert v_{A krit} ≅ 0,35 m/s, so ist der erforderliche Anstellwinkel α überschlägig nach der Gleichung

α = 20 v_F^1,125

zu berechnen. Die Kurve, die sich aus dieser Funktion ergibt, ist in Bild 13 dargestellt.

Je kleiner der Winkel α , desto besser ist das Umlenkvermögen der Sperre. Deshalb sollte α höchstens so klein gewählt werden, daß die Sperrenlänge L nicht größer als etwa die zweieinhalbfache Sehnenlänge L_S wird:

1,15 < L/L_S < 2,5.

Ansonsten sollte eine Sperre so schlaff ausgebracht werden, daß die Sperrenlänge nicht kleiner als das 1,15fache der Sperrensehne ist.

Bis Fließgeschwindigkeiten von etwa 1,5 m/s kann Öl auf diese Weise mittels stationär gehaltener Sperren umgelenkt werden. Bei größeren Fließgeschwindigkeiten müssen die Sperren entweder in Strömungsrichtung geschleppt werden, um die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Staubereich der Sperre und der Fließgeschwindigkeit zur verringern, oder es sind mehrere Sperren in ausreichendem Abstand hintereinander auszulegen (Mehrfachsperren), damit durchgebrochenes Öl in den stromab folgenden Zwischenräumen wieder aufsteigen kann (Bild 14).

5.3.4 Wirbelbildung

Wie bereits in Kapitel 5.3.1 näher erläutert, treten Ölverluste an einer Sperre - selbst bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten, d.h. ab v_A ≅ 0,1 m/s - durch Wirbelbildung an den äußeren Begrenzungen des Staubereichs auf (Randwirbel). Diese Wirbel können durch ungünstige Formgebung der Sperre (z.B. konkaves Vertikalprofil) verstärkt werden.

Wirbel bilden sich weiterhin an Profilvorsprüngen (z.B. Auftriebskörpern), an der Unterkante der Sperre bei Unterströmung sowie an den Verbindungen zwischen zwei relativ starren Sperrensegmenten (Knickpunkte). Das gilt besonders für Leitsperren. Die nach oberstrom gerichteten Flächen der Sperre einschließlich der Verbindungselemente müssen deshalb möglichst glatt sein und dürfen in der Längsachse nur schwach gekrümmt sein. Zu beachten ist dabei jedoch, das L/L_S > 1,5 gilt. Verbindungsstücke an Sperrensegmenten sollten sich übergangslos in die Sperrenkörper einpassen.

5.3.5 Kräfte

Für die Strömung ist eine Sperre ein Widerstandskörper, den sie zu beseitigen sucht. Die hierdurch auf die Sperre ausgeübte Kraft muß vom Konstruktionsmaterial und den Verankerungen aufgenommen werden.

Die auf die Sperre wirkende Kraft resultiert aus dem Strömungs-, dem Wellen- und dem Winddruck auf die jeweils ausgesetzten Teile der Sperre. Strömung und Wellen wirken auf die benetzte, d. h. getauchte Fläche der Sperre, der Wind auf ihren Freibord. In Fließgewässern treten die vom Wind erzeugten Kräfte zwar meist weit hinter die aus der Strömung und den Wellen resultierenden zurück, in Kombination können sie aber zur Zerstörung des Materials führen.

In sehr langsam fließenden und stehenden Gewässern besitzen die Windkräfte gegenüber denen aus der Strömung meist Vorrang.

5.3.5.1 Strömungskräfte

Das statische System einer beliebig in einer Strömung verankerten Sperre ist in Bild 15 dargestellt.

Da es sich bei Sperren in der Regel um flexible Ketten von Schwimmkörpern handelt, stellt das System eine von der Strömung beaufschlagte Seil- oder Kettenlinie dar. Die in der Längsachse wirkenden Seilzugkräfte sind dabei vom Einbringwinkel α der Sperre, der Verteilung der Fließgeschwindigkeit v_f(X) über die Gewässerbreite und dem Durchhang f der Sperrenlinie abhängig. Da die Geschwindigkeitsverteilung, die Eigenbewegung der Sperre und ihr Durchhang voneinander abhängen und praktisch nie bekannt sind, ist eine exakte Berechnung der Seilzugkräfte und damit der Verankerungskräfte nicht möglich.

