Mäander
Ein Mäander ist eine Reihe regelmäßiger Kurven im Gerinne eines Flusses oder eines anderen Wasserlaufs. Er entsteht dadurch, dass ein Wasserlauf die Sedimente eines äußeren, konkaven Ufers erodiert und Sedimente auf einem inneren, konvexen Ufer ablagert, bei dem es sich in der Regel um einen Spitzriegel handelt. Das Ergebnis dieser gekoppelten Erosion und Sedimentation ist die Bildung eines gewundenen Verlaufs, wenn das Gerinne in der Achse einer Aue hin und her wandert. ⓘ
Der Bereich, in dem ein mäandrierender Bach sein Gerinne periodisch verlagert, wird als Mäandergürtel bezeichnet. Er beträgt in der Regel das 15- bis 18-fache der Breite des Gerinnes. Im Laufe der Zeit wandern die Mäander flussabwärts, manchmal in so kurzer Zeit, dass sie die Gemeinden vor bautechnische Herausforderungen stellen, wenn sie versuchen, stabile Straßen und Brücken zu erhalten. ⓘ
Der Grad der Mäandrierung des Gerinnes eines Flusses, Baches oder eines anderen Wasserlaufs wird durch seine Krümmung gemessen. Die Krümmung eines Wasserlaufs ist das Verhältnis zwischen der Länge des Gerinnes und der geradlinigen Talabwärtsstrecke. Bäche oder Flüsse mit einem einzigen Gerinne und einer Neigung von 1,5 oder mehr werden als mäandrierende Bäche oder Flüsse bezeichnet. ⓘ
Mäander ist die Bezeichnung einer Flussschlinge in einer Abfolge weiterer Flussschlingen, wie sie sich in unbefestigten Fließgewässerabschnitten mit sehr geringem Sohlgefälle und gleichzeitig transportiertem, feinkörnigem Geschiebe auf natürliche Weise bildet. Entsprechende Flussabschnitte werden als mäandrierende Flüsse bezeichnet. Mäander greifen mit der Zeit durch Erosion an der Kurvenaußenseite (Prallhang) und Sedimentation an der Kurveninnenseite (Gleithang) immer weiter seitlich aus, bis es an den Enden der Schlinge zu einem Durchbruch kommt. Danach wird der Mäander zum Altarm und verlandet schließlich. ⓘ
Die Intensität des Mäandrierens eines Fließgewässers hängt von der Beschaffenheit des Untergrundes und der Fließgeschwindigkeit ab. Als einfaches Maß dient das als Sinuosität bezeichnete Verhältnis von Gewässerlänge zu Luftlinie. ⓘ
Ursprung des Begriffs
Der Begriff leitet sich von dem gewundenen Fluss Menderes ab, der in Kleinasien liegt und den alten Griechen als Μαίανδρος Maiandros (lateinisch: Maeander) bekannt war, der sich durch einen sehr gewundenen Verlauf entlang des Unterlaufs auszeichnete. Infolgedessen wurde der Name des Flusses bereits im klassischen Griechenland (und im späteren griechischen Denken) zu einem gebräuchlichen Substantiv, das sowohl für alles Verschlungene und Gewundene, wie z. B. dekorative Muster oder Sprache und Ideen, als auch für das geomorphologische Merkmal steht. Strabo sagte: "...sein Lauf ist so außerordentlich gewunden, dass alles Gewundene mäandrierend genannt wird". ⓘ
Der Mäander liegt südlich von Izmir, östlich der antiken griechischen Stadt Milet, dem heutigen Milet in der Türkei. Er fließt durch eine Reihe von drei Gräben im Menderes-Massiv, hat aber ein Überschwemmungsgebiet, das viel breiter ist als die Mäanderzone in seinem Unterlauf. Sein moderner türkischer Name lautet Büyük Menderes-Fluss. ⓘ
Das Wort Mäander stammt vom griechischen Namen Μαίανδρος Maiandros für die heute den Namen Menderes tragenden Flüsse in der westlichen Türkei (Großer Mäander und Kleiner Mäander, der Kleine Mäander trug jedoch in der Antike ursprünglich einen anderen Namen). Bereits in der Antike waren die genannten Wasserläufe bekannt für ihre zahlreichen Flussschlingen. ⓘ
Beherrschende Physik
Mäander entstehen durch die Wechselwirkung des durch ein gekrümmtes Gerinne fließenden Wassers mit dem darunter liegenden Flussbett. Dadurch entsteht eine schraubenförmige Strömung, bei der sich das Wasser entlang des Flussbetts vom äußeren zum inneren Ufer bewegt und dann in der Nähe der Oberfläche des Flusses zum äußeren Ufer zurückfließt. Dadurch erhöht sich die Tragfähigkeit für Sedimente am Außenufer und verringert sich am Innenufer, so dass Sedimente vom Außenufer erodiert und am Innenufer des nächsten flussabwärts gelegenen Mäanders wieder abgelagert werden. ⓘ
Wenn ein Fluid in ein zunächst gerades und dann gekrümmtes Gerinne eingeleitet wird, erzeugen die Seitenwände ein Druckgefälle, das das Fluid veranlasst, seinen Kurs zu ändern und der Krümmung zu folgen. Von hier an laufen zwei gegenläufige Prozesse ab: (1) irrotierende Strömung und (2) sekundäre Strömung. Damit ein Fluss mäandriert, muss die Sekundärströmung überwiegen. ⓘ
Irrotationale Strömung: Aus den Bernoulli-Gleichungen geht hervor, dass ein hoher Druck zu einer niedrigen Geschwindigkeit führt. Wenn es keine Sekundärströmung gibt, würden wir daher eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit an der äußeren Biegung und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit an der inneren Biegung erwarten. Dieses klassische Ergebnis der Strömungsmechanik ist die irrotierende Wirbelströmung. Im Zusammenhang mit mäandrierenden Flüssen werden ihre Auswirkungen von denen der Sekundärströmung dominiert. ⓘ
Sekundäre Strömung: Es besteht ein Kräftegleichgewicht zwischen Druckkräften, die in Richtung der Innenkurve des Flusses wirken, und Fliehkräften, die in Richtung der Außenkurve des Flusses wirken. Im Zusammenhang mit mäandrierenden Flüssen existiert eine Grenzschicht innerhalb der dünnen Flüssigkeitsschicht, die mit dem Flussbett interagiert. Innerhalb dieser Schicht und gemäß der Standardgrenzschichttheorie ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit praktisch gleich Null. Die Zentrifugalkraft, die von der Geschwindigkeit abhängt, ist daher ebenfalls gleich Null. Die Druckkraft bleibt jedoch von der Grenzschicht unbeeinflusst. Daher dominiert innerhalb der Grenzschicht die Druckkraft, und die Flüssigkeit bewegt sich entlang der Flusssohle von der Außenkurve zur Innenkurve. Dadurch wird eine schraubenförmige Strömung ausgelöst: Entlang der Flusssohle folgt die Flüssigkeit in etwa der Krümmung des Gerinnes, wird aber auch zur Innenkurve hin gezwungen; von der Flusssohle weg folgt die Flüssigkeit ebenfalls in etwa der Krümmung des Gerinnes, wird aber in gewissem Maße von der Innen- zur Außenkurve gezwungen. ⓘ
Die höheren Geschwindigkeiten an der Außenkurve führen zu höheren Scherspannungen und damit zu Erosion. Ebenso führen geringere Geschwindigkeiten an der Innenkurve zu geringeren Scherspannungen, und es kommt zu Ablagerungen. Mäanderbögen erodieren also an der Außenkurve, wodurch der Fluss immer kurviger wird (bis es zu Abschneidungen kommt). An der Innenkurve kommt es zu Ablagerungen, so dass bei den meisten natürlichen mäandrierenden Flüssen die Flussbreite nahezu konstant bleibt, auch wenn sich der Fluss weiterentwickelt. ⓘ
In einer Rede vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 1926 schlug Albert Einstein vor, dass die Corioliskraft der Erde ein kleines Ungleichgewicht in der Geschwindigkeitsverteilung verursachen kann, so dass die Geschwindigkeit an einem Ufer höher ist als am anderen, und dass dies die Erosion an einem Ufer und die Ablagerung von Sedimenten am anderen auslösen könnte, wodurch Mäander entstehen. ⓘ
Geometrie der Mäander
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Die technische Beschreibung eines mäandrierenden Wasserlaufs wird als Mäandergeometrie oder Mäander-Planform-Geometrie bezeichnet. Er ist durch eine unregelmäßige Wellenform gekennzeichnet. Ideale Wellenformen, wie z. B. eine Sinuswelle, sind eine Linie dick, aber im Falle eines Flusses muss die Breite berücksichtigt werden. Die Uferbreite ist der Abstand über das Bett bei einem durchschnittlichen Querschnitt auf der Höhe des gesamten Flusses, der in der Regel durch die Linie der niedrigsten Vegetation bestimmt wird. ⓘ
Als Wellenform folgt der mäandrierende Bach der Talachse, einer geraden Linie, die so an die Kurve angepasst wird, dass die Summe aller von ihr gemessenen Amplituden gleich Null ist. Diese Achse stellt die Gesamtrichtung des Stroms dar. ⓘ
In jedem Querschnitt folgt die Strömung der gewundenen Achse, der Mittellinie des Bettes. Zwei aufeinander folgende Kreuzungspunkte der kurvenreichen und der talwärts gerichteten Achse definieren eine Mäanderschleife. Der Mäander besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Schleifen, die in entgegengesetzte Querrichtungen weisen. Der Abstand eines Mäanders entlang der Talachse ist die Mäanderlänge oder Wellenlänge. Der maximale Abstand zwischen der Talachse und der gewundenen Achse einer Schleife ist die Mäanderbreite oder Amplitude. Der Verlauf an diesem Punkt ist der Scheitelpunkt. ⓘ
Im Gegensatz zu Sinuswellen sind die Schleifen eines mäandrierenden Baches eher kreisförmig. Die Krümmung variiert von einem Maximum am Scheitelpunkt bis zum Nullpunkt an einem Kreuzungspunkt (Gerade), der auch als Wendepunkt bezeichnet wird, da die Krümmung in diesem Bereich ihre Richtung ändert. Der Radius der Schleife ist die Gerade, die senkrecht zur Talachse verläuft und die gewundene Achse im Scheitelpunkt schneidet. Da die Schleife nicht ideal ist, werden zusätzliche Informationen benötigt, um sie zu charakterisieren. Der Orientierungswinkel ist der Winkel zwischen der gewundenen Achse und der Talachse an einem beliebigen Punkt der gewundenen Achse. ⓘ
Eine Schleife am Scheitelpunkt hat ein äußeres oder konkaves Ufer und ein inneres oder konvexes Ufer. Der Mäandergürtel wird durch eine durchschnittliche Mäanderbreite definiert, die von Außenufer zu Außenufer und nicht von Mittellinie zu Mittellinie gemessen wird. Wenn es ein Überschwemmungsgebiet gibt, erstreckt es sich über den Mäandergürtel hinaus. Der Mäander wird dann als frei bezeichnet - er kann sich überall im Überschwemmungsgebiet befinden. Wenn es kein Überschwemmungsgebiet gibt, sind die Mäander fest. ⓘ
Verschiedene mathematische Formeln setzen die Variablen der Mäandergeometrie in Beziehung. Wie sich herausstellt, können einige numerische Parameter festgelegt werden, die in den Formeln erscheinen. Die Wellenform hängt letztlich von den Eigenschaften des Flusses ab, aber die Parameter sind davon unabhängig und werden offenbar durch geologische Faktoren verursacht. Im Allgemeinen beträgt die Mäanderlänge das 10- bis 14-fache (im Durchschnitt das 11-fache) der vollen Kanalbreite und das 3- bis 5-fache (im Durchschnitt das 4,7-fache) des Krümmungsradius am Scheitelpunkt. Dieser Radius beträgt das 2-3fache der Kanalbreite. ⓘ
Ein Mäander weist auch ein Tiefenmuster auf. Die Übergänge sind durch Riffles oder flache Betten gekennzeichnet, während sich an den Scheitelpunkten Pools befinden. In einem Tümpel ist die Strömungsrichtung abwärts gerichtet, wodurch das Sohlmaterial aufgespült wird. Das Hauptvolumen fließt jedoch langsamer auf der Innenseite der Kurve, wo es aufgrund der geringeren Geschwindigkeit Sediment ablagert. ⓘ
Die Linie der maximalen Tiefe oder des Gerinnes ist der Thalweg oder die Thalweglinie. Sie wird in der Regel als Grenzlinie bezeichnet, wenn Flüsse als politische Grenzen verwendet werden. Der Thalweg verläuft an den äußeren Ufern und kehrt über die Riffles zur Mitte zurück. Die Länge des Mäanderbogens ist die Entfernung entlang des Thalwegs über einen Mäander. Die Flusslänge ist die Länge entlang der Mittellinie. ⓘ
Entstehung
Sobald ein Gerinne beginnt, einem sinusförmigen Verlauf zu folgen, nehmen Amplitude und Konkavität der Schleifen drastisch zu. Dies ist auf den Effekt der schraubenförmigen Strömung zurückzuführen, die dichtes erodiertes Material in das Innere der Kurve spült und die Außenseite der Kurve ungeschützt und anfällig für eine beschleunigte Erosion lässt. So entsteht eine positive Rückkopplungsschleife. Mit den Worten von Elizabeth A. Wood:
'...dieser Prozess der Mäanderbildung scheint ein sich selbst verstärkender Prozess zu sein...in dem eine größere Krümmung zu einer stärkeren Erosion des Ufers führt, was wiederum eine größere Krümmung zur Folge hat...' ⓘ
Die Querströmung entlang der Sohle des Gerinnes ist Teil der Sekundärströmung und spült dichtes erodiertes Material in das Innere der Kurve. Die Querströmung steigt dann in der Nähe der Innenseite an die Oberfläche und fließt nach außen, wobei sie die spiralförmige Strömung bildet. Je stärker die Krümmung des Bogens und je schneller die Strömung, desto stärker sind der Querstrom und die Mitnahme. ⓘ
Aufgrund der Drehimpulserhaltung ist die Geschwindigkeit auf der Innenseite der Krümmung höher als auf der Außenseite. ⓘ
Da die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, nimmt auch der Zentrifugaldruck ab. Der Druck der überhöhten Säule überwiegt und erzeugt ein unausgewogenes Gefälle, das das Wasser über den Boden von außen nach innen zurücktransportiert. Die Strömung wird durch eine Gegenströmung an der Oberfläche von innen nach außen unterstützt. Diese ganze Situation ähnelt sehr dem Teeblatt-Paradoxon. Diese sekundäre Strömung transportiert Sedimente von der Außenseite der Kurve nach innen, wodurch der Fluss mäandrierend wird. ⓘ
Zu der Frage, warum sich Flüsse jeglicher Größe überhaupt schlängeln, gibt es eine Reihe von Theorien, die sich nicht unbedingt gegenseitig ausschließen. ⓘ
Stochastische Theorie
Die stochastische Theorie kann viele Formen annehmen, aber eine der allgemeinsten Aussagen ist die von Scheidegger: "Man nimmt an, dass der Mäanderzug das Ergebnis stochastischer Schwankungen der Fließrichtung aufgrund des zufälligen Vorhandenseins von richtungsändernden Hindernissen im Flusslauf ist. Bei einer flachen, glatten, geneigten künstlichen Oberfläche fließt der Regen in Bahnen ab, aber auch in diesem Fall erzeugen die Adhäsion des Wassers an der Oberfläche und die Kohäsion der Tropfen zufällige Rinnsale. Natürliche Oberflächen sind in unterschiedlichem Maße rau und erodierbar. Das Ergebnis all dieser zufällig wirkenden physikalischen Faktoren sind Rinnen, die nicht gerade sind und sich allmählich wellenförmig entwickeln. Selbst scheinbar gerade Rinnen haben einen gewundenen Thalweg, der schließlich in eine gewundene Rinne mündet. ⓘ
Theorie des Gleichgewichts
Nach der Gleichgewichtstheorie verringern Mäander das Gefälle des Flusses, bis ein Gleichgewicht zwischen der Erodierbarkeit des Geländes und der Transportkapazität des Flusses erreicht ist. Eine abwärts fließende Wassermasse muss potentielle Energie abgeben, die bei gleicher Geschwindigkeit am Ende des Gefälles wie am Anfang durch Wechselwirkung mit dem Material des Bachbettes abgebaut wird. Die kürzeste Strecke, d. h. ein gerades Gerinne, bringt die höchste Energie pro Längeneinheit mit sich, wodurch die Ufer stärker aufgerissen werden, mehr Sediment gebildet wird und der Bach verlandet. Das Vorhandensein von Mäandern ermöglicht es dem Fluss, die Länge so anzupassen, dass ein Gleichgewicht der Energie pro Längeneinheit erreicht wird, bei dem der Fluss das gesamte von ihm produzierte Sediment abträgt. ⓘ
Geomorphologische und morphotektonische Theorie
Geomorphie bezieht sich auf die Oberflächenstruktur des Geländes. Morphotektonisch bedeutet, dass es sich um die tiefere oder tektonische (Platten-)Struktur des Gesteins handelt. Die unter diese Kategorien fallenden Merkmale sind nicht zufällig und lenken die Ströme in nicht zufällige Bahnen. Es handelt sich um vorhersehbare Hindernisse, die die Mäanderbildung durch Ablenkung des Baches bewirken. So kann der Bach beispielsweise in eine Verwerfungslinie (morphotektonisch) gelenkt werden. ⓘ
Zugehörige Landformen
Eingeschnittenes Ufer
Ein Steilufer ist ein oft senkrechtes Ufer oder eine Klippe, die sich dort bildet, wo das äußere, konkave Ufer eines Mäanders in die Aue oder Talwand eines Flusses oder Baches schneidet. Ein Steilufer wird auch als Flussklippe, Flussklippe oder Steilufer bezeichnet und als Cutbank geschrieben. Die Erosion, die einen Ufereinschnitt bildet, tritt an der Außenseite eines Mäanders auf, weil die schraubenförmige Wasserströmung das Ufer von losem Sand, Schlick und Sediment freihält und es einer ständigen Erosion aussetzt. Infolgedessen erodiert der Mäander und wandert in Richtung der äußeren Biegung, wodurch das angeschnittene Ufer entsteht. ⓘ
Wenn das angeschnittene Ufer durch Erosion unterspült wird, bricht es in der Regel in Form von Einbrüchen in das Flussbett ein. Das durch den Einsturz zerkleinerte Sediment wird leicht erodiert und in die Mitte des Gerinnes getragen. Das von einem abgeschnittenen Ufer erodierte Sediment lagert sich in der Regel an der Spitzenleiste des nächsten stromabwärts gelegenen Mäanders ab und nicht an der gegenüberliegenden Spitzenleiste. Dies ist in Gebieten zu beobachten, in denen Bäume an den Ufern von Flüssen wachsen; auf der Innenseite von Mäandern stehen Bäume, wie z. B. Weiden, oft weit vom Ufer entfernt, während auf der Außenseite der Biegung die Baumwurzeln oft freiliegen und unterhöhlt werden, so dass die Bäume schließlich in den Fluss fallen. ⓘ
Abgeschnittene Mäander
Ein abgeschnittener Mäander, auch bekannt als abgeschnittener Mäander oder aufgegebener Mäander, ist ein Mäander, der von seinem Fluss nach der Bildung einer Einschnittstelle aufgegeben wurde. Ein See, der in einem abgeschnittenen Mäander liegt, wird als Altarm bezeichnet. Abgeschnittene Mäander, die sich nach unten in das darunter liegende Gestein geschnitten haben, werden im Allgemeinen als eingeschnittene Mäander bezeichnet. Wie im Fall des Anderson Bottom Rincon werden eingeschnittene Mäander, die entweder steil abfallende, oft vertikale Wände haben, im Südwesten der Vereinigten Staaten häufig, aber nicht immer, als Rincons bezeichnet. Rincon ist im Südwesten der Vereinigten Staaten ein nichttechnisches Wort für ein kleines, abgelegenes Tal, eine Nische oder eine eckige Vertiefung in einer Klippe oder eine Flussbiegung. ⓘ
Eingeschnittene Mäander
Die Mäander eines Baches oder Flusses, der sein Bett in das Gestein geschnitten hat, werden als eingeschnittene, eingegrabene, verschanzte, eingeschlossene oder eingewachsene Mäander bezeichnet. Einige Geowissenschaftler kennen und verwenden eine feinere Untergliederung der eingeschnittenen Mäander. Thornbury vertritt die Auffassung, dass eingeschnittene oder eingeschlossene Mäander Synonyme sind, die geeignet sind, jeden Mäander zu beschreiben, der nach unten in das Grundgestein eingeschnitten ist, und definiert eingeschlossene oder eingegrabene Mäander als eine Unterart der eingeschnittenen Mäander (eingeschlossene Mäander), die durch symmetrische Talseiten gekennzeichnet sind. Er argumentiert, dass die symmetrischen Talseiten das unmittelbare Ergebnis eines schnellen Einschnitts eines Wasserlaufs in das Grundgestein sind. Darüber hinaus argumentiert Thornbury, wie von Rich vorgeschlagen, dass eingeschnittene Täler mit einer ausgeprägten Asymmetrie des Querschnitts, die er als eingewachsene Mäander bezeichnet, das Ergebnis der seitlichen Wanderung und des Einschnitts eines Mäanders während einer Periode langsamerer Abwärtsbewegung des Kanals sind. Unabhängig davon wird davon ausgegangen, dass die Bildung von eingeschnittenen Mäandern und eingewachsenen Mäandern ein Absinken des Grundwasserspiegels voraussetzt, das entweder durch eine relative Veränderung des mittleren Meeresspiegels, durch isostatische oder tektonische Hebung, durch den Bruch eines Eis- oder Erdrutschdamms oder durch regionale Kippung verursacht wird. Klassische Beispiele für eingeschnittene Mäander sind Flüsse im Colorado Plateau, die Palisaden des Kentucky River in Zentral-Kentucky und Bäche im Ozark Plateau. ⓘ
Wie bereits erwähnt, wurde ursprünglich entweder behauptet oder vermutet, dass ein eingeschnittener Mäander charakteristisch für einen Vorgängerstrom oder -fluss ist, der seinen Kanal in die darunter liegenden Schichten eingeschnitten hat. Ein Vorgängerbach oder -fluss behält während des Einschnitts seinen ursprünglichen Verlauf und sein Muster bei, obwohl sich die Topografie und die Gesteinsarten darunter ändern. Spätere Geologen argumentieren jedoch, dass die Form eines eingeschnittenen Mäanders nicht immer, wenn überhaupt, "vererbt" wird, d. h. streng genommen von einem vorhergehenden mäandrierenden Fluss, bei dem sich das Mäandermuster auf einer ebenen Flussaue frei entwickeln konnte. Stattdessen argumentieren sie, dass der Flusslauf im Zuge des fluvialen Einschnitts in das Grundgestein durch Variationen der Gesteinsart und durch Brüche, Verwerfungen und andere geologische Strukturen erheblich verändert wird, so dass entweder lithologisch bedingte Mäander oder strukturell kontrollierte Mäander entstehen. ⓘ
Altarmseen
Der Altwassersee, der häufigste Typ eines Flusssees, ist ein halbmondförmiger See, der seinen Namen von seiner charakteristischen geschwungenen Form ableitet. Altwasserseen werden auch als abgeschnittene Seen bezeichnet. Solche Seen bilden sich regelmäßig in ungestörten Überschwemmungsgebieten als Ergebnis des normalen Prozesses der fluvialen Mäanderbildung. Entweder bildet ein Fluss oder ein Bach ein gewundenes Gerinne, indem die Außenseite seiner Kurven erodiert wird und sich auf der Innenseite Sedimente ansammeln, die eine mäandernde hufeisenförmige Kurve bilden. Schließlich durchschneidet der Flusskanal den engen Mäanderhals und bildet einen abgeschnittenen Mäander. Der endgültige Durchbruch des Halses, der als Halsabschneidung bezeichnet wird, erfolgt häufig bei einem großen Hochwasser, da der Fluss dann aus seinen Ufern tritt und direkt über den Hals fließen und diesen mit der vollen Kraft des Hochwassers erodieren kann. ⓘ
Nachdem sich ein Mäander gebildet hat, fließt das Wasser vom Fluss in sein Ende und bildet bei Hochwasser kleine deltaähnliche Strukturen an beiden Enden. Diese deltaförmigen Gebilde blockieren beide Enden des abgeschnittenen Mäanders und bilden so einen stehenden Altarm, der von der Strömung der Flussrinne getrennt und vom Fluss unabhängig ist. Bei Hochwasser lagert das Hochwasser feinkörniges Sediment im Altarmsee ab. Infolgedessen neigen Altarme dazu, sich im Laufe der Zeit mit feinkörnigen, organisch reichen Sedimenten zu füllen. ⓘ
Punktförmige Barriere
Ein Punktriegel, der auch als Mäanderriegel bezeichnet wird, ist ein fluvialer Riegel, der sich durch die langsame, oft episodische Anlagerung einzelner, nicht kohäsiver Sedimente am Innenufer eines Mäanders durch die begleitende Wanderung des Gerinnes zu seinem Außenufer bildet. Dieser Vorgang wird als laterale Akkretion bezeichnet. Die seitliche Anlagerung erfolgt vor allem bei Hochwasser oder Überschwemmungen, wenn der Spitzriegel überflutet wird. In der Regel besteht das Sediment entweder aus Sand, Kies oder einer Kombination aus beidem. Das Sediment, aus dem sich manche Stege zusammensetzen, kann stromabwärts in schluffige Sedimente übergehen. Aufgrund der abnehmenden Geschwindigkeit und Stärke der Strömung vom Thalweg des Gerinnes bis zur Oberseite des Punktbalkens, wenn das Sediment abgelagert wird, wird die vertikale Abfolge der Sedimente, aus denen ein Punktbalken besteht, innerhalb eines einzelnen Punktbalkens nach oben hin feiner. So ist es beispielsweise typisch, dass sich die Ablagerungen von Kies an der Sohle zu feinen Sanden an der Oberseite verdichten. Die Quelle des Sediments sind in der Regel flussaufwärts gelegene Uferabbrüche, von denen Sand, Steine und Geröll erodiert und über das Flussbett und flussabwärts zum Innenufer einer Flussbiegung gerollt wurden. An der Innenseite der Flussbiegung werden diese Sedimente und Geröllteile schließlich auf der abrutschenden Böschung eines Spitzriegels abgelagert. ⓘ
Spiralstege
Spiralstege sind das Ergebnis einer kontinuierlichen seitlichen Wanderung einer Mäanderschleife, die eine asymmetrische Kamm- und Senktopografie an der Innenseite der Kurven erzeugt. Die Topografie verläuft im Allgemeinen parallel zum Mäander und steht in Zusammenhang mit wandernden Barrenformen und Rückbarrenrutschen, die Sedimente von der Außenseite der Kurve abtragen und im langsamer fließenden Wasser auf der Innenseite der Schleife ablagern, was als laterale Akkretion bezeichnet wird. Schneckenbarrensedimente zeichnen sich durch eine Querschichtung und eine aufwärts gerichtete Verfeinerung aus. Diese Merkmale sind das Ergebnis eines dynamischen Flusssystems, in dem größere Körner während energiereicher Hochwasserereignisse transportiert werden und dann allmählich abklingen, wobei sich mit der Zeit kleineres Material ablagert (Batty 2006). Die Ablagerungen von mäandrierenden Flüssen sind im Allgemeinen homogen und seitlich ausgedehnt, im Gegensatz zu den heterogeneren Ablagerungen von verzweigten Flüssen. Es gibt zwei verschiedene Muster von Ablagerungen mit Spiralbalken: das Spiralbalkenmuster mit Wirbelakkretion und das Spiralbalkenmuster mit Punktbildung. Wenn man das Flusstal hinunterschaut, kann man sie unterscheiden, weil die punktförmigen Ablagerungen konvex und die wirbelbedingten Ablagerungen konkav geformt sind. ⓘ
An den Spitzen der Bergrücken erscheinen die Schnecken oft heller, in den Senken dunkler. Das liegt daran, dass die Spitzen durch Wind geformt werden können, der entweder feine Körner hinzufügt oder das Gebiet unbewachsen hält, während die Dunkelheit in den Senken auf Schlamm und Ton zurückzuführen ist, die während Hochwasserperioden angeschwemmt werden. Diese zusätzlichen Sedimente und das Wasser, das sich in den Gräben sammelt, bilden wiederum ein günstiges Umfeld für die Vegetation, die sich ebenfalls in den Gräben ansammelt. ⓘ
Abrutschen der Böschung
Je nachdem, ob ein Mäander Teil eines befestigten Flusses oder Teil eines frei mäandrierenden Flusses in einer Aue ist, kann sich der Begriff Abrutschhang auf zwei verschiedene fluviale Landformen beziehen, die das innere, konvexe Ufer einer Mäanderschleife bilden. Im Falle eines frei mäandrierenden Flusses in einer Aue ist ein Gleithang das innere, sanft abfallende Ufer einer Mäanderschleife, an dem sich Sedimente episodisch ansammeln, um einen Spitzriegel zu bilden, während ein Fluss mäandriert. Diese Art von Abrutschhang befindet sich gegenüber dem Einschnittufer. Dieser Begriff kann auch auf das innere, abfallende Ufer eines mäandrierenden Tidekanals angewendet werden. ⓘ
