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Veranstaltungen

Ästuare und Küstengewässer der Nordsee 16. Gewässermorphologisches Kolloquium am 6./7. November 2013 in Bremerhaven

Koblenz, April 2014

Impressum Herausgeber:

Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 Postfach 20 02 53 56002 Koblenz Tel.: +49 (0)261 1306-0 Fax: +49 (0)261 1306 5302 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.bafg.de

Druck:

Druckerei des BMVI, Bonn

ISSN 1866 – 220X DOI: 10.5675/BfG_Veranst_2014.2 URL: http://doi.bafg.de/BfG/2014/Veranst2_2014.pdf

Zitiervorschlag: Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg.): Ästuare und Küstengewässer der Nordsee. 16. Gewässermorphologisches Kolloquium am 6./7. November 2013 in Bremerhaven. – Veranstaltungen 2/2014, Koblenz, April 2014, 114 S.; DOI: 10.5675/BfG_Veranst_2014.2 URL: http://doi.bafg.de/BfG/2014/Veranst2_2014.pdf

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Inhaltsverzeichnis

Einführung ............................................................................................................................... 4 Sedimentmanagementkonzept Tideweser Mailin Eberle und Frauke König............................................................................................... 5 Unterhaltungsstrategie Unterweser: Gibt es Optimierungspotenzial im Laichgebiet der Finte (Alosa fallax fallax LACÉPÈDE 1803)? Jürgen Lange ........................................................................................................................... 14 On the impact of human interventions in estuarine dynamics Johan C. Winterwerp ............................................................................................................... 24 Datenbasierte Modellansätze und Analysen für eine konsistente digitale Morphologie und Sedimentologie der Deutschen Bucht Peter Milbradt und Jennifer Valerius ...................................................................................... 27 Aufbau eines morphodynamischen Simulationsmodells für die Deutsche Bucht zur Abschätzung von Sedimenttransportwegen und -mengen Frank Kösters, Bert Putzar, Peter Milbradt und Andreas Plüß ............................................... 36 Langzeituntersuchungen von Megarippeln in Elbe und Jade Thomas Wever ........................................................................................................................ 43 Änderungen der Tidedynamik in der Deutschen Bucht und der Nordsee (vom MSL über den Tidehub zu Extremwerten) Jürgen Jensen .......................................................................................................................... 51 Ausgewählte hydromorphologische Parameter als Zeiger für den Sedimentstatus der Tideems Ina Quick und Sönke Schriever............................................................................................... 63 Sedimentverhältnisse in der Tideelbe und im Hamburger Hafen und Darstellung der bekannten Wirkungspfade Axel Winterscheid, Nino Ohle und Ingo Entelmann .............................................................. 89 Modellierung und Messungen schraubenstrahl-induzierten Sedimenttransports: Hamburg und Singapur Elimar Precht, Nino Ohle, Thomas Strotmann und Oliver Stoschek .................................... 105

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Einführung

Die Geomorphologie untersucht die Formen und formbildenden Prozesse der Oberfläche der Erde. Die Flussmorphologie als Teil der Geomorphologie beschreibt die Gestalt der Fließgewässer und versucht die Vorgänge, die zu deren Ausbildung führen, zu erklären und deren Ursachen zu beschreiben. Aus den naturräumlichen Grundlagen – der Physischen Geographie, der Geologie, der Bodenkunde und der Klimatologie – ergeben sich Abfluss und Feststofftransport, die die Ausformung des Flussbettes und des Ästuars bestimmen. Während des Kolloquiums werden aktuelle Beiträge aus diesen Untersuchungsbereichen für die Ästuare und Küstengewässer der Nordsee vorgestellt.

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Sedimentmanagementkonzept Tideweser

Mailin Eberle und Frauke König

1 Anlass und Zielsetzung Die Tideweser ist als seewärtige Zufahrt zu den Seehäfen in Bremen, Brake, Nordenham und Bremerhaven eine international bedeutsame Wasserstraße. Aufgabe der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) ist es, die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs, u. a. durch Unterhaltungsbaggerungen, zu gewährleisten. Zugleich ist die Tideweser ein besonders wertvolles Ökosystem. Ziel des hier vorgestellten Sedimentmanagementkonzepts Tideweser (SMK Tideweser) ist das Aufzeigen von Handlungsoptionen für die weitere, insbesondere ökologische, Optimierung von Unterhaltungsbaggerungen im Bereich der Tideweser. Das Konzept stellt einen Beitrag der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) für die WRRL- und Natura-2000-Bewirtschaftungsplanung dar. Im Integrierten Bewirtschaftungsplan (IBP) für die Natura-2000-Gebiete im Weserästuar (NLWKN & SUBV 2012) ist die Erstellung und Anwendung eines Sedimentmanagementkonzeptes der WSV explizit als Maßnahme genannt und im Maßnahmenprogramm zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) (FGG Weser 2009) sind in der ersten Bewirtschaftungsperiode Vorarbeiten zu einem integriertem Strombaukonzept vorgesehen. Vor diesem Hintergrund haben die Wasser- und Schifffahrtsämter (WSÄ) Bremerhaven und Bremen die BfG mit der Erstellung des SMK Tideweser beauftragt. Die Beschreibung des aktuellen Sedimentmanagements im SMK Tideweser erfolgte direkt durch das WSA Bremen und auch insgesamt wurde die Erstellung eng von den Auftraggebern begleitet. Das Konzept wurde auf der Basis vorhandener Unterlagen erstellt, spezielle Untersuchungen wurden nicht durchgeführt. Momentan liegt eine vorläufige Endfassung des SMK Tideweser vom 17.10.2013 (BfG 2013) vor. Im SMK Tideweser wird nur das Sedimentmanagement im engeren Sinn betrachtet, d. h. die Unterhaltungsbaggerung und die Baggergutunterbringung. Themen wie Strombau, Reaktivierung von Nebenarmen oder Anlage von Flachwasserzonen werden nur gestreift. Außerdem ist zu beachten, dass im SMK Tideweser keine Bewertung der Verträglichkeit bzgl. WRRL oder FFH/Natura 2000 im rechtlichen Sinne erfolgt. Das Bearbeitungsgebiet umfasst die Tideweser vom Bremer Weserwehr bei km -4 bis zur seewärtigen Grenze etwa bei km 130 (vgl. Abb. 1). Auch die Untere Hunte ab Oldenburg wird mit betrachtet. Die seitliche Grenze des Bearbeitungsgebiets orientiert sich an der MThw-Linie; sofern fachlich geboten, werden jedoch auch oberhalb liegende Bereiche berücksichtigt.

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Abb. 1:

Übersichtskarte des Betrachtungsraums

2 Hydromorphologie und aktuelles Sedimentmanagement Die Tideweser lässt sich hinsichtlich ihrer morphologischen Ausprägung in die Unterweser (km -4 beim Weserwehr in Bremen Hemelingen bis km 65) und die Außenweser (km 65 bis km 130) einteilen. Die Außenweser ist ein typisches naturnahes Flachküstenästuar, das sich trichterförmig nach Nordwesten hin öffnet und durch zahlreiche verzweigte Rinnen, große Wattflächen und eine hohe Morphodynamik gekennzeichnet ist. Die Fahrrinne, mit einer Breite von 220-300 m und einer Solltiefe von 13,95-14,6 m unter SKN, beansprucht nur einen verhältnismäßig geringen Flächenanteil und wird u. a. durch Strombauwerke stabilisiert. Die Gewässerstruktur der Unterweser ist stark bis vollständig verändert. Das Gewässerbett ist durch Buhnen eingeengt, strömungsberuhigte Seitenbereiche und Überschwemmungsflächen sind kaum vorhanden und ca. 60 % der Ufer sind verbaut. Nebenarme und Seitenbereiche sind verschlickt, der rechte Nebenarm fällt bei Tideniedrigwasser bereits trocken. Die Fahrrinnenbreite beträgt 150-200 m bei einer Solltiefe von 9,1-13,9 m unter SKN. Die Unterweser lässt sich in drei Bereiche einteilen, die sich hinsichtlich morphologischer Prozesse und sedimentologischer Gegebenheiten unterscheiden. Dazu gehören die sogenannte „Transportkörperstrecke“ zwischen km 18-54, die Schlickstrecke zwischen km 55-58 und der Blexer Bogen zwischen km 62-65.

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Das Sedimentinventar der Tideweser ist vielfältig und besteht aus bindigen Sedimenten, Sanden und Kiesen bis hin zu Torffeldern, Muschelbruch und Steinfeldern. Insgesamt dominieren Fein-, Mittel- und Grobsande, wie z. B. in der Transportkörperstrecke (Mittelsandanteil bis ca. 90 %), die durch sandige von Riffeln überlagerte subaquatische morphodynamisch aktive Dünen geprägt ist. In der Schlickstrecke sowie in Bereichen des Blexer Bogens überwiegen bindige Sedimente. Die Trübungszone bewegt sich in Abhängigkeit verschiedener Einflüsse (Oberwasserabfluss, Tide etc.) zwischen km 45-75 und verschiebt sich aufgrund des hydrologischen Regimes im Jahresverlauf. Die Schwebstoffgehalte unterliegen zeitlich und räumlich großen Schwankungen, so ergaben Messungen im Bereich der Trübungszone Schwebstoffkonzentrationen an der Sohle bis zu 1.500 mg/l und 400 mg/l oberflächennah. Bei Blexen ergaben Langzeitmessungen eine Schwebstoffkonzentration bis zu 2.000 mg/l in Sohlnähe in der Fahrrinne und etwa 800 mg/l in Sohlnähe außerhalb der Fahrrinne (Aqua Vision 2009). Die Unterhaltungsbaggermengen lagen im Zeitraum von 1998-2010 zwischen 0,5-3,5 Mio. m³ an der Unterweser und 3,5-9,2 Mio. m³ an der Außenweser. Unterhaltungsschwerpunkte in der Unterweser sind die Schlickstrecke und der Blexer Bogen, in der Außenweser die Bereiche zwischen km 70,4-78 und km 85-110. Bereichsweise (z. B. in der Riffelstrecke und der Schlickstrecke) ist zwischen 2004-2010 eine leichte Zunahme der Baggermengen ersichtlich. Ursachen hierfür sind derzeit nicht bekannt, so könnten z. B. großräumige morphologische Veränderungen in der Nordsee oder naturraumbedingte Schwankungen der Grund sein. Grundsätzlich sind belastbare Aussagen zur Baggermengenentwicklung aufgrund der kurzen Zeitreihe mit vergleichbaren morphologischen Gegebenheiten, vielfältigen Einflüssen und der unterschiedlichen Baggermengenermittlung schwierig.

Abb. 2: Darstellung der Verbringungswege von Unterhaltungsbaggergut in der Tideweser

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Die Unterhaltung in der Fahrrinne der Tideweser erfolgt mit Hopperbaggern oder dem Wasserinjektionsgerät; letzteres kommt seit 2003 überwiegend im Bereich der Transportkörper bei sandigem Sediment zum Einsatz (vgl. Abb. 2). Die Unterbringung bei Hopperbaggerungen in der Schlickstrecke und der Außenweser erfolgt in Abhängigkeit der Tidephase, der Entfernung zwischen Bagger- und Umlagerungsstelle und der Sedimentbeschaffenheit auf verschiedene Umlagerungsstellen. In der Unterweser befinden sich zwischen km 42-51,5 feste Unterbringungsstellen an Bereichen ortsfester Übertiefen, auf die geringe Mengen rein sandigen Baggergutes umgelagert werden. Der Großteil des Baggergutes wird auf Unterbringungsstellen in der Außenweser verbracht. Abbildung 2 gibt einen Überblick über Lage der Unterbringungsstellen und zulässige Bodenart. Im SMK Tideweser werden neben der Beschreibung des hydromorphologischen Zustandes und des aktuellen Sedimentmanagements vorhandene Defizite und Auswirkungen der aktuellen Unterhaltungspraxis auf das ökologische System dargestellt sowie mögliche Handlungsoptionen und weitere Empfehlungen diskutiert (vgl. Abschnitt 4). Als direkte Auswirkungen der Gewässerunterhaltung auf die Morphologie sind die lokale Sedimententnahme und -umlage-rung sowie eine temporäre und räumlich beschränkte Trübungserhöhung zu nennen. Diese fällt in Abhängigkeit der Bagger- und Umlagerungstechnik, dem zu baggernden Material und den hydraulischen Randbedingungen verschieden stark aus. Wenn durch Bagger- und Umlagerungsmaßnahmen Material resuspendiert wird, steht dieses den Feststofftransportprozessen wieder zur Verfügung und kann somit auch in strömungsberuhigten Bereichen abgelagert werden. Umlagerungen können im Bereich der Unterbringungsstelle (temporär und bei Ausbaubaggerungen auch im Bereich der Baggerstelle) zu Änderungen des anstehenden Sohlsedimentes sowie der morphologischen Struktur führen und dort direkt die Niveauflächenverteilung verändern. Eine gezielte Nutzung des Baggergutes findet an der Tideweser z. B. zur Sicherung von Strombauwerken, Verfüllung von Kolken (Unterbringungsstellen in der Außenweser) oder für Sandvorspülungen statt. Auswirkungsprognosen und daraus resultierende Empfehlungen gestalten sich aufgrund der Überlagerungen mit natürlichen Prozessen in einem morphodynamisch aktiven Gebiet wie der Tideweser schwierig. Soweit machbar werden im SMK Tideweser jedoch verschiedene Handlungsoptionen diskutiert und mithilfe von Steckbriefen konkretisiert (vgl. Abschnitt 4).

3 Ökologisches System und Auswirkungen der Unterhaltungsbaggerung Im Folgenden wird kurz auf weitere ökologische Themenfelder eingegangen, welche (neben der bereits dargestellten Hydromorphologie) im SMK Weser vertieft betrachtet wurden, und zwar hinsichtlich des aktuellen Zustands in der Tideweser und möglicher Auswirkungen von Unterhaltungsbaggerungen und Baggergutunterbringung.

3.1 Hydrologie Die hydrologischen Verhältnisse der Tideweser sind geprägt zum einen vom Tidesignal aus der Nordsee (inkl. Windverhältnisse), zum anderen von den Oberwasserabflüssen, welche in der Regel im Winter/Frühjahr etwas höher sind.

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Infolge des Gewässerausbaus ist der Tidehub gegenüber historischen Zuständen sehr stark angestiegen, insbesondere im oberen Bereich der Unterweser (höchster Anstieg der drei Nordseeästuare Ems, Weser und Elbe). Allerdings erscheinen im Rahmen der Unterhaltung keine Maßnahmen möglich, welche eine Verringerung des Tidehubs bewirken könnten (hierzu wären deutlich verändernde Eingriffe in das System erforderlich, welche hinsichtlich ihrer auch ökologischen Auswirkungen genau zu bewerten wären).

3.2 Wasserbeschaffenheit Der bezüglich Unterhaltungsbaggerungen relevanteste Parameter der Wasserbeschaffenheit ist der Sauerstoffgehalt. Durch Unterhaltungsbaggerungen können u. U. Sauerstoffmangelsituationen verstärkt werden, da bei der Umlagerung von feinkörnigem Sediment zusätzliche Sauerstoffzehrung auftreten kann. Im Bereich der Tideweser sind keine ausgedehnten Sauerstoffmangelsituationen bekannt, allerdings kommen im Sommer z. T. geringe Sauerstoffgehalte (< 6 mg/l) vor. Typisch ist eine Abnahme der Sauerstoffgehalte von Bremen bis hin zur Trübungszone. Im Vergleich zu den beiden Ästuaren von Elbe und Ems ist die Datenlage bzgl. Sauerstoff in der Tideweser vergleichsweise schlecht; allerdings sind vor kurzem zusätzliche Messstellen eingerichtet worden.

3.3 Schadstoffe in Sedimenten/Ökotoxikologie Die Sedimente in der Tideweser weisen überwiegend mittlere bis geringe Schadstoffbelastungen auf, lediglich die Belastung mit TBT ist durchweg höher. Typischerweise nehmen die Belastungen zur See hin aufgrund der Durchmischung der von Oberstrom in das Ästuar eingetragenen belasteten Feststoffe mit unbelastetem marinen Material ab. Eine Umlagerung ist nach den Baggergutrichtlinien im Hinblick auf die Schadstoffbelastung möglich. Bei Bremen (km 6-8), in einzelnen Bereichen der Hunte sowie in Nebenarmen (vor allem tiefer liegende Sedimente) wurden z. T. höhere Belastungen gemessen (aus einem Bereich der Hunte wurde Baggergut aufgrund der Schadstoffbelastungen an Land verbracht); hier ist der Unterhaltungsbedarf allerdings vergleichsweise gering. Aufgrund des sandigen Materials ist die gesamte Riffelstrecke insgesamt unbelastet.

3.4 Fauna Aus dem Bereich der Fauna ist insbesondere das Makrozoobenthos direkt durch Baggerung und Baggergutunterbringung betroffen, allerdings sind Auswirkungen hier aufgrund der natürlichen Dynamik (und das hieran angepasste Artenspektrum) sowie der Variabilität der Vorkommen oft kaum nachweisbar. Im Fokus bezüglich möglicher Auswirkungen der Unterhaltung stehen Hartsubstrate, z. B. Miesmuschelvorkommen, welche auch im Umfeld von Unterbringungsstellen (T1, K1) zu finden sind. Die Fläche der Unterbringungsstelle T1 wurde bei Einrichtung der Unterbringungsstelle modifiziert, um Beeinträchtigungen des benachbarten Miesmuschelvorkommens zu vermeiden. Die bisherigen Untersuchungen zeigten auch keine relevanten Auswirkungen, liegen allerdings mittlerweile einige Jahre zurück. Wanderfische können den Unterhaltungsaktivitäten i. d. R. ausweichen. Bezüglich möglicher Auswirkung von Unterhaltungstätigkeiten besonders relevant ist die FFH-Art Finte, welche in der Unterweser laicht.

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Es gibt Seehundliegeplätze beispielsweise nahe der Unterbringungsstelle T3, allerdings ist hier von einer hohen Toleranz bzgl. langsam fahrender Baggerschiffe auszugehen. Für die Avifauna sind Unterhaltungsbaggerungen und Baggergutunterbringung kaum relevant.

3.5 Vegetation Seegras-Vorkommen sind empfindlich gegenüber Trübung und könnten daher grundsätzlich durch unterhaltungsinduzierte Trübung beeinträchtigt werden. Allerdings sind die Bestände im Bereich der Tideweser relativ weit von den Umlagerungsstellen entfernt und haben sich zuletzt positiv entwickelt.

4 Handlungsoptionen und Empfehlungen Im SMK Tideweser werden zunächst Handlungsoptionen und Optimierungsvorschläge für das Sedimentmanagement (bzw. die Unterhaltungsbaggerung) der Tideweser dargestellt und diskutiert, unabhängig davon, welche Änderungsmöglichkeiten tatsächlich realisierbar und im Sinn einer ökologischen und/oder ökonomischen Optimierung zielführend erscheinen. Einen Schwerpunkt bilden hierbei die im IBP Weser (NLWKN & SUBV 2012) und in WRRL-Planungen formulierten Vorschläge; weitere betrachtete Handlungsoptionen haben sich im Rahmen der Bearbeitung des SMK Tideweser ergeben. Die betrachteten Handlungsoptionen können den folgenden vier Kategorien zugeordnet werden: 1 Minimierung von Unterhaltungsbaggerungen bzw. Optimierung von Unterhaltungsmengen und -zeiten Hierzu zählen beispielsweise Möglichkeiten zur bedarfsorientierten Unterhaltung oder die Optimierung des Vorratsmaßes (z. B. auch zur Berücksichtigung ökologisch sensibler Zeiten). 2

Minimierung der Auswirkungen des Baggervorgangs Hierbei werden insbesondere die Unterhaltungstechniken Hopperbaggerung und Wasserinjektionsverfahren hinsichtlich ihrer ökologischen Auswirkungen diskutiert.

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Optimierung der Unterbringung von Baggergut Dieser Punkt umfasst insbesondere die Diskussion der vorhandenen Unterbringungsstellen, von Sandvorspülungen zur Ufersicherung, aber auch der Nutzung von Baggergut als Baustoff.

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Weitere Handlungsfelder Hierunter fällt beispielsweise die Frage einer Reaktivierung von Nebenarmen oder die Sanierung von Schadstoffquellen.

Im Anschluss an die Diskussion von Handlungsoptionen folgen im SMK Tideweser die eigentlichen Empfehlungen. Diese werden in Form von sechs Steckbriefen für Teilabschnitte der Tideweser und einen Steckbrief für die Hunte zusammengefasst (vgl. Abb. 3). Weiterhin werden einige allgemeine Empfehlungen gegeben (etwa hinsichtlich der Anwendung von Baggergutrichtlinien oder dem Austausch/der Zusammenarbeit mit Landesbehörden) und Untersuchungen/Monitoring in Zusammenhang mit dem Sedimentmanagement empfohlen (insbesondere neue Untersuchungen der aktuellen Unterbringungsstellen hinsichtlich Makrozoobenthos und Verdriftungswegen).

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Abb. 3:

Beispiel eines Steckbriefs aus dem SMK Tideweser (vorläufige Endfassung)

Insgesamt werden im SMK Tideweser relativ wenige begrenzte Abweichungen von der bisherigen Unterhaltungspraxis empfohlen. Dies lässt sich zum einen dadurch erklären, dass auch bisher schon morphologische und andere ökologisch-naturschutzfachliche Aspekte beim Sedimentmanagement berücksichtigt wurden. Zum anderen ist die überwiegend ökonomisch motivierte Minimierung von Baggermengen und Transporten auch aus ökologischer Sicht meist sinnvoll. Zu beachten sind diesbezüglich aber natürlich auch die engen inhaltlichen Grenzen des Konzepts. Eine wichtige Funktion des SMK Tideweser ist u. a., dass hier sehr viele Hintergrundinformationen zur Unterhaltung zugänglich gemacht werden und so z. B. die Diskussionsgrundlage bei Austausch und Zusammenarbeit der WSV mit Landesbehörden und Naturschutzverbänden verbessert wird.

5 Ausblick Derzeit liegt eine vorläufige Endfassung des SMK Tideweser (BfG 2013) vor. Aktuell findet eine fachliche Beteiligung der Länder Niedersachsen und Bremen zum Konzept statt, in deren Anschluss dann die abschließende Endfassung erstellt wird. In der Bundesanstalt für Gewässerkunde ist ein vergleichbares Konzept für die Tideems in Bearbeitung; zur Tideelbe steht die Systemstudie II kurz vor dem Abschluss. Einige der im SMK Tideweser empfohlenen Messungen sind – auch unabhängig vom Sedimentmanagementkonzept – bereits in Umsetzung, z. B. die Einrichtung einer kontinuierlichen Sauerstoffmessung bei Nordenham. Zu weiterführenden, im SMK Tideweser ausgeklammerten Fragestellungen sind – soweit die WSV zuständig ist – eigene Konzepte vorgesehen, dies betrifft insbesondere ein Integriertes Strombaukonzept (Maßnahme im 2. Bewirtschaftungszyklus nach Wasserrahmenrichtlinie).

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Literatur Aqua Vision (2009): Suspended sediment measurements in the Weser. Im Auftrag der Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg. Bearbeiter: van Santen, P, 46 S. BfG (2013): Sedimentmanagementkonzept Tideweser. Untersuchung im Auftrag der WSÄ Bremen und Bremerhaven. BfG-Bericht 1794, vorläufige Endfassung vom 17.10.2013. Koblenz FGG Weser (2009): EG-Wasserrahmenrichtlinie - Maßnahmenprogramm 2009 für die Flussgebietseinheit Weser (nach § 36 WHG). Flussgebietsgemeinschaft Weser, Hildesheim NLWKN & SUBV (2012): Integrierter Bewirtschaftungsplan Weser für Niedersachsen und Bremen. Textband, 342 S. + Anhang. Brake, Oldenburg, Bremen

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1994-2000 Studium der Geoökologie an der Universität Karlsruhe seit 2000 Wissenschaftliche Angestellte der Bundesanstalt für Gewässerkunde 2000-2005:

Kontakt: Mailin Eberle Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/ 1306 5273 E-Mail: [email protected]

seit 2005:

Referat „Wasserhaushalt, Vorhersageverfahren, Global Runoff Data Centre“ Niederschlags-Abfluss-Modellierung für das Rheingebiet Referat „Ökologische Grundsatzfragen, Umweltschutz“ u. a. Federführung Sedimentmanagementkonzept Tideweser, Koordination der BfG-Beratung im Planfeststellungsverfahren zur Weseranpassung, Federführung Leitfaden Artenschutz an Bundeswasserstraßen

1996-2003 Studium Bauingenieurwesen an der Universität Karlsruhe (TH) 2004-2011 Wissenschaftliche Angestellte am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dissertation im Bereich Hydromorphologie

Kontakt: Dr. Frauke König Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/ 1306 5959 E-Mail: [email protected]

2006-2008 Wissenschaftliche Angestellte an der Landesanstalt für Umwelt, Messung und Naturschutz BadenWürttemberg (LUBW) 2011 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Ecohydraulics Research, University of Idaho ab 2011 Wissenschaftliche Angestellte an der Bundesanstalt für Gewässerkunde, Referat M3 - Grundwasser, Geologie, Gewässermorphologie

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Unterhaltungsstrategie Unterweser: Gibt es Optimierungspotenzial im Laichgebiet der Finte (Alosa fallax fallax LACÉPÈDE 1803)?

Jürgen Lange

1 Einleitung Die Unterweser kann bezüglich der für die Aufrechterhaltung der Fahrwassertiefe notwendigen Unterhaltung grob in zwei Abschnitte unterteilt werden. Zum einen werden im Bereich zwischen Nordenham und Bremerhaven (etwa Weser-km 55 bis km 65) flächige Eintreibungen mit Feinsedimenten in der Fahrrinne vorgefunden, die in der Regel mit einem Laderaumsaugbagger auf Tiefe gehalten werden. Stromauf hiervon schließt sich zum anderen zwischen Bremen und Nordenham (Weser-km 20 bis km 55) ein langgestreckter Abschnitt mit vornehmlich mittelsandigen Sedimenten an, die sich abhängig von den wechselnden hydrologischen Randbedingungen zu subaquatischen Dünen von einem bis vier Metern Höhe im Abstand von 20 bis 150 Metern aufhäufen. Sofern die Kuppen dieser Dünen über die lokale Fahrrinnensolltiefe hinausragen, werden diese selektiv mit dem Wasserinjektionsverfahren (WI-Verfahren) gekappt, wobei das mobilisierte Sediment in die angrenzenden Dünentäler rutscht und sich ortsnah wieder ablagert (BfG 2011). Diese von dem vorzufindenden Sedimentinventar bzw. den Sohlstrukturen abhängige zweigleisige Unterhaltungsstrategie wird in der Unterweser seit 2003 erfolgreich angewendet. Innerhalb der sandigen sog. Riffelstrecke liegt auch das Reproduktionsgebiet der Wanderfischart Finte (Alosa fallax fallax LACÉPÈDE 1803), die nach Anhang II der europäischen FFH-Richtlinie geschützt ist. Nach den vorliegenden Untersuchungen konzentriert sich das Laichgeschehen dieser Art im Wesentlichen auf den Raum zwischen dem Nordbremer Stadtteil Vegesack (km 20) bis unterhalb der Huntemündung (km 35) (z. B. SCHULZE 2005, Bioconsult 2006, 2012). Da auch in diesem Bereich regelmäßig WI-Einsätze notwendig sind und zumindest theoretisch eine beeinträchtigende bzw. störende Wirkung auf die Laichvorgänge denkbar ist, hat das Wasser- und Schifffahrtsamt (WSA) Bremen anhand einer Testkampagne Möglichkeiten zu Minimierung der Unterhaltungseinsätze zur Laichzeit der Finte untersucht (PIECHOTTA 2012). Nachfolgend werden diese Untersuchungen vorgestellt und auch das Konfliktpotenzial zwischen Fahrrinnenunterhaltung und Fintenreproduktion skizziert.

