10. Mai. 2017

Risse auf dem Gipfel des Staudamms.

Staudämme werden angelegt, um Wasserressourcen zu speichern, Wasserkraftwerke zu speisen oder Fluten zu kontrollieren. Je nach Volumen der aufgestauten Wassermassen können sie enormen Drücken ausgesetzt sein. Pro Jahrzehnt kommt es weltweit aufgrund dieser Belastung zu etwa zehn ernsthaften Schäden an Staudämmen. Ein internationales Team aus drei Wissenschaftlern aus dem Iran und Deutschland unter Beteiligung von Mahdi Motagh aus der GFZ-Sektion Fernerkundung hat nun am Beispiel des Masjed-Soleyman Staudamms im Iran aufgezeigt, wie die Überwachung von Staudämmen durch Satellitendaten verbessert werden kann.

Der 177 Meter hohe und knapp 500 Meter breite Masjed-Soleyman Staudamm wurde zwischen 1995 und 2000 am Fluss Karun im Südwest-Iran errichtet und besteht, wie die meisten Staudämme und im Unterschied zu einer Staumauer, aus einer Gesteinsschüttung. Er dient vor allem der Energiegewinnung durch Wasserkraft. Mit Fertigstellung des Damms wurde ein bodengestütztes Überwachungssystem installiert, was umso wichtiger wurde, als sich kurz nach der Flutung des Beckens erste Risse auf der Straße am Gipfel des Damms zeigten, die auf Deformationen innerhalb des Damms hindeuteten.

Für das Überwachungssystem verteilen sich 25 Zielmesspunkte über den Staudamm. Deren Bewegung kann von Messpunkten um den Damm herum bestimmt werden, die als stabile Referenzpunkte dienen. Durch das regelmäßige Wiederholen der Messungen lässt sich der vertikale und horizontale Versatz des Gesteins im Zeitverlauf ermitteln. Allerdings sind die Messungen ausschließlich für diese Punkte selber exakt, für die Zwischenräume müssen die Gesteinsbewegungen interpoliert, also berechnet werden.

Ein kontinuierliches Monitoring der Deformationen eines Staudamms ist wichtig, um die Sicherheit flussabwärts zu gewährleisten und um, bei integrierten Wasserkraftwerken, die störungsfreie Energieversorgung zu sichern. Durch die schnelle Entwicklung der Raumfahrttechnik und Datenverarbeitung innerhalb der letzten zwanzig Jahre können heute Mikrowellenfernerkundungstechniken und die Radiointerferometrie (InSAR) als geodätisches Tool eingesetzt werden, um Bewegungen an der Erdoberfläche zu ermitteln. Die mit den modernen Techniken erzeugten Bilder ermöglichen es, Infrastrukturen sehr genau zu kartieren und zu überwachen.

Der Masjed-Soleyman Staudamm im Südwest-Iran.
Bild: M. Motagh/GFZ
Stabilitätsanalyse aus dem All.
Bild: Astrium/Google Earth/Digital Globe/Copernicus

In der Machbarkeitsstudie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Engineering Structures, nutzt das Wissenschaftler-Team Fernerkundungsdaten, aufgenommen durch den deutschen Erdbeobachtungssatelliten TerraSAR-X. Alle elf Tage überfliegt der Satellit den Masjed-Soleyman Staudamm und vermisst mit einer Auflösung von einem Meter die Erdoberfläche. Anhand dieser Daten konnten die Wissenschaftler das Deformationsmuster des Staudamms hochgenau und in sehr viel größerer räumlicher Auflösung analysieren, als es mit aktuell verfügbaren bodengestützten geodätischen oder geophysikalischen Instrumenten möglich wäre.

Die Kombination aus dem Druck der Gesteinsmasse des Staudamms selber und dem Wasserdruck führte zu einer Absenkung von etwa dreizehn Zentimetern und einem horizontalen Versatz in Richtung Tal um etwa sieben Zentimeter pro Jahr. Die Belastung zeigt sich in Versatzrissen, die den Damm bedrohen und seine Stabilität langfristig gefährden.

Die Wissenschaftler zeigen, dass die neuen, hochauflösenden Satelliten-Systeme wie TerraSAR-X es in Zukunft erlauben, die zunehmende Instabilität des Staudamms detailliert zu überwachen. Mahdi Motagh: "Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse auf Staudämme mit gleicher Bauweise übertragbar sind. Die hochauflösenden Satellitensysteme liefern eine neue Art von Radarbildern mit einer Auflösung von bis zu 25 Zentimetern, gegenüber den bisher möglichen 10 bis 15 Metern. Damit revolutionieren sie die Möglichkeiten, Instabilitäten von Infrastrukturen aus dem All zu erfassen."

Die Wissenschaftler nehmen an, dass eine Kombination dieser Daten mit den bodengestützten geodätischen Datenerhebungen und Parametern wie dem Wasservolumen, der Konstruktion eines Damms und den geologischen Gegebenheiten des Untergrunds in Zukunft dabei helfen, zuverlässige Modelle zur Stabilitätsanalyse von Infrastrukturen zu entwickeln.


Quelle: Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Potsdam, Mai 2017