Der Bau von Staudämmen hat die Geschichte der Menschheit kontinuierlich begleitet. Staudämme schützen vor Überschwemmungen und sorgen für eine durchgängige Schiffbarkeit von Flüssen. Zudem dienen sie als Wasserspeicher für die Landwirtschaft und Trinkwasserversorgung. Vor allem aber kann mit ihrer Hilfe die Energie des Wassers zur Stromerzeugung genutzt werden.

Die erste intensive Bauphase für große Staudämme begann bereits in den 1930er-Jahren und setzte sich bis in die 1950er-Jahre fort. Ein symbolträchtiges Bauwerk für diese erste Phase ist der berühmte Hoover-Staudamm zwischen den US-Bundesstaaten Nevada und Arizona. Eine zweite Hochphase waren die 1970er-Jahre. Damals führte Ölkrise dazu, dass zunehmend Wasserkraft als ertragreiche Alternative genutzt wurde. Schätzungen nach gibt es heute zwischen 45.000 und 60.000 große Staudämme weltweit. Die Anzahl kleinerer Staudämme geht in die Hunderttausende. Eine verlässliche Orientierung für die Anzahl großer Staudämme bietet die Global Reservoir and Dam Database (GranD).

Doch viele dieser Staudämme sind heute in die Jahre gekommen. Sie sind marode und befinden sich in einem schlechten baulichen Zustand. Obwohl es sich um mächtige Bauwerke aus Beton und Stahl handelt, haben sie einen begrenzten Lebenszyklus. Die Gründe für den schlechten Zustand vieler großer Staudämme sind vielfältig: mangelhafte Wartung, Konstruktionsmängel, Probleme mit den verwendeten Baustoffen, Erosion.

In vielen kleinen Ländern und Schwellenländern ist die Energiegewinnung aus Wasserkraft auch heute noch von großer Bedeutung. Dies gilt nicht nur für wasserreiche Staaten, sondern auch für trockene Regionen. Ein Beispiel hierfür sind die vom Kontinentalklima geprägten Länder Zentralasiens. Viele Anlagen dort wurden bereits zu Sowjetzeiten errichtet. Auch ihre Bausubstanz ist nicht mehr die beste. Ein weiteres Problem: Sie liegen in Gebieten, die durch häufige Erdbeben bedroht sind. Sind dort Staudämme marode, kann das dramatische Folgen haben, denn die gestauten Wassermengen sind enorm. Bei einem Bruch könnte eine Flutwelle flussabwärts rollen und ganze Siedlungen zerstören.

Ein Land, in dem das Problem besonders auftritt, ist die zwischen China und Kasachstan gelegene Kirgisische Republik. „Kirgistan ist eines der Länder mit der größten Gefährdung durch Erdbeben“, sagt Dr. Marco Pilz. Er ist Experte für seismische Gefahren am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam (GFZ) und leitet das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt MI-DAM. Der Erdbebenexperte weiß: Tief unter Zentralasien kollidieren die Kontinente und die Indische Erdplatte drückt gegen die Eurasische Platte. Diese starken tektonischen Prozesse haben den Himalaya oder das Pamir-Gebirge entstehen lassen.

Durch die Spannungen im Gestein erzittert in Kirgisistan immer wieder die Erde. Das letzte schwere Erdbeben dort ereignete sich im Jahr 1992 (Ms = 7,3). Und auch danach kam und kommt es immer wieder regelmäßig zu kleineren und mittleren Beben. Die alte Bausubstanz der Staudämme und die ständige Gefährdung durch Erschütterungen oder Hangrutschungen sind für das Land ein zunehmend größer werdendes Problem.

Echtzeit-Monitoring am Kurpsai-Staudamm

Genau hier setzt ein Team aus kirgisischen und deutschen Erdbeben-Spezialisten mit ihrer wissenschaftlichen Arbeit an. Im Rahmen des Verbundprojektes MI-DAM hat das Forscherteam unter Leitung des Deutschen GeoForschungsZentrums ein neuartiges Echtzeit-System entwickelt, das Staudämme überwacht und sogar Schadensprognosen liefern soll. Installiert wurde das System exemplarisch am Kurpsai-Staudamm in Zentralkirgistan – ein idealer Standort mit steil abfallen Hängen und regelmäßiger seismischer Aktivität. Kirgistan deckt seinen Energiebedarf größtenteils aus Wasserkraftwerken – sechs Anlagen wurden am Fluss Daryn errichtet, sechs am Toktogul-Stausee an der Grenze zu Usbekistan. „Kurpsai ist der zweitgrößte Damm in Kirgistan und leicht zugänglich“, erläutert Pilz die Auswahl des Untersuchungsobjekts. Für andere Staudämme wäre es schwieriger geworden, eine Zugangsberechtigung zu erhalten.