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2 Wander- und Laichverhalten der Finte im Weserästuar Die Finte ist ein Wanderfisch aus der Familie der Heringsartigen (Clupeidae). Sie durchläuft einen anadromen Lebenszyklus und verbringt die meiste Lebenszeit im Meer in nicht allzu großer Küstenferne (z. B. STELZENMÜLLER & ZAUKE 2003, NEUDECKER & DAMM 2005). Zum Laichen steigt sie in Schwärmen die Flüsse hinauf. An der deutschen Nordseeküste reproduziert sich diese Art nur noch in den Ästuaren der Elbe und der Weser erfolgreich, die Ems und die Eider stellen in ihrem derzeitigen Zustand keine Laichgewässer dar. Auch dringen die Tiere nicht sehr weit in die Flüsse ein, so dass sie zwar die Brackwasserzone überwinden, den limnischen Tidebereich der Elbe und der Weser aber nicht verlassen. Nach einem dramatischen Bestandseinbruch Mitte der 1950er-Jahre setzte in den 1990er-Jahren eine deutliche Bestandserholung ein, die seit 2003 in verschiedenen Untersuchungen als stabil bis leicht positiv beobachtet wird, ohne die historischen, aus Fischereidaten rekonstruierbaren Bestandsgrößen zu erreichen. Einbruch und Erholung der Population korrelieren mit zwischenzeitlich weitgehend überwundenen starken stofflichen Gewässerbelastungen. In der Weser sind zwischen März und April vermehrt laichreife Adulte und auch Subadulte im inneren Bereich des Außenwesertrichters zu beobachten (z. B. Bioconsult 2006, 2011). Bei Erreichen adäquater Wassertemperaturen wandern die Adulten in die Unterweser ein, wo ab Ende April oder Anfang Mai das Laichgeschäft aufgenommen wird. Physiologisch kehren die Tiere bei Eintritt in das hypotonische Medium des Unterweserwassers ihre Osmoregulation ins Gegenteil um. Regelmäßig wird das Hauptlaichgeschehen zwischen km 20 und km 35 beobachtet (Abb. 1), so dass dieser Abschnitt als das Kernlaichgebiet aufgefasst werden kann (z. B. HAESLOOP 2004, SCHULZE 2005, Bioconsult 2006, 2012). Einzelne Laichvorgänge außerhalb dieses Bereiches sind indes nicht auszuschließen. Tageszeitlich konzentriert sich das Laichgeschehen auf die Nachtstunden zwischen 22:00 Uhr und 01:00 Uhr (Bioconsult 2012), dabei werden große Eimengen oberflächennah in die freie Wassersäule abgegeben. Je nach Randbedingungen kann das Laichgeschehen in abnehmender Intensität über den Mai, ggf. bis Anfang Juni, anhalten. Finten sind iteroparisch, d. h. die abgelaichten Adulten verlassen die Unterweser wieder und absolvieren mehrere Laichaufstiege in ihrem Leben (APRAHAMIAN et al. 2003). Die Finteneier und auch die nach zwei bis sechs Tagen schlüpfenden frühen Larvenstadien verdriften frei mit dem Tidegeschehen, der Tideweg beträgt hier zwischen 10 km und 15 km. Den Sommer verbringen die juvenilen Finten in der Unterweser, um im Herbst dann in die Küstengewässer abzuwandern. Nach zwei bis drei Jahren endet die Subadultphase, in der es durchaus zu frühjährlichen temporären Wiedereinwanderungen in die Ästuare kommen kann (APRAHAMIAN 1988).

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Abb. 1:

Übersicht über das Kernlaichgebiet der Finte in der Unterweser und Lage des Testbaggerabschnitts (Kartengrundlage DBWK).

3 Derzeitige Unterhaltung im Laichgebiet der Finte Das Laichgebiet der Finte liegt vollständig im Bereich der sandigen Riffelstrecke. Die hier zur Fahrrinnenunterhaltung eingesetzten WI-Geräte besitzen einen schiffsbreiten Spülbalken, der auf die zu bearbeitende Dünenkuppe abgesenkt wird. Per Pumpenkraft werden Wasserstrahlen ins Sediment injiziert, das sich auflockert, löst und mit der Strömung in angrenzende Übertiefen verdriftet (siehe Abb. 5). Strahlkraft und -winkel sind einstellbar. Seit 2003 werden auf diese Weise in der Riffelstrecke (km 20 bis km 55) jährlich zwischen rd. 250.000 m³ und 800.000 m³ Sediment umgelagert, was etwa 8-9 % des gesamten Unterhaltungsvolumens der Tideweser ausmacht. Im eigentlichen Laichgebiet von km 20 bis km 35 fallen jährlich rd. 30.000 m³ bis 180.000 m³, entsprechend 0,2-0,5 % des Gesamtvolumens an. Insgesamt zeigt sich in den Volumina ein über die Jahre ansteigender Trend, vergleichbar den Entwicklungen in allen Nordseerevieren. Zur Laichzeit der Finte wurden bislang jeweils zwischen 5.500 m³ und 21.500 m³ im Laichgebiet umgelagert, ohne dass auch hier ein ansteigender Trend erkennbar wäre (siehe Abb. 2). Es wird deutlich, dass dieser Abschnitt vergleichsweise nur geringer Unterhaltung zur Aufrechterhaltung der Fahrrinnentiefe bedarf (PIECHOTTA 2012). Auch die Ausdehnung der zu bearbeitenden Dünenkuppen im Verhältnis zu nicht unterhaltungsbedürftigen Fahrrinnenbereichen ist eher gering. Zusammengenommen betragen die Einsatzfelder für WI-Einsätze Jahr für Jahr etwa 0,2-1 % der Fahrrinnenfläche im Laichgebiet. Den Finten stehen für ihr Laichgeschäft darüber hinaus die ungestörten Seitenbereiche zur Verfügung.

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[m³]

Gesamtjahr Laichzeit (15.04. bis 15.06.)

Baggervolumina km 20 - 35

200.000 180.000 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 2004

Abb. 2:

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Jährliche Baggervolumina im Kernlaichgebiet der Finte im Vergleich zu den Volumina zur Laichzeit (verändert n. PIECHOTTA 2012)

Die Unterhaltungseinsätze werden üblicherweise zu Kampagnen zusammengefasst, in denen möglichst alle Mindertiefen eines Abschnitts abgearbeitet werden. Im Laichgebiet werden jährlich sieben bis neun solche Kampagnen zu je zwei bis fünf Einsatztagen mit vier bis zwölf täglichen Einsatzstunden gefahren, davon liegen regelmäßig ein bis zwei Kampagnen innerhalb der Laichzeit (Abb. 3).

Anzahl Baggerkampagnen km 20 – 35

[n]

Gesamtjahr Laichzeit (15.04. bis 15.06.)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2004

Abb. 3:

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Anzahl der jährlichen Unterhaltungskampagnen im Kernlaichgebiet der Finte im Vergleich zur Anzahl der Kampagnen in der Laichzeit (verändert n. PIECHOTTA 2012)

Einzelheiten und vertiefende Informationen zum Sedimentmanagement siehe auch EBERLE & KÖNIG (2014, s. S. 5ff.) und BfG (2013).

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4 Anpassungsoptionen der Unterhaltungsstrategie Der Raumkonflikt zwischen der Lebensraumfunktion dieses Unterweserabschnitts als Laichgebiet für die Finte und der Transportfunktion als zu unterhaltende Bundeswasserstraße lässt sich absehbar nicht auflösen. Weder die Fahrrinne noch das Laichgeschehen lassen sich verlagern. Sofern man den Wirkpfad der Störwirkung durch Anwesenheit und Lärmentwicklung des WI-Gerätes betrachtet, kommt die zeitliche Entzerrung der Raumnutzung durch die Wahl unkritischer Zeitfenster für Unterhaltungseinsätze in Frage. Dabei gelingt die tageszeitliche Entzerrung bereits jetzt weitgehend, da die WI-Einsätze in aller Regel tagsüber und nur in seltenen Ausnahmefällen in der Zeit zwischen 21:00 Uhr abends und 06:00 Uhr morgens stattfinden (PIECHOTTA 2012, BfG 2013). Unter Anwendung der derzeitigen Unterhaltungsstrategie gelingt es nicht, eine Laichschonzeit von Mitte April bis Mitte Juni ohne Unterhaltungseinsatz zu überbrücken. Das zeigen schon die oben dargestellten Unterhaltungshäufigkeiten deutlich. Ob eine achtwöchige Unterhaltungspause ggf. erreichbar ist, indem man vor der jeweiligen Laichzeit an aktuellen oder absehbaren Mindertiefen auf Vorrat Übertiefen herstellt, untersuchte das WSA Bremen 2010 anhand von Tests an ausgewählten Baggerfeldern im Laichgebiet.

5 Die Testkampagne des WSA Bremen 5.1 Testszenario Ausgewählt wurden eine Reihe von Testbaggerfeldern im Abschnitt von km 29 bis km 31 (siehe auch Abb. 1), wo sich zum Gleithang der langgestreckten Kurve hin am rechten Fahrrinnenrand regelmäßig Mindertiefen bilden (s. Abb. 4). In dem insgesamt als unterhaltungsarm anzusehenden Laichgebiet handelt es sich hierbei um einen Bereich mit hoher Mindertiefenwahrscheinlichkeit.

Abb. 4:

Ausschnitt aus dem Peilplan des Testkampagnenbereiches von km 29 bis km 31. Dargestellt ist die Sohltopografie der Fahrrinne mit den als Baggerstellen abgegrenzten Mindertiefen (Dünenkuppen) (aus PIECHOTTA 2012).

Die derzeitige Sollsohle liegt hier seit den 1970er-Jahren unverändert bei -10,80 m NN. Für die Testkampagne wurde ein Vorratsmaß von 0,60 m gewählt, so dass die Dünenkuppen für diese Untersuchung auf -11,40 m NN unterhalten wurden. Die WI-Einsätze erfolgten vom

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6. bis zum 9. April 2010, die anschließende Regeneration der Dünen wurde über 13 Wochen engmaschig mit Fächerecholotaufnahmen und Dokumentation der hydrologischen Randbedingungen erfasst. Letztere werden hier nicht im Einzelnen dargestellt, es sei nur erwähnt, dass die Randbedingungen insgesamt eher günstig im Sinne von unterhaltungsfreundlich gewesen sind, da im Vorfeld eine späte Oberwasserwelle durchging.

5.2 Testergebnisse Das nach dem WI-Einsatz am 12. April aufgenommene Digitale Geländemodell (DGM) zeigt den Erfolg der Baggerkampagne. Abbildung 5 zeigt einen aus dem DGM generierten Längsschnitt durch einige bearbeitete Riffel. Es ist ersichtlich, dass die Dünenkuppen auf die gewünschte Tiefe gebracht wurden (vgl. auch Abb. 6) und das mobilisierte Material sich an den Hängen der Dünen abgelagert hat.

Längsprofil (Fahrrinne rechte Seite)

Sohlhöhe [m NN]

06.04.10 12.04.10 Baggerhorizont [m NN] Sollsohle [m NN]

-8,0 -8,5 -9,0 -9,5 -10,0 -10,5 -11,0 -11,5 -12,0 -12,5 -13,0 -13,5 -14,0 -14,5 -15,0 29,00

29,10

29,20

29,30

29,40

29,50

29,60

29,70

29,80

29,90

30,00

Unterweser km

Abb. 5:

Längsschnitt aus DGM des Testbaggerabschnitts km 29 bis km 30 mit Zustand vor und nach WI-Einsatz. (verändert n. PIECHOTTA 2012).

Die Regeneration der Dünen begann unmittelbar nach dem WI-Einsatz und setzte sich über den Beobachtungszeitraum unvermindert fort. Abbildung 6 zeigt exemplarisch einige Stadien dieser Aufhöhung, die nach 10 Wochen soweit fortgeschritten war, dass erneut unterhalten werden musste. Die Mindertiefen entwickelten sich an Ort und Stelle auf den gekappten Dünenkuppen zumeist bis zur ursprünglichen Höhe. Besonders an den breiteren Baggerfeldern entstanden dabei auch multiple Dünenriffel auf der Basis der tafelbergartig bearbeiteten großen Dünen. Ab dem 17. Mai waren an anderen Mindertiefen innerhalb des Laichgebietes, die ohne Ansatz eines Vorratsmaßes nach gängiger Praxis gleichzeitig mit der Testkampagne unterhalten wurden, erneute Sedimentumlagerungen zur Wiederherstellung der Sollsohle notwendig. Diese Unterhaltungskampagne gut fünf Wochen nach der vorangegangenen Baggerung konnte an den Testbaggerfeldern ausgesetzt werden.

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6. April

Abb. 6:

12. April

20. Mai

16. Juni

Sohltopografie des Testbaggerabschnitts km 29 bis km 30 aus 2010 mit Zustand vor und nach der Testbaggerung (6. und 12. April) sowie nach 6 Wochen (20. Mai) und nach 10 Wochen (16. Juni) Regeneration (verändert n. PIECHOTTA 2012).

6 Fazit des Versuchs Die engmaschige Verfolgung der Dünenregeneration ermöglicht einen vertieften Einblick in die systemimmanente Dynamik der Sohlstrukturen. Insgesamt werden die vorhandenen Erfahrungen hierüber eindeutig gestützt. Wesentliche Erkenntnis dieser Testkampagne ist sicherlich die Beobachtung, dass das Unterhaltungsintervall unter Anwendung des Vorratsmaßes von 60 cm um rund vier Wochen verlängert werden konnte. Das reichte aus, um einen konkreten Unterhaltungseinsatz auszusetzen, der an anderer Stelle notwendig war. Unter den gegebenen Umständen konnte die Laichzeit der Finte vom 15. April bis zum 15. Juni im Testabschnitt störungsfrei von WI-Einsätzen gehalten werden. Bei Berücksichtigung der eher günstigen hydrologischen Randbedingungen während des Versuches ist jedoch davon auszugehen, dass die Laichzeit nicht per se unterhaltungsfrei überbrückt werden kann. Unter schwierigeren Voraussetzungen würde sich die Anzahl der Unterhaltungskampagnen, die verschiedentlich schon bei zwei pro Laichperiode lag (Abb. 3), ggf. auf eine notwendige Kampagne reduzieren lassen. Insgesamt ist zu bedenken, dass die Versuchsergebnisse nur sehr bedingt auf andere Randbedingungen bzw. andere Unterhaltungsabschnitte übertragen werden können. Dies veranlasste das WSA Bremen, die Testkampagnen in 2012 unter abgewandelten Parametern wieder aufzunehmen, um die Erkenntnislage zu verbessern. Diese Versuchsreihen werden derzeit noch ausgewertet. Offen bleibt zunächst die naturschutzfachliche Bewertung einer auf diese Weise angepassten möglichen Unterhaltungsstrategie. Die Minimierung der Störwirkung auf das Laichgeschehen der Finte durch Minimierung der Unterhaltungseinsätze wird nämlich erkauft mit stärkeren

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Unterhaltungseingriffen vor der Laichzeit. Zur Erreichung des dafür notwendigen Vorratsmaßes muss mehr Sediment auf größerer Fläche mobilisiert werden, was zwangsläufig mit Beeinträchtigungen anderer Schutzgüter (andere Fischarten, Plankton und v. a. Makrozoobenthos) einhergeht. Diese Abwägung muss im Rahmen der Fachdiskussion geleistet werden. Angesichts der dargestellt eher geringen Störintensität und der schon realisierten tageszeitlichen Entzerrung von WI-Einsätzen und Laichvorgängen sieht die WSV derzeit keinen dringlichen Handlungsbedarf zur Abänderung der Unterhaltungsstrategie im Laichgebiet der Finte. Dabei ist zu bedenken, dass der Wirkpfad der Störwirkung auf laichwillige Adulte nur einen Aspekt der Raumkonkurrenz zwischen Lebensraumfunktion und Schifffahrtsbelangen darstellt, der aktuell in der Fachwelt nicht als vordringlich angesehen wird. Die Sorge fokussiert derzeit mehr auf das Schicksal der Laichprodukte, also der Finteneier und -larven, die im Tidegeschehen verdriften und rasch in weite Ästuarbereiche dispergieren. Sie sind einer Reihe von Risikofaktoren ausgesetzt, deren Rolle im Rahmen des Reproduktionserfolges weiterer Betrachtungen bedarf.

7 Zusammenfassung und Ausblick Die geschützte Fischart Finte steigt zum Laichen aus der Nordsee in die Unterweser auf. In ihrem Laichgebiet zwischen km 20 und km 35 wird die Fahrrinne der Bundeswasserstraße Weser per Wasserinjektion unterhalten. Der Aufwand hierfür ist bez. Volumina, Flächen und Frequenz vergleichsweise gering. Um dennoch alle denkbaren Optionen der Anpassung der Unterhaltungsstrategie abzusichern, untersucht das WSA Bremen, ob mittels Ansatz eines Vorratsmaßes zur rechten Zeit die Laichperiode der Finte unterhaltungsfrei überbrückt werden kann. In einer Testkampagne in 2010 gelingt dies zwar, aber unter günstigen Randbedingungen, so dass mit diesem Ansatz nicht generell störungsfreie Laichperioden gelingen werden. Immerhin konnte eine Unterhaltungskampagne ausgesetzt werden, so dass eine deutliche Minimierung erreichbar ist. Anhand der Darstellung des Wander- und Laichverhaltens der Finte und der derzeitigen Unterhaltungspraxis sowie der aktuellen naturschutzfachlichen Diskussion wird dargelegt, warum derzeit kein vordringlicher Handlungsbedarf bezüglich der Störwirkung von WI-Geräten auf die Laichvorgänge der Finte gesehen wird.

Literatur APRAHAMIAN, M. W. (1988): The biology of twaite shad, Alosa fallax fallax (LACÉPÈDE), in the Severn estuary. J. Fish Biol. 33 (Supplement A) S. 141-152, Liverpool. APRAHAMIAN, M. W., APRAHAMIAN, C. D., BAGLINIÈRE, J. L., SABATIÉ, R., ALEXANDRINO, P. (2003): Alosa alosa and Alosa fallax spp. Literature Review and Bibliography. Environment Agency Research and Development Report W1014/TR, Environment Agency, Bristol.

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BfG - Bundesanstalt für Gewässerkunde (2011): Umweltauswirkungen von Wasserinjektionsbaggerungen. WSV-Workshop vom 21./22.Juni 2010 in Bremerhaven. In: Veranstaltungen 2/2011, 118 S., Koblenz. BfG (2013): Sedimentmanagementkonzept Tideweser. Untersuchung im Auftrag der WSÄ Bremen und Bremerhaven. BfG-Bericht 1794, vorläufige Endfassung vom 17.10.2013. Koblenz. Bioconsult (2006): Untersuchungen zur Reproduktion der Finte (Alosa fallax fallax LACÉPÈDE 1803) in der Unterweser. Wasser- und Schifffahrtsamt Bremerhaven, Bremerhaven. Bioconsult (2011): Fischfaunistische Begleituntersuchungen zum Bau und Unterhaltung der hafenbezogenen Wendestelle bei Bremerhaven - Auswirkungen auf die Finte (Endbericht). BremenPorts GmbH & Co KG, Bremerhaven. Bioconsult (2012): Untersuchungen zur Laichaktivität der Finte (Alosa fallax fallax, LACÉPÈDE 1803) in der Unterweser 2012. Wasser- und Schifffahrtsamt Bremerhaven. EBERLE, M., KÖNIG, F. (2014): Sedimentmanagementkonzept Tideweser. In: Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg.): Ästuare und Küstengewässer der Nordsee. 16. Gewässermorphologisches Kolloquium am 6./7. November 2013 in Bremerhaven. - Veranstaltungen 2/2014, S. 5-13, Koblenz. HAESLOOP, U. (2004): Untersuchungen zum Fischlarvenvorkommen in der Unterweser unter besonderer Berücksichtigung des Fintenaufkommens in 2004. Wasser- und Schifffahrtsamt Bremerhaven. NEUDECKER, T., DAMM, U. (2005): Maifische an der deutschen Nordseeküste – zum Auftreten von Finte (Alosa fallax) und Alse (Alosa alosa). Inf. Fischereiforsch. 52, S. 4350, Bundesforschungsanstalt für Fischerei, Hamburg. PIECHOTTA, F. (2012): Untersuchungen zur Optimierung der Unterhaltungsstrategie im Hauptfintenlaichgebiet der Unterweser. WSA Bremen. SCHULZE, S. (2005): Untersuchungen über den Laichfischbestand und die Reproduktion der Finte (Alosa fallax fallax LACÉPÈDE 1803) in der Unterweser. Diplomarbeit Fachbereich 2 Biologie/Chemie der Universität Bremen. STELZENMÜLLER, V., ZAUKE, G.-P. (2003): Analyse der Verteilungsmuster der anadromen Wanderfischart Finte (Alosa fallax) in der Nordsee. Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM), Carl von Ossietzky Universität Oldenburg.

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Jahrgang: 1967 1991-1998 Studium der Biologie an der Universität Bremen

Kontakt: Jürgen Lange Wasser- und Schifffahrtsamt Bremerhaven Am Alten Vorhafen 1 27568 Bremerhaven Tel.: 0471/ 4835 327 Fax: 0471/ 4835 210 E-Mail: [email protected]

1999-2009 Freiberufliche Tätigkeit, Projekte (in Auswahl): FOTO diverse Fachgutachten und Experti1999-2002: sen, Schwerpunkt Makrozoobenthos- und Fischzönosen 2003-2004: Forschungsvorhaben „RETRO“, BMBF-Projekt, Universität Bremen 2004-2006: Forschungsvorhaben „Ökologische Bedeutung von Flachwassergebieten an der Unterweser“, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz 2007-2008: diverse ökologische Funktionskontrollen in Genehmigungsverfahren an Unterweser und Unterems seit 2009 Wasser- und Schifffahrtsamt Bremerhaven, Abteilung Wissenschaftliche Untersuchungen Projektbearbeitung: seit 2009: Planungsgruppe Weseranpassung

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On the impact of human interventions in estuarine dynamics

Johan C. Winterwerp

The tidal range in many tidal rivers has increased largely over the last century, as shown in Figure 1, presenting data from five European ports. Though it is generally recognized that the increases in tidal range are induced by deepening and narrowing of the rivers to accommodate ever larger ships, the precise response to such deepening and narrowing is not fully understood. The present study suggests that the interaction of fine sediments and the hydrodynamics plays an important role in this response. summary tidal evolution

tidal range [m]

6

4 Antwerp Bremen

2

Hamburg Nantes

0 1875

Papenburg

1900

1925

1950

1975

2000

2025

year

Figure 1:

Tidal evolution in five European ports (Antwerp along Scheldt, Belgium; Bremen along Weser, Germany; Hamburg along Elbe, Germany; Nantes along Loire, France; and Papenburg along Ems, Germany).

This abstract yields an executive summary of two papers (WINTERWERP & WANG 2013, WINTERWERP et al. 2013) published in Ocean Dynamics. These papers discuss man-induced regime shifts in small, narrow and converging estuaries, with focus on the interaction between effective hydraulic drag, fine sediment import and tidal amplification, induced by river engineering works, e. g. narrowing and deepening. The analysis is based on an analysis of historical data, using a simple analytical model, solving the linearized shallow water equations in exponentially converging tidal rivers. Distinguishing reflecting and non-reflecting conditions, a non-dimensional dispersion equation is derived which yields the real and imaginary wave numbers as a function of the estuarine convergence number and effective hydraulic drag. The estuarine convergence number describes the major geometrical features of a tidal river, e. g. intertidal area, convergence length and water depth.

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From an analysis of the dispersion equation, a conceptual model on the response of tidal rivers to narrowing and deepening is proposed. It is argued that, upon the loss of intertidal area, flood-dominant conditions prevail, upon which fine sediments are pumped into the river, reducing its effective hydraulic drag. Then a snowball effect may be initiated, bringing the river into a hyper-turbid state. Such hyper-turbid states are currently encountered in the Loire and Ems rivers (TALKE et al. 2009). Next, analyses are presented on the historic development in tidal range in four rivers, e. g. the Elbe, Ems, Loire and Scheldt, all in North-West Europe; data are available for many decades, up to a century. We use the analytical model described above, showing that the effective hydraulic drag in the Ems and Loire has decreased considerably over time, as anticipated in our conceptual model. We did not find evidence that the Upper Sea Scheldt is close to its tipping point towards hyper-turbid conditions, but risks have been identified. In the Elbe, tidal reflections against the profound step in bed level around Hamburg seem to have affected the tidal evolution in the last decades. The suspended sediment concentrations in Ems and Loire are so large (few 10 g/l) that settling velocities are small. Then, sedimentation during neap tide is slow, maintaining soft mud layers at high water content. LE HIR (1907) and BRUENS et al. (2012) showed that upon acceleration of the tide, these mud layers become turbulent, entraining cleaner water from higher in the water column. This, water is pumped into the mud layers twice every tide, as was depicted by the acoustical measurements in the Ems River presented by SCHROTTKE & BARTHOLOMÄ (2008). Because of these small settling velocities, little energy is required to keep the sediment in suspension. In fact, with a further increase in sediment content, settling velocities continue to decrease, requiring less and less energy to keep the sediment in suspension. Hence, this hyper-turbid state is self-maintaining because of these entrainment processes, and favourable from an energetic point of view, and therefore highly stable. We may refer to an alternative steady state. It has appeared to be very difficult to restore the original low-turbid conditions, as concluded from many studies on rehabilitating Ems and Loire Rivers. It is emphasized that the conceptual picture sketched in these papers is still hypothetical, and needs to be validated, for instance through hind-cast modelling of the evolution of these rivers. This will not be an easy task, as historical data for a proper calibration of the models required are scarce.

References BRUENS, A. W., J. C. WINTERWERP and C. KRANENBURG (2012): Physical and numerical modeling of the entrainment by a high-concentrated mud suspension. ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, 138 (6) 479-490; doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000545. LE HIR, P. (1997): Fluid and sediment ‘integrated’ modeling application to fluid mud flows in estuaries. Cohesive Sediments. 4th Nearshore and Estuarine Cohesive Sediment Transport Conference INTERCOH ’94. SCHROTTKE, K. and BARTHOLOMÄ, A. (2008): Detaillierte Einblicke in die ästuarine Schwebstoffdynamik mittels hochauflösender Hydroakustik. In: Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg.): Ultraschall in der Hydrometrie: neue Technik – neuer Nutzen!? Seminar am 3./4. Juni 2008 in Koblenz. Veranstaltungen 2/2008, Koblenz, 75-82.

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TALKE, S. A., H. E. DE SWART, and H. M. SCHUTTELAARS (2009): Feedback between residual circulations and sediment distribution in highly turbid estuaries: an analytical model. Continental Shelf Research 29: 119–135. doi:10.1016/j.csr.2007.09.002. WINTERWERP, J. C. and Z. B. WANG (2013): Man-induced regime shifts in small estuaries – I: theory. Ocean Dynamics, DOI 10.1007/s10236-013-0662-9. WINTERWERP, J. C., Z. B. WANG, A. VAN BRAECKEL, G. VAN HOLLAND and F. KÖSTERS (2013): Man-induced regime shifts in small estuaries – II: comparison of rivers. Ocean Dynamics, DOI 10.1007/s10236-013-0663-8.

Kontakt: Johan C. Winterwerp Deltares (formerly WL|Delft Hydraulics) PO Box, 177 2600 MH Delft The Netherlands E-Mail: [email protected] also: Delft University of Technology Environmental Fluid Mechanics PO Box 5048 2600 GA Delft The Netherlands

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Datenbasierte Modellansätze und Analysen für eine konsistente digitale Morphologie und Sedimentologie der Deutschen Bucht

Peter Milbradt und Jennifer Valerius

1 Einleitung Die deutsche Nordseeküste verfügt über einen ausgeprägten Formenreichtum und ist Teil des größten Wattenmeeres der Welt. Sowohl veränderte Umweltbedingungen in Form des globalen Klimawandels und dem damit einhergehenden Anstieg des mittleren Meeresspiegels als auch die unterschiedlichen anthropogenen Nutzungsanforderungen bedürfen eines vertieften Verständnisses der hydrologischen und morphodynamischen Entwicklung in der Deutschen Bucht. Bathymetrische und sedimentologische Beobachtungs- und Vermessungsdaten stellten über einen sehr langen Zeitraum die Methode zur Analyse und Beschreibung der morphodynamischen Veränderungen an der deutschen Nordseeküste dar. Alternative Verfahren bilden heute prozessbasierte numerische hydro- und morphodynamische Simulationsmodelle. Auch für die Kalibrierung, Validierung und den Betrieb solcher Simulationsmodelle haben Vermessungsund Beobachtungsdaten eine zentrale Bedeutung. Die Verknüpfung von daten- und prozessbasierten Modellansätzen bildete einen Schwerpunkt im KFKI-Verbundprojekt „Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht – AufMod“ (HEYER & SCHROTTKE 2013). Um die kontinuierlichen Veränderungen des Meeresbodens datenbasiert zu beschreiben, wurden umfangreiche Naturdaten zusammengetragen und ein sogenanntes Funktionales Bodenmodell softwaretechnisch realisiert.

2 Das Funktionale Bodenmodell Im Funktionalen Bodenmodell werden die Beobachtungsdaten, die die Oberfläche des Meeresbodens beschreiben, in ihrem zeitlichen und örtlichen Kontext archiviert und mit räumlichen und zeitlichen Interpolationsverfahren zu einem kontinuierlichen Modell verknüpft. Es wurde für die gesamte Nordseefläche entworfen. Der Schwerpunkt im Projekt AufMod lag jedoch auf der Deutschen Bucht. Für diesen Bereich konnte eine enorme Dichte an Messdaten erreicht werden, wodurch die umfassenden Möglichkeiten, die das Funktionale Bodenmodell liefert, genutzt werden konnten. Daher beschränken sich die folgenden Ausführungen auf das Gebiet der Deutschen Bucht.