Nur wenn die maximale Strömungsgeschwindigkeit als gleichmäßig verteilt über der Sperrenlänge angenommen werden kann, ergibt sich für die Seilzugkraft folgende Beziehung:

mit

Gleichung (4) zeigt, daß es praktisch nicht möglich ist, eine Sperre straff über ein Gewässer zu spannen. Dann würde der Durchhang f > 0 sein und FN gegen unendlich gehen. Als günstigstes Verhältnis der Sperrenlänge L zur Sperrensehnenlänge L_S hat sich

L/L_S = 2,5 bis 1,15 ( 2)

herausgestellt. Bei der mit Einbringwinkel α = 90°, d.h. senkrecht zur Strömung ausgebrachten Sperre, wird der Durchhang f dann

f = (L_S²) / 8 a ( 3)

mit

α = L_S/ (4(6(L/L_S) - 1))^0,5 ( 4) 

Bei Ausbringung der Sperre senkrecht zur Strömungsrichtung wird L = B = L_S

Mit L/ L_S = 1,15 wird α = L_S/2 und f = L_S /4

Die maximale Zugkraft ergibt sich dann zu

Entsprechend ergeben sich auch die horizontale und die vertikale Haltekraftkomponente H_St bzw. V_St zu

H_St = (q_A L_S ²)/8f = (q_A L_S)/2 ( 6)

und

V_St = (q_A L_S)/2 = H_St ( 7)

Diese Kräfte müssen von der Sperre selbst als Zerreißkraft, aber auch von den Verankerungen aufgenommen werden.

Bei schräg zur Wasserströmung ausgebrachten Sperren verringert sich die Haltekraft um den Sinus des Einbringwinkels α , erhöht sich aber gleichzeitig um die Länge L_S. Die maximale Zugkraft tritt dann an der Stelle der größten Winkeländerung der Sperre auf, d.h. im Scheitel der Sperrenlinie. Sie gilt über die gesamte Sperrenlänge.

Die Wasserströmung allein übt also bereits hohe Zugkräfte auf das Gesamtsystem der Sperre und ihre einzelnen Segmente aus. Wird die Sperre geschleppt oder manövriert, treten zusätzliche Kräfte auf, die durch einen Zuschlag von ca. 50 % berücksichtigt werden sollten.

5.3.5.2 Wellenkräfte

Wellenausbildung und -bewegung begrenzen in Abhängigkeit von Wellenhöhe und -länge die Wirksamkeit einer Ölsperre. Zum einen können Wellenkämme Öl durch Überspülen oder Brechen über den Freibord der Sperre hinwegheben; in Wellentälern kann das Öl unter der Sperre hindurchfließen. Zum zweiten regen Wellen die Sperre selbst zum Schwingen an, die dann ein eigenes Wellensystem erzeugt. Die dabei induzierten Übergeschwindigkeiten am Sperrenkörper erhöhen die Geschwindigkeit an der Unterseite der Ölschicht und wirken sich dadurch negativ auf das Rückstauverhalten aus. Zum dritten werden die Wellen durch die Sperre reflektiert und in Richtung des Scheitelpunktes der Sperrenlinie refraktiert (Bild 16).

Dabei entsteht eine sehr unruhige (kabbelige) Wasseroberfläche, die den Rückstauvorgang weiterhin behindert.

Gleichzeitig führt die Pendelbewegung der Sperre zu zusätzlichen Belastungen des Materials und der Verankerungen. Die von den senkrecht zu ihrer Sehne in die Sperre einlaufenden Wellen ausgeübte Kraft beträgt analog zur Strömungskraft

mit

Die horizontale Strömungskomponente u_x einer Welle läßt sich nicht exakt berechnen, so lange die Struktur der Welle nicht bekannt ist. Sie kann überschlägig nach

u_x = π H/T cosh((z+h)/ L_W)/sinh(2π h/L_W) ( 9)

ermittelt werden, mit

Je höher und je kürzer die Wellen sind, um so größer sind die aufzunehmenden Kräfte. In Einzelfällen können die Wellenkräfte die strömungsbedingten Kräfte um ein Mehrfaches übersteigen.