Im Falle eines verschanzten Flusses ist eine Abrutschböschung eine sanft abfallende Felsfläche, die sich vom inneren, konkaven Ufer eines asymmetrisch verschanzten Flusses erhebt. Diese Art von Gleithang ist häufig von einer dünnen, diskontinuierlichen Schicht aus Schwemmland bedeckt. Er entsteht durch die allmähliche Auswärtswanderung des Mäanders, wenn sich ein Fluss in das Grundgestein einschneidet. Eine Terrasse auf dem Abgleithang eines Mäandersporns, die als Abgleithangterrasse bezeichnet wird, kann durch eine kurze Unterbrechung während des unregelmäßigen Einschnitts durch einen aktiv mäandrierenden Fluss entstehen. ⓘ
Abgeleitete Größen
Das Mäanderverhältnis oder der Sinuositätsindex gibt an, wie stark ein Fluss oder Bach mäandriert (wie stark sein Lauf vom kürzest möglichen Weg abweicht). Er wird berechnet als die Länge des Flusses geteilt durch die Länge des Tals. Ein vollkommen gerader Fluss hätte einen Mäanderquotienten von 1 (er wäre genauso lang wie sein Tal), je höher der Quotient über 1 liegt, desto stärker mäandriert der Fluss. ⓘ
Die Mäanderzahl wird anhand einer Karte oder eines Luftbildes berechnet, das über eine Strecke gemessen wird, die mindestens das 20-fache der durchschnittlichen Breite des Gerinnes über die gesamte Länge beträgt. Die Länge des Fließgewässers wird durch die Länge des Gerinnes oder des Thalweges über die Strecke gemessen, während der untere Wert des Verhältnisses die Länge des Talabschnitts oder die Luftstrecke des Fließgewässers zwischen zwei Punkten, die die Strecke definieren, ist. ⓘ
Die Gewässergängigkeit spielt eine Rolle bei der mathematischen Beschreibung von Fließgewässern. Der Index muss unter Umständen weiter ausgearbeitet werden, da das Tal auch mäandrieren kann, d. h. die Länge des Tals ist nicht mit der Reichweite identisch. In diesem Fall ist der Talindex das Mäanderverhältnis des Tals, während der Gerinneindex das Mäanderverhältnis des Gerinnes ist. Der Gerinne-Sinuositätsindex ist die Gerinnelänge geteilt durch die Tallänge und der Standard-Sinuositätsindex ist der Gerinneindex geteilt durch den Talindex. Die Unterscheidungen können noch feiner werden. ⓘ
Der Sinuositätsindex hat auch einen nicht-mathematischen Nutzen. Flüsse können nach diesem Index in Kategorien eingeteilt werden; liegt der Index beispielsweise zwischen 1 und 1,5, so ist der Fluss kurvenreich, liegt er jedoch zwischen 1,5 und 4, so ist er mäandrierend. Der Index ist auch ein Maß für die Fließgeschwindigkeit und die Sedimentfracht, die bei einem Index von 1 (gerade) am größten ist. ⓘ
Strömungsphysik
Durchbruch
Berühren sich zwei benachbarte Flussschlingen, bricht der Fluss durch und fließt künftig durch die Abkürzung. Zurück bleibt ein bogenförmiger Altarm (engl. oxbow lake), der nicht mehr durchflossen wird. ⓘ
In der Regel bildet sich an der Durchbruchstelle durch den Höhenunterschied eine Stromschnelle, die sich in einer rückschreitenden Erosion flussaufwärts verlagert. Das oberhalb befindliche Flussbett liegt dadurch nach einiger Zeit entsprechend tiefer. Diese Flussbettvertiefung betrifft nicht den Altarm; in dem stehenden Gewässer sinkt im Gegenteil das Sediment zu Boden und zusammen mit dem Laubeintrag verlandet das stehende Altwasser immer weiter. ⓘ
Talmäander
Von den sogenannten freien Mäandern der Schwemmebenen zu unterscheiden sind Talmäander. Dies sind tief eingeschnittene, windungsreiche Flusstäler, die in ihrer Gestalt den Mäandern frei fließender Flüsse ähneln. Für ihre Entstehung werden verschiedene Modelle diskutiert. Einerseits kann sich ein Fluss bei nachträglicher Geländehebung unter Beibehaltung der im Flachland erworbenen Schlingenform tief ins Gebirge einschneiden. Solche Zwangsmäander verändern jedoch häufig nachträglich ihre Gestalt, meist sind sie langgestreckter. Ebenso sind bei Talmäandern die äußeren Talhänge (Prallhänge) vom Flussbett unterschnitten und steil, während die inneren Talhänge (Gleithänge) flacher geneigt sind. Abweichend von diesem Modell wird in vielen Fällen eine Bildung von Talmäandern für solche Täler diskutiert, bei denen sich ein Fluss in sich hebende, nahezu ebene anstehende Hartgesteine eingeschnitten hat. Hier können die Mäanderböden erst infolge der Hebung entstanden sein, d. h., sie gehen nicht direkt auf frühere Flussschlingen zurück. Beispiele dafür sind der Mittelrhein oder die Moselbögen. Eine Schlingenbildung unter solchen Bedingungen setzt voraus, dass die seitliche (laterale) Erosion des Flusstals im Verhältnis zur Tiefenerosion hoch ist. Beobachtungen in Ostasien deuten darauf hin, dass die Bildung von Talmäandern durch relativ weiche anstehende Gesteine, bevorzugt beim Vorhandensein einzelner härter Lagen, und durch klimatische Verhältnisse mit häufigen Starkregen-Ereignissen gefördert werden. Ausgedehnte Talsedimente, die die Talsohle gegen Erosion schützen, während die Hangbereiche frei liegen, können den Prozess verstärken, aber nicht allein auslösen. Beim Durchbruch der Schlinge eines Talmäanders wird der vom Talabschnitt des Altarms, dem Umlauftal, umgebene Erosionsrest der Hochfläche als Umlaufberg bezeichnet. Aus dem Umlauftal kann sich ein Sonderfall des Trockentals entwickeln. ⓘ
Auswirkungen auf den Menschen
Politische Auswirkungen
Bei Flüssen, in denen Landesgrenzen verlaufen, wird in der Regel ihr Talweg in Grenzverträgen als Grenzlinie verwendet, so dass selbst die Zugehörigkeit von Flussinseln eindeutig geregelt werden kann. Ist ein Gewässerverlauf erst einmal geodätisch definiert, können Änderungen im Flussverlauf zur Bildung von Flächen führen, die zwar nach wie vor Teil einer Gebietseinheit sind, von dieser jedoch durch den neuen Flussverlauf abgetrennt und somit oft schlecht zugänglich sind. Mitunter kommt es in diesen Fällen zum Gebietstausch; ferner bieten sich solche Bereiche auch als Naturreservat oder Retentionsfläche an. ⓘ
Wirtschaftsfaktor
Wegen der höheren Fließgeschwindigkeit standen historische Wassermühlen bevorzugt an jüngeren Mäanderdurchbrüchen. ⓘ
Stark mäandrierende Flüsse, wie der Mississippi oder der Rhein, sind vielfach durch Flussbegradigung schiffbar gemacht worden. Der Rhein wurde allein durch die von Johann Gottfried Tulla zwischen 1817 und 1819 eingeleitete Begradigung von Karlsruhe bis Mannheim von 135 Kilometer auf 86 Kilometer verkürzt. Eine solche Flussbegradigung hat eine Absenkung des Grundwasserspiegels und durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit eine stärkere Erosion des Flussbettes zur Folge, damit besteht eine höhere Hochwassergefahr für nachfolgende Flussabschnitte. Die landwirtschaftliche Nutzbarkeit der anliegenden Flächen und die Wasserversorgung anliegender Waldflächen wird verändert. ⓘ
Die physikalischen Gewalten des Mississippi, die im Laufe der Zeit zu überlagernden Mäanderverläufen geführt haben, sind Teil der amerikanischen Folk-Mythologie. In den 1940er Jahren wurde eine große Studie vom Geologen Harold Fisk durchgeführt. Fisk untersuchte mit einem Team von Geologen und Geographen die Flussläufe des Mississippi: seine Haupt- und Nebenströme, die toten Seitenarme und die trocken gefallenen Flussbette sowie das Schwemmland. ⓘ
Naturschutz
Die negativen Auswirkungen des Flussbaus der vergangenen Jahrzehnte führten zur europäischen Wasserrahmenrichtlinie, aufgrund derer die Uferbefestigungen von begradigten Fließgewässern mancherorts wieder zurückgebaut werden. Dies bezeichnet man als Renaturierung, in der Folge bilden sich in den Fließgewässern auf natürlichem Weg erneut Mäander. Bevorzugt renaturiert werden Oberläufe, die nicht der Schifffahrt dienen, beispielsweise die Nidda bei Bad Vilbel oder der Main bei Unterbrunn. ⓘ
Abgrenzung
Eine einzelne Flussschlinge in einem Flusslauf wie beispielsweise die Saarschleife wird nicht als Mäander bezeichnet, ebenso wenig eine als Flussknie bezeichnete Flussschlinge mit anschließend markant veränderter Fließrichtung. Im Zuge von wasserbaulichen Maßnahmen zum naturnahen Umbau vorher begradigter Fließgewässer wird von diesem Sprachgebrauch allerdings häufig abgewichen und jedes windungs- oder kurvenreiche Gewässerbett „mäandrierend“ genannt, auch dann, wenn die Kurven durch Befestigung festgelegt sind und nicht der natürlichen Gewässerbettdynamik unterliegen. ⓘ