Wie Fließgeschwindigkeit Kompetenz und Kapazität kontrolliert: Die Physik des Sedimenttransports

In der fluvialen Geomorphologie ist Geschwindigkeit die Meistervariable, die die Fähigkeit eines Stroms regiert, Sediment zu bewegen. Sie steuert sowohl Kompetenz (maximale transportierbare Korngröße) als auch Kapazität (gesamte Sedimentfracht pro Zeiteinheit).

Kompetenz: Die Größengrenze

Kompetenz ∝ Geschwindigkeit² (annähernd). Die Hjulström-Kurve zeigt die Beziehung:

• Höhere Geschwindigkeit → größere Hebe- und Zugkräfte auf Sohlpartikel.
• Kritische Erosionsgeschwindigkeit für eine gegebene Korngröße definiert die Schwelle.
• Beispiel: 10 cm/s bewegt Feinsand (0,1 mm); 100 cm/s bewegt Grobkies (20 mm); 300 cm/s bewegt kleine Blöcke (256 mm).

Kompetenz ist ein Schwellenkonzept: unter kritischer Geschwindigkeit bewegt sich eine Korngröße gar nicht. Darüber bewegt sie sich leicht.

Kapazität: Die Volumengrenze

Kapazität ∝ Geschwindigkeit³ bis Geschwindigkeit⁴ (empirisch; Einstein, Engelund-Hansen, Yang-Gleichungen). Warum steiler?

• Höhere Geschwindigkeit → mehr Partikel in Suspension (nicht nur Geschiebe).
• Höhere Geschwindigkeit → höhere Konzentration aller Größen.
• Schwebstoff dominiert Kapazität in den meisten Flüssen; Suspension erfordert Turbulenz ∝ Geschwindigkeit².

Kapazität ist ein Ratenkonzept: Tonnen/Tag an einem Querschnitt vorbei.

Andere Faktoren (Geschwindigkeit ist nicht alles)

• Korngrößenverteilung: Gemischte Größen → Versteck-/Expositionseffekte (feine Körner durch grobe geschützt; grobe auf feiner Matrix exponiert).
• Sohlgefälle: Treibt Geschwindigkeit (Manning/Chezy); beeinflusst auch Fließtiefe, Schubspannung.
• Fliestiefe: Tieferes Fließen = höhere Schubspannung bei gleicher Geschwindigkeit.
• Sohlformen: Rippeln, Dünen, Ebenbett, Gegenströmungsdünen – jede ändert Rauheit und Transporteffizienz.
• Sedimentangebot: Kapazität ist Potenzial; tatsächliche Fracht = min(Kapazität, Angebot). Angebots- vs. transportlimitierte Strecken.
• Kohäsion: Tone/Schluffe brauchen höhere Spannung zur Erosion (elektrochemische Bindungen).

Praktische Implikationen

• Hochwasser: Geschwindigkeitsspitzen → Kompetenz/Kapazität-Sprung → Sohlerosion, Infrastrukturschaden, Sedimentpulse.
• Staudämme: Fangen Sediment → stromabwärts „hungriges Wasser“ (hohe Kompetenz, null Angebot) erodiert Sohle.
• Renaturierung: Geschwindigkeit für Ziel-Sedimentregime designen (Riffle-Pool-Abstand, Bar-Bildung).
• Schifffahrt: Baggerung zielt auf Kapazitätsreduktion (Sedimentationsrate).

Geschwindigkeit schreibt die Sedimentgeschichte. Aber das vollständige Manuskript umfasst Korngröße, Gefälle, Tiefe, Angebot und Zeit. Alle Kapitel lesen.