Der Wirkungsgrad einer Ölsperre ist um so größer, je besser sich die Sperre der Wellenbewegung anpassen kann. Dies muß durch genügend Bewegungsfreiheit der Sperrensegmente untereinander, durch genügend große Auftriebsreserve und durch ausreichend lange Schlepp- oder Verankerungsleinen gewährleistet werden. Letztere sollten etwa das Fünffache der Wassertiefe betragen.

5.3.5.3 Windkräfte

Wind hat sowohl auf die Verdriftung des Öls als auch auf die Stabilität der Sperre Einfluß. Die Verdriftung wird durch die vom Wind induzierte Scherkraft an der Öllache bestimmt. Ihre Geschwindigkeit beträgt auf ruhiger Wasseroberfläche ca. 3 % der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe über dem Wasserspiegel. Die Verdriftungsrichtung kann von der Richtung der eigentlichen Wasserströmung abweichen und ihr sogar entgegengerichtet sein. Das ist besonders in Bereichen mit geringer Fließgeschwindigkeit des Wassers der Fall.

Vom Wind wird der aus dem Wasser ragende Freibord der Sperre beaufschlagt. Die ausgeübte Kraft beträgt analog zu der aus der Wasserströmung resultierenden

F_a = 0,35 c_a ρ_a h_Fr L_S v_a² sin α ( 10)

mit

Der Wind kann die Tauchtiefe der Sperre verringern, Sperren umkippen oder bei ungünstiger Verspannung leichte Sperren sogar von der Wasseroberfläche abheben.

5.3.5.4 Gesamtkraft

Die auf die Sperre infolge Strömungs-, Wellen- und Windangriff wirkende Gesamtkraft FG entspricht der Addition der Einzelkräfte:

5.4 Handhabung

Die Anforderungen an die Handhabung der Ölsperren richten sich nach den Einsatzarten (vergl. Abschnitt 4.2).

Die folgenden Anforderungen beziehen sich im wesentlichen auf die unter Abschnitt 4.2 genannten Ölsperren für den Soforteinsatz. Die vor allem für den stationären Einsatz vorgesehenen Ölsperren brauchen den folgenden Anforderungen nicht zu entsprechen, insbesondere, wenn zum Einbringen geeignete Hilfsmittel bzw. ausreichend Personal zur Verfügung stehen.

5.4.1 Abmessungen und Gewichte

Die einzelnen Sperrensegmente sollen nicht länger als 30 m sein. Nach Bedienungsanleitung verpackte Teile sollen ein Volumen von 0,5 m³ nicht überschreiten und nicht schwerer als 80 kg sein, Die Volumenangabe bezieht sich auf einen den unregelmäßigen Sperrenkörper umschreibenden Rechteckkörper, dessen Einzelkantenlänge nicht mehr als 1,50 m betragen soll.

5.4.2 Montage

Die zum Koppeln der Sperrenteile erforderlichen Verbindungsstücke sollen möglichst an den Sperrenteilen befestigt oder in besonderen Behältern griffbereit vorhanden sein. Das jeweilige Verlängerungsteil muß sich mit einem schon im Wasser befindlichen Teil, das keinen Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist, problemlos verbinden lassen. Die Verbindungsteile müssen konstruktiv so gestaltet und angeordnet sein, daß sie leicht und richtig gekoppelt werden können. Gegebenenfalls sind die zusammenpassenden Sperrenteile deutlich zu kennzeichnen.

Die Verbindungen der Ölsperren müssen auch im schwimmenden Zustand unter Zug leicht lösbar sein. Die Einzelsegmente müssen im entkoppelten Zustand schwimmfähig bleiben.

Aus Taschen für Ballast- bzw. Auftriebskörper muß das Wasser beim Herausnehmen der Sperre durch Öffnungen im Taschenboden ablaufen können. Sämtliches für die Montage, Demontage und das Zusammenlegen der Ölsperren erforderliche Zubehör muß mitgeliefert werden.

