Technologien für den sicheren und effizienten Betrieb von Wasserreservoiren

Sichere und effiziente Strom- und Wasserversorgung aus Stauanlagen

Weltweit befinden sich viele Staudämme in seismisch aktiven Regionen. Auch wenn die technischen Anlagen für solche Ereignisse ausgelegt sind, kann durch Betriebs­aktivitäten an Wasserreservoiren seismische Aktivität im unmittelbaren Umfeld, sogenannte induzierte Seismizität, ausgelöst werden und die Bevölkerung gefährden. Beispielsweise wird ein Erdbeben 2008 in China mit über 80000 Toten der Befüllung eines großen Staudamms zugeschrieben. Besondere Gefährdung besteht durch gleichzeitiges Eintreten mehrerer Extremereignisse. So kann das Zusammenkommen von Erd­beben, Hang­rutschungen oder Stark­nieder­schlag mit ungünstiger Verteilung von im Wasserreservoir befindlichen Sedimenten zu einer plötzlichen Mobi­lisierung und Verlagerung der Sedimen­te im Reservoir führen. Diese kann zu Belastungen und gege­benenfalls Schäden an Staumauern führen.

Das Projekt DAMAST will einen Beitrag zur systematischen Reduktion von Gefährdungen an Wasser­reservoiren sowie zu ihrem langfristigen und effizienten Betrieb leisten. Ziel ist die Entwicklung von Monitoringkonzepten, die auch auf andere Stauanlagen an vergleichbaren Standorten übertragen werden können. Umgesetzt wird das Vorhaben mittels innovativer Verfahren der Erhebung und Auswertung relevanter Daten.

Neben der Gefährdung durch Naturrisiken (Erdbeben, Hangrutschungen, Starkniederschläge) und induzierter Seismizität widmet sich DAMAST der langfristigen Effizienz des Reservoirbetriebs. Durch die sogenannte Stauraumver­landung, also das Auffüllen des Reservoirs mit Sedimenten, sind nach 40 bis 50 Jahren Betriebsdauer häufig die Grundablässe in den Staumauern beeinträchtigt und es können signifikante Verluste an Speichervolumen und damit eine Reduktion der Anlageneffizienz auftreten. Der Bau von Ersatzspeichern führt darüber hinaus zu hohen Kosten. Nicht funktionierende Grundablässe gefährden zudem die Betriebssicherheit der Anlage. Es wird erwartet, dass sich aufgrund der Klima­änderung in Zukunft weltweit die Sedimentzufuhr in Stauseen deutlich verstärken wird.

Überwachung zu Lande, zu Wasser und aus dem All

Am Beispiel des Enguri-Staudamms in der seismisch aktiven Region des Nordkaukasus untersucht DAMAST welche Gefährdungen durch den Betrieb von Wasserreservoiren, wie z.B. die Erstbefüllung oder jährliche Wasser­standsänderungen, entstehen und wie diese Gefährdungen verringert werden können. Eine Kombination von innovativem Monitoring, Betrachtung von Modell­szenarien für die räumlich-zeitliche Entwicklung der Seismizität sowie der lokalen und regionalen Verformung des Damms und des umliegenden Geländes ermöglicht die Ableitung geeigneter Überwachungsmaßnahmen. Dies bildet zudem die Grundlage für die Entwicklung von Empfehlungen für den Staudammbetrieb sowie für eine Verbesserung des Risikomanagements.

Für ein erweitertes Verständnis zugrundeliegender Prozesse, die z.B. zu seismischen Ereignissen führen, insbesondere auch als Folge von Kaskadeneffekten, identifiziert DAMAST zunächst relevante Schlüsselparameter. Für die Gewinnung seismo­logischer, meteorologischer, geodätischer, geolo­gischer Daten, die Erfassung der Sedimente und Veränderungen an der Dammstruktur werden in einem modularen Überwachungs­konzept unterschiedliche Methoden eingesetzt. Dazu gehören Fernerkundungs­methoden, Bohrlochmessungen, moderne Methoden seismischer Aufzeichnungen, terrestrische Radarinter­ferometrie, Unterwasserdrohnen, Multibeam-Bathy­metrie, ein Mehrfrequenzecholot und Beprobungen zur Sediment­charakterisierung sowie neuartige Minisen­soren. Das Monitoring von Seismizität, Deformationen und Porendruck, der maßgeblich die induzierte Seismizität beeinflusst, soll Aufschluss über Zusammenhänge zwischen Wasserstand im Reservoir und induzierter Seismizität im Umfeld des Reservoirs geben.

Von Monitoring zu Entscheidungshilfe

Aus den Projektergebnissen soll hervorgehen, ob und wie ein verbessertes Risiko­management mit ent­schei­dungs­unterstützendem Frühwarnsystem umgesetzt werden kann. Im Projekt arbeiten mittelständische Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen zusammen, vor Ort logistisch unterstützt durch die Betreibergesellschaft Engurhesi. Die erarbeiteten Empfehlungen unterstützen Engurhesi bei operativen Entscheidungen und sollen Behörden und Verwaltungen helfen, geeig­ne­te Über­wachungskonzepte einzusetzen und mittels Früh­warnung das Risiko für die Bevölkerung weiter zu verringern. Von den Projektergebnissen sollen auch Anlagen in vergleichbaren alpinen und seismisch aktiven Regionen profitieren.