Das vom bilateralen Forscherteam entwickelte System soll Erschütterungen, Bodenbewegungen und langfristige Strukturverformungen der Bauwerke überwachen. Es besteht aus seismischen, faseroptischen und GPS-Sensoren, die ständig Daten zum Zustand der Infrastruktur und der umgebenden Berghänge erfassen und sie ohne Zeitverlust an die beteiligten Forschungsinstitute senden. Dort fließen die Daten in Computermodelle, die wiederum Schadensprognosen ermöglichen – das wichtigste „Produkt“ des Forschungsprojekts. Durch die Prognosen können die Verantwortlichen konkrete Maßnahmen ergreifen – bis hin zur Evakuierung von Siedlungen oder Industrieanlagen. Sichtbar werden die Prognosen anhand eines Ampelsystems. Grün bedeutet, dass die Erschütterung folgenlos für den Damm geblieben ist. Gelb hingegen heißt, dass eine Inspektion notwendig ist. Bei Rot ist mit großen Schäden zu rechnen und ein Eingreifen von Betreibern und Behörden erforderlich.

Das System zur Echtzeitverarbeitung des Schadenszustands wurde während der Projektlaufzeit ständig verbessert. Schon ein halbes Jahr nach dem Start im Herbst 2017 wurde eine erste Version installiert, die bis heute immer weiter verfeinert wurde. In Verbindung mit Langzeitmessungen am Staudamm und den steilen Berghängen rings um den Stausee können sich sogenannte Fragilitätskurven errechnen lassen, welche für einzelne Infrastrukturobjekte den Eintritt möglicher Schäden beispielsweise durch ein starkes Erdbeben beschreiben.

Neben den Schäden am Bauwerk stellen Steinschläge und Bergrutsche nach Aussage von GFZ-Forscher Pilz eines der größten Probleme für Wasserkraftwerke in diesen Gebirgsregionen dar Welche Folgen ein Hangrutsch oberhalb der Staumauer haben kann, wenn ganze Bergflanken abbrechen und Millionen Kubikmeter Gestein in den aufgestauten See stürzen, zeigt die Katastrophe von Vajont im Jahr 1963 im italienischen Friaul. Die durch den Bergrutsch ausgelöste gigantische Welle ließ ein Sechstel des Stauvolumens über die Dammkrone schwappen. Eine Gemeinde wurde komplett zerstört, 1800 Menschen starben. Wissenschaftler hatten später errechnet: Der Aufprall der Gesteinsmassen setzte eine Energie frei, die der von drei Hiroshima-Bomben entsprechen würde.

Breite Einsatzmöglichkeiten über Staudämme hinaus Der Einsatz der im Projekt MI-DAM verwendeten neuen Multiparameter-Sensoren – neben der Software das Herzstück des neuen Frühwarnsystems – ist nicht auf Staudämme beschränkt. Auch in anderen wichtigen Versorgungseinrichtungen, die zur sogenannten kritischen Infrastruktur zählen, sowie in erdbebengefährdeten Gebäuden können solche Überwachungssysteme zum Einsatz kommen. In der kirgisischen Hauptstadt Bischkek werden gegenwärtig ähnliche Sensoren unter anderem in großen Wohnblöcken, in Universitätsgebäuden und in einem Ministerium getestet.

Eine weitere Aufgabe im Rahmen des Projekts steht noch bevor: die Schulung der Verantwortlichen vor Ort. Hierbei sollen die beteiligten kirgisischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Schlüsselrolle einnehmen und auch künftig in Kooperation mit den deutschen Partnern die Datenanalyse leisten. Letztendlich wird das Überwachungssystem nur dann gut funktionieren, wenn durch das Know-How vor Ort eine langfristige Wartung und Pflege gewährleistet wird.

Text: Oliver Jorzik, ESKP und Henning Kraudzun, Projektträger Jülich 

Der ausführliche Bericht „Frühwarnsysteme für gefährdete Staudämme“ ist auf der Helmholtz-Wissensplattform Erde und Umwelt │ ESKP , die vom GFZ koordiniert wird, erschienen. Link

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Marco Pilz
Wissenschaftler
Erdbebengefährdung und dynamische Risiken
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