5.4.3 Einbringen in Gewässer

Bei ordnungsgemäßem Einbringen in das Gewässer muß die Ölsperre sofort funktionsfähig sein. Eine gekippte oder verdrehte Ölsperre muß sich selbst aufrichten. Hinweise und Erfahrungswerte zur praktischen Handhabung von Ölsperren sind im Ölsperren-Merkblatt (LTwS-Schrift Nr. 27, 1998) veröffentlicht.

5.4.4 Schleppen zum Einsatzort

Eine Sperre von 60 m Länge muß durch ein Arbeitsboot mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s (Fahrt durch das Wasser) geschleppt werden können. Hierfür erforderliche Schleppvorrichtungen und Befestigungen sind der Ölsperre beizugeben bzw. in sie einzuarbeiten. Sie sind so auszubilden, daß Leinen bzw. Zugmittel schnell, leicht und zweckmäßig befestigt und im Notfall auch schnell gelöst werden können.

Beim Schleppen mit Geschwindigkeiten von 2 m/s (Fahrt durch das Wasser) dürfen keine Beschädigungen auftreten. Die Funktionstüchtigkeit der Ölsperre muß nach dem Schleppmanöver gewährleistet bleiben. Durch eine strömungsgünstige Ausbildung der Sperrenkörper kann der Schleppwiderstand gering gehalten werden.

5.4.5 Verankerung

Ölsperren müssen am Ufer, an Bauwerken und an Schiffen befestigt werden können. Hierfür evtl. erforderliches Zubehör ist der Sperre beizugeben. Die Befestigungen und Verbindungsstücke sind so auszulegen, daß sie mindestens den aus Abschnitt 5.2 zu entnehmenden Belastungen standhalten.

Für verschiedene Uferformen muß eine wirksame Abdichtung zwischen Ufer und Sperrenendstück möglich

sein. Bei flach auslaufenden Ufern oder flachen Gewässern muß die Möglichkeit der Abdichtung durch an der Sperre befestigte, auf dem Gewässerboden verlegte Planen vorgesehen sein. Einfachen und möglichst vielseitig einsetzbaren Konstruktionen ist dabei der Vorzug zu geben.

5.4.6 Personaleinsatz

Jedes Ölsperrensegment muß sich im zusammengelegten und verpackten Zustand durch zwei Personen transportieren lassen. Das Koppeln der Sperrensegmente an Land soll ebenfalls von zwei Personen durchgeführt werden können.

5.5 Bedienungsanleitung

Jeder Ölsperre ist eine ausführliche Bedienungsanleitung beizugeben, aus der Handhabung, Reinigung, Instandsetzung und Lagerung ersichtlich sind und die auch einsatztaktische Hinweise geben soll. Außerdem soll sie eine Ersatzteileliste, Reparaturanleitung und die Adressen von Reparaturfirmen enthalten.

5.6 Lagerung

Die Ölsperren müssen leicht zugänglich und vor Beschädigungen geschützt gelagert werden. Die Sperrenteile mit dem jeweils erforderlichen Zubehör müssen von zwei Personen verladen und platzsparend untergebracht werden können. Gegebenenfalls können auch mehrere Sperrenteile gekoppelt auf einem Transportfahrzeug, z.B. Anhänger oder Container, so untergebracht sein, daß die Ölsperren nach hinten oder seitlich abziehbar sind.

5.7 Wartung und Instandsetzung

Für kleinere Instandsetzungsarbeiten sollen den Ölsperren Ersatzteile, Werkzeug und Reparaturanleitung beigefügt werden.

5.8 Reinigung

Die Ölsperren müssen mit Hilfe eines Hochdruckreinigungsgerätes oder eines Dampfstrahlers bis zu Temperaturen von 40 bis 50 °C gereinigt werden können, ohne daß hierdurch Schäden an der Sperre entstehen.

Die Behandlung sollte nur mit erwärmten Wasser und dem vom Hersteller empfohlenen Reinigungsmitteln (keine Lösungsmittel) durchgeführt werden. Bei höheren Temperaturen können sich Weichmacher herauslösen. Die Nachbehandlung umfaßt:

• Trocknen,
• Talkumieren, um ein Zusammenkleben zu verhindern.

5.9 Überprüfung

Eine Ölsperre muß bei längerer Nichtbenutzung in einjährigem Abstand durch einen Probeeinsatz auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden.

ENDE