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2.1 Komponenten Das Funktionale Bodenmodell beschreibt die Oberflächeneigenschaften des Meeresbodens modular. Derzeit besteht es aus folgenden Modulen: > Bathymetrie o mittlere Höhenlage des Meeresbodens o Bodenformen in parametrisierter Form >

Sedimentologie o Kornverteilung der Oberflächensedimente o Porosität o organischer Anteil im Sediment

>

konsolidierter Horizont o holozäne Basis / Basis nordseezeitlicher Sande

>

Wasserbauwerks- und Ersatzmodelle

Diese Funktionalität kann um weitere Eigenschaften des Gewässerbodens erweitert werden.

2.2 Funktionalität Alle Komponenten des Funktionalen Bodenmodells sind zeitvariant entworfen, so dass an jedem Ort in der Deutschen Bucht und zu jedem Datum (in der Regel seit 1950) die obigen Parameter durch raum-zeitliche Interpolations- und Approximationsverfahren geliefert werden können. Dabei ist ein Ergebnisdatensatz dieser datenbasierten Simulation abhängig von der räumlichen und zeitlichen Auflösung der im Funktionalen Bodenmodell abgelegten Messdaten. Zusätzlich zu den eigentlichen modellierten physikalischen Parametern werden daher Kenngrößen zur Beurteilung der Vertrauenswürdigkeit geliefert. Neben der zeitlichen Entfernung zur nächsten Messung wird die relative und absolute Unschärfe angegeben. Um an jedem Ort der Deutschen Bucht eine Information zu erhalten, auch wenn keine Wiederholungsmessungen vorhanden sind und die räumliche Auflösung der Naturdaten für den betrachteten Parameter gering ist, werden die Messdaten durch jeweils ein zeitinvariantes Hintergrundmodell ergänzt (welchem in der Regel das Datum 1.1.1900 zugeordnet wird). Im Rahmen dieses Beitrages wird im Folgenden ausführlicher auf die bathymetrische und sedimentologische Komponente eingegangen.

3 Bathymetrische Komponente des Funktionalen Bodenmodells Die digitale bathymetrische Modellkomponente basiert auf Vermessungen, zugehörigen Metadaten und Interpolationsverfahren in Raum und Zeit. Zur Beschreibung der Veränderungen des Gewässerbodens wird von der Modellvorstellung einer kontinuierlichen Funktion z(x,y,t) in Raum und Zeit ausgegangen.

3.1 Bathymetrische Datenbasis Derzeitig besteht die digitale bathymetrische Modellkomponente aus über 20.000 Datensätzen mit über drei Milliarden Datenpunkten. Zeitlich reichen die Datensätze bis zum Jahr 1939 zurück. Die Vermessungsdaten unterschiedlicher Institutionen werden ergänzt durch digitalisierte historische Arbeitskarten der Seevermessung sowie Bauwerks- und Ersatzmodelle. Diese digitalen bathymetrischen Daten werden, verknüpft mit den diese beschreibenden Metadaten, in einer Datenbank gespeichert.

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Abb. 1:

Hüllpolygone bathymetrischer Vermessungskampagnen im Funktionalen Bodenmodell für den Bereich der Deutschen Bucht, eingefärbt nach ihrem Aufnahmejahr; im Hintergrund das zeitinvariante bathymetrische Basismodell

Die Metadaten enthalten unter anderem Informationen zum Aufnahmezeitpunkt und zur Messgenauigkeit. Entsprechend der Struktur der Vermessungsdaten, die vom jeweiligen Messverfahren abhängt (Profilvermessungen, Single- bzw. Multibeam-Echo-Sounder und LIDAR-Daten), sind in den Metadaten Angaben zum Aussagebereich und zur empfohlenen örtlichen Interpolationsmethode abgelegt. Abbildung 1 zeigt das derzeitige Inventar an bathymetrischen Daten im Funktionalen Bodenmodell für den Bereich der Deutschen Bucht. Im hochdynamischen Küstennahbereich sind die aktuellsten Daten und meisten Wiederholungsmessungen zu finden.

3.2 Raum-Zeit-Interpolation In Bereichen, in denen Wiederholungsmessungen vorhanden sind, stellen die Zeitpunkte der frühesten und letzten Tiefenmessung die Grenzen einer kontinuierlichen Raum-Zeit-Bathymetrie dar (s. Abb. 2). Innerhalb dieser kontinuierlichen Raum-Zeit-Bathymetrie können durch die im Funktionalen Bodenmodell implementierten raum-zeitlichen Interpolationsverfahren quasi-synoptische Tiefenverteilungen berechnet werden. Unter einer quasi-synoptischen Bathymetrie wird also der horizontale Schnitt durch die kontinuierliche Raum-ZeitBathymetrie verstanden (MILBRADT 2011).

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Abb. 2:

Schematische Darstellung einer Raum-Zeit-Interpolation (links) und des zeitlichen Aussagebereiches (rechts)

Um die Lage des Gewässerbodens an einer Stelle und zu einem Zeitpunkt zu bestimmen, wird in allen, den betrachteten Ort enthaltenden Vermessungen der z-Wert bestimmt und mit dem Aufnahmezeitpunkt verknüpft. Anschließend wird in der Zeit interpoliert. Abb. 3 (links) zeigt eine auf diese Weise generierte Tiefenverteilung in der Deutschen Bucht auf einem 50 m-Raster zum 1.1.2006. Die rechte Abbildung gibt die zugehörige absolute Unschärfe wieder.

Abb. 3:

Raum-zeitlich interpolierte Tiefenverteilung zum 1.1.2006 (links) und zugehörige absolute Unschärfe (rechts)

Die absolute Unschärfe ergibt sich aus der Messunschärfe (in Lage und Höhe) und der durch die Interpolation in Raum und Zeit induzierten Unschärfe. In einem weiteren Schritt müssen diese induzierten Unschärfen mit den morphologischen Gegebenheiten verknüpft werden.

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Für numerische Simulationsmodelle werden besondere Anforderungen an bathymetrische Approximationen gestellt. Die Berechnungspunkte in numerischen Simulationsmodellen sind in der Regel Repräsentanten für einen Bereich und nicht die Tiefe an der Stelle selbst. Diese Tatsache erfordert komplexe Integrationsprozesse auf den zugehörigen Voronoi-Regionen des Berechnungspunktes.

3.3 Bathymetrische Analysen Einfache Analysen, wie beispielsweise die Identifikation von Erosions- und Sedimentationsbereichen, lassen sich durch Differenzbildung von quasi-synoptischen Bathymetrien bestimmen. Ergänzt werden können diese Analysen durch funktionalanalytische Betrachtungen der Zeitreihen der Tiefenentwicklung an jedem Punkt des Untersuchungsraumes. Auf der Grundlage dieser Zeitreihen können morphologische Parameter, wie Tiefenänderungen (dz/dt) oder der "morphologische Raum" (zmax-zmin), abgeleitet werden. Des Weiteren lassen sich auf der Basis volumetrischer Analysen beispielsweise Aussagen zum Wachstum der Watten in der Deutschen Bucht ableiten. Die Datenbasis der bathymetrischen Komponente lässt darauf schließen, dass das Watt (hier definiert als der Bereich zwischen -2 m und 2 m [NHN]) in den letzten 15 Jahren im Mittel um 0,74 cm/a wächst.

Abb. 4: Entwicklung der Wattflächen und -volumen in der Deutschen Bucht (Bezugshorizont: -2 m bis 2 m [NHN]; die Karte rechts unten zeigt die Fläche, die als Wattfläche interpretiert wird)

4 Sedimentologische Komponente des Funktionalen Bodenmodells Die sedimentologische Modellkomponente beschreibt die Eigenschaften des Oberflächensediments am Meeresboden in Form der Korngrößenverteilung, Porosität und des organischen Anteils. Die Korngrößenverteilungen werden im Funktionalen Bodenmodell als Summenkurven, in einer logarithmischen Skala entsprechend ihrer Auflösung, gespeichert. Die Bezugspunkte der kumulativen Korngrößenkurven werden linear oder mit einem monoton kubischen Spline interpoliert (KRUGER 2002), Porosität und organischer Anteil werden als Skalare beschrieben.

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4.1 Datenbasis der sedimentologischen Modellkomponente Derzeit besteht die sedimentologische Modellkomponente aus ca. 63.000 Sedimentproben in verschiedenen Auflösungen und von verschiedenen Datenerhebern bzw. -lieferanten aus dem Zeitraum 1941-2012 (s. Abb. 5). Etwa 30.000 Proben davon liegen im Bereich der Deutschen Bucht.

Abb. 5:

Probestationen (Punkte) der im Funktionalen Bodenmodell gespeicherten Sedimentproben in der Deutschen Bucht

Porosität und organischer Bestandteil sind nur in sehr wenigen der vorhandenen Proben analysiert worden. Korngrößenverteilungen sind jedoch für alle in Abb. 5 gezeigten Stationen verfügbar. Somit können hierfür räumliche Interpolationsverfahren angewendet werden. Zeitvariante Analysen sind mit dieser Datenlage nur sehr eingeschränkt möglich.

4.2 Anisotrope Interpolation der Kornsummenkurve Die räumliche Interpolation auf spärlich verteilten Daten erfordert speziell angepasste Interpolationsverfahren. Traditionelle Interpolationsmethoden können durch die Berücksichtigung von physikalischen Rahmenbedingungen deutlich verbessert werden. Für die räumliche Interpolation der gesamten Kornsummenkurve wird eine anisotrope Shepard-Interpolation verwendet. Die kreisförmige klassische Metrik wird hier, auf der Grundlage des Vektorfeldes berechneter resultierender Sedimenttransporte, zu einer Ellipse verzerrt. Vor allem in Gebieten, in denen die Morphologie ausgeprägte Strukturen aufweist, liefert die anisotrope Shepard-Interpolation wesentlich bessere Ergebnisse. Auf der Basis der sedimentologischen Komponente des Funktionalen Bodenmodells können nun Anfangswerte und Parameter für

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morphodynamische Simulationsmodelle abgeleitet werden. Sowohl die räumliche Auflösung des Modellnetzes als auch die für das Simulationsmodell benötigte Auflösung der Korngrößenverteilung sind beliebig wählbar. Aus den interpolierten Kornsummenkurven können zudem auch statistische Parameter, wie Medianwert, Sortierung oder Anteile einzelner Kornklassen, abgeleitet werden (s. Abb. 6).

Abb. 6:

Median des Korndurchmessers und Anteil der Feinsandfraktion 125-177 µm in der Deutschen Bucht, berechnet auf Grundlage einer anisotropen Shepard-Interpolation der Korngrößenverteilung

5 Zusammenfassung und Ausblick Mit dem Funktionalen Bodenmodell steht ein Werkzeug zur Verfügung, dass sowohl für das Küsteningenieurwesen als auch für die Forschung unterschiedlicher Fachbereiche, wie Marine Geologie und Biologie, eine umfassende Datengrundlage liefert. Durch die implementierten Interpolationen und Approximationen können Datensätze für den jeweiligen Einsatz individuell generiert werden. So sind die räumliche und zeitliche Auflösung frei wählbar. Die sedimentologische Modellkomponente ermöglicht zudem die Bereitstellung von interpolierten Kornverteilungen mit angepassten Fraktionierungen. Durch datenbasierte Hindcast-Simulationen werden neue Erkenntnisse zur bathymetrischen Entwicklung der Deutschen Bucht gewonnen, die wiederum zur Weiterentwicklung prozessbasierter Modellverfahren genutzt werden können. Die im Rahmen des Verbundprojektes AufMod erstellten Produkte, wie jährliche Bathymetrien oder sedimentologische Datensätze, können über die Seite der Marinen Dateninfrastruktur Deutschland (http://www.mdi-de.org) unter dem Suchwort „AufMod“ recherchiert oder direkt über den Link ftp://ftp.bsh.de/outgoing/AufMod-Data heruntergeladen werden. Das Funktionale Bodenmodell bietet die Grundlage für eine stetige Fortführung datenbasierter Untersuchungen unter interdisziplinärer Zusammenarbeit. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung, Erweiterung der Datenbasis und deren Pflege kann ein nachhaltiges Systemverständnis fördern, was für moderne marine Nutzungs- und Küstenschutzkonzepte unerlässlich ist.

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Danksagung Die Autoren möchten dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die finanzielle Unterstützung des Verbundforschungsprojektes „Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht – AufMod“ danken sowie allen Kolleginnen und Kollegen, die aktiv das Verbundprojekt AufMod ausgestaltet haben. Nicht zuletzt bedanken wir uns im Namen des Projektes bei allen Datenanbietern in Deutschland und Europa, die durch die Bereitstellung von Daten und Informationen wesentlich zum Erfolg des Projektes beigetragen haben.

Literatur HEYER, H., SCHROTTKE, K. (2013): Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht – AufMod, Gemeinsamer Abschlussbericht für das Gesamtprojekt mit Beiträgen aus allen 7 Teilprojekten KRUGER, CJC (2002): Constrained Cubic Spline Interpolation for Chemical Engineering Applications. (http://www.korf.co.uk/spline.pdf, zuletzt aufgerufen am 21.1.2014) MILBRADT, P. (2011): Analyse morphodynamischer Veränderungen auf der Basis zeitvarianter digitaler Bathymetrien. In: Die Küste, Heft 78, S. 33-58, ISSN 0452-7739

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Kontakt: apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Milbradt smile consult GmbH Vahrenwalder Str. 4 30165 Hannover Tel.: 0511/ 543 617 42 Fax: 0511/ 543 617 66 E-Mail: [email protected]

Jahrgang: 1963, geb. in Berlin 1985-1990 Mathematikstudium an der Humboldt-Universität zu Berlin 1991-2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Leibniz Universität Hannover seit 2010 Außerplanmäßiger Professor an der Leibniz Universität Hannover seit 2000 Geschäftsführer der smile conult GmbH

Kontakt: Dipl. Umweltwiss. Jennifer Valerius Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Bernhard-Nocht-Straße 78 20359 Hamburg Tel.: 040/ 3190 3295 Fax: 040/ 3190 5000 E-Mail: [email protected]

Jahrgang: 1982 2002-2009 Studium der Angewandten Umweltwissenschaften an der Universität Trier seit 2010 Wissenschaftliche Angestellte im Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Sachgebiet M25 - Geologie

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Aufbau eines morphodynamischen Simulationsmodells für die Deutsche Bucht zur Abschätzung von Sedimenttransportwegen und -mengen

Frank Kösters, Bert Putzar, Peter Milbradt und Andreas Plüß

1 Einleitung Die Entwicklung der Deutschen Bucht über die letzten Dekaden zeigt großräumig ein komplexes Verhalten aus migrierenden Tiderinnen, dynamischen Wattflächen und Vorstränden (WINTER 2011). Um unser Verständnis der beobachteten Morphologie zu verbessern und damit auch die Fähigkeit zur Vorhersage von Auswirkungen des Klimawandels oder anthropogener Eingriffe, ist es notwendig, die relevanten Sedimenttransportprozesse und -pfade zu verstehen. Ein erster Schritt in diese Richtung wurde in dem KFKI-Projekt „Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht (AufMod)“ geleistet, in dem eine Datenbasis für Simulationsmodelle geschaffen und bestehende mathematische Verfahren getestet wurden (siehe AufMod Abschlussbericht, HEYER & SCHROTTKE 2013). Da es gegenwärtig keine geeignete Messtechnik zur Erfassung der großräumigen Sedimenttransporte für längere Zeitspannen gibt, müssen sich Prognosen zur Sedimentumlagerung deshalb auf numerische Modelle stützen. Auch diese sind in ihrer Genauigkeit begrenzt. Der Einschätzung von LESSER et al. (2004), dass noch keine erfolgreichen morphodynamischen Simulationen mit dreidimensionalen Modellen verfügbar sind, ist auch heute noch für großskalige Modellanwendungen (Größenordnung von 100 km) zuzustimmen. Es wurden jedoch Fortschritte bei der Modellierung von langfristigen Szenarien für kleinere Gebiete (z. B. JUNGE et al. 2006; VAN DER WEGEN et al. 2010) und der Abbildung integraler Größen wie dem morphologischen Raum (maximale Änderung der Sohllage in einem definierten Zeitraum) gemacht (KÖSTERS & WINTER, in press). Die Parametersensitivität der in numerischen Modellen implementierten empirischen Sedimenttransportformulierungen erfordert eine umfassende Kalibrierung und Validierung der Modelle, die auf Basis der bestehenden Messdaten nur eingeschränkt zu leisten ist. Zur exakten Abbildung der langfristigen morphologischen Umformungen müsste ein numerisches Modell in der Lage sein, alle prägenden Teilprozesse in ihrer zeitlichen Entwicklung korrekt abzubilden. Die begrenzte Verfügbarkeit von flächendeckenden Messungen auf der einen Seite, so wie die Grenzen der numerischen Modelle (Rechnerkapazität, Modellansätze) schränken einen direkten Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Änderungen der Sohllage für großräumige Umformungen stark ein. Eine erfolgreiche Herangehensweise für die Lösung dieses Problems ist der Vergleich unterschiedlicher Modellsysteme zur Beurteilung der Spannbreite von Modellergebnissen (z. B. PLÜß & HEYER 2007).

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2 Mathematische Modellierungswerkzeuge Im Rahmen des Projekts AufMod wurden die vier folgenden prozessbasierten numerischen Modelle eingesetzt, um die Variabilität der Berechnungsergebnisse unterschiedlicher physikalischer Approximationen, vertikaler Auflösung (2D/3D) und numerischer Umsetzungen abzuschätzen. Hydrodynamik 1. UnTRIM (3D) 2. DELFT3D-HYD (2D) 3. MARINA (2D) 4. TELEMAC (2D

Seegang UnK SWAN MARINA TOMAWAC

Morphodynamik SediMorph DELFT3D-MOR MARINA SISYPHE

Die Lage des Gewässerbodens (Bathymetrie) wird bei den verschiedenen Modellsystemen jeweils durch ein Gitternetz diskretisiert. Die Rechenmodelle UnTRIM, MARINA und TELEMAC verwenden die gleichen unstrukturierten Dreieckselemente (siehe Abb. 1) mit einer variablen Auflösung von ca. 80 m bis ca. 24 km. Diese erlaubt die gleichzeitige Abbildung der gesamten Nordsee mit grober Auflösung und einer höher aufgelösten Deutschen Bucht. Das Verfahren DELFT3D dagegen setzt strukturierte Gitternetze ein (hier nicht gezeigt), die zur Erreichung einer ähnlichen Auflösung ineinander geschachtelt wurden.

Abb. 1:

Gesamtes Untersuchungsgebiet (links) und Fokusgebiet der Deutschen Bucht (rechts) mit verwendetem unstrukturiertem Gitternetz

Die unterschiedlichen Modelle verwenden weitgehend die gleichen Anfangs- und Randbedingungen, um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Eine detaillierte Beschreibung des Modellaufbaus ist in dem Abschlussbericht des Projekts AufMod dokumentiert (siehe HEYER & SCHROTTKE 2013). Zur Abschätzung der mehrjährigen Variabilität wurde das Modell UnTRIM-SediMorph für den Untersuchungszeitraum (1996-2008) als Hindcast-Rechnung aufgebaut, berechnet und validiert (BAW 2013). Zur zeitlich darüber hinausgehenden Langfristprognose wurde ein bis zu 100-jähriger Zeitraum auf Basis des Modells TELEMAC-SISYPHE berechnet (PUTZAR et al. 2012).

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3 Sedimenttransport in der Deutschen Bucht 3.1 Transportpfade Die räumliche Struktur des Geschiebe- und Suspensionstransports ist in Abb. 2 exemplarisch auf Basis der Ergebnisse des Modells UnTRIM-SediMorph dargestellt. Dazu wurde für das Jahr 2006 der Sedimenttransport von zehn Fraktionen (Feinschluff bis Kies) unter realistischem meteorologischen und hydrologischen Antrieb berechnet. Die räumliche Struktur des Geschiebetransportes (Mittelsand und gröber) entspricht im Wesentlichen dem Suspensionstransport (Feinsand und feiner). Im Mittel wird das Sediment als Küstenlängstransport vor den ostfriesischen Inseln in Richtung Osten transportiert. Im nordfriesischen Bereich zeigen sich fast keine durchgehenden Sedimenttransportbänder, signifikant ist hier nur der Transport in den Tiderinnen. Die Größe des Geschiebetransports ist fast flächendeckend um mehr als eine Magnitude geringer als der Suspensionstransport, mit zunehmender Distanz von der Küste nimmt dabei die relative Bedeutung des Geschiebetransports ab.

Geschiebetransport

sum of all fractions 10E-06

Abb. 2:

10E-04

kg/s/m 0.1

Suspensionstransport

1.

Mittlerer Sedimenttransport für das Jahr 2006 aufgeteilt in Geschiebetransport (links) und Suspensionstransport (rechts) auf Basis des Modellverfahrens UnTRIM-SediMorph

Zur Veranschaulichung der Sedimenttransportpfade wurden für den Gesamttransport als Summe aus Suspension und Geschiebe berechnet, wie sich Sedimentpartikel basierend auf dem mittleren Transport in den unterschiedlichen Modellsystemen bewegen würden (Stromfäden, vgl. Abb. 3). Für die betrachteten Modelle zeigt sich ein konsistentes Bild der Transportpfade. Der berechnete Sedimenttransport ist entlang der ostfriesischen Inseln in die Innere Deutsche Bucht gerichtet. Das in diesen Bereich transportierte Material verbleibt im Wesentlichen hier. Nur im tieferen Bereich (>> 20 m) verzweigt der Sedimenttransport westlich von Helgoland nordwärts. Die genaue Ausprägung dieser generellen Transportrichtung und insbesondere die Menge des transportierten Materials unterscheiden sich dagegen in den einzelnen Modellen zum Teil deutlich.

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a)

b)

0 km

c)

100 km

0 km

niedrig

Abb. 3:

Transport intensität

100 km

0 km

100 km

hoch

Transportpfade und -intensität des Sedimenttransports in der erweiterten Deutschen Bucht auf Basis der Modellsysteme a) UnTRIM-SediMorph, b) TELEMAC-SISYPHE und c) MARINA

3.2 Bilanzierung Zur Abschätzung des Nettotransports in die Deutsche Bucht hinein bzw. aus der Deutschen Bucht heraus, wurden die Sedimenttransporte entlang ausgewählter Profile für den Untersuchungszeitraum 1996-2007 bilanziert (siehe Abb. 4).

Abb. 4:

Netto-Deposition in der Deutschen Bucht aus Basis der Simulationsergebnisse (rot: UnTRIM-SediMorph, grün: TELEMAC-SISYPHE, hellblau: MARINA) und Dauer hoher Windgeschwindigkeit (>18 m/s) an der Station Helgoland (blau). Die Lage der Schnittprofile ist in der Abbildung rechts dargestellt.

Die ausgetragenen Mengen aus der Deutschen Bucht sind um etwa eine Größenordnung geringer als die Eintragsmengen. Der Austausch mit den Ästuaren ist in den Modellen durch die gewählte räumliche Auflösung nicht hinreichend aufgelöst und wird für die Bilanzierung nicht berücksichtigt. Die berechnete Netto-Deposition in der Deutschen Bucht als Differenz des residuellen Sedimenttransports über die Bilanzierungsprofile basierend auf den Ergebnissen von UnTRIM-SediMorph beträgt im Mittel ca. 28 Mt/a. Bezogen auf die Gesamtfläche der Deutschen Bucht von ca. 32.000 km² ergibt sich aus der mittleren Deposition eine theoretische mittlere Aufwuchshöhe von ca. 0,5 mm, die sich in der Natur jedoch räumlich differenziert in der Deutschen Bucht verteilt. Der höchste Wert von ca. 42 Mt/a der untersuchten

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Jahreszeitreihe wird in den anderen Jahren nur zu etwa 1/2 bzw. 1/3 erreicht. Der Vergleich der Berechnungsergebnisse der unterschiedlichen Modelle zeigt für das Jahr 1998 eine relativ gute Übereinstimmung (40,5-46,5 Mt/a), während für das Jahr 2006 deutlichere Unterschiede sichtbar werden (30-44 Mt/a). Der Vergleich mit der Dauer hoher Windgeschwindigkeit zeigt überwiegend eine hohe Korrelation mit der Netto-Deposition und weist daher auf die starke Wirkung des meteorologischen Antriebs für die Richtung des Reststroms in der Deutschen Bucht hin. Von besonderem Interesse ist die tiefenabhängige Verteilung der Netto-Transportmassen. Detailanalysen ergaben, dass der überwiegende Anteil im Tiefenbereich zwischen 10 m und 20 m liegt. Der Transport im Rückseitenwatt der ostfriesischen Inseln ist deutlich geringer.

4 Zusammenfassung und Ausblick Prognosen zum mittel- bis langfristigen Sedimenttransport und zur Morphodynamik sind mit großen Unsicherheiten behaftet. Zur Abschätzung der Spannbreite von Ergebnissen ist daher eine Kombination von daten- und prozessbasierten Modellen notwendig. Die prozessbasierte Modellierung ermöglicht die Analyse der großräumigen Zirkulation und Sedimentbewegung in der Deutschen Bucht, als bestimmende Größe für den seeseitigen Sedimenttransport in den deutschen Ästuaren. Analysen der Modellergebnisse weisen eine hohe Variabilität des generell zyklonalen Küstenlängstransportes in der Deutschen Bucht auf, sowohl in Magnitude als auch in Richtung. Die Modellergebnisse zeigen einen etwa gleichwertigen Einfluss des tidegetriebenen Sedimenttransports im Vergleich zur kombinierten Wirkung von Wind und Seegang. Eine verlässliche Validierung der transportierten Sedimentmengen ist auf Basis der verfügbaren Messungen derzeit nicht möglich, der qualitative Vergleich mit geologischen Auswertungen bestätigt die generelle Funktion der Deutschen Bucht als Netto-Depositionsbereich. Die Modelle prognostizieren 13 Mt/a bis über 46 Mt/a Netto-Deposition. Die Bilanzierung berücksichtigt dabei jedoch nicht den Austausch mit den Ästuaren. Die Netto-Deposition ist eng mit dem meteorologischen Antrieb korreliert. Eine Untersuchung. inwieweit diese Korrelation auch auf Baggermengen in den äußeren Ästuaren übertragbar ist, ist eine Fragestellung zukünftiger Untersuchungen. Die im Rahmen von AufMod durchgeführten morphodynamischen Simulationen weisen ebenfalls eine hohe Schwankungsbreite zwischen den Modellergebnissen auf, deren Bewertung durch die aktuelle Messgenauigkeit und Abdeckung stark eingeschränkt ist und zusätzlich anthropogene Einflüsse wie Bagger- und Verklappvorgänge berücksichtigen muss. Die Weiterentwicklung der morphodynamischen Simulationen für die äußeren Ästuare stellt daher eine Herausforderung dar, die in zukünftigen Forschungsvorhaben weiter voran getrieben werden muss.

Literatur BAW (2013): Nordsee-Basismodell - Teil II: Modellsystem UnTRIM-SediMorph, a) Hydrodynamik (UnTRIM-SediMorph), UnTRIM Basismodell, BAW Bericht, http://www.baw.de/methoden/index.php5/Validierungsstudien_Nordsee HEYER UND SCHROTTKE (2013): Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht – AufMod (03KIS08203KIS088) Gemeinsamer Abschlussbericht für das Gesamtprojekt mit Beiträgen aus allen 7 Teilprojekten, 292 S.

