Weltweit entstehen im Zuge der Einrichtung einer klimafreundlichen Energieversorgung neue Staudämme. Vielerorts gefährden natürliche oder induzierte Erdbeben insbesondere im Zusammenwirken mit anderen Extremereignissen wie Starkniederschlägen oder Hangrutschungen die Sicherheit eines Staudamms und damit auch die ortsansässige Bevölkerung. Im Projekt DAMAST (gefördert durch den BMBF) untersuchen deutsche, georgische und armenische Partner am Beispiel des Enguri Staudamms im Kaukasus die zugrundeliegenden Prozesse sowie sicherheitsrelevante Parameter von Wasserreservoiren. Das Vorhaben soll übertragbare Monitoringkonzepte für Stauanlagen in tektonisch aktiven Regionen entwickeln.

Abbildung 1: Die 277 m hohe Bogenstaumauer des Enguri-Staudamms in Georgien (Foto: AWG/KIT).

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 80.000 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.

CEDIM ist Partner in dem BMBF Verbundsprojekt, das am KIT vom Institut für angewandte Geowissenschaften koordiniert wird und am dem mehrere Einrichtungen des KIT beteiligt sind. Der Forschungsteil des CEDIM widmet sich der Konzeption eines modularen Frühwarnsystems, indem eine Gefährdungsanalyse für verschiedene Extremereignisse bzw. kritische Wirkfaktoren an dem Stausee erfolgt und Informationen aus den aufgebauten Überwachungssystemen hinsichtlich der relevanten Schlüsselparameter integriert werden. Am Ende dieser Projektphase soll aus dem Prozessverständnis und den Ergebnissen des Monitorings hervorgehen, ob und wie ein verbessertes Risikomanagement inklusive entscheidungsunterstützendes Frühwarnsystem bis Ende Phase III umgesetzt werden kann.

Folgende Arbeitspakete sind in der ersten Phase relevant und werden interdisziplinär durch das IMK-TRO, GPI und IKET bearbeitet:

1. Statistische Niederschlagsanalyse im Kontext des Klimawandels
   Zunächst soll im ersten Teil eine Gefährdungsanalyse der Starkniederschlagssituation in der Region um den Staudamm durchgeführt werden. Dies beinhaltet neben einer am klimatologischen Kontext orientierten geeigneten Definition von Starkniederschlagsereignissen umfangreiche statistische Analysen. Zusätzlich soll dabei untersucht werden, welche Auswirkungen vergangene Trocken- und Feuchtperioden auf die Region und den Staudamm hatten. Da durch den Klimawandel eine Veränderung der statistischen Verteilung der Niederschlagswahrscheinlichkeiten sowie – in einigen Regionen – auch eine Veränderung der Niederschlagsregime erwartet wird, wird weiterhin untersucht, wie sich diese Eigenschaften zukünftig entwickeln werden.
    
2. Abschätzung der Gefährdung durch verschiedene Extremereignisse
   Im zweiten Teil wird eine holistische und vergleichende Gefährdungsanalyse durchgeführt, indem weitere relevante Extremereignisse bzw. ihre statistische Eintrittswahrscheinlichkeit (Gefährdung) mit einbezogen werden (z.B. Erdbeben, ungeplante Lastveränderungen bzw. Sedimentverfrachtungen, Zuflussregime, Hangrutschungen soweit verfügbar).
    
3. Erstellung eines Konzepts für ein modulares Frühwarnsystem
   Zunächst werden die bisher gewonnen Ergebnisse aller Projektteilnehmer zusammen getragen (Gefährdungsabschätzung, Identifizierung von Schlüsselparametern durch das Monitoring, Kaskadeneffekte, geeignete Überwachungsmaßnahmen) und in einen vereinfachten Prototypen (Aufsetzung eines ersten Überwachungskonzepten der relevanten Prozesse) umgesetzt. Wichtig ist dabei, die verschiedenen Zeitskalen der relevanten Prozesse ausreichend zu berücksichtigen. So müssen die Informationen über kurzfristig ausgelöste Gefahren wie Erdbeben unterschiedlich verarbeitet werden als längerfristigen Faktoren, die zu einer Gefährdung führen (z.B. Sedimentverfrachtungen). Zudem muss die Leistungsfähigkeit der Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Systeme (Machbarkeit, Langlebigkeit, Kosten, Pflege) gegenübergestellt und für ein umsetzbares operatives System geklärt werden. Der Betreiber Engurhesi und die Behörden vor Ort werden bei der Entwicklung eingebunden.

Siehe auch: https://www.bmbf-client.de/projekte/damast