Wie genau entsteht ein Flussdelta? Wie verändert es sich mit der Zeit? Und warum bilden sich verschiedene Formen von Deltas aus? Im Grundsatz lassen sich diese Fragen schon seit längerem beantworten. Doch wenn man die Vorgänge an der Flussmündung im Detail verstehen will, stellt sich dies als gar nicht so einfache Aufgabe heraus. Mit ein Grund dafür ist, dass dazu kurzfristige Prozesse wie Gezeitenschwankungen und Wellenbewegungen über relativ lange Zeiträume von Tausenden von Jahren hinweg abgebildet werden müssen. Die klassischen hydrodynamischen Modelle eigenen sich daher kaum, um solche Fragen zu untersuchen, würden sie doch einen viel zu grossen Rechenaufwand erfordern. Auch mit Laborexperimenten lässt sich die Deltabildung nur ansatzweise nachvollziehen.

Wissenschaftler des Instituts für Baustoffe der ETH Zürich haben nun in Zusammenarbeit mit José S. Andrade, Professor an der brasilianischen Universidade Federal do Ceará, eine einfachere Lösung gefunden: Wie die Forscher in der Fachzeitschrift PNAS schreiben, haben sie ein neues Computermodell entwickelt, mit dem die Entstehung eines Flussdeltas mit bedeutend geringerem Rechenaufwand realitätsnah über geologische Zeiträume hinweg untersucht werden kann. Das Modell basiert auf einem zweidimensionalen Gitternetz, erläutert Hansjörg Seybold, der das Programm im Rahmen seiner Dissertation unter der Leitung von Hans Herrmann, Professor für rechnergestützte Physik der Werkstoffe, entwickelt hat. Jedem Gitterpunkt wird zunächst eine Geländehöhe und ein Wasserpegel zugeschrieben. Je nach dem, wie gross das Gefälle des Wasserpegels zum benachbarten Gitterpunkt ist, fliesst das Wasser im Modell mehr oder weniger schnell weiter. Der Sedimenttransport wird mit einem einfachen Gesetz beschrieben: Je nach Wassergeschwindigkeit wird am entsprechenden Punkt entweder Bodenmaterial erodiert oder Sediment abgelagert.

Fluss als dominierender Faktor

Grundsätzlich weiss man, dass im Wesentlichen drei Faktoren über die Form des Flussdeltas entscheiden: Neben dem Fluss selbst sind dies die Gezeitenschwankungen und die Wellen des Gewässers, in das der Fluss mündet. Je nach dem, welcher Aspekt dominiert, entsteht eine ganz andere Geländeform. "Unser Modell berücksichtigt hauptsächlich den Beitrag des Flusses zur Deltabildung", erläutert Hansjörg Seybold. "Der Effekt der Wellen hingegen wird im Modell indirekt abgebildet. Die Wirkung der Gezeiten durch schwankende Meereshöhen ist im Modell bisher noch nicht berücksichtigt."

Entsprechend diesen Randbedingungen konzentrieren sich die Forscher bei ihren Untersuchungen auf die flussdominierten Deltas. Dieser Deltatyp kommt typischerweise bei Seen vor, weil es dort nur geringe Wellen und keine Gezeitenschwankungen gibt. Aber in gewissen Fällen findet man diese Deltas auch an der Meeresküste. Als Vorzeigebeispiel dient den Wissenschaftlern das Mississippidelta, das geologisch sehr gut untersucht wurde. Der nordamerikanische Strom bildet im Golf von Mexiko ein sogenanntes Vogelfussdelta. Dabei handelt es sich um ein längliches Delta, das in seiner Form an einen Vogelfuss erinnert. "Mit unserem Modell können wir insbesondere zeigen, wie sich der Fluss von Zeit zu Zeit einen neuen Weg zum Meer suchen muss", hält der Hansjörg Seybold fest. "Aus geologischen Untersuchungen weiss man, dass der Mississippi ungefähr alle 1000 Jahre seinen Lauf änderte, weil das abgelagerte Material an der Mündung die Zufuhr blockierte."

Realitätsnahe Komplexität

Wie gut das Modell die Vorgänge nachzubilden vermag, zeigt sich, wenn man die fraktale Dimension der realen und simulierten Deltas vergleicht. Mit der fraktalen Dimension können komplexe räumliche Strukturen beschrieben werden, wie man sie eben beispielsweise bei grossen Flussdeltas findet. "Beim sibirischen Fluss Lena ergaben unsere Simulationen eine ähnlich komplexe Struktur wie beim realen Delta", erzählt Hansjörg Seybold. "Das zeigt, dass unser Ansatz sehr realistische Lösungen liefert." Mit dem neuen Modell können die Forscher aber nicht nur die Prozesse, welche ein Delta formen, genauer untersuchen. Das Programm erlaubt es auch, die künftige Entwicklung eines Deltas zu analysieren. Am Beispiel des Okawango-Deltas in Botswana soll nun im Rahmen eines SNF-Projekts in Zusammenarbeit mit dem Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich geklärt werden, welche Faktoren im Einzelnen die künftige Gestalt dieses bedeutenden Feuchtgebiets prägen werden.