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KÖSTERS UND WINTER (in press): Exploring German Bight coastal morphodynamics based on modelled bed shear stress, Geo-Mar. Lett. 34, doi: 10.1007/s00367-013-0346-y JUNGE, WILKENS, HOYME UND MAYERLE (2006): Modelling of medium-scale morphodynamics in a tidal flat area in the south-eastern German Bight. In: Die Küste 69, S. 279-311 LESSER, ROELVINK, VAN KESTER, STELLING: Development and validation of a threedimensional morphological model. Coastal Engineering 51, S. 883-915, 2004 PLÜß UND HEYER (2007): Morphodynamic Multi-Model approach for the Elbe estuary. Proceedings of the 5th IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics (RCEM). Enschede, The Netherlands, S. 113-117 PUTZAR, WAPPELHORST AND MALCHEREK (2012): Forecasting the German Bight’s Morphodynamics: Development of a tool for long-term coastal management. Proceedings of the 10th Int. Conf. on Hydroscience and Engineering (ICHE-2012), Nov. 4 - Nov. 7, Orlando, USA VAN DER WEGEN, DASTGHEIB, JAFFE, ROELVINK (2011):

Bed composition generation for morphodynamic modeling: case study of San Pablo Bay in California, USA. Ocean Dyn. 61(2/3):173-186. doi:10.1007/s10236-010-0314-2

WINTER (2011): Macro scale morphodynamics of the German North Sea coast. J. Coastal Res. 64, S. 706-710

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Jahrgang: 1976 1997-2001 Studium der Geophysik, Westfälische-Wilhelms Universität Münster und University of Birmingham (England) MSc Applied Geophysics (2001) 2001-2005 Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschergruppe Ozeanpassagen, Christian-Albrechts Universität zu Kiel Promotion Physikalische Ozeanographie (2004) 2005-2008 Strategisches Projektmanagement, Kassenärztliche Vereinigung Bayerns Kontakt: Dr. Frank Kösters Bundesanstalt für Wasserbau Dienststelle Hamburg Wedeler Landstr. 157 22559 Hamburg Tel.: 040/ 81908 356 Fax: 040/ 81908 373 E-Mail: [email protected]

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seit 2008 Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Bundesanstalt für Wasserbau, Abteilung Wasserbau im Küstenbereich Projektbearbeitung: Modellierung von Hydrodynamik und Sedimenttransport im Weserästuar im Rahmen von WSV Projekten Morphodynamische Modellierung der Deutschen Bucht, KFKI Projekt AufMod Schnittstelle Sedimenttransport und Benthosökologie, BMBF Projekt MOSSCO

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Langzeituntersuchungen von Megarippeln in Elbe und Jade

Thomas Wever

1 Einleitung Der Meeresboden spielt für Fragen der Seefahrt und der Installation von Pipelines, Kabeln etc. eine wichtige Rolle. Eine besondere Herausforderung stellen Sanddünen dar. Sie können in Jade und Elbe mehrere Meter Höhe erreichen und sind in der Regel mobil. Abhängig von ihrer Höhe lassen sie sich in verschiedene Typen unterteilen, die unterschiedlichen Gesetzen folgen. Für die Marine stellt die Wanderung von kleineren mobilen Megarippeln eine Herausforderung dar, da sie Grundminen in unregelmäßigem Wechsel überdecken und frei legen. Von Sand bedeckte Minen sind derzeit nicht mit Sonaren auffindbar. Für eine verbesserte Vorhersage der Phasen, in denen Minen in einem Gebiet durch wiederholtes Suchen auffindbar sind, wurden in den 1970er-Jahren Registrierminen entwickelt. Sie trugen dazu bei, das Verhalten von Wanderdünen zu verstehen. Die mit ihnen gewonnenen punktuellen Daten belegen eine extrem hohe zeitliche und kleinräumliche Variabilität. Die Variabilität wurde mit neueren, größere Flächen erfassenden Verfahren bestätigt.

2 Messgeräte Die Untersuchung von Dünenwanderung auf dem Meeresboden wird durch mehrere Umstände erschwert. Die wichtigsten sind: (i) die die Wanderdünen erzeugende große Strömung verhindert den Einsatz von Tauchern, (ii) durch die Strömung aufgewirbeltes Sediment reduziert die Sicht unter Wasser auf Nullsicht, (iii) Strömung beeinflusst das sichere Positionieren bei stationären Experimenten. Die genaue Bestimmung der Position ist seit erst ca. 15 Jahren durch Einsatz des GPS gelöst. Vorher übertrafen die Fehler bei regelmäßigen Echolotvermessungen häufig die zu erfassenden Positionsänderungen von Wanderdünen. Die genannten Schwierigkeiten sowie die geringe Schiffsverfügbarkeit führten in den 1970erJahren dazu, dass Registrierminen entwickelt wurden. Sie haben sehr zum Verständnis der Dünenwanderung beigetragen, gleichzeitig aber auch eine unerwartete kleinräumige und zeitliche Variabilität nachgewiesen. Zur besseren Untersuchung der kleinräumigen Variabilität der Dünenwanderung (speziell der Megarippel bis 1 m Höhe) wurde ein Messturm mit einem Rotationssonar entwickelt. Beide Geräte werden kurz beschrieben und im Anschluss die wichtigsten Ergebnisse vorgestellt.

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2.1 Registrierminen Die Registriermine (RM, Abb. 1) hat einen zylindrischen Körper von 1,70 m Länge und 0,47 m Durchmesser sowie einem Gewicht von 500 kg (270 kg in Wasser). Sie besitzt drei Ringe mit je 24 regelmäßig angeordneten Lichtschranken. Stromversorgung und Messelektronik sind im Körper untergebracht. Die Lichtschranken werden in regelmäßigen Intervallen aktiviert und bestimmen den Versandungsstatus. Durch Sediment blockierte Lichtschranken belegen die Versandung (WEVER et al. 2004). Das Beispiel einer Auswertung zeigt Abb. 2. Seit 1977 wurden über 50.000 Stunden in Gebieten mit Wanderdünen registriert.

Abb. 1:

Registriermine. Details werden im Text genannt.

Abb. 2:

Beispiel der Registrierung eines einwöchigen Megarippel-Überlaufs der Registriermine. Deutlich erkennbar ist die zyklische Bedeckung und Freilegung im Gezeitenrhythmus. Bei Freilegung der RM kann sie rollen. Die Bewegung wird erfasst (gelbe Kurve).

2.2 Rotationssonar Zeitgleiche Messungen mit mehreren RM in einem Gebiet zeigen eine große räumliche Variabilität der Versandung Da die RM nur punktuelle Datenerhebungen erlauben, wurde ein Rotationssonar (Abb. 3) mit einer Frequenz von 330 kHz eingesetzt, das größere Flächen in einer Minute erfassen kann. Der Sonarkopf befindet sich in 4,85 m Höhe, der untersuchte Bereich hat einen Radius von 50 m (Abb. 3). Neben den Sonardaten werden Strömungsgeschwindigkeiten in einer 1 m dicken Schicht über dem Meeresboden mit einem akustischen Doppler-Profiler, separat Wellen und Gezeiten sowie die Orientierung mit einem Kompass erfasst. Die Energieversorgung und Datenaufzeichnung erfolgen in einem im Messturm installierten Elektronikgehäuse.

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Abb. 3:

Links: Rotationssonarturm mit Sonarkopf (Details im Text). Rechts: Beispiel einer Aufzeichnung. Die roten Kreise entsprechen 10 m Abstand bzw. 0,2 m/s Strömungsgeschwindigkeit. Der rote Pfeil gibt die Strömungsrichtung und -stärke an.

3 Ergebnisse Die Messungen mit Registrierminen und dem Rotationssonarturm erlauben Einblicke in die Vorgänge am Meeresboden unter Gezeiteneinfluss. Die Jade eignet sich besonders für diese Fragenstellung: In ihr laufen Ebb- und Flutstrom nahezu gegenläufig, die Komplikationen einer Gezeitenellipse fehlen. Zudem ist die Jade vor Dünungseinfluss geschützt und Wellen haben keine ausreichende Wirklänge, um so groß zu werden, dass sie sich am Meeresboden auswirken. Als Vergleichsgebiet wurde die Elbe gewählt, die im Gegensatz zur Jade eine starke Flussströmung aufweist.

3.1 „Punktuelle“ Untersuchungen der Sedimentbewegung Der Einsatz der Registrierminen belegt sehr deutlich die Migration von Megarippeln, die im Untersuchungsgebiet meistens eine Höhe von unter 60 cm haben, sowie den starken Umbau bei Wechsel der Strömungsrichtung (Abb. 4). Die Untersuchung mit Registrierminen liefert (punktuell) Daten an einzelnen Positionen. Für die Verbesserung des Verständnisses der Megarippelwanderung wurden mehrere RM gleichzeitig ausgelegt. Dadurch wurde eine starke Variabilität der Megarippel-Bewegung nachgewiesen, die keine Korrelationen erkennen lässt. Abbildung 5 zeigt ein repräsentatives Beispiel, in dem die fünf ausgelegten RM fast durchgehend gleichzeitig zwischen 5 cm und 47 cm versandet sind. In diesem Beispiel zeigen die jeweiligen RM eine etwa gleichbleibende Versandung. Andere Kampagnen wiesen wesentlich stärkere Versandungswechsel jeder einzelnen RM nach. Im Vergleich zur Jade wirkt sich in der Elbe die überlagernde Flussströmung so aus, dass die verschiedenen RM ähnliche Versandungsverläufe registrieren (Abb. 6). Die bei Scharhörn ausgelegten RM lagen wie in der Jade auf verschiedenen, mehrere Meter hohen Sanddünen, die offensichtlich jeweils eigene Strömungsbedingungen ausweisen.

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Abb. 4:

Beispiel einer sechswöchigen Registrierung einer RM. Die Datenaufzeichnung erfolgte im Stundenrhythmus, alle 24 Stunden sind durch einen Strich auf der Zeitachse markiert. Springtiden waren einen Tag vor der Auslegung, danach etwa um Registrierstunden 290, 550, 1030 (Bergetag). Der Umbau der Megarippel im Gezeitenrhythmus wird deutlich.

Abb. 5:

Beispiel einer zehnwöchigen Registrierung fünf benachbarter RM im Abstand von ca. 100 m. Die Datenaufzeichnung erfolgte im Stundenrhythmus, alle 24 Stunden sind durch einen Strich auf der Zeitachse markiert. Springtiden waren etwa um die Registrierstunden 170, 530, 860, 1220, 1560.

Abb. 6:

Beispiel einer ca. fünfwöchigen Registrierung vier benachbarter RM im Abstand von ca. 100 m nahe Scharhörn. Die Datenaufzeichnung erfolgte im Stundenrhythmus, alle 24 Stunden sind durch einen Strich auf der Zeitachse markiert. Springtiden waren etwa um die Registrierstunden 100, 450, 770. Die Zeitachse entspricht der der Abb. 5.

Eine detaillierte Analyse der Daten belegt die Geschwindigkeit des Umbaus von Megarippeln, sobald die Strömungsrichtung wechselt. Abbildung 7 zeigt eine typische Aufzeichnung. Hier ändert sich die Höhe des Sandes in 45 Min. (12:39-13:24) um die gesamte RM um 38 cm.

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Abb. 7:

Änderung des Sandpegels an einer RM (Messintervall: 15 Min.)

3.2 Flächenerfassung der Sedimentbewegung Mit mehreren RM wurde eine sehr uneinheitliche Wanderung von Megarippeln nachgewiesen. Zur besseren Erstellung eines Gesamtbildes wurde ein Rotationssonar auf einem fast 5 m hohen Turm eingesetzt (WEVER et al. 2008). Er erfasst in regelmäßigen Intervallen die Position von Wanderdünen auf einer Fläche von 7.850 m2. Abbildung 8 zeigt zwei Aufzeichnungen während Stauwassers und maximalen Ebbstroms.

Abb. 8:

Aufzeichnungen des Rotationssonars (Nord: oben). Links: Stauwasser, rechts: maximale Ebbströmung. Nördlich des Turms ist der Kamm einer Sanddüne (Höhe über 4 m) zu erkennen, südlich dominieren Megarippel auf der flachen Dünenflanke. Wanderdünen zeigen scharfe Kämme („weiße Striche“), wenn sie sich auf den Sonarturm zu bewegen. Bewegen sie sich vom Sonarturm weg, werden nur die gerundeten Kammrücken erfasst. In diesem Fall sind die Kämme durch die auftretenden Schatten (dunkle Bereiche) erkennbar. Der dunklere Bereich nördlich des Dünenkamms zeigt keine Bodenformen, da dieser Bereich durch den Sanddünenkamm abgeschattet ist. Bei maximaler Strömung sind hier Suspensionswolken (links des Strömungsvektors) deutlich sichtbar.

Die Erfassung mehrerer Megarippel mit Rotationssonar auf größeren Flächen wies die hohe zeitliche und räumliche Variabilität als charakteristisch nach. Die Aufzeichnungen erfolgten

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in unterschiedlichen Intervallen. Während einer Kampagne wurde die Bewegung alle 3 Minuten über 25 Stunden erfasst. Die Einzelaufzeichnungen wurden zu einem Film zusammengefasst, der die Veränderungen sehr gut aufgelöst nachweist, aber auch eine deterministische Vorhersagbarkeit in Frage stellt. Insbesondere zeigt sich eine sehr heterogene Bewegung: Einzelne Teile von Megarippeln bleiben plötzlich stehen, um sich mit nachfolgenden Megarippeln zu vereinigen. In anderen Fällen vereinigen sich sogar ganze aufeinander folgende Megarippel. Die Erfassung der größeren Sanddünen (4-5 m Höhe) mit dem Rotationssonar wies für ihre Kämme Bewegungen von 6-8 m zwischen Ebb- und Flutstauwasser nach. Auch bei ihnen wurden lateral erhebliche Unterschiede beobachtet.

4 Diskussion Der Einsatz der Registrierminen und des Rotationssonarturms haben eine sehr große Variabilität der Bewegung von Megarippeln belegt. Es gelang der Nachweis, dass Megarippel zwar seewärts wandern, aber innerhalb einer Gezeit wesentlich größere Strecken, als die NettoBewegung zurücklegen. Der tatsächliche Sedimenttransport ist weitaus größer, als aus der Netto-Bewegung von Wanderdünen abgeschätzt werden kann. Als Grundlage für eine realistische Abschätzung des Sedimenttransports können die Änderungen der Sandhöhe im direkten Umfeld der Registrierminen dienen. Eine umfassende Literaturauswertung (WEVER 2003) zur besseren Einordnung der Beobachtungen in Jade und Elbe belegte eine große Bandbreite und teilweise widersprüchliche Ergebnisse. Die widersprüchlichen Aussagen beziehen sich auf die Dynamik von Wanderdünen und ihre Abmessungen. Hier mag die Ursache in ungeeigneten Messstrategien liegen. Gravierender sind Widersprüche zur Verteilung der Korngrößen auf den Sanddünen (z. B. ANTONY & LETH 2002: feines Sediment an den Kämmen, STOLK 1996: grobes Sediment an Kämmen) und die Höhe von Megarippeln auf den Flanken größerer Sanddünen (z. B. LANGHORNE 1977: Megarippel nahe den Kämmen flacher, TERWINDT 1971: Megarippel nahe den Kämmen höher). Teilweise wurden für einzelne Wanderdünen erfolgreiche Vorhersagen abgeleitet, aber in anderen Fällen versagen sie. Eine Ursache dafür dürfte in der Problematik liegen, dass Vorhersagen mit physikalischen Modellen immer von Idealzuständen ausgehen, die besagen, dass Sanddünen immer ihre hydrodynamische Gleichgewichtsform aufweisen. Diese Annahme wird beispielsweise verletzt, wenn keine ausreichende Sedimentzufuhr besteht.

5 Zusammenfassung und Ausblick Die Untersuchung der Sedimentbewegung durch Gezeiten mit Registrierminen an Einzelpositionen und die flächenhafte Erfassung der Sedimentbewegung wiesen eine hohe Variabilität nach. Eine zuverlässige Vorhersagbarkeit ihrer Bewegung für vorgegebene Zeiten und Orte erscheint auf der Basis deterministischer Ansätze derzeit angesichts der kleinräumigen und kurzfristigen Variabilität unrealistisch.

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Als Alternative für bessere Einblicke bieten sich zwei verschiedene Ansätze an. Beide werden im FWG der WTD71 verfolgt bzw. geplant. Im ersten Ansatz wird eine Untersuchung der Verbreitung von Wanderdünen mit geologischer Information (Berücksichtigung diverser sedimentologischer Parameter) sowie hydrographischer Basisdaten (Wassertiefe, Strömungsgeschwindigkeiten und ihre jeweilige Bandbreite) kombiniert. Die geologischen Basisdaten stellt das Datensystem dbSEABED (JENKINS 1997) bereit. Die Ausgangsbasis für die Verteilung von Sanddünen und Megarippeln in der Deutschen Bucht liefert die Kartierung von ULRICH (1973). Dieser Ansatz wurde für eine andere Fragestellung als sehr erfolgreich nachgewiesen (JENKINS & WEVER 2007). Der zweite Ansatz besteht über ein Expertensystem, das alle verfügbaren Informationen (geprüfte Rechenmodelle, Expertenwissen, Daumenregeln etc.) in geeigneter Weise kombiniert. Auch dieser Ansatz wurde für eine andere Fragestellung hinsichtlich des Meeresbodens als besser als alle sonstigen Vorhersagen, selbst langjähriger und lokaler Experten, nachgewiesen (RENNIE et al. 2007). Aufgrund der Komplexität befindet sich dieser Ansatz im FWG noch in der Orientierungsphase. Trotz der Komplexität der Dünen-/Megarippelwanderung bieten sich Ansätze für Vorhersagen an. Sie benötigen zur Erstellung und Validierung allerdings ausreichend Daten.

Literatur ANTHONY, D., LETH, J. O. (2002): Large-scale bedforms, sediment distribution and sand mobility in the eastern North Sea off the Danish Coast, Marine Geology 182, 247-263. JENKINS, C. J. (1997): Building Offshore Soils Databases, Sea Technology 38, 25-28. JENKINS, C., WEVER, TH. (2007): Naval mine impact burial prediction using seafloor database, experiment, and GIS technologies, Marine Georesources and Geotechnology 25, 199-208. LANGHORNE, D. N. (1977): Consideration of meteorological conditions when determining the navigational water depth over a sand wave field, International Hydrographic Review 54, 19-30. RENNIE, S. E., BRANDT, A., PLANT, N. (2007): A probabilistic expert system approach for sea mine burial prediction, IEEE Journal of Oceanic Engineering 32, 260-272. STOLK, A. (1996): Analysis and control of internal structures by coring; Middelkerke Bank area: sedimentological investigations, In: I. Heyse, G. de Moor ”Sediment Transport and Bedform Mobility in a sandy Shelf Environment, Final Report of the STARFISH Project to the Commission of the European Community, Directorate General VII, Brussels, 16.1-16.33. TERWINDT, J. M. J. (1971): Sand waves in the southern bight of the North Sea, Marine Geology 10, 51-67. ULRICH, J. (1973): Die Verbreitung submariner Riesen- und Großrippel in der Deutschen Bucht, Erg. Heft zur DHZ 14, 31 S. WEVER, TH. F. (2003): Speed of Migrating Bedforms on the Sea Floor – A Review, FWG Report 50, 25 S.

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WEVER, TH. F., LÜHDER, R., STENDER, I. (2004): Burial registration mines – 30 years of seafloor-mine-interaction research, Sea Technology 45, 15-19. WEVER, TH. F., LÜHDER, R., FIEDLER, H. M., VOß, H. (2008): High-Resolution Sonar Movies of Migrating Bedforms on the Seafloor, FWG Report 58, 13 S., plus CD ROM mit 9 Sonar-Filmen.

Jahrgang: 1958 1977-1985 Studium Physik und Geophysik an den Universitäten München und Kiel. FOTO 1985-1990 Angestellter am Institut für Geophysik, Uni Kiel Aufgabengebiet: Reflexionsseismik der kontinentalen Kruste.

Kontakt: Dr. Thomas Wever WTD71 / FWG Berliner Str. 115 24340 Eckernförde Besuchsadresse: Klausdorfer Weg 2-24 24148 Kiel Tel.: 0431/ 607 4120 Fax: 0431/ 607 4150 E-Mail: [email protected]

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1990-2008 Wissenschaftler in der Forschungsanstalt der Bundeswehr für Wasserschall und Geophysik (FWG, Kiel). Aufgabengebiete: Prozesse am Meeresboden, Physik des Meeresbodens, Beratung der Marine, der NATO und des Office of Naval Research. 2008-2011 Dezernent im Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung (BWB, Koblenz), Projektbearbeitung Fregatte 125, Beratung der Marine und der NATO Seit 2011 Wissenschaftler im Fachbereich für Wasserschall und Geophysik (FWG) der WTD71 (Dienstort Kiel). Aufgabengebiete : Prozesse und Physik des Meeresbodens, inkl. biologischer Einflüsse, Beratung der Marine und der NATO.

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Änderungen der Tidedynamik in der Deutschen Bucht und der Nordsee (vom MSL über den Tidehub zu Extremwerten)

Jürgen Jensen

1 Einleitung Seit mehr als 30 Jahre befasse ich mich als Küsteningenieur mit den Wasserständen und den Gezeiten in der Nordsee bzw. an der deutschen Nord- und Ostseeküste. Während dieser Zeit haben sich die Abschätzungen zum zukünftigen Meeresspiegelanstieg erheblich verändert und durch neue Forschungen stetig weiterentwickelt. Die Aussageschärfe der Rekonstruktionen des mittleren Meeresspiegels, der bisherigen und zukünftigen Entwicklung der Tidewasserstände und der Tidedynamik auf Basis von Beobachtungswerten und Modellierungen hat sich wesentlich verbessert, ist aber immer noch eingeschränkt. Untersuchungen zu Änderungen des MSL sind im Zuge der Diskussion zum Klimawandel immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Nur mit Kenntnis der bisherigen Meeresspiegelentwicklung und dem Verständnis der einzelnen Komponenten lassen sich auch Veränderungen in der nahen Zukunft abschätzen. Ein wesentliches Forschungsziel ist damit die Reduzierung der Variabilität des MSL-Signals durch die Berücksichtigung von einzelnen (deterministischen) Anteilen, wie z. B. die meteorologische Komponente, um das mehr oder weniger stochastische Restsignal, bestehend aus Massen- und Dichteänderungen, mit reduzierten Unsicherheiten untersuchen zu können. Der mittlere Meeresspiegel (englisch: Mean Sea Level, MSL) eines Ozeans ist ein integraler Indikator für (natürliche und anthropogene) Klimaänderungen. Der MSL resultiert aus einem sehr komplexen System verschiedener Einwirkungen (temperatur - und salzgehaltsbedingte (thermohaline) Dichteänderungen, Massenaustausch Land-Ozean (Eisschmelze, terrestrische Wasserspeicher), meteorologische Wirkungen auf den Ozean, Meeresströmungen/Zirkulation, Interaktion Ozean/Atmosphäre, Gezeiten usw.); die einzelnen Effekte sind dabei nur schwer voneinander zu separieren. In Abb. 1 sind diese physikalischen Wirkungen auf den MSL sowie die tektonischen und isostatischen Einflüsse im Bereich der Küsten, d. h. der Pegelstandorte, sowie die zugeordneten Zeitskalen schematisch dargestellt. In den vergangenen Jahren wurden vom Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu), Lehrstuhl für Wasserbau und Hydromechanik, viele Forschungsvorhaben zu diesem Themenkomplex auf Grundlage von Analysen langjähriger Pegelbeobachtungsdaten durchgeführt und veröffentlicht, z. B. DANGENDORF et al. 2013a, b; FRANK et al. 2011; JENSEN 1984, 1985;

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JENSEN & TÖPPE 1986; JENSEN et al. 1988, 1990, 1992, 2010, 2012a, b; JENSEN & MUDERSBACH 2006, 2007; JENSEN & SCHÖNFELD 1990, 1991; MUDERSBACH et al. 2013; WAHL et al. 2010, 2011, 2013 (siehe auch ALBRECHT et al. 2011, ARNS et al. 2013). In dem vorliegenden Beitrag werden Ergebnisse aus diesen Arbeiten, insbesondere den aktuelleren Arbeiten, zusammenfassend dargestellt.

Abb. 1:

Einflussfaktoren des globalen und regionalen Meeresspiegels (oben) sowie Zeitskalen, auf denen einzelne Prozesse wirken (unten), (verändert nach DANGENDORF 2014).

2 Änderungen des Meeresspiegels in der Nordsee Pegel- und Satellitendaten zeigen deutlich die räumliche und zeitliche Variabilität der beobachteten Änderungen des Meeresspiegels auf. Die Nordseeküste ist mit den vielen tiefliegenden Gebieten und wichtigen Häfen besonders exponiert gegenüber einem beschleunigten Ansteigen des Meeresspiegels, wie es von Experten vorausgesagt wird. Dennoch wurden kaum regionale Studien durchgeführt bzw. diese haben sich in der Nordsee auf einzelne Küstenabschnitte oder Pegelstandorte beschränkt. An den Pegelstandorten entlang der Nordseeküste und auf den Inseln (mit unterschiedlich langen Zeitreihen bis zum Jahr 2008) ist der MSL in den letzten knapp 170 Jahren um ca. 35 cm, d. h. etwa 2 mm/Jahr angestiegen und für den kürzeren Zeitraum von 1971 bis 2008 3,6 mm/Jahr (s. Tabelle 1, WAHL et al. 2010 und 2011). Diese Auswertungen sind auf den relativen MSL bezogen (RMSL), d. h. Landsenkungen sind nicht berücksichtigt.

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Tabelle 1: Ergebnisse der linearen Trendanalysen auf Basis der RMSL-Zeitreihen für die Deutsche Bucht. Mit (+) markierte Pegel sind in der synthetischen Zeitreihe Schleswig-Holstein, mit (-) markierte Pegel in der synthetischen Zeitreihe Niedersachsen inkludiert (nach WAHL et al. 2011). Lineare trends des RMSL für verschiedene Zeitfenster ± 1-σ Standardfehler [mm/a] (Korrelation mit der synthetischen Zeitreihe - Deutsche Bucht)

Pegel

1843-2008

1901-2008

1937-2008

1951-2008

1971-2008

List (+)

-

-

2,0 ± 0,3 (0,98)

2,4 ± 0,4 (0,98)

4,2 ± 0,8 (0,98)

Hörnum (+)

-

-

1,8 ± 0,3 (0,98)

2,1 ± 0,4 (0,98)

3,7 ± 0,8 (0,98)

Wyk (+)

-

-

2,8 ± 0,5 (0,98)

4,6 ± 0,8 (0,97)

Dagebüll (+)

-

-

2,2 ± 0,5 (0,96)

3,7 ± 0,9 (0,97)

1,7 ± 0,4 (0,95)

Wittdün (+)

-

-

2,4 ± 0,3 (0,97)

2,6 ± 0,4 (0,97)

3,9 ± 0,8 (0,97)

Husum (+)

-

-

2,2 ± 0,3 (0,96)

2,5 ± 0,5 (0,96)

3,6 ± 0,9 (0,97)

2,1 ± 0,4* (0,96)

3,5 ± 0,7 (0,96)

2,1 ± 0,3 (0,95)

2,0 ± 0,4 (0,94)

3,6 ± 0,8 (0,94)

1,2 ± 0,3 (0,92)

1,0 ± 0,5 (0,90)

2,5 ± 0,8 (0,94)

1,7 ± 0,3 (0,95)

1,7 ± 0,4 (0,95)

3,1 ± 0,8 (0,96)

Helgoland Cuxhaven (-)

2,3 ± 0,1 (0,99)

Bremerhaven (-)

-

Lt. Alte Weser (-)

-

2,2 ± 0,2 (0,96) 1,9 ± 0,2* (0,88)

Wilhelmshaven (-)

-

Norderney (-)

-

-

Emden (-)

-

-

synthetische Zeitreihe (Schleswig-Holstein)

-

-

2,4 ± 0,1 (0,95)

-

1,9 ± 0,3 (0,98)

2,0 ± 0,4 (0,99)

3,4 ± 0,7 (0,99)

2,4 ± 0,3 (0,96)

2,8 ± 0,4 (0,95)

4,2 ± 0,6 (0,96)

1,3 ± 0,4 (0,94)

2,1 ± 0,7 (0,94)

2,2 ± 0,3 (0,99)

2,5 ± 0,4 (0,99)

4,1 ± 0,8 (1,00)

-

synthetische Zeitreihe (Niedersachsen)

2,0 ± 0,1 (1,00)

1,7 ± 0,1 (0,99)

1,8 ± 0,3 (0,99)

1,8 ± 0,4 (0,99)

3,2 ± 0,7 (0,99)

synthetische Zeitreihe (Deutsche Bucht)

2,0 ± 0,1

1,7 ± 0,1

2,0 ± 0,3

2,1 ± 0,4

3,6 ± 0,7

* Für einige Jahre des berücksichtigten Zeitraumes liegen keine Daten vor, es sind aber mind. 93% verfügbar

Für die Nordsee haben sich Wissenschaftler aus verschiedenen Nordseeanrainerstaaten unter Leitung des fwu der Fragestellung nach der langfristigen Meeresspiegeländerung im Nordseebecken angenommen und dabei langzeitliche und qualitativ hochwertige Pegel berücksichtigt (WAHL et al. 2013). Dies schließt lange Pegelzeitreihen ebenso ein wie Satellitendaten und Re-Analysen atmosphärischen Luftdrucks, sowie verschiedene Datensätze und Modellergebnisse zur Abschätzung der vertikalen Landbewegungen an den Pegelstandorten. Insgesamt wurden 30 Pegel für die Analysen ausgewählt, welche relativ gleich verteilt entlang der Küstenlinie installiert sind und Wasserstände seit bis zu 200 Jahren aufgezeichnet haben. Mithilfe dieser und der anderen oben genannten Datensätze wurden (1) relative Trends des mittleren Meeresspiegels als wichtige Größe für den Küstenschutz berechnet, (2) die interannuelle und dekadische Variabilität in den Zeitreihen näher betrachtet, (3) geozentrische (bzw. absolute) Meeresspiegelanstiegsraten für das Untersuchungsgebiet ermittelt, und (4) Glättungsverfahren (in diesem Fall singuläre Systemanalyse) angewendet, um ggf. vorhandene Beschleunigungsmuster zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die relativen MSLTrends mit bekannten Mustern der Vertikalbewegungen der Küste übereinstimmen (starke Trends in Landsenkungsgebieten, z. B. Holland, Deutschland; geringe Trends in Landhebungsgebieten, z. B. Norwegen). Die vorhandene Variabilität auf interannueller und dekadischer Ebene ist teilweise konsistent innerhalb des betrachteten Gebietes, es konnten jedoch

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Unterschiede zwischen der inneren Nordsee und dem Englischen Kanal identifiziert werden. Mithilfe der verschiedenen Datensätze zur Ermittlung der Vertikalbewegungen konnten geozentrische MSL-Trends für die Region ermittelt werden: 1,6 ± 0,1 mm/a für die gesamte Nordsee (und innere Nordsee) für die Zeitspanne 1900 bis 2011, 1,2 ± 0,1 mm/a für den Englischen Kanal für dieselbe Zeitspanne. (Eine Auswahl der Pegel in der inneren Nordsee ist in Abb. 3 dargestellt.) Es hat sich gezeigt, dass die Unsicherheiten bei der Ermittlung der Vertikalbewegungen nach wie vor groß sind und die mithilfe verschiedener Verfahren ermittelten Werte nicht an allen Pegeln konsistent sind. Aus der Analyse von geglätteten synthetischen Zeitreihen (aus der Mittelung einer Anzahl verschiedener Pegelzeitreihen) zeigen sich diverse Phasen eines beschleunigten Anstiegs im 20. Jahrhundert, welche teilweise mit Änderungen im Luftdruck zu erklären sind. Dies gilt jedoch nicht für die relativ hohen Anstiegsraten (nicht signifikant höher als zuvor im 19. und 20. Jahrhundert), die über die letzten zwei bis drei Dekaden im Vergleich zum langfristigen Mittel aufgetreten sind. Nach aktuelleren Untersuchungen ist von Landsenkungen an der deutschen Nordseeküste im Bereich von 0,05 bis 0,1 m/100 Jahre auszugehen; für die niedersächsische Küste wurden im Rahmen des KFKI-Projektes IKÜS Landsenkungen von bis zu 0,08 m/100 Jahre ermittelt. Daraus folgt, dass der absolute Meeresspiegelanstieg an der deutschen Nordseeküste etwa 2/3 vom relativen Anstieg beträgt (WANNINGER et al. 2009).

3 Variabilität des Meeresspiegels in der Nordsee Die Nordsee ist ein flaches Schelfmeer mit Wassertiefen, die überwiegend weniger als 100 m betragen. Die einzige Ausnahme bildet die Norwegische Rinne, die sich vom Kattegat entlang der Norwegischen Küste erstreckt. Die geringen Wassertiefen und der relativ starke Tideeinfluss sorgen dafür, dass die Nordsee den überwiegenden Teil des Jahres gut durchmischt ist. Aufgrund dieser Voraussetzungen werden die Wasserstände zu einem beträchtlichen Anteil durch atmosphärische Einflüsse dominiert. Das mit Sicherheit markanteste Variabilitätsmuster im MSL in der Deutschen Bucht ist der saisonale Zyklus (siehe Abb. 3). Mit einer jahreszeitlichen Schwankung von im Mittel ±20-30 cm spielt der saisonale Zyklus auch für die Ausprägung der Sturmfluten eine wichtige Rolle (DANGENDORF et al. 2012). Da Sturmfluten auf dem MSL als Basiswasserstand aufsatteln, können sich interannuelle Veränderungen in der Charakteristik des saisonalen Zyklus direkt auch auf die Häufigkeit und Intensität von Sturmfluten auswirken. So kam es beispielsweise in den vergangenen rund 60 Jahren zu einer signifikant divergenten Entwicklung saisonaler MSL-Zeitreihen mit bis zu dreimal so großen Trends in den Monaten Januar bis März verglichen zu den übrigen Monaten (DANGENDORF et al. 2012). Diese Entwicklung wurde maßgeblich durch Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation über dem Nordatlantik (Nordatlantische Oszillation) und einhergehenden Veränderungen im regionalen Windklima (DANGENDORF et al. 2013a) verursacht. Dies hatte unter anderem eine leichte Verschiebung der Phase des saisonalen Zyklus zur Folge, mit einer Anhäufung der Maxima in den Monaten Januar und Februar. Derartige Entwicklungen werden bisweilen wenig beachtet, tragen aber einen nicht unerheblichen Betrag zum Sturmflutgeschehen bei und sollten daher auch in Zukunft weiter beobachtet werden.

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Abb. 2:

Mittlerer saisonaler Zyklus des MSL am Beispiel des Pegels Emden für die Periode 1951-2008. Die monatlichen Teilzeitreihen sind in blau dargestellt. Die horizontalen schwarzen Balken markieren den jeweiligen Mittelwert. Die blau/rot schraffierten Flächen markieren das Minimum/Maximum des mittleren saisonalen Zyklus. Monatsteilzeitreihen, welche einen signifikanten positiven/negativen Langzeittrend aufweisen sind in rot/grün gekennzeichnet. Der annuelle Langzeittrend wurde vor der Betrachtung aus den Daten entfernt nach (DANGENDORF et al. 2014).

Die monatlichen Anomalien (um den mittleren saisonalen Zyklus bereinigt) des MSL können bis zu ±60 cm schwanken, wobei die Variationen im südöstlichen Teil der Deutschen Bucht am stärksten ausgeprägt sind. Dies hängt mit den vorherrschenden Wind- und Luftdruckbedingungen zusammen. Die Nordsee liegt im Einflussgebiet der Nordatlantischen Oszillation, einem Luftdruckgradienten über dem Nordatlantik, der für dominante Westwindlagen in den nördlicheren Breiten sorgt. Diese Westwindlagen treiben – neben der topografisch bedingten Zirkulation der Gezeitenwellen – eine überwiegend zyklonale Residualzirkulation an, welche sich bei gegenläufigen Windrichtungen umkehrt. Während entlang der norwegischen und englischen Küste der größte Teil der MSL-Schwankungen auf den Luftdruck und daher den invers barometrischen Effekt zurückgeführt werden können, sind für die südlichen Küsten die Zonalwinde der dominante Antriebsfaktor. Diese Zonalwinde sorgen auch dafür, dass die Wassermassen in die Deutsche Bucht gedrängt werden. Die Dominanz dieser lokalen atmosphärischen Einflussfaktoren erstreckt sich auf Zeitskalen von Monaten bis hin zu einigen Jahren. Korrigiert man die gemessenen MSL-Zeitreihen um diese Effekte, so wird die Variabilität erheblich reduziert, was wiederum zu robusteren Schätzungen der Langzeitentwicklung führt (DANGENDORF et al. submitted). Betrachtet man jedoch längere Zeitskalen von mehreren Jahren oder Dekaden, können lokale Winde oder Luftdruck nur einen vernachlässigbar kleinen Anteil der Wasserstandsvariabilität mit Amplituden von bis zu ± 10 cm erklären. DANGENDORF et al. (submitted) zeigen auf, dass die dekadischen Schwankungen sterischer Natur sind, wobei diese nicht in der Nordsee selber, sondern im Nordostatlantik produziert werden. Dies äußert sich unter anderem in einer signifikanten Kohärenz des MSL in der Nordsee mit dekadischen MSL-Schwankungen entlang des Kontinentalhanges im Nordost-

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atlantik. Der Antrieb findet sich in den Küstenlängswinden, deren Fluktuationen KüstenKelvinwellen auslösen, die dann weiter polwärts propagieren und auf diesem Weg vermutlich auch in die Nordsee einlaufen.

Abb. 3:

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a) Untersuchungsgebiet sowie ausgewählte Pegelstandorte in der Nordsee. b) Zeitreihen des mittleren monatlichen Meeresspiegels zu den Lokationen aus a), korrigiert um den mittleren saisonalen Zyklus. Die schwarze Kurve repräsentiert die dekadischen Schwankungen und wurde mit Hilfe eines LOWESS-Tiefpassfilters mit einer Glättung über 48 Monate ermittelt. Der Lineartrend ist ebenfalls angegeben; sowohl grafisch (rot), als auch betragsmäßig (in mm/a) (nach DANGENDORF et al., submitted).

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4 Änderungen der Extremwasserstände und der Tidedynamik in der Nordsee/Deutschen Bucht Aus den vorgenannten Änderungen des mittleren Meeresspiegels in der Nordsee bzw. Deutschen Bucht ergibt sich die Frage: Wie verändern sich die Gezeiten bzw. die Tidedynamik und wie verändern sich zukünftig extreme Sturmflutwasserstände? Neben den Änderungen des MSL zeigen die Untersuchungen von Pegelzeitreihen an der deutschen Nordseeküste, dass sich der Anstieg der mittleren Tidehochwasser MThw beschleunigt, die mittleren Tideniedrigwasser MTnw leicht abgesunken sind bzw. sich nur unwesentlich verändert haben und der mittlere Tidehub MThb deutlich zugenommen hat (JENSEN 1984, FÜHRBÖTER & JENSEN 1985, JENSEN & MUDERSBACH 2007). Diese Änderungen der Tidedynamik mit einer dramatischen Erhöhung des Tidehubes (bis zu 10 %), die Ende der 1950er-Jahre eingesetzt und sich in den 1990er-Jahren abgeschwächt hat, ist in der Deutschen Bucht bzw. in der Nordsee für das Küsteningenieurwesen/Morphologie von großer Bedeutung. Eine Zunahme des Tidehubes ist gleichzusetzen mit einem Anstieg der Flutstrom- und Ebbstromgeschwindigkeiten im Nordseebecken und an der gesamten deutschen Nordseeküste. Da die Erosions- und Sedimentationsprozesse bzw. die Küstenmorphologie von diesen Strömungsgeschwindigkeiten nicht linear, sondern eher exponentiell abhängig sind, könnten damit erhebliche morphologische Veränderungen im Küstenvorfeld einhergehen und die Existenz der flachen Außensande und auch der Halligen und Inseln und damit der Festlandsküste gefährden. Durch die Erhöhung des MThw entstehen auf Watten und Außensänden größere Wassertiefen, größere Wellenhöhen (Seegang) und damit höhere Orbitalgeschwindigkeiten, und Brandungsenergien sind die unmittelbare Folge; großflächige Erosionen können die mittelbaren Folgen sein. Durch die erhöhten Tidehübe bei gleichbleibendem oder sogar sinkendem Niedrigwasser treten in allen Tiderinnen (vom kleinsten Priel bis zum Tideästuar) größere Strömungsgeschwindigkeiten auf, die Ausräumungen bewirken können. Diese können selbst wieder durch Rückkopplungsbeziehungen weitere Veränderungen des Tideregimes einleiten. Durch die erhöhten Tideströmungen treten verstärkte Erosionen an den Inselsockeln auf, die sich in Strandausräumungen fortsetzen können und im Zusammenhang mit Sturmfluten dann zu zunehmenden Dünen- und Kliffabbrüchen führen können. Die vollständige Erklärung dieser Veränderungen der Tidedynamik (z. B. Veränderung des Tidehubs) ist noch nicht gelungen; hierzu sind unbedingt weitere Forschungen erforderlich! Für die Änderungen der Tidedynamik können u. a. folgende Ursachen vermutet werden: >

Die Tidewelle verhält sich wie eine stehende Welle, bei der durch die Erhöhung der Eingangswelle (= Anstieg des MSL, Thw) die Reflexion verstärkt wird.

>

Da sich die Erhöhung des Tidehubs im Wesentlichen auf den Zeitraum Ende der 1950er-Jahre bis in die 1990er-Jahre bezieht, könnte auch die Summe der Baumaßnahmen an der Nordseeküste, wie z. B. die verstärkten Küstenschutzmaßnahmen (Deiche, Sperrwerke) nach den Sturmfluten 1953 in den Niederlanden und 1962 und 1976 in Hamburg und an der deutschen Nordseeküste für ein verändertes Reflexionsverhalten der Tidewelle verantwortlich sein.

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>

Die Zentren der Amphidromien in der Nordsee verschieben sich aufgrund der Erhöhung des MSL bzw. MThw von der östlichen deutschen bzw. niederländischen Küste nach Westen in Richtung englische Küste. Das erklärt eine Erhöhung des Tidehubs an der deutschen Nordseeküste und eine entsprechende Reduzierung an der englischen Küste.

Zum Verhalten der Extremwerte, d. h. sowohl extreme Tidehochwasserereignisse (Sturmfluten, jährliche maximale Tidehochwasserereignisse (HThw) oder Thw-Quantile) als auch der extremen Niedrigwasserereignisse haben verschiedene Untersuchungen gezeigt, dass die Trends dieser Zeitreihen nicht dem Trendverhalten der entsprechenden MSL-Zeitreihen entsprechen. Die Zeitreihen der höheren Thw-Quantile bzw. jährlichen maximalen Tidehochwasserereignisse zeigen deutliche größere Trends als die MSL-Zeitreihen, die entsprechenden Tideniedrigwasserzeitreihen weisen deutlich geringere Trends auf (JENSEN et al. 1992, MUDERSBACH et al. 2013). Für die Übertragung von Bemessungsereignissen in die Zukunft kann damit die lineare Offset-Methode, d. h. die Erhöhung des Bemessungswasserstandes um den entsprechenden MSL-Anstieg, für das Gebiet der Deutschen Bucht nicht empfohlen werden bzw. ist nicht zulässig (s. z. B. ARNS et al., under review).

5 Zusammenfassung und Ausblick In dem 5. Sachstandbericht (AR5) des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) wurden neue Abschätzungen/Szenarien auf Grundlage von verschiedenen Modellen zum Meeresspiegelanstieg veröffentlicht (IPCC 2013); diese aktuellen IPCC-Projektionen für 2081/2100 betragen 0,26 bis 0,82 m im Vergleich zu 1986-2005. Im IPCC-Bericht 2007 hatte man sich darauf verständigt, dass die Erderwärmung "sehr wahrscheinlich" vom Menschen verursacht sei; im neuen Bericht heißt es, dies sei "extrem wahrscheinlich" (World Bank 2013). Sicher ist, dass der MSL weiter ansteigt und es besteht ein wissenschaftlicher Konsens, dass eine Beschleunigung des derzeitigen Meeresspiegelanstiegs in den nächsten Jahrzehnten zu erwarten ist. Eine Abschätzung des MSL-Anstiegs bis zum Jahr 2100 ist dabei deutlich unsicherer als die Abschätzung für die nächsten Jahrzehnte. Nach meiner persönlichen Einschätzung ist für die Nordseeküste von einer eher moderaten Beschleunigung der derzeitigen Anstiegsrate auszugehen; bis zum Jahr 2050 könnte sich ein Gesamtanstieg von maximal 2 bis 3 Dezimetern gegenüber dem Niveau im Jahr 2000 einstellen (s. auch GÖNNERT et. al 2009). Dramatische Änderungen des MSL sind m. E. in den nächsten 2 bis 3 Jahrzehnten aufgrund der Zeitabhängigkeit der verschiedenen Prozesse eher auszuschließen. Diese vergleichsweise konservativen Abschätzungen sollten aber keinesfalls dazu dienen, die Folgen des Klimawandels zu unterschätzen. Der derzeitige Kenntnisstand zu Änderungen der Tidedynamik in der Deutschen Bucht und der Nordsee (vom MSL über die Tidedynamik bis zu Extremwerten) kann wie folgt zusammengefasst werden: >

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Eine Trennung von MSL und Extremwerten ist nicht sinnvoll; eine gemeinsame Betrachtung des Gesamtsystems „Wasserstände“ ist unbedingt erforderlich!

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>

Der relative MSL ist an der deutschen Nordseeküste in den letzten 170 Jahren um etwa 2,0 ± 0,1 mm/Jahr angestiegen (etwa ein Drittel davon könnte auf Landsenkungen zurückgeführt werden)! Für die Nordsee beträgt der Anstieg etwa 1,6mm/Jahr in dem Zeitraum von 1900 bis 2011.

>

Der derzeitige MSL-Anstieg stellt keine direkte Gefährdung der deutschen Nordseeküste bzw. für die vorhandenen Küstenschutzbauwerke dar. Zukünftig ist aber von einer Beschleunigung auszugehen, Küstenschutzmaßnahmen sollten daher regelmäßig überprüft und ggf. angepasst werden!

>

Die MSL-Entwicklung wird von großer saisonaler bis dekadischer Variabilität überlagert.

>

Die Entwicklung bzw. Trends der Thw, Tnw, Thb und Extremwasserstände unterscheiden sich signifikant von der Entwicklung des MSL.

>

Extremwasserstände steigen in der Deutschen Bucht schneller als der MSL. Größere Wassertiefen durch den MSL-Anstieg werden vermutlich auch zu größeren Änderungen in den Extremwasserständen führen (s. ARNS et al., under review).

>

Landsenkungen spielen eine wichtige Rolle (GIA-Korrektur bisher am effektivsten).

>

Es sind viele Detailkenntnisse zum MSL bzw. zur Tidedynamik für die deutsche Nordseeküste vorhanden, aber noch nicht vollständig verstanden!

Für die weitere Verbesserung der Datenbasis sollten alle verfügbaren und noch auswertbaren historischen Pegeldaten digitalisiert, plausibilisiert und anschließend analysiert werden. Nur mit Kenntnis der bisherigen Entwicklung lassen sich gute Abschätzungen des zukünftigen Verlaufs des Meeresspiegels ableiten. Auch die Daten aus dem Bereich der Fernerkundung stellen ein reichhaltiges Archiv mit wertvollen Informationen vor allem zu räumlichen Mustern und Zusammenhängen dar und sollten daher in die Analyse der Vergangenheit integriert werden. Die daraus abgeleiteten Analysen und Rekonstruktionen des MSL können dann auch genutzt werden, die Klimamodelle zu verbessern bzw. zu verifizieren und validieren. Weitere Forschungen in allen Disziplinen (Meteorologie, Ozeanografie, Küstenhydrologie usw.) sind erforderlich, um zeitnah zu verlässlichen Aussagen zu zukünftigen lokalen, regionalen und globalen MSL-Änderungen zu kommen.

6 Literatur ARNS, WAHL, DANGENDORF & JENSEN (under review): Impact of sea level rise on extreme sea levels in the northern part of the German Bight, Coastal Engineering ARNS, WAHL, DANGENDORF, MUDERSBACH & JENSEN (2013): Ermittlung regionalisierter Extremwasserstände für die Schleswig-Holsteinische Nordseeküste. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung ALBRECHT, WAHL, JENSEN & WEISSE (2011): Determining rising sea level in the German Bight, Ocean Dynamics DANGENDORF, WAHL, HEIN, JENSEN, MAI & MUDERSBACH (2012): Mean sea level variability and influence of the North Atlantic Oscialltion on long-term trends in the German Bight, Water

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DANGENDORF, MUDERSBACH, WAHL & JENSEN (2013a): Characteristics of intra-, interannual and decadal sea level variability and the role of meteorological forcing: the long record of Cuxhaven, Ocean Dynamics DANGENDORF, WAHL, NILSON, KLEIN & JENSEN (2013b): A new atmospheric proxy for sea level variability in the southeastern North Sea: Past changes and future ensemble projections, Climate Dynamics, online first DANGENDORF, MÜLLER-NAVARRA, JENSEN, SCHENK, WAHL & WEISSE (2014): North Sea storminess from a novel storm surge record since AD 1843, Journal of Climate DANGENDORF, CALAFAT, ARNS, WAHL, HAIGH & JENSEN (submitted): Coastal sea level variability in the North Sea: processes and implications, Journal of Geophysical Research FRANK, WAHL & JENSEN (2011): Mean Sea Level and Tidal Analysis along the German North Sea Coastline. Journal of Coastal Research, SI 64 (Proceedings of the 11th International Coastal Symposium Szczecin, Poland), 501-505 GÖNNERT, JENSEN, VON STORCH, THUMM, WAHL & WEISSE (2009): Der Meeresspiegelanstieg – Ursachen, Tendenzen und Risikobewertung, Die Küste FÜHRBÖTER & JENSEN (1985): Säkularänderungen der mittleren Tidewasserstände in der Deutschen Bucht. Die Küste, Heft 42 JENSEN (1984): Änderungen der mittleren Tidewasserstände an der Nordseeküste. Mitteilungen Leichtweiß-Institut der TU Braunschweig, Heft 83 JENSEN (1985): Über instationäre Entwicklungen der Wasserstände an der deutschen Nordseeküste. Mitteilungen Leichtweiß-Institut der TU Braunschweig, Heft 88 JENSEN & TÖPPE (1986): Zusammenstellung und Auswertung von Originalaufzeichnungen des Pegels Travemünde/Ostsee ab 1826. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen DGM, 30. Jahrgang, Heft 4 JENSEN, MÜGGE & VISSCHER (1988): Untersuchungen zur Wasserstandsentwicklung in der Deutschen Bucht. Die Küste, Heft 47 JENSEN, MÜGGE & SCHÖNFELD (1990): Development of Water Level Changes in the German Bight - An Analysis Based on Single Value Time Series. Proceedings of 22nd ICCE, Delft JENSEN & SCHÖNFELD (1990): Pegelzeitreihen der deutschen Nordseeküste - Ergebnisse einer statistischen Analyse. HANSA, 127. Jahrgang, Heft 17/18 JENSEN & SCHÖNFELD (1991): Erkenntnisse aus der statistischen Analyse von Pegelzeitreihen der deutschen Nordseeküste. Jahrbuch der Hafenbautechnischen Gesellschaft, 45. Band JENSEN, MÜGGE & SCHÖNFELD (1992): Analyse der Wasserstandsentwicklung und Tidedynamik in der Deutschen Bucht. Die Küste, Heft 53 JENSEN & MUDERSBACH (2006): Recent Sea Level Variation at the North Sea and Baltic Sea Coastlines. Proceedings of International Conference on Coastal Engineering (ICCE), Vol. 2, S. 1764-1774, San Diego, USA JENSEN & MUDERSBACH (2007): Zeitliche Änderungen in den Wasserstandszeitreihen an den Deutschen Küsten, in: Glaser R., Schenk, W., Vogt, J., Wießner, R., Zepp, H. & Wardenga, U. (Hrsg.), Berichte zur Deutschen Landeskunde. Themenheft: Küstenszenarien, Band 81, Heft 2, S. 99-112, Selbstverlag Deutsche Akademie für Landeskunde e.V., Leipzig

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JENSEN, WAHL & FRANK (2010): Improved estimates of sea level change in the south-eastern North Sea since 1844. Proceedings of the 32nd International Conference on Coastal Engineering, Shanghai, China JENSEN, FRANK & WAHL (2012a): Analyse von hochaufgelösten Tidewasserständen und Ermittlung des MSL an der deutschen Nordseeküste (AMSeL), Die Küste JENSEN, DANGENDORF & ARNS (2012b): How does seasonal mean sea level affect extreme sea levels in the German Bight?, Proc. of the 33th International Conference on Coastal Engineering, Santander, Spain MUDERSBACH, WAHL, HAIGH & JENSEN (2013): Trends in high sea levels of German North Sea gauges compared to regional mean sea level changes, Continental Shelf Research WAHL, JENSEN & FRANK (2010): On analysing sea level rise in the German Bight since 1844, Nat. Hazards Earth Syst. Sci. WAHL, JENSEN, FRANK & HAIGH (2011): Improved estimates of mean sea level changes in the German Bight over the last 166 years, Ocean Dynamics WAHL, HAIGH, WOODWORTH, ALBRECHT, DILLINGH, JENSEN, NICHOLLS, WEISSE & WÖPPELMANN (2013): Observed mean sea level changes around the North Sea coastline from 1800 to present, Earth Science Reviews, 124, 51-67 WANNINGER, ROST, SUDAU, WEISS, NIEMEIER, TENGEN, HEINERT, JAHN, HOST, & SCHENK (2009): Bestimmung von Höhenänderungen im Küstenbereich durch Kombination geodätischer Messtechniken, Die Küste, Heft 76 The World Bank (2013): Turn on the Heat, Climate Extremes, Regional Impacts, and the Case for Resilience, Washington

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Geboren 1955 in Klockries/Nordfriesland 1974-1980 Studium Bauingenieurwesen an der TU Braunschweig 1980-1985 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Braunschweig 1985 Promotion am Leichtweiß-Institut der TU FOTO Braunschweig 1986-1992 Bundesanstalt für Wasserbau, Außenstelle Küste, Hamburg seit 1992 Professor an der Universität Siegen, Wasserbau und Hydromechanik, Lehrstuhlinhaber und Institutsleiter Kontakt: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen Universität Siegen Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) Paul-Bonatz-Str. 9-11 57076 Siegen Tel.: 0271/ 740 2172 Fax: 0271/ 740 12172 Email: [email protected]

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seit 1994 Leiter des Forschungsinstituts Wasser und Umwelt (fwu) an der Universität Siegen Forschungsschwerpunkte - Küsteningenieurwesen, Meeresspiegeländerungen, extreme Hochwasserereignisse/Sturmfluten - Probabilistische/statistische Analysen von hydrologischen Zeitreihen - Binnenwasserbau und Risikomanagement, Sicherheit von Bauwerken - Physikalische und numerische Modelluntersuchungen

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Ausgewählte hydromorphologische Parameter als Zeiger für den Sedimentstatus der Tideems

Ina Quick und Sönke Schriever

1 Einleitung Die Bundeswasserstraße Tideems erstreckt sich ab dem Wehr Herbrum (DEK-km 212,5) bis ca. Borkum (Ems-km 113). Sie wurde zwischen Herbrum und Leer (Ems-km 15) als „Fluss der Marschen“, ab Leer bis Höhe Pilsum/Eemshaven (Ems-km 70) als „Übergangsgewässer“ und anschließend als „Küstengewässer“ ausgewiesen (s. Abb. 1) (EG-WRRL 2000; WHG 2010; OGewV 2011; FGE Ems 2009). Kennzeichnend ist für die Tideems eine erheblich variierende morphologische Charakteristik. Im Bereich zwischen Herbrum und Papenburg (ca. DEK-km 212,5-225,82) verläuft die Tideems in dem zum Dortmund-Ems-Kanal (DEK) ausgebauten ehemaligen Emsgewässerbett. Es handelt sich um einen schmalen, unverzweigten Gewässerlauf mit stark ausgebautem Gewässerquerprofil. Die Schleuse Herbrum stellt die binnenländische Gezeitengrenze dar (BfG 2010a, 2014a). Ab Papenburg bis Leer (ca. Emskm 0-15) begleiten Deiche auf beiden Flussseiten die sog. Unterems. Die Ufer sind fast durchgehend mit Buhnen und Wasserbausteinen verbaut. Es existieren kaum Flachwasserund Wattbereiche. Kleinräumige Ufer- und Wattbereiche werden überwiegend durch umfangreiche Verschlickungen charakterisiert. Die Gewässerbettbreiten sind mit unter 100 m sehr homogen ausgestaltet. Ab Leer bis Pogum (ca. Ems-km 15-35) weist die Ems häufiger Gewässerstrukturen und Laufwindungen auf, die bereichsweise unterschiedliche Gewässerbettbreiten induzieren. Es finden sich Inseln (Hatzumer Sand, Bingumer Sand) wie auch bei Hochwasser überflutete Sände (Midlumer Sand, Jemgumer Sand). Der Flusslauf weitet sich bis zu ca. 600 m Breite in Höhe Pogum (BfG 2014a; NLWKN 2012). Die Ufer sind häufig mit Steinschüttungen befestigt, in Buhnen- und Wattbereichen finden sich ausgedehnte Schlickakkumulationen. Die Unterems wird in diesem Laufabschnitt in einem schmalen Korridor von Deichen begleitet, ab ca. Jemgum (Ems-km 19,8) kommen etwas größere rezente Auen-/Marschbereiche vor. Ab Pogum beginnt die sog. Außenems. Zwischen Pogum und Knock (ca. Ems-km 35-53) erstrecken sich auch der Dollart und das Emder Fahrwasser. Der durch Sturmfluteinwirkung im Mittelalter entstandene Dollart weist Flachwasserbereiche und große, von zahlreichen Prielen durchzogene Sandwattflächen auf (vgl. Deltares 2012; ESSELINK et al. 2011). Das Emder Fahrwasser ist anthropogen überprägt. Der gestreckte Verlauf wird beidseitig durch Strombuhnen reguliert. Das nördliche Ufer wird fast durchgehend von Wasserbausteinen gesichert, der südliche Bereich ist durch den Geiseleitdamm gekennzeichnet (BfG 2014a; FGE Ems 2005). Ab Knock liegt die Gewässerbreite bei über 3.000 m (ENGELS 2010; NLWKN 2012) und vergrößert sich seewärts zunehmend bis Höhe Pilsum/

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Eemshaven (ca. Ems-km 70). Hier unterliegt die Sohle fortwährenden Umlagerungsprozessen (s. auch Deltares 2012; HARBASINS 2008). In der sich stark aufweitenden Außenems bis Borkum (ca. Ems-km 113) (vgl. Abb. 1) wird das Areal weiterhin durch eine hohe Morphodynamik geprägt. Das überwiegend nicht kohäsive Sohlsubstrat nimmt intensiv am Sedimenttransportgeschehen teil. Küstenschutzmaßnahmen bestimmen Uferareale (BfG 2014a; FGE Ems 2005). Zwischen Herbrum und Pilsum/Eemshaven wurde die Tideems als erheblich verändertes Gewässer ausgewiesen (HMBW = heavily modified water body, entspricht dem Marschen- und dem Übergangsgewässer), ab Pilsum/Eemshaven als natürlich (NWB = natural water body, entspricht dem Küstengewässer) (FGE Ems 2009), s. Abb. 1:

NWB Küstengewässer

Übergangsgewässer

HMWB Marschengewässer

Abb. 1:

Tideems zwischen Herbrum und Borkum mit ihren Oberflächengewässertypen und -kategorien erheblich verändert (HMWB) und natürlich (NWB). Quelle: BAW (2010); FGE Ems (2009); verändert.

Die Tideems unterlag in der Vergangenheit zahlreichen Veränderungen des Gewässersystems. Beispielsweise wurden zwischen Papenburg und Emden (ca. Ems-km 40) mehrere Fahrrinnenvertiefungen realisiert. Eine Sohlvertiefung für Schiffe mit einem Tiefgang von 5,70 m erfolgte 1985/86. In den Jahren 1991 bis 1993 fand ein Ausbau auf 6,30 m Basistiefe bzw. 6,80 m (bedarfsweise für die Überführung eines Werftschiffes von Papenburg in die Nordsee) statt. Anschließend wurde in den Jahren 1995 und 1996 eine Vertiefung der Gewässersohle für 7,30 m tiefgehende Schiffe durchgeführt, die bei der Überführung in die Nordsee bedarfsweise hergestellt wurde. Insgesamt erfuhr das Gewässerlängsprofil neben der Vertiefung in diesem Abschnitt auch eine Verflachung, insbesondere zwischen Papenburg und Terborg (ca. Ems-km 24), s. Abb. 2 (BAW 2010; BfG 2008). Das Emder Fahrwasser und die Außenems wurden bereits früher ausgebaut. Zum Beispiel wurden 1958 bis 1961 der Bau des Geiseleitwerkes, 1958 bis 1972 die Regulierung und Vertiefung des Emder Fahrwassers sowie der Fahrwasserausbau der Außenems vorgenommen. Auch einzelne anthropogene Ein-

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griffe wie der Bau des Ledasperrwerkes (1954), der Weekeburger Durchstich (1984) etc. erfolgten vor den Fahrrinnenvertiefungen der Unterems bis Emden (z. B. TALKE & DE SWART 2006). Aufgrund der Nutzung des Emssperrwerkes (Fertigstellung 2002) für die staugeregelte Überführung von Werftschiffen ist die erforderliche Sohltiefe heute mit maximal 6,20 m bzw. 6,30 m geringer als nach dem Ausbau 1995/96. Die Tiefen beispielweise im Jahr 2005 (Abb. 2) liegen daher stromaufwärts des Emssperrwerkes i. d. R. um den Bereich der Werte von 1991 (s. BAW 2010; s. WSA Emden 2008). Ausbautiefen Fahrrinne Ems

Peilungen Fahrrinne Ausbautiefen FahrrinneEms Ems

Emden

-4,0

mNN

mNN

-4,0

Pogum

-2,0

Leerort

Emden

Pogum

Leerort

Papenburg

-2,0

Papenburg

0,0

0,0

-6,0

-8,0

-6,0

-8,0

-10,0

Ausbautiefe 1985/86 (5,70 m)

Ausbautiefe 1991 (6,30 m)

Ausbautiefe 1993 (6,80 m)

Ausbautiefe 1995/96 (7,30 m)

-10,0 Peilung 1981

Peilung 2005

Ems-km

-12,0

Ems-km

-12,0 0

Abb. 2:

5

10

15

20

25

30

35

40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ausbau-/Überführungswassertiefen der Fahrrinne zwischen Papenburg und Emden, schematische Darstellung (links) und Vergleich der Peilungen von 1981 und 2005 (rechts). Quelle: BAW (2010), verändert. Datengrundlage: WSA Emden.

Neben dem Gewässerausbau und der Gewässerunterhaltung wirkten weitere, zu großen Teilen auch bereits wesentlich früher initiierte anthropogene Einflüsse auf die Tideems, wie z. B. Küsten- und Hochwasserschutz oder die Landgewinnung. Die erfolgten Beeinflussungen und Veränderungen des Gewässersystems führten zu verschiedenen Auswirkungen, die v. a. in einer deutlichen Tideasymmetrie mit einer vorherrschenden Flutstromdominanz, einem erhöhten Tidehub (s. Abb. 3) und dem sog. „tidal pumping“ resultierten, einem stromaufwärts gerichteten Sedimenttransport. Sehr hohe Schwebstoffgehalte (> 1 g/l) mit sohlennah auftretenden Dichteschichtungen des Schwebstoffs (> 50 g/l), sog. „fluid mud“, sind daher heute insbesondere im DEK und der Unterems charakteristisch. Fluid mud wie auch Flockenbildungen („macroflocs“, die z. B. nach VAN LEUSSEN 2011 Größen zwischen 0,20,7 mm und teilweise über 1 mm erlangen können) sind Gegenstand jüngerer Untersuchungen und Forschungen (z. B. WANG 2010; WEHR 2012; MALCHEREK & CHA 2011; OBERRECHT & WURPTS 2013). Die Prozesse im fluid mud und hinsichtlich der Bildung des fluid mud sind bislang nicht vollständig bekannt. Infolge der Tideasymmetrie und des daraus resultierenden Ungleichgewichtes zwischen Flut und Ebbe mit einem stärkeren Flutstrom wird feines Sediment unablässig tidezyklusbeeinflusst in die Unterems hinauftransportiert (residueller Stromauftransport). Die im Vergleich zur Flutphase wesentlich längere und schwächere Ebbe kann das Material nicht entsprechend wieder heraustransportieren. Ursachen der Flutstromdominanz an der Tideems sind u. a. oben beschriebene Geometrieveränderungen und Verringerungen der eulitoralen und supralitoralen Zonen (vgl. HARBASINS 2008), die WINTERWERP (2013) als Verlust von Flächen für die Ablagerung von Feinsedimenten beschreibt. Vor allem in den Sommermonaten mit niedrigen Oberwasserabflüssen stellt der Sedimentimport in die Unterems ein zunehmendes Problem aus gewässerökologischer Sicht dar, da die hohen Schwebstoffgehalte häufig mit schlechten Gewässergüteverhältnissen einhergehen

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(z. B. ENGELS 2010). Darüber hinaus hat eine Verlagerung der Brackwasserzone und des Trübungsmaximums stromaufwärts stattgefunden (BfG 2010b; Deltares 2012; TALKE & DE SWART 2006; WINTERWERP 2013 etc.). In den Monaten ab April bis Ende Sommer/Anfang Herbst liegt die Trübungszone mit ihrem Trübungsmaximum bei mittleren und niedrigen Oberwasserabflüssen ca. bei Weener (ca. Ems-km 7). Insgesamt kann die Trübungszone bis oberhalb Papenburg (km 0) reichen. Bei hohen Oberwasserabflusssituationen wird sie entsprechend stromabwärts verschoben (s. u.; s. ENGELS 2010; TALKE & DE SWART 2006; BfG 2008). Sohl- und Uferbereiche sind stark verschlickt (s. Kap. 2) und kaum besiedelbar und bilden einen der hydromorphologischen Belastungsschwerpunkte. An der Gewässersohle in der Unterems finden sich große Mengen feiner Kornfraktionen bis nach Herbrum. Diese lagern sich z. T. ab, werden remobilisiert, finden sich suspendiert in der Wassersäule oder können Partikel einer fluid-mud-Schicht werden (BfG 2010b; SCHROTTKE et al. 2006; VAN LEUSSEN 2011; WATTENRAT 2010; WINTERWERP 2013). Die Schlickschicht auf der Gewässersohle kann eine Mächtigkeit von bis zu 1,5-2 m aufweisen, bereichsweise mehr (WSA Emden 2012). 750

700 MThw 2012

Borkum Südstrand

Borkum Fischerbalje

Emshörn

Dukegat

Knock

Pogum

Terborg

Leerort

450

Emden Neue Seeschleuse

500

Weener

550

MThw 1950 Papenburg

Herbrum Hafendamm

PNP NN - 500 cm

600

Rhede

650

MTnw 1950

400

MTnw 2012

350

300 -20

0 DEK

Abb. 3:

20

Sperrwerk

40

60

80

Ems - km

Hydrologischer Längsschnitt zwischen Herbrum und Borkum. Quelle: BfG (2014 b). Datengrundlage: WSA Meppen, WSA Emden und NLWKN.

Die Schwebstoffkonzentrationen in der Wassersäule der Unterems haben im vergangenen Vierteljahrhundert u. a. durch den residuellen Stromauftransport erheblich zugenommen (u. a. DE JONGE 2010; WSA Emden 2012). DE JONGE (1983, 2009) benennt eine Zunahme der Konzentrationen im Trübungsmaximum von 100 mg/l im Jahr 1954 auf 300-400 mg/l in den 1970er- und 1980er-Jahren. Seit 1987 nehmen die Werte an den einzelnen lokalen Messorten Papenburg, Leerort, Terborg und Gandersum (Dauermessstationen) weiterhin zu: Die gemittelten Schwebstoffkonzentrationen sind zwischen 1987 und 2006 um mehr als das Fünffache angestiegen. Dies entspricht z. B. bei der Messstelle Leerort einer Zunahme der mittleren Schwebstoffkonzentrationen von 35,5 mg/l pro Jahr über den Zeitraum von 19 Jahren

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(von 125 mg/l auf 800 mg/l im Mittel, QUICK 2010, Datengrundlage Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz, Betriebsstelle Aurich - NLWKN). Für das Trübungsmaximum in der Unterems ergibt sich seit den 1950er-Jahren bis in die Gegenwart ein fast zehnfacher Anstieg des Schwebstoffgehaltes (DE JONGE 2009, 2010; vgl. z. B. Deltares 2012), für Leerort benennt DE JONGE (2009) einen mittleren Schwebstoffgehalt von 55 mg/l für das Jahr 1954 und 500 mg/l bereits für den Zeitraum 1992/93. Die mittleren Korngrößendurchmesser der Schwebstoffe liegen überwiegend in der Mittelschlufffraktion, beispielsweise nach BfG (2011) bei ca. 0,006-0,015 mm bei Jemgum, ca. 0,008-0,010 mm bei Pogum (variierende Tiefen von sohlnah bis oberflächennah, Messkampagne Juli/August 2010), ca. 0,007-0,013 mm bei Weener und bei ca. 0,011-0,013 mm bei Brahe (oberflächennah, Messkampagne August 2010). Auch das äußere Ästuar ab Emden ist durch Zunahmen der Schwebstoffgehalte gekennzeichnet (s. Deltares 2012). Bis zum Pegel Emshörn/Mövensteert (ca. Ems-km 80) wird von DE JONGE (2010) ein Anstieg des Trübungsgradienten bis zu dem Zwei- bis Dreifachen seit Mitte der 1950er-Jahre genannt. Die Schwebstoffkonzentrationen stehen vor allem in der Unterems in engem Zusammenhang mit dem Oberwasserabfluss aus dem Binnenland. Bei Papenburg lässt sich ein eindeutiger Zusammenhang der Abfluss-Schwebstoffkonzentrations-Beziehung erkennen (Abb. 4a). Bei einem Oberwasserabfluss ab etwa 75-80 m³/s (MQ) (Pegel Versen) wird der Effekt des Stromauftransportes von Schwebstoff im Bereich Papenburg umgekehrt (BfG 1999, 2006). Bei Unterschreitung eines Oberwasserabflusses von ca. 50 m³/s nehmen die Schwebstoffkonzentrationen erheblich zu, wie auf Abb. 4a zu erkennen ist. Meerwärts nimmt der Oberwassereinfluss ab. Bei Terborg (ca. 25 km weiter meerwärts) ist bereits ein geringerer Oberwassereinfluss erkennbar (s. Abb. 4b). Jedoch ist auch hier bei Unterschreitung eines Oberwasserabflusses von ca. 50 m³/s eine Zunahme der Schwebstoffkonzentrationen gegeben. Dagegen führen Hochwasserereignisse zu einem deutlichen Schwebstoffaustrag seewärts und bedingen eine Abnahme der Schwebstoffkonzentrationen in der Unterems bei anschließend im Emder Fahrwasser und im Bereich Knock steigenden Schwebstoffgehalten (detailliertere Ausführungen s. BfG 2006; ENGELS 2010). Terborg, Abfluss-Schwebstoffkonzentration-Beziehung (1996 - 2012) 20,0

18,0

18,0

16,0

16,0

14,0

14,0

S-Konzentration [mg/l]

S-Konzentration [g/l]

Papenburg, Abfluss-Schwebstoffkonzentration-Beziehung (2001-2011) 20,0

12,0 10,0 8,0 6,0 4,0

12,0 10,0 8,0 6,0 4,0

2,0

2,0

0,0

0,0 0

100

200

300

400

Abfluss [m³/s]

500

600

700

0

100

200

300

400

500

600

700

Abfluss [m³/s]

Abb. 4a und b: Abfluss-Schwebstoffkonzentrations-Beziehung Papenburg (links), Jahre 2001 bis 2011 und Terborg (rechts), Jahre 1996 bis 2012. Datengrundlage: WSA Meppen, NLWKN, BfG und WSA Emden.

Bis in die 80er-Jahre traten erhebliche Schwebstoffgehalte nur sehr selten in extrem trockenen Jahren (z. B. 1959) in der Tideems auf. Seit Sommer 1994 kommt es jedes Jahr regelmäßig zu erheblichen Trübungswerten (z. B. Bezirksregierung Weser-Ems 1999). Es liegt nahe,

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dass die Entwicklung der Problematik u. a. in Korrelation zu setzen ist mit den erfolgten Ausbaumaßnahmen an der Ems z. B. zwischen Papenburg und Emden (z. B. BfG 2008; DE JONGE 2010), vgl. Abb. 2. Jedoch sollten auch weitere Einflussfaktoren (s. o. und Kap. 2) sowie die Entwicklungen der Oberwasserabflüsse als mögliche Ursachen nicht vernachlässigt werden. Der langjährige mittlere Abfluss MQ der Jahre 1941 bis 2010 am Pegel Versen liegt bei 80,3 m³/s, MNQ und MHQ für den selben Zeitraum liegen bei 16,5 bzw. 366 m³/s. Während die Schwebstoffkonzentrationen seit den 50er-Jahren deutlich angestiegen sind, haben sich die Oberwasserabflüsse seit 1941 nur leicht verändert. Bei der Betrachtung der letzten 20 Jahre ist jedoch insgesamt eine Abnahme der Oberwasserabflüsse zu verzeichnen (Abb. 5):

Abb. 5:

Entwicklung der Oberwasserabflüsse (Pegel Versen), Jahre 1993 bis 2012. Datengrundlage: WSA Meppen.

Bei einer detaillierteren Betrachtung der Abflüsse des Pegels Versen mittels Abflussklassenbildungen fällt auf, dass insbesondere die Abflüsse zwischen 25-50 m³/s und 50-75 m³/s in den letzten 20 Jahren eindeutige Zunahmen aufweisen. Dies bedeutet z. B. für Papenburg eine relevante Zunahme der jährlichen Unterschreitungswerte des oben genannten „Schwellenwertes“ von 75-80 m³/s, so dass der Effekt des Stromauftransportes der Sedimente aufgrund der vorherrschenden Oberwasserabflusssituation häufiger in Erscheinung treten kann (s. Abb. 4). Die Abflüsse zwischen 25-75 m³/s herrschen zudem jährlich am häufigsten vor. Die Ereignisse der Abflussklasse unterhalb von 25 m³/s haben dagegen abgenommen. Abflüsse zwischen 75 und 150 m³/s weisen leichte Zunahmen auf, treten jedoch eindeutig seltener auf als Abflüsse zwischen 25-75 m³/s. Abflüsse über 150 m³/s kamen innerhalb der letzten beiden Jahrzehnte seltener vor. Die Ursachen für die Zunahmen der Schwebstoffkonzentrationen seit 1994 können aufgrund des vielfältigen Zusammenwirkens zahlreicher Einflussfaktoren nicht abschließend beschrieben werden, dürften jedoch zumindest im Raum Papenburg zu einem gewissen Anteil auch durch die durchschnittlich geringeren Oberwasserabflüsse sowie die Anstiege und die Häufigkeit der Werte der Oberwasserabflüsse zwischen 25-75

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m³/s mitbedingt sein (s. Abb. 5, vgl. auch BfG 2006). Der Eintrag von Sedimenten durch das Oberwasser von oberstrom der Schleuse Herbrum ist im Vergleich zum vorherrschenden Sedimentinventar in der Tideems vernachlässigbar. In den letzten Jahren lagen die jährlichen Schwebstofffrachten um 20.000 t (Messstelle Lathen) (BfG 2014a), hier sind neben Oberwasserabflussabnahmen auch Reduktionen der Schwebstofffrachten wie auch der Schwebstoffkonzentrationen über die Jahre auffällig.

2 Ausgewählte hydromorphologische Parameter als Zeiger für den Sedimentstatus der Tideems, Beispiel Sohlsubstrat Die Hydromorphologie ist eng an den Sedimenthaushalt gekoppelt, da Erosions-, Transportund Sedimentationsprozesse sowie das Dargebot an Sedimenten neben weiteren wichtigen Randbedingungen die Ausgestaltung der hydromorphologischen Eigenschaften entscheidend prägen. Umgekehrt beeinflusst auch die Hydromorphologie das Sedimentdargebot und die Ausprägung der genannten Prozesse aufgrund von Gewässerstrukturen, Korngrößenzusammensetzungen, Abflüssen, Abflussdynamik, Uferausprägungen usw. (QUICK et al. 2013). Im Folgenden werden als beispielhafter hydromorphologischer Parameter die Sohlsubstrate der Gewässersohle und des Gewässerbodens1 als Zeiger für den Sedimentstatus der Tideems mittels der Korngrößenverteilungen des Sohlsubstrates und des mittleren (oder auch charakteristischen) Korngrößendurchmessers (Dm) näher betrachtet. Die Korngrößenverteilung ist eine grundlegende Kenngröße des anstehenden Sedimentes. Der Dm ist ein repräsentativer statistischer Parameter zur Beschreibung der Korngrößenverteilung, er zeigt die im Gewässer vorherrschende Korngröße an. In der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes wird die arithmetische Methode zur Berechnung der mittleren Korngröße praktiziert. Bei der Korngrößenverteilung und dem Dm handelt es sich um Aspekte der Parameter „Struktur und Substrat“ (Marschengewässer, Küstengewässer) bzw. „Menge, Struktur und Substrat“ (Übergangsgewässer) der hydromorphologischen Qualitätskomponente Morphologie nach EGWRRL (2000) und OGewV (2011). Die in der Tideems vorherrschenden Sedimente können maßgeblich Korngrößenzusammensetzungen der Gewässersohle und des Gewässerbodens, Kolmationsprozesse, fluid-mud-Bildungen, Verschlickungen von Sohl-, Ufer-, Wattbereichen, Auen-/Marschengewässern, Nebengewässermündungen, Hafeneinfahrten, Häfen und Buhnenfeldern beeinflussen (QUICK et al. 2013). Aufgrund des hohen Schwebstoffdargebotes im Emsästuar kommt es immer wieder zu umfangreichen Sedimentationen im Gewässerbett. Unter anderem infolge des Sedimentwiedereintriebs bei geringeren Oberwasserabflüssen kann das Sedimentationsgeschehen wieder einsetzen (s. Kap. 1; SELLERHOFF 2009). An der Gewässersohle im DEK bis Herbrum stehen heutzutage ausschließlich sehr feine Sohlsedimente mit einem Ton- und Schluffanteil von über 80 % an. Sie weisen einen geringen Konsolidierungsgrad auf, so dass die Sedimente bei höheren Oberwasserabflüssen ausgetragen werden können. Oberhalb von Papenburg kann es daher auch zu einer kurzzeitigen Änderung des anstehenden Sohlmaterials hin zu schluffigen Sanden kommen (BfG 2008, 2014a; IBL 1997).

1

Da die Tideems sowohl Marschen-, Übergangs- als auch Küstengewässer ist, werden die Begriffe „Gewässersohle“ und „Gewässerboden“ synonym verwendet und beziehen sich auf die oberflächennah an der Sohle bzw. dem Meeresboden vorherrschenden Substrate im Emsästuar.

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Eine Übersicht über die gegenwärtige Korngrößenzusammensetzung der Gewässersohle und des Gewässerbodens im Bereich der Fahrrinne ab Papenburg bis Borkum gibt Abb. 6:

Borkum

Emden Groning.

Papenb.

Abb. 6:

Korngrößenzusammensetzung der Gewässersohle und des Gewässerbodens der Tideems zwischen Ems-km 0 (Papenburg) und Ems-km 113 (Borkum) mit prozentualen Anteilen der Kornfraktionen im Bereich der Fahrrinne. Quelle: WSD NW & WSA Emden (2008); BfG (2014c); STELZER, DIEKMANN & MOSEBACH (2000).

Der räumliche Fokus der folgenden Betrachtungen liegt im Bereich Papenburg bis Knock. Anhand Abb. 7a-f wird die Zusammensetzung und Variabilität der Kornverteilungen und des Dm der Emssedimente in der Fahrrinne zwischen Ems-km 0 und Ems-km 55 ersichtlich. Die Daten beruhen auf Sedimentprobenahmen des Wasser- und Schifffahrtsamtes (WSA) Emden in den Jahren 2004 bis 2011 (s. z. B. WSA Emden 2008). Zu jeder Probenahme wurde der Dm ermittelt und ebenfalls in den Diagrammen mit dargestellt, eine Übersicht des Dm im Längsprofil findet sich in Abb. 8. Ab Ems-km 0 (Papenburg) bis Ems-km 15 (Leer) weist das vor allem schluffige Material in der Fahrrinne deutlich geringere Sandanteile auf als in den weiter seewärts gelegenen Abschnitten. Die Sandanteile liegen oft unter 20 % und variieren gemäß den hydrologischen und hydrodynamischen Randbedingungen. Der mittlere Korngrößendurchmesser der Gewässersohle liegt auf den ersten vier Ems-km im Feinsandbereich zwischen 0,070 und 0,121 mm. Anschließend liegt der Dm bis Ems-km 15 im Grobschluffbereich zwischen 0,042 und 0,052 mm bis auf zwei Ausnahmen bei Ems-km 12 (ca. Weekeburger Durchstich) und Ems-km 14 (ca. Ledamündung). Diese beiden Ems-km liegen im Feinsandbereich nahe der GrobschluffKorngröße (km 12: 0,066 mm, km 14: 0,076 mm) (Abb. 7a-b). Zwischen Leer und Pogum (ca. Ems-km 35) wird das vorherrschende Sohlsubstrat ebenfalls von feinen Kornfraktionen bestimmt, der Sandanteil kann jedoch lokal in Abhängigkeit der Randbedingungen auf bis zu 80 % und mehr steigen. Überwiegend liegt er jedoch unterhalb von 20 bis 30 %. Ab Terborg (ca. Ems-km 24) nehmen die sandigen Anteile der Sohle zu.

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Der mittlere Korngrößendurchmesser liegt bis auf Ems-km 16 mit Feinsand (Bingumer Sand, Dm von 0,070 mm) bis Laufkilometer 23 im Grobschluffbereich zwischen 0,044 und 0,063 mm. Ab Ems-km 24 (zwischen Jemgumer und Midlumer Sand bei Terborg) bis Ems-km 35 (Pogum) wird der Dm durch Feinsand mit einem mittleren Korngrößendurchmesser zwischen 0,068 und maximal 0,130 mm (Hatzumer Sand) bestimmt. Lediglich bei Ems-km 32 (Gandersum) handelt es sich bei dem Dm mit 0,227 mm um Mittelsand nahe zur FeinsandKorngröße (Abb. 7b-d). Ab Pogum bis Knock (ca. Ems-km 50) findet sich entlang der Sohle des Emder Fahrwassers häufig weiches, unkonsolidiertes Sohlmaterial (WSA Emden 2008), das überwiegend der Schlufffraktion zuzurechnen ist. Die Sandanteile liegen häufiger unter 30 %. Die Zusammensetzung der Sedimente kann jedoch auch hier variabel sein: Grundsätzlich herrscht eine Schlick-Dominanz vor, in den Monaten November bis April können jedoch ebenso ‒ wie auch in den Laufkilometern der Unterems zuvor ‒ vermehrt sandige Substrate auftreten, die bis zu 80 % oder lokal mehr an der Korngrößenverteilung ausmachen können. Bei Ems-km 39-41 (Höhe Emden, Neuer Binnenhafen und Außenhafen) und Ems-km 49-50 (Höhe Übergang Wybelsumer Polder - Knock) nehmen die sandigen Anteile der Gewässersohle zu. Der Dm schwankt insgesamt zwischen 0,046 mm (Grobschluff) und 0,153 mm (Feinsand). Es finden sich abwechselnd variierend grobschluffgeprägte Laufkilometer (Ems-km 37, 42-44, 46-48) und feinsandgeprägte Bereiche (Ems-km 36, 38-39, 41, 45, 49-50). Der größte mittlere Korngrößendurchmesser beläuft sich auf 0,259 mm (Mittelsand nähe Feinsand) bei Emskm 40 (ca. Emder Hafen) (Abb. 7d-e). Das Vorkommen der feineren Kornfraktionen wird ab ca. Ems-km 50/51 (Knock) abgelöst. Ab hier herrschen überwiegend Sande vor. Der Übergang zwischen dem tonig-schluffigen Areal und dem sandigen Bereich der Emssohle ist auch sehr gut in Abb. 6 erkennbar. Der Dm wird von Ems-km 51-53 durch die Feinsandfraktion gebildet (mittlerer Korngrößendurchmesser zwischen 0,117 und 0,172 mm). Ab Ems-km 54 handelt es sich bei dem Dm mit Werten von 0,271 und 0,273 mm um Mittelsand nah zur Feinsand-Korngröße (Abb. 7f). Der Gewässerboden des trichterförmigen Mündungsbereiches der Tideems bis Borkum ist durch sich verlagernde Sandplaten, Rinnen und ausgedehnte Flachwasser- und Wattbereiche gekennzeichnet. Hier stehen vorwiegend sandige, z. T. auch kiesige Sedimente an (Abb. 6) (BfG 2008; WSA Emden 2008). Die Flachwasserbereiche und Wattgebiete der Außenems außerhalb des Fahrrinnenbereiches weisen auch deutlich höhere Anteile aus der Ton- und Schlufffraktion auf. Die Zusammensetzung der Korngrößen und der mittlere charakteristische Korngrößendurchmesser der Sohlsubstrate unterliegen somit im Längsverlauf der Tideems einer hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität. Als Gründe hierfür sind verschiedene Einflüsse zu nennen. Neben methodisch auch möglichen Beeinflussungen bei der Entnahme der Sedimentproben sind hier zunächst besonders die hydrologischen Randbedingungen anzuführen. Bei einem Vergleich der Sedimentdaten mit den vorherrschenden Oberwasserabflussbedingungen fällt auf, dass die erhöhten Sandanteile in der oberen Unterems bei Papenburg mit höheren Abflussereignissen gekoppelt sein können, so z. B. im Februar 2006, Januar 2008 oder auch Januar 2011 (vgl. Abb. 7a und Abb. 5) („Ausräumeffekt“, s. Kap. 1). Nicht alle Laufkilometer zeigen das gleiche Muster, da je nach vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten, Sedimentationsprozessen etc. die Sohlsubstratzusammensetzung variieren kann. Auch die Tidedynamik und der Spring-Nipp-Zyklus üben einen entsprechenden Einfluss aus, ebenso kann die Abflusshistorie der vorausgegangenen Monate maßgebend sein.

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Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

0,90

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. A u 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . D 04 ez . Ja 04 n. 0 Ju 5 n. 0 O 5 kt .0 N 5 ov . Fe 05 b. A p 06 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. S e 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 2,0 (2004-2011)

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 3,0 (2004-2011) 1,00

90

0,90

0,80

80

0,80

0,70

70

0,70

60

0,60

50

0,50

40

0,40

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

k e i n e

60

0,60

D a t e n

50 40

0,50

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ju l. A u 04 g. S e 04 p. O 04 kt . D 04 ez . J a 04 n. J u 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. S e 06 p. D 06 ez . M 06 rz . J u 07 n. Se 07 p. Ja 0 7 n. A p 08 r. 0 Ju 8 l. O 08 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. J a 10 n. J u 11 n. 11

0,40

Volumenanteil [%]

100

DM [mm]

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 4,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 5,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 6,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 7,0 (2004-2011)

100

1,00

100

90

0,90

90

80

0,80

80

1,00 0,90 0,80 k e i n e

70

60

0,60

50

0,50

40

0,40

30

0,30

30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

60 50

0,70 0,60 0,50

D a t e n

40

0,40 0,30

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

0,70

DM [mm]

70

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 9,0 (2004-2011)

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 8,0 (2004-2011) 100

1,00

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Feinschluff

Abb. 7a:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. S e 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 08 O kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ju l. Au 04 g. S e 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov . F e 05 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. 0 Se 6 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 08 O kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ton

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

DM [mm]

Volumenanteil [%]

Mittelsand

0,90

Ton

Volumenanteil [%]

Feinsand

1,00

30

Volumenanteil [%]

Grobschluff

90

70

Volumenanteil [%]

Mittelschluff

100

80

Seite 72

Feinschluff

DM [mm]

Mittelschluff

DM [mm]

Feinschluff

DM [mm]

Ton

DM [mm]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 1,0 (2004-2011) 1,00

90

Ju l. Au 0 4 g. S e 04 p. O 04 kt . D 04 ez . J a 04 n. J u 05 n. O 05 kt . N 05 ov . F e 05 b. A p 06 r. 0 Ju 6 l. Se 0 6 p. De 06 z. M 06 rz . J u 07 n. S e 07 p. J a 07 n. A p 08 r. 0 Ju 8 l. O 08 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. J a 10 n. J u 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 0,0 (2004-2011) 100

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Sohlsubstrat Tideems – Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 0 bis 9. Datengrundlage: WSA Emden.

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 0 4 g. Se 0 4 p. O 04 kt . D 04 ez . Ja 0 4 n. Ju 05 n. O 05 kt . N 05 ov . Fe 05 b. A 06 pr .0 Ju 6 l. S 06 ep .0 D ez 6 . M 06 rz . Ju 0 7 n. S 07 ep . Ja 0 7 n. A 08 pr .0 Ju 8 l. O 08 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. 1 Ja 0 n. Ju 11 n. 11

V olu m e na n te il [

1,00

90

DM [mm]

100

0,90

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ton

DM Sohle

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 13,0 (2004-2011) 0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

0,90

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 15,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Feinsand

1,00

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 14,0 (2004-2011)

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 16,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 17,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Grobschluff

90

Ton

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 18,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 19,0 (2004-2011) 100

1,00

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Abb. 7b:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Mittelschluff

100

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 12,0 (2004-2011)

Feinschluff

DM [mm]

Grobschluff

DM [mm]

Mittelschluff

DM [mm]

Feinschluff

DM [mm]

Ton

DM [m m

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 11,0 (2004-2011) 1,00

90

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 10,0 (2004-2011) 100

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Sohlsubstrat Tideems – Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 10 bis 19. Datengrundlage: WSA Emden.

Seite 73

Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

0,90

Ju l. Au 04 g. Se 0 4 p. O 04 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. 0 Ap 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. De 06 z. M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. Ja 07 n. 0 Ap 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. Ju 11 n. 11

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ton

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 22,0 (2004-2011)

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 23,0 (2004-2011) 1,00

90

0,90

0,80

80

0,80

0,70

70

0,70

60

0,60

50

0,50

40

0,40

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

k e i n e

60

0,60

D a t e n

50 40

0,50

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. O 08 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

0,40

Volumenanteil [%]

100

DM [mm]

Volumenanteil [%]

Mittelsand

0,90

Ton

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 24,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 25,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Feinsand

1,00

30

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 26,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 27,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Grobschluff

90

70

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 28,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 29,0 (2004-2011) 100

1,00

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Abb. 7c:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Mittelschluff

100

80

Seite 74

Feinschluff

DM [mm]

Mittelschluff

DM [mm]

Feinschluff

DM [mm]

Ton

DM [mm]

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 21,0 (2004-2011)

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 20,0 (2004-2011) 100

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Sohlsubstrat Tideems – Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 20 bis 29. Datengrundlage: WSA Emden.

Grobsand

DM Sohle

Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

DM Sohle

Ton

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 33,0 (2004-2011) 90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

0,90

DM [mm]

1,00

90

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 35,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Feinsand

100

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 34,0 (2004-2011)

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 36,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 37,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Grobschluff

1,00

Ton

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 38,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 39,0 (2004-2011) 100

1,00

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Abb. 7d:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Mittelschluff

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 32,0 (2004-2011)

Feinschluff

DM [mm]

Grobschluff

DM [mm]

Mittelschluff

DM [mm]

Feinschluff

DM [mm]

Ton

DM [mm]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 31,0 (2004-2011) 1,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 30,0 (2004-2011) 100

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Sohlsubstrat Tideems – Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 30 bis 39. Datengrundlage: WSA Emden.

Seite 75

Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

DM Sohle

Ton

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 43,0 (2004-2011)

80

0,80

80

70

0,70

70

60

0,60

50

0,50

40

0,40

30

0,30

30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Volumenanteil [%]

90

DM [mm]

0,90

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

1,00 0,90

60 50

k e i n e

0,80

D a t e n

0,50

0,70 0,60

0,40 0,30

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

40

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 45,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Mittelsand

90

Ton

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 46,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 47,0 (2004-2011) 100

1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Feinsand

100

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 44,0 (2004-2011)

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 48,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohle

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 49,0 (2004-2011) 100

1,00

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Abb. 7e:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

1,00

90

DM [mm]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Grobschluff

1,00

Ton

Seite 76

Mittelschluff

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 42,0 (2004-2011)

Feinschluff

DM [mm]

Grobschluff

DM [mm]

Mittelschluff

DM [mm]

Feinschluff

DM [mm]

Ton

DM [mm]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 41,0 (2004-2011) 1,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 40,0 (2004-2011) 100

DM Sohle

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Sohlsubstrat Tideems – Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 40 bis 49. Datengrundlage: WSA Emden.

Grobsand

DM Sohle

Bundesanstalt für Gewässerkunde Veranstaltungen 2/2014 Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 51,0 (2004-2011) 0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ton

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohl

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 53,0 (2004-2011) 90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov . Fe 05 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

DM [

]

0,90

]

1,00

90

Volumenanteil [%]

100

DM Sohl

Ton

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 54,0 (2004-2011)

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohl

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 55,0 (2004-2011) 1,00

90

0,90

90

0,90

80

0,80

80

0,80

70

0,70

70

0,70

60

0,60

60

0,60

50

0,50

50

0,50

40

0,40

40

0,40

30

0,30

30

0,30

20

0,20

20

0,20

10

0,10

10

0,10

0

0,00

0

0,00

Ton

Feinschluff

Abb. 7f:

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM [

]

100

]

1,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov . Fe 05 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

100

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Mittelschluff

1,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 52,0 (2004-2011)

Feinschluff

100

Ton

DM [

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. Ja 04 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov . Fe 05 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. D 06 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt . M 08 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

DM [

DM Sohl

DM [

Feinschluff

DM [

Ton

]

1,00

90

]

100

Volumenanteil [%]

1,00

Ju l. Au 04 g. Se 04 p. 0 O 4 kt . De 04 z. 0 Ja 4 n. Ju 05 n. 0 O 5 kt . N 05 ov .0 Fe 5 b. Ap 0 6 r. 0 Ju 6 l. Se 06 p. 0 D 6 ez . M 06 rz . Ju 07 n. Se 07 p. 0 Ja 7 n. Ap 0 8 r. 0 Ju 8 l. 0 O 8 kt .0 M 8 rz .0 Ju 9 l. Ja 10 n. 1 Ju 1 n. 11

Volumenanteil [%]

Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 50,0 (2004-2011) 100

DM Sohl

Ton

Feinschluff

Mittelschluff

Grobschluff

Feinsand

Mittelsand

Grobsand

DM Sohl

Sohlsubstrat Tideems - Variabilität der Korngrößenverteilung und des Dm zwischen 2004 und 2011, Ems-km 50 bis Ems-km 55. Datengrundlage: WSA Emden.

Bei der Untersuchung weiterer möglicher Ursachen wurde ersichtlich, dass sich auch die gewässerstrukturellen Ausprägungen in der Sohlsubstratzusammensetzung widerspiegeln und diese beeinflussen. In Abb. 8 werden der mittlere charakteristische Korngrößendurchmesser Dm sowie die Lage von Gewässerstrukturen entlang des Längsprofils der Tideems zur besseren Nachvollziehbarkeit einander gegenübergestellt. Der untere Bereich der Abbildung zeigt exemplarische Längsprofilaufnahmen der gezeitengeprägten Ems aus Verkehrssicherungspeilungen des WSA Emden der Jahre 2002 bis 2004. Die Peildaten verdeutlichen zunächst eine u. a. gewässerunterhaltungsbedingte Variabilität der Sohlhöhenlage (unterschiedliche Farbdarstellungen verschiedener Jahre) (vgl. BAW 2010). Zugleich sind persistente Gewässerstrukturen der Gewässersohle sichtbar, die sich in allen Verkehrssicherungspeilungen entlang des Längsprofiles der Tideems an jeweils gleicher Stelle wiederfinden. Das Längsprofil wird durch einen Wechsel tiefer, relativ lagestabiler Kolke mit flacheren Bereichen gekennzeichnet. Bis kurz nach Weener (Grotegaste bei ca. Ems-km 9) ist die Fahrrinne ohne größere Tiefen, hier findet sich jedoch zugleich die größte Schwankungsbreite in den

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Leda

-5

PS

HS

J/MS

-4

BS

WD

U

fS

mS

gS

Peildaten. Nach BAW (2010) liegt die Ursache hierfür in den stromaufwärts zunehmenden Stauwasserdauern nach Flutstromkenterung bei gleichzeitigem Anwachsen des Oberwassereinflusses. Unterhalb Grotegaste wird die Tiefenvariation höher. Zwischen Ems-km 10 und 12 befindet sich der Weekeburger Durchstich, der durch einen schmalen und tieferen Gewässerlauf im verbleibenden Hauptlauf der Ems gekennzeichnet wird. Wie oben geschildert kommen beim Weekeburger Durchstich u. a. entsprechend der Tieflage und vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten Feinsande mit einem Dm von 0,066 mm vor. Zwischen Leer und Pogum sind Wechsel von Kolken mit flacheren Bereichen kennzeichnend, so dass auch eine höhere Tiefenvarianz vorherrscht. Unterstrom der Ledamündung (Ems-km 14) weist die Sohle auf Höhe des Bingumer Sandes bei Ems-km 16 einen gröberen mittleren Korngrößendurchmesser der Gewässersohle mit 0,070 mm (Feinsand) auf. Hier ist durch eine Stromspaltung ebenso ein tieferer Hauptlauf gegeben, der auch in den Peildaten erkennbar ist (Abb. 8).

 

WD = Weekeburger Durchstich Leda = Ledamündung BS = Bingumer Sand J/MS = zwischen Jemgumer und Midlumer Sand

-6

-8

Abb. 8:

Seite 78

mittl. Peiltiefe [mNN]

HS = beim Hatzumer Sand -7

PS = Aufweitung Höhe Paapsand ESW = Emssperrwerk U = Schluff fS, mS, gS = Fein-, Mittel- und Grobsand

Zusammenstellung der mittleren charakteristischen Korngrößendurchmesser Dm (oben) und Verkehrssicherungspeilungen der Gewässersohle, Jahre 2002-2004 (unten). Datengrundlage: WSA Emden. Quelle (unten): BAW (2010), verändert.

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Ungefähr ab Ems-km 23 beginnt der Jemgumer Sand, ca. bis Ems-km 25,5 erstreckt sich der sich anschließende Midlumer Sand. Auch diese Gewässerstrukturen, die sich u. a. durch einen relativ lagestabilen Kolk zwischen Ems-km 24 und 26 in den Verkehrssicherungspeilungen zeigen, führen zu einem erhöhten Dm (Feinsand, s. o.). Der ca. bei Ems-km 28 liegende Hatzumer Sand bedingt einen hohen Dm von 0,130 mm, eine Vertiefung der Gewässersohle ist auch in diesem Bereich mittels der Peildaten in dem von Laufwindungen gekennzeichneten Abschnitt dokumentiert. Weiter stromabwärts findet sich um Ems-km 30/31 erneut ein persistenter Kolk, für den ein Dm von 0,227 mm (Mittelsand) ermittelt wurde. An dieser Stelle (Höhe Gandersum) schwenkt der Gewässerlauf Richtung Westen und bildet eine Laufkrümmung. Ab Pogum weist die Gewässersohle im Emder Fahrwasser eine geringere Tiefenvariation auf. Ungefähr zwischen Ems-km 37 und 40 (Jarßum bis Emder Hafen) prägt dann eine Gewässervertiefung die Sohllage, die sich wiederum in den Peildaten und den mittleren Korngrößendurchmessern widerspiegelt: Hier ist der größte mittlere Korngrößendurchmesser von 0,259 mm (Mittelsand) zu lokalisieren. Anschließend befindet sich die Sohle ungefähr ab Emden in einer insgesamt tieferen Sohlhöhenlage. Es ist ein Zusammenhang zwischen dem (Wieder-)Auftreten der gröberen Kornfraktionen an der Gewässersohle respektive dem Gewässerboden und den hier betrachteten gewässerstrukturellen Ausprägungen der Sohle im Längsprofil erkennbar. Die wiederkehrenden gröberen Kornfraktionen herrschen bei den oben beschriebenen und häufig miteinander einhergehenden hydromorphologischen Strukturen (Gewässerbettaufweitung, Sände, Inseln, Kolke, Laufkrümmung) vor, die zu einer höheren Strömungsdiversität führen können. Neben den Abflussverhältnissen, der Tidedynamik oder den gewässerstrukturellen Ursachen sind weiterhin auch anthropogene Einflüsse anzuführen, die die Zusammensetzung des Sohlsubstrates mit beeinflussen können. An dieser Stelle sei exemplarisch die Gewässerunterhaltung genannt. Durch Baggerungen wird der Unterems v. a. feinkörniges Substrat entnommen, wodurch z. B. tieferliegende grobkörnigere Schichten u. U. freigelegt werden können. Sedimententnahmen im Rahmen der Unterhaltung können sich in den Sohldaten in einer variierenden Persistenz zeigen, die neben den vorherrschenden hydrologischen/hydrodynamischen Randbedingungen u. a. von entsprechend variierenden Sedimentdargeboten, Zeiträumen des Wiedereintriebs sowie Zeitpunkten der Sedimentprobenahmen abhängig sein kann. Bei der Betrachtung der Kornverteilung der Emssedimente bei Ems-km 0 (Papenburg, s. Abb. 7a) ist beispielsweise die Schiffsüberführung der „Norwegian Jewel“ erkennbar, die am 26.06.2005 stattfand (Überführungstiefe: 6,30 m). Die Sohlprobennahme erfolgte vier Tage zuvor. Die am 13.03.2006 überführte „Pride of Hawaii“ (Überführungstiefe: 5,80 m) ist ebenfalls in den sandigeren Sohlproben ersichtlich, die sechs Wochen später am 26.04.2006 entnommen wurden. Dagegen ist z. B. die „Norwegian Pearl“ mit einer Überführungstiefe von 5,90 m am 07.11.2006 in den einen Monat später am 07.12.2006 genommenen Sedimentproben ebenso wie die „Celebrity of Solstice“ (Überführungstiefe: 5,90 m, Überführung 29.09.2008, Probenahme 29.10.2008) nicht in den Sohldaten erkennbar. Die Sedimentproben können infolgedessen je nach weiteren vorherrschenden Randbedingungen die anthropogene Beeinflussung durch Baggerungen widerspiegeln, müssen dies jedoch nicht. Ferner ist anzuführen, dass weitere Einflussfaktoren und entsprechende Wechselwirkungen summarisch auf das ökologische System der Tideems und damit auch auf die Ausprägung des Sohlsubstrates zum Zeitpunkt der Probenahme wirken können. Zu weiteren anthropogenen Eingriffen

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neben der betrachteten Gewässerunterhaltung gehören Landgewinnungsmaßnahmen, Hochwasserschutz, Gewässerausbau, Küstenschutz etc. (z. B. BfG 2008; WSA Emden 2008; FGE Ems 2009; NLWKN 2012), die zu einem geänderten Systemverhalten führen können (s. o.). Auch natürliche Einflussfaktoren wie der Sedimentimport aus der Nordsee (küstenparalleler Sedimenttransport), der Spring-Nipp-Zyklus, die Strömungsgeschwindigkeiten, Salzgehalt und somit Dichtegradienten oder meteorologische Ereignisse etc. wirken auf das System (s. hierzu z. B. Deltares 2012; ESSELINK et al. 2011; ENGELS 2010; HARBASINS 2008). Eine eindeutige oder gar singuläre Zuweisung der Einflussfaktoren ist bislang allerdings kaum bis nicht möglich (s. Kap. 1, vgl. auch BfG 2006). In Abb. 9 wird zusammenfassend die Variabilität der Korngrößenzusammensetzung anhand des Ton- und Schluffanteils veranschaulicht. Der überwiegend sehr hohe, häufig zwischen 70-90 % liegende Ton- und Schluffanteil (Jahre 2004-2011) ist deutlich erkennbar. Tideems, Ton-/Schluff-Anteil 120

Ton-/Schluff-Anteil [%]

100

Jul 04 Feb 06

Aug 04 Apr 06

Sep 04 Jul 06

Okt 04 Sep 06

Dez 04 Dez 06

Feb 05 Feb 07

Jun 05 Jun 07

Apr 08

Jul 08

Okt 08

Mrz 09

Jul 10

Jan 11

Jun 11

Okt 05 Sep 07

Nov 05 Jan 08

80

60

40

20

0 0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

Ems-km

Abb. 9:

Anteil von Ton und Schluff < 0,063 mm der Gewässersohle im Ist-Zustand (Jahre 2004 bis 2011 in %, Sedimentproben Fahrrinne) zwischen Ems-km 0 und 55. Datengrundlage: WSA Emden.

Im Gegensatz zu den heute überwiegend vorherrschenden Ton- und Schlufffraktionen wurde die Gewässersohle in früheren Jahren durch gröbere Kornfraktionen geprägt. Das gebaggerte Sediment in den Jahren 1965 bis 1980 wies einen Sandanteil von ca. 80 % auf (KREBS & WEILBEER 2008; BfG 1990; BAW 1997; IBL 1994, 1997). Dies wurde mittels Betrachtung früherer Profilbohrungen nochmals verifiziert. Erkennbar wird durch diesen Abgleich, dass überwiegend eine deutliche Änderung der anstehenden Sohlsubstrate der Gewässersohle und des Gewässerbodens hin zu feineren Kornfraktionen stattgefunden hat (s. Abb. 10, Darstellung ausgewählter Profilbohrungen im Bereich der Fahrrinne der Tideems). Auch bei dem Vergleich des Ton- und Schluffanteils in Sedimentproben aus der Fahrrinne zwischen den

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km 7,6, Feinsand (schwach mittelsandig)

1984

km 15,2 unterhalb J.B.Br., Feinsand (schluffig)

1984

km 17,8 Emstunnel, Schluff

1978

km 17,8 Emstunnel Mittelsand (feinsandig, sehr schwach grobsandig)

1978

km 30,3 Oldersum, Sand (schwach tonig, schwach schluffig)

1940

Beispielhafte Profilbohrungen im Bereich des Gewässerbettes/der Fahrrinne der Tideems in früheren Jahren. Quelle: NIBIS® Kartenserver (2012, 2013) – Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG), Hannover.

km 7, Brücke Weener, Klei

km 3 Ton,schluffig

Abb. 10:

1924

1963

km 38, Neues Borßumer Siel, Feinsand

1978

km 46,7 Wybelsumer Polder, Feinsand

1977

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Jahren 1989 und 2004/2005 ist eine deutliche Änderung des anstehenden Sohlmaterials zu wesentlich mehr feineren Kornfraktionen zu verzeichnen, insbesondere im Bereich der Unterems zwischen Ems-km 0 und Ems-km 26/27. Der Ton- und Schluffanteil hat z. B. bei Ems-km 3 eine Erhöhung von 86 % erfahren (d. h. 0 % des Anteils von Ton und Schluff < 0,063 mm in den Sedimentproben im Jahr 1989, 86 % in 2004/2005), bei Ems-km 4 von 78 % oder bei Ems-km 10 von 82 %. Insgesamt schwanken die Abweichungen zwischen 0 und 86 %, im Bereich bis ca. unterhalb Terborg sind die Modifikationen besonders stark erkennbar (s. BfG 2008; QUICK 2010). Bei den betrachteten Daten gab es auch wenige Sohlproben, die Abnahmen aufwiesen. Dies scheint plausibel, da die Sohle im Jahr 1989 noch höher lag als 2004/2005 und somit tiefere Schichten inzwischen angeschnitten sein können. Neben Sand konnten auch Klei, Schluff und Ton früher stellenweise schon immer angetroffen werden (s. Abb. 10 und IBL 1997). Die Ergebnisse der verwendeten Sohlproben von 1989 unterlagen ebenfalls zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Einzelmessungen. Da das Jahr jedoch kein Jahr mit besonders hohen Abflusswerten (Pegel Versen, Daten WSA Meppen) war, die als Ursache für den 1989 geringen Ton- und Schluffanteil v. a. in der Unterems eventuell hätten angeführt werden können, ist von damals noch höheren Sandanteilen der Emssohle auszugehen (s. o.). Sohlproben aus dem Jahr 1995 zwischen Papenburg und Leer weisen auf bereits sehr hohe Ton- und Schluffanteile bis zu 90 % und mehr hin (s. auch BAW 1997). So scheint der Wechsel zu einem überwiegend ton- und schluffgeprägten Gewässer auf Grundlage der hier betrachteten Daten nach 1989 und vor dem oder um das Jahr 1995 stattgefunden zu haben. IBL (1994, 1997) benannte bereits das Jahr 1992 als Veränderungszeitpunkt der Körnung der Emssedimente aufgrund untersuchter Sedimentproben zwischen Herbrum und Oldersum.

3 Zusammenfassung Der Fokus der vorgestellten ausgewählten hydromorphologischen Parameter als Zeiger für den Sedimentstatus der Tideems lag auf dem Sohlsubstrat, das mittels der Korngrößenverteilungen und des mittleren (charakteristischen) Korngrößendurchmessers (Dm) charakterisiert wurde. Die Tideems wurde von Herbrum bis Borkum betrachtet, der räumliche Schwerpunkt lag zwischen Papenburg (Ems-km 0) bis kurz unterhalb Knock (Ems-km 55). Der Zustand dieses hydromorphologischen Parameters wird durch zahlreiche Faktoren und deren Wechselwirkungen beeinflusst. Zu ihnen zählen u. a. die hydrologischen/hydrodynamischen Randbedingungen, die zahlreichen Veränderungen des Gewässersystems durch anthropogene Eingriffe, natürliche Einflussfaktoren bis hin zur gegenwärtigen strukturellen Ausprägung der Gewässersohle. Der ursprüngliche Sedimenthaushalt der Tideems ist aufgrund des tidal pumping bzw. stromaufwärts gerichteten Sedimenttransportes stark gestört. Es herrschen hohe Schwebstoffkonzentrationen v. a. in den Sommermonaten vor, in denen es besonders in der Unterems zur Bildung von sog. fluid-mud-Schichten und schlechten Sauerstoffverhältnissen kommen kann (z. B. ENGELS 2007, 2010; SCHÖL et al. 2006). Die gemittelten Schwebstoffkonzentrationen sind in der Unterems zwischen 1987 und 2006 um mehr als das Fünffache angestiegen (QUICK 2010). Seit den 50er-Jahren bis in die Gegenwart ergibt sich nach DE JONGE (2010) für das Trübungsmaximum in der Unterems ein fast zehnfacher Anstieg des Schwebstoffgehaltes und für den Trübungsgradienten der Außenems ein bis zum Pegel Emshörn/Möven-

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steert (ca. Ems-km 80) zwei- bis dreifacher Anstieg (s. Kap. 1). Es herrschen hohe Sedimentationsraten vor, die Schlickschicht auf der Gewässersohle kann eine Mächtigkeit von bis zu 1,5-2 m und lokal mehr aufweisen (WSA Emden 2012). Die Verschlickung der Gewässersohle und des Gewässerbodens bedingt wiederum die Korngrößenzusammensetzungen und mittleren charakteristischen Korngrößendurchmesser des Sohlsubstrates mit. Sohle, Ufer-/Wattbereiche, Auen-/Marschengewässer, Nebengewässermündungen, Buhnenfelder, Häfen und Hafeneinfahrten werden maßgeblich von den in der Tideems vorherrschenden Sedimenten beeinflusst und sind über weite Bereiche stark verschlickt. Die Schwebstoffsituation und die Sedimentationen entspannen sich im oberen Bereich der Unterems, wenn ein gewisser Mindestoberwasserabfluss überschritten wird, wie beispielsweise bei Papenburg (Ems-km 0) von ca. 75-80 m³/s (MQ, Pegel Versen). Es erfolgt eine Art „Ausräumeffekt“ der feineren Kornfraktionen seewärts mit dem Ergebnis sandigerer Sohlsubstrate. Die Schwebstoffkonzentrationen nehmen durch ein solches Abflussereignis meerwärts entsprechend zu. Nach Unterschreitung bestimmter Oberwasserabflusswerte stellen sich schnell wieder schlechtere Verhältnisse ein (Abfluss-Konzentrations-Beziehung, s. Abb. 4), so z. B. ab ca. 50 m³/s bei Papenburg und Terborg. Gerade in den Sommermonaten herrschen geringe Oberwasserabflüsse vor, die diese Problematik begünstigen. Seit dem Sommer 1994 kommt es jedes Jahr regelmäßig zu erheblichen Schwebstoffgehalten. Bei einer detaillierteren Betrachtung der letzten 20 Jahre fiel auf, dass die Oberwasserabflüsse insgesamt abnahmen (Abb. 5) und die niedrigeren Abflusswerte unterhalb MQ zwischen 25-75 m³/s in den letzten 20 Jahren eindeutige Zunahmen aufwiesen. Infolgedessen kam es z. B. für den Papenburger Raum zu einer relevanten Zunahme der jährlichen Unterschreitungswerte des „Schwellenwertes“ von 75-80 m³/s, so dass der Prozess des Stromauftransportes der Sedimente aufgrund der Entwicklung der Oberwasserabflusssituation häufiger vorkommen konnte. Die Zunahmen der Schwebstoffkonzentrationen seit 1994 dürften somit zumindest in der oberen Unterems zu einem gewissen Anteil auch durch die durchschnittlich geringeren Oberwasserabflüsse und die Anstiege der Oberwasserabflüsse zwischen 25-75 m³/s mitbedingt sein (s. Kap. 1). Weiterhin konnte gezeigt werden, dass auch gewässerstrukturelle Ausprägungen wie z. B. Sände und Inseln und das vorherrschende Längsprofil (Tiefenvariation) von Bedeutung für die Korngrößenzusammensetzungen und mittleren Korngrößendurchmesser sind. Die Sandfraktionen herrschen bei den persistenten Gewässerstrukturen wie dem Weekeburger Durchstich, Bingumer Sand, Jemgumer und Midlumer Sand, Hatzumer Sand sowie im Bereich der relativ lagestabilen Kolke (Bsp. Ems-km 30/31, Laufkrümmung gen Westen bei Gandersum oder Ems-km 37-40) vor. Die Laufwindungen, Gewässerbettaufweitungen und persistenten Kolke gehen häufig gemeinsam miteinander einher, hier herrscht ein differenzierteres Strömungsgeschehen. Die Ausprägung des Gewässergrundrisses und -längsprofils sowie die damit einhergehenden Breiten- und Tiefenverhältnisse scheinen für das Vorkommen gröberer Sedimente mit entscheidend zu sein (s. Kap. 2; vgl. Abb. 8). Schließlich wurden auch kurz anthropogene Beeinflussungen am Beispiel der Gewässerunterhaltung betrachtet (Kap. 2). Hierzu wurde mit Hilfe exemplarischer Schiffsüberführungen erläutert, dass sich erfolgte Sedimententnahmen im Rahmen der Unterhaltung in den Sohlda-

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ten mit einer variierenden Beständigkeit zeigen können. Je nach vorherrschenden hydrologischen/hydrodynamischen Randbedingungen, dem entsprechend vorherrschenden Sedimentdargebot, den Zeiträumen des Wiedereintriebs sowie den Zeitpunkten der Sedimentprobenahmen etc. kann sich die Gewässerunterhaltung in den Sedimentproben widerspiegeln, dies muss jedoch nicht der Fall sein. Die anthropogenen Eingriffe in das natürliche Gewässersystem, zu denen weiterhin z. B. Küsten- und Hochwasserschutz oder Landgewinnung zählen, haben zu gravierenden Änderungen der Tidedynamik (Tideasymmetrie, erhöhter Tidehub etc., s. Kap. 1) und daraus resultierend des Schwebstoffregimes und dem an der Sohle anstehenden Sediment beigetragen. Auch natürliche Einflussfaktoren wie der Sedimentimport aus der Nordsee etc. üben Einfluss auf das System aus. Sämtliche Einflussfaktoren und entsprechende Wechselwirkungen untereinander können in Kombination wirken, so dass eine eindeutige oder gar singuläre Zuweisung der Einflussfaktoren kaum bis nicht möglich ist (s. Kap. 2). Die ausgewerteten und in Kap. 2 dargestellten Daten der Korngrößenverteilungen und des mittleren charakteristischen Korngrößendurchmessers Dm zeigen im Längsverlauf der Tideems ein komplexes und variables Bild (s. Abb. 7a-f), das räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterliegt. Für den Sedimentstatus der Tideems sind die hier ausgewählten hydromorphologischen Parameter Korngrößenverteilungen und Dm als Zeiger sehr gut geeignet. Im Ist-Zustand (Jahre 2004-2011) wird das Sohlsubstrat im Wesentlichen durch die feinen Kornfraktionen Ton und Schluff geprägt, die im DEK, in der Unterems und bis in den beginnenden Bereich der Außenems (bis ca. km 50, Knock) einen Anteil an der Korngrößenzusammensetzung von bis zu ca. 80 % und mehr ausmachen können (Kap. 2, vgl. Abb. 9). Dagegen war die Gewässersohle in früheren Jahren zu ca. 80 % von Sandanteilen geprägt (Jahre 1965-1980, vgl. KREBS & WEILBEER 2008; BfG 1990; BAW 1997; IBL 1994, 1997; Bioconsult 2013). Es hat in den letzten Jahrzehnten eine erhebliche Änderung der anstehenden Sohlsubstrate der Gewässersohle und des Gewässerbodens stattgefunden. Auf Grundlage der hier betrachteten Daten konnte der Wechsel von einem überwiegend sandgeprägten zu einem überwiegend ton- und schluffgeprägten Gewässer auf den Zeitraum nach 1989 und vor bzw. um das Jahr 1995 datiert werden (vgl. IBL 1994, 1997; s. Kap. 2). Die tonigen und schluffigen Fraktionen an der Gewässersohle und dem Gewässerboden können in der Folge auch die Ausprägung des Parameters „Struktur und Substrat“ bzw. „Menge, Struktur und Substrat“ der hydromorphologischen Qualitätskomponente Morphologie nach EG-WRRL (2000) und OGewV (2011) beeinflussen (Kap. 1). Darüber hinaus können die erheblichen Ton- und Schluffanteile und vorherrschenden Verschlickungen auch Parameter wie z. B. die „Struktur der Uferzone“ oder die „Verbindung zu Grundwasserkörpern“ (WRRL 2000; OGewV 2011) prägen. Die hydromorphologische Ausprägung der Gewässersohle bzw. des Gewässerbodens ist mit als entscheidender Faktor anzuführen hinsichtlich der Habitatverfügbarkeit und -qualität und kann daher limitierend auf die Ausprägung der physikalischen Lebensräume für Flora und Fauna wirken. Da die hydromorphologische Ausprägung eines Gewässers auch wesentlich durch den Sedimenthaushalt mitbestimmt wird (Kap. 2), ist ein Hauptaugenmerk auf die Verbesserung des Sedimenthaushaltes zu legen. Das entscheidende Ziel der Reduktion des Schwebstoffgehaltes

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(Trübung) der Tideems zur Verbesserung der gewässerökologischen Situation wird beispielweise in dem Bewirtschaftungsplan Ems adressiert (FGE Ems 2009). Darüber hinaus fordert der Bewirtschaftungsplan ebenso die Reduktion des flussaufwärts gerichteten Schwebstofftransportes. Es gilt, auch das Sedimentmanagement an diesem Ziel der Reduktion des Schwebstoffgehaltes auszurichten. Derzeit wird ein Sedimentmanagementkonzept für die Tideems von der Bundesanstalt für Gewässerkunde im Auftrag des WSA Emden erstellt (BfG 2014a).

Danksagung Die hier vorgestellten Auswertungen zur Tideems beruhen auf zahlreichen Daten, die seitens des WSA Emden, des WSA Meppen und des NLWKN erhoben und zur Verfügung gestellt wurden. Hierfür möchten wir uns herzlich bedanken.

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OGewV (2011): Verordnung zum Schutz der Oberflächengewässer (Oberflächengewässerverordnung – OGewV) vom 20. Juli 2011. Bundesgesetzblatt Nr. 37, S. 1429. Bonn. QUICK, I. (2010): Entwicklung und Anwendung hydromorphologischer Bewertungsverfahren zur Evaluierung in der UVU an Bundeswasserstraßen am Bsp. des Ästuars der Tideems. In: DGL, Erw. Zusammenf. 2009 (Oldenburg). S. 386-391. Hamburg, Berlin. QUICK et al. (2013): Die Bedeutung der Sedimente für die Ausprägung der Hydromorphologie großer Fließgewässer als unterstützende Komponente für die Zielerreichung nach Wasserrahmenrichtlinie. In: DGL, Erw. Zusammenf. 2012 (Koblenz). 370-375. Hamburg, Berlin. SCHÖL , A. et al. (2006): Zusammenhänge zwischen Sauerstoffhaushalt und Schwebstoffverteilung in der Unterems - Naturmessungen und Laboruntersuchungen. Bundesanstalt f. Gewässerkunde. [Vortrag BAW/BfG Kolloquium Hamburg, 08./09.11.2006] SCHROTTKE et al. (2006): Fluid mud dynamics in the Weser estuary turbidity zone tracked by high resolution side-scan sonar and parametric sub-bottom profiler. In: Geo-Marine Letters, Vol. 26 (3). S. 185-198. SELLERHOFF, F. (2009): Ansätze zur Quantifizierung des Eintriebes von Sedimenten in die Fahrrinne der Unterems. Smile Consult GmbH. BAW-Kolloquium, Hamburg, 5.11. 2009. Hannover. [http://www.smileconsult.de/files/sellerhoff_ems_5_11_2009.pdf] STELZER, P.; DIEKMANN, B.; MOSEBACH, O. (2007): PFV für die geplante bereichsweise Anpassung der Unterems und des Dortmund-Ems-Kanals. UVU. Im Auftr. des Lkr. Leer und des Lkr. Emsland. Freren, Rastede. TALKE, S. A.; DE SWART, H. E. (2006): Hydrodynamics and Morphology in the Ems/Dollard Estuary: Review of Models, Measurements, Scientific Literature, and the Effects of Changing Conditions. University of Utrecht. IMAU Report R06-01. VAN LEUSSEN, W. (2011): Macroflocs, fine-grained sediment transports, and their longitudinal variations in the Ems Estuary. Ocean Dynamics (2011) 61: 387-401. WANG, L. (2010): Tide Driven Dynamics of Subaqueous Fluid Mud Layers in Turbidity Maximum Zones of German Estuaries. Dissertation. Marum; Glomar; Univ. Bremen. WATTENRAT (2010): Ems-Ästuar. Vom gemeinsamen Problem zur gemeinsamen Lösung. Gutachten 2010/03. Den Haag. WEHR, D. (2012): An Isopycnal Numerical Model for the Simulation of Fluid Mud Dynamics. In: Mitt. Inst. f. Wasserwesen, H. 115/2012. Univ. d. Bundeswehr München, Diss. WHG (2010): Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes v. 31. Juli 2009 (BGBl. I S. 2585), zul. durch Art. 4 Abs. 76 des Gesetzes v. 07. August 2013 (BGBl. I S. 3154) geändert. WINTERWERP, J. C. (2013): On the response of tidal rivers to deepening and narrowing. Risks for a regime shift towards hyper-turbid conditions. Deltares. WSA Emden (2008): Vertiefung der Außenems bis Emden. Umweltverträglichkeitsuntersuchung. Emden. [Stand 01.10.2010, http://www.portaltideems.de/Projekte/AuEmVert/ Planfeststellungsverfahren/index.html] WSA Emden (2012): Projektheft. Naturversuch zur Sedimentkonditionierung (Multiphasenverfahren) 2011. Ziele, Methodenbeschreibung, Naturraum, Messtechnische Begleitung, Messergebnisse. Emden. [unveröff.] WSD NW & WSA Emden (2008): Untersuchungsgebiet für die Umweltverträglichkeitsuntersuchung. Vertiefung der Außenems bis Emden. Unterlage zum Scoping-Termin nach § 5 UVPG. WSA Emden, Projektgruppe Projektsteuerung Tideems. Aurich, Emden. [http://www.portaltideems.de/pdf/Scoping/scoping/Scopingunterlage_deutsch.pdf]

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bis 1998 Studium Geographie an der Universität zu Köln 1999-2003 Promotion in Physischer Geographie, Universität zu Köln, Schwerpunkt Gewässermorphologie sowie freiberufliche Tätigkeiten als Gewässermorphologin, u. a. Spektrum-Verlag, Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen, Umweltministerium Nordrhein-Westfalen, Planungsbüros 2004-2008 Universität Karlsruhe, Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich WWF-Auen-Institut - Leiterin der Abteilung Gewässermorphologie / GIS

Kontakt: Dr. Ina Quick Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/ 1306 5193 E-Mail: [email protected]

Nebenberufliche Tätigkeiten als Gerichtliche Sachverständige, Lehrbeauftragte an der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft seit 2009 Bundesanstalt für Gewässerkunde, Referat M3 Grundwasser, Geologie, Gewässermorphologie - seit 2010 Ansprechpartnerin Hydromorphologie

bis 1997 Studium Bauingenieurwesen an der Fachhochschule Kiel 1996-2000 Tätigkeit als Ingenieur im Bereich Abwassertechnik seit 2001 Technischer Angestellter der Bundesanstalt für Gewässerkunde, Referat M3 Grundwasser, Geologie und Gewässermorphologie

Sönke Schriever Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/ 1306 5459 E-Mail: [email protected]

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Projektbearbeitung u. a.: Bedeutung der Nebenflüsse für den Feststoffhaushalt der Elbe, Feststofftransport und Flussbettentwicklung der Elbe, Erosionsstrecke Elbe, Mitarbeit Entwicklung Sedimentdatenbank „SedDB“, HABAK Klappstelle K2, Außenems, Analyse von Trübungsdauermessungen an der Tideelbe, unterschiedliche Projekte an Ems und Elbe (u. a. ADCP-PDT-Monitoring), Mitarbeit bei der Entwicklung und Anwendung von „Valmorph“ (Modul zur Bewertung der Veränderung der Morphologie von Fluss und Aue im Rahmen des Integrierten Flussauenmodells INFORM)

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Sedimentverhältnisse in der Tideelbe und im Hamburger Hafen und Darstellung der bekannten Wirkungspfade

Axel Winterscheid, Nino Ohle und Ingo Entelmann

1 Einleitung Ästuare sind offene Systeme, die in ständigem Kontakt mit ihrer Systemumgebung stehen. Über die Systemgrenzen hinweg – im Fall der Tideelbe bilden das Wehr Geesthacht die oberstromige Grenze und die Deutsche Bucht die seewärtige Grenze – existiert ein ständiger Zufluss (oberstromige Grenze) bzw. Austausch (seewärtige Grenze) von Wasser- und Sedimentmassen. Entlang des Ästuars wird das Sedimentinventar durch Strömung und Wellengang mobilisiert und unterliegt Erosion, Transport und Deposition. Kenntnisse über diese innerhalb und an den Grenzen des Systems ablaufende Sedimentdynamik sind ein Schlüssel für die Weiterentwicklung von Konzepten zur Umlagerung von Unterhaltungsbaggergut eingebettet in ein systemweites Sedimentmanagement. Aus der speziellen Unterhaltungssicht liegt das Interesse vor allem auf Untersuchungen > > >

zu den Sedimentationsprozessen im Bereich von Baggerschwerpunkten, zum Verbleib bzw. den Verdriftungswegen von Baggergut nach Umlagerung sowie zu unterhaltungsbedingten Auswirkungen auf Morphodynamik und Sedimenthaushalt sowohl für das Gesamtsystem als auch für Teilräume des Systems.

Die Erfassung und Beschreibung des Systemzustandes ist Grundlage für eine anschließende Analyse von Prozessen. Tatsächlich liegen aber für viele Zustandsgrößen nur Schätzungen zur Größenordnung vor, so z. B. zur Menge des ästuarinen Sedimentinventars oder zu den Sedimentaustauschmengen zwischen der Deutschen Bucht und dem seeseitigen Rand der Tideflüsse Elbe, Ems, Weser und Eider. Die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) und die Hamburg Port Authority (HPA) führen mit Unterstützung der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) an der Tideelbe und im Hamburger Hafen Untersuchungen durch, deren Zielrichtung eine kontinuierliche Verbesserung der Kenntnisse über maßgebliche Wirkungspfade und der Bilanzierungsmöglichkeiten zum Sedimenthaushalt ist. Dabei kommen verschiedene Werkzeuge und Instrumente zum Einsatz. Dieser Beitrag zum gewässermorphologischen Kolloquium der BfG fasst kurz den derzeitig verfügbaren Wissensstand zu bekannten Wirkungspfaden zusammen und gibt dabei einen Überblick über ausgewählte Untersuchungsprojekte zur Sedimentdynamik sowie die darin eingesetzten Werkzeuge und Instrumente. Wichtige Projektergebnisse bzw.

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laufende Arbeiten der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) werden, wo sinnvoll und möglich, ergänzend angesprochen. Dem Anspruch, einen vollständigen Überblick der laufenden Aktivitäten zum Sedimentmanagement an der Tideelbe zu geben, kann aber nicht entsprochen werden.

2 Klassifizierung der bei Unterhaltungsbaggerungen anfallenden Sedimente Bei der Analyse von Wirkungspfaden erfolgt eine Unterscheidung von Fein- und Grobsedimenten. Grund dafür sind die unterschiedlichen Transportmechanismen. Sedimente der Feinkornfraktionen Schluff und Ton werden in Suspension mit dem Wasserkörper transportiert (advektiver und diffusiver Transport), daher auch die Bezeichnung als Schwebstoff. Die gröberen Sandfraktionen hingegen werden sohlgebunden bzw. sohlnah transportiert. Der Feinsand bildet einen Übergangsbereich zwischen beiden Transportmechanismen und wird überwiegend in den untersten 1 bis 2 m der Wassersohle transportiert (suspendierte Sande). Ein weiterer Grund für die Unterscheidung der beiden Sedimentklassen ist die Schadstoffbelastung. Es ist bekannt, dass partikulär gebundene Schadstoffe sich überwiegend in der Feinkornfraktion (Fraktionen Schluff und Ton, Gesamtfraktion < 63 µm) anreichern. Zur Unterhaltung der planfestgestellten Wassertiefen werden entlang der Tideelbe sowohl Fein- als auch Grobsedimente gebaggert. Abbildung 1 gibt einen Überblick zur mittleren Korngrößenverteilung des im Fahrrinnenbereich anfallenden Baggergutes, der Hopperbaggermengen sowie der Einsatzstunden für Baggergeräte mit hydraulischen Verfahren (Wasserinjektionsbaggerung). Als räumliche Einheiten sind Baggerabschnitte zugrunde gelegt, in denen die Baggermengen zu statistischen Zwecken erfasst werden. Zur Aufrechterhaltung der Wassertiefen im Hamburger Hafen (Zuständigkeitsbereich der HPA) und im Fahrrinnenbereich der Tideelbe (WSV-Amtsbereiche Hamburg und Cuxhaven) sowie im Vorhafenbereich der Schleusen des Nord-Ostsee-Kanals (WSV-Amtsbereich Brunsbüttel) werden derzeit pro Jahr im Mittel 19-20 Mio. m³ nach Hopperbaggerung wieder im Gewässer umgelagert. Der Einsatz von Wasserinjektionsgeräten erfolgt zur Beseitigung von Einzeluntiefen (Sandriffel und -dünen) und im Zuständigkeitsbereich der HPA auch zur Nacharbeitung von Hopperbaggerungen. Baggerdaten und -parameter werden elektronisch in Datenbanksystemen erfasst und stehen damit als Informationsquelle über Sedimentmengen für gewässerkundliche Auswertungen zur Verfügung. Die Sedimente in den Baggerschwerpunkten werden regelmäßig beprobt, anschließend im Labor auf Korngrößenverteilung, Belastungen mit Schad- und Nährstoffen untersucht und die Ergebnisse in Sedimentdatenbanken abgelegt. Die Sedimentproben bilden die Datengrundlage für das Berichtswesen über unterhaltungsbedingte Auswirkungen. Entsprechende Untersuchungen gemäß GÜBAK (Anonymus 2009) und HABAB (BfG 2000) sind durch die BfG durchgeführt worden. Aktuelle Berichte sind u. a. auf dem Portal Tideelbe (http://www.portal-tideelbe.de/ → Strombau- und Sedimentmanagement Tideelbe) zum Download verfügbar. Abb. 1 (rechts): Mittlere Korngrößenzusammensetzung des bei Unterhaltungsbaggerungen in der Fahrrinne anfallenden Baggergutes (oben), Hopperbaggermengen (mittig) und Einsatzstunden für Baggergeräte mit hydraulischen Verfahren (Wasserinjektionsbaggerung) (unten).

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Schluffig-feinsandiges bzw. feinsandig-schluffiges Baggergut (nachfolgend bezeichnet als Feinsediment bzw. Feinmaterial) fällt schwerpunktmäßig in bestimmten Flussabschnitten an. Am weitesten stromauf wird Feinsediment im Hamburger Hafen (Hafenzufahrtsbereiche und -becken sowie Gleithanglagen der Stromelbe) gebaggert. Stromabwärts schließen die WSVBaggerabschnitte bei Wedel und Juelssand (BaggerAbschnitte BA1 und BA3) an, stromab gefolgt vom Vorhafenbereich der Schleusen zum Nord-Ostsee-Kanal (NOK). Der Abschnitt Osteriff (BA12), stromab des Trübungsmaximums im Bereich barokliner Prozesse, bildet den am weitesten stromab gelegenen Baggerschwerpunkt für Feinsedimente. Den Feinsedimentmengen vergleichbare (bzw. teilweise auch höhere) Sandmengen werden nur in den Baggerabschnitten des Mündungstrichters und der Außenelbe gebaggert. Ursache dieser Baggermengen ist größtenteils die Morphodynamik der Watten, aus der Eintreibungen in die Fahrrinne resultieren. In den Baggerabschnitten stromauf von Brunsbüttel („Schlauchbereich“ der Tideelbe) treten hingegen vorwiegend sandige Einzeluntiefen auf, die in den letzten Jahren anstatt per Hopperbaggerung verstärkt mit dem Wasserinjektionsverfahren gebaggert werden. Die Morphologie der Gewässersohle ist dort von sandigen Transportkörpern geprägt. Die Baggermengen im oberstromigen Bereich des Hamburger Hafens sind gering. Im daran anschließenden nicht seeschifffahrtstiefen Bereich bis zum Wehr Geesthacht ist die Gewässersohle weiterhin sandig (in Abb. 1 nicht dargestellt), dort sind keine wesentlichen Unterhaltungsbaggerungen erforderlich.

3 Wirkungspfade sandige Sedimente und Sohlstrukturen Morphologisch ist die Gewässersohle der Tideelbe, wie beschrieben, abschnittsweise durch Transportkörperstrecken geprägt. Für Grundlagenuntersuchungen zur Morphodynamik der Watten im Bereich der Außenelbe und der hierzu eingesetzten Instrumente und Werkzeuge sei auf das Berichtswesen der Bundesanstalt für Wasserbau verwiesen (siehe BAW 2013). Im Folgenden liegt der Fokus auf den Streckenabschnitten im Schlauchbereich des Ästuars stromauf von Brunsbüttel. Die hier im Bereich der vertieften Fahrrinne transportierten Mittelund Grobsande entstammen vor allem anstehenden holozänen Ablagerungen. Ein über weite Streckenabschnitte sandiges Transportregime hat sich im inneren Ästuar stromauf von Brunsbüttel erst nach Durchbrechen einer fast überall anstehenden, stark erosionstabilen Kleilage beim 10 m-Ausbau der Fahrrinne entwickelt (HPA & WSV 2010). Eine Übersicht zu den resultierenden Transportrichtungen in den Transportkörperstrecken der einzelnen Gewässerabschnitte (Fahrrinnenbereich) bzw. Baggerabschnitte gibt Abb. 2. Datengrundlage dieser Abbildung sind Betrachtungen auf Grundlage der 2- bis 4-wöchentlich zur Überwachung der Fahrwassertiefen durchgeführten Gewässervermessungen. 2013 wurde beim WSA Hamburg erstmals eine „Inventarisierung“ der Sohlstrukturen im Fahrwasserbereich durchgeführt (siehe ENTELMANN & QREFA-SANDER 2013). Produkt dieser Arbeit sind u. a. sogenannte „GIS-based baseline maps“ für die Baggerabschnitte in den WSV-Amtsbereichen (vgl. Beispiel in Abb. 3). Hierbei wird zwischen Großrippel-/Dünenstrukturen („dunes“, Höhe > 0,8 m), Rippelstrukturen („ripples“, Höhe 0,3-0,8 m) und „kleinen bis keinen Strukturen“ („weak structures“, Höhe < 0,3 m) unterschieden. Die Verwendung dieser Begrifflichkeiten bzw. der Klasseneinteilung erfolgte aufgrund eigener Festlegungen; in der Fachliteratur werden ggf. abweichende Begrifflichkeiten verwendet.

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Abb. 2:

Vorherrschende Transportrichtungen der an der Gewässersohle im Fahrrinnenbereich der Tideelbe bewegten gröberen Sedimente (Migration Dünenstrukturen; ENTELMANN & QREFA-SANDER 2013)

Einheitliche Datengrundlage des Projektes zur Sohltopographie ist vorerst das gemeinsam von den Oberbehörden BfG und BAW, WSV und HPA getragene „Digitale Geländemodell mit Gewässerbett – DGM-W 2010 Unter- und Außenelbe“. Aus Abb. 3 wird anhand eines Fahrrinnenabschnittes bei Wedel (BA1) deutlich, wie real vorliegende Verhältnisse vereinfacht bzw. aggregiert werden. Idee der „GIS-based baseline maps“ ist es, bedarfsweise eine fundiertere Beschreibung der Unterhaltungssituation bereitzustellen. Unter anderem besteht die Möglichkeit, das Kartenmaterial mit Baggerpolygonen für die weitere Analyse zu überlagern. Zusätzlich ist außerdem die Einbindung von Sedimentdaten über ein parallel im WSA Hamburg geführtes GIS-basiertes Sedimentkataster mit ca. 3700 Datensätzen möglich.

Abb. 3:

Beispiel „GIS-based basline map“ für einen Fahrrinnenabschnitt bei Wedel (Elbe-km 639 bis 643); rot: Dünenstrukturen, grün: Rippel-/Riffelstrukturen; grau: kleine bis keine Strukturen; ergänzend sind Beispielschnitte für einen grauen bzw. roten Bereich dargestellt, die im GIS für beliebige Profile betrachtet werden können.

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Abbildung 4 zeigt zusammenfassend die mittleren und maximalen Dünenhöhen im Längsverlauf der Tideelbe stromab von Hamburg bis zur Deutschen Bucht. Die maximalen Dünenhöhen sind im Bereich der Baggerabschnitte BA8 bis BA11 zu erkennen. Von See kommend verengt sich der Mündungstrichter der Tideelbe in diesem Abschnitt zunehmend. Die Strömungsgeschwindigkeiten sind hier höher als in den stromauf und stromab angrenzenden Fahrrinnenabschnitten und es liegt eine sehr grobes Sedimentinventar vor; weiter kann insbesondere bei niedrigem Oberwasser von bodennahen Dichteströmungen (Bereich der baroklinen Zirkulation) ausgegangen werden. Simulationsergebnisse (vgl. BAW 2012) zeigen u. a., dass die mittleren Ebbestromgeschwindigkeiten (unabhängig von den Oberwasserverhältnissen) etwa zwischen Elbe-km 690 und 678 (also vorrangig im Bereich der BA9 und 10) deutlich höher sind als weiter stromab.

Abb. 4:

Mittlere und maximale Dünenhöhen in den BA1 bis BA17 (Datengrundlage DGM-W 2010 Unter- und Außenelbe) sowie in dem zum BA1 angrenzenden Streckenbereich der HPA (Wedel/Wittenberge)

Für eine weitergehende Analyse der Transportkörperstrukturen kann bedarfsweise die Software „Rheno Bedform Tracking“ (kurz: RBT, siehe FRINGS 2011) eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um ein rechnergestütztes Werkzeug zur Auswertung von Linien- und Fächerecholotpeilungen. Damit können komplexe Transportkörperstrukturen und Geometrien automatisiert erkannt und (eine ausreichende Datengrundlage vorausgesetzt) sogar deren Wanderungsgeschwindigkeiten und damit der sohlnahe Sedimenttransport abgeschätzt werden. Mit Unterstützung dieser Software sind bislang in mehreren Transportkörperstrecken entlang des Elbeästuars die mittleren Geometrien und Wanderungsgeschwindigkeiten u. a. mit Blick auf deren Abhängigkeit vom Oberwasserzufluss untersucht worden (siehe GEHRES et al. 2013). Weitere Untersuchungen sind geplant.

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4 Wirkungspfade Feinsedimente Der Zustand des Feinsedimenthaushaltes der Tideelbe und die Intensität von Sedimentkreisläufen sind aus Unterhaltungssicht zentrale Fragestellungen, an denen systembezogene Untersuchungen anzuknüpfen sind. Ablagerungen schwebstoffbürtiger Sedimente machen umfangreiche Unterhaltungsbaggerungen, konzentriert auf bestimmte Schwerpunktbereiche, erforderlich. Der Zusammenhang zwischen Phasen lang anhaltend niedriger Oberwasserzuflüsse und verstärkten Sedimentationsraten in den Baggerschwerpunkten des Hamburger Hafens und im etwas weiter stromab gelegenen WSV-Baggerabschnitt Wedel (BA1) ist sowohl durch Naturmessungen (z. B. BfG 2012b) als auch durch Modellrechnungen belegt (siehe BAW 2012). Im Verlauf solcher Phasen kommt es zu einer Verlagerung der Trübungszone in Richtung Hamburg und gleichzeitig zu einer Verstärkung der Flutstromdominanz im Elbeabschnitt stromauf des Störbogens. Die Folgen sind eine kontinuierliche Anreicherung des Wasserkörpers mit Schwebstoffen und verstärkte Ablagerungen schwebstoffbürtiger Sedimente in den bekannten Baggerschwerpunkten (siehe Abb. 5). Die Wassertemperatur ist ein möglicherweise verstärkender Faktor.

Abb. 5:

Analyse der Sedimentationen im Bereich Hafeneinfahrt Köhfleet in Bezug auf Oberwasserabfluss und Wassertemperatur

Unterhaltungsbedingte Sedimentkreisläufe im Streckenabschnitt zwischen Schulau und Hamburg-St. Pauli tragen zu einer weiteren Verstärkung der Sedimentationsraten bei. Das Prozesswissen über baggerinduzierte Sedimentkreisläufe und deren Auswirkungen auf Morphologie und den Naturraum Tideelbe ist ein entscheidender Faktor, der für die Weiterentwicklung von Konzepten zur Baggergutumlagerung und Minimierung von Kreislaufeffekten berücksichtigt werden muss. Sedimentkreisläufe (alternativ bezeichnet als Kreislaufbaggerungen) bewirken einen Rücktransport von Anteilen des umgelagerten Baggergutes, welche sich dann erneut im Baggerschwerpunkt ablagern und die Sedimentationsraten weiter verstärkt. Verbringstellen für Baggergut sollten daher in möglichst stark ebbstromgeprägten

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Flussabschnitten der Tideelbe eingerichtet werden (vgl. nachfolgendes Kapitel Schlussfolgerungen). Potenzielle Verbringstellen und die Verdriftungswege der dorthin umgelagerten Baggergutmengen können mittels numerischer Modellrechnungen vorab untersucht werden (vgl. BAW 2012). Der Sedimenteintrag und die Sedimentation im Hamburger Hafen sowie in der Delegationstrecke sind neben dem stark oberwasserabhängigen Schwebstoffdargebot vor allem abhängig von der Anordnung der Häfen am Gewässer und ihrer Gestaltung (insbesondere der Hafeneinfahrtsbereiche). Die Strömungsverhältnisse (in der Stromelbe und im Hafenbereich) sind weitere Einflussfaktoren. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei der Wasseraustausch zwischen der Tideelbe und dem jeweiligen Hafenbecken, welcher von folgenden Effekten hervorgerufen wird (CHRISTIANSEN 2010): > > > >

Strömungseffekt Tideeffekt Dichte- und Gravitationseffekt Überlagerung der o. g. Wasseraustauscheffekte

Die Intensität der Sedimentation und die damit verbundenen Sedimentationsraten, definiert als Veränderung bzw. Zuwachs der Sohle über einen Zeitraum, ist hierbei auch von dem Absinkverhalten der Schwebstoffe (beeinflusst z. B. durch Flockenbildung, Sinkgeschwindigkeit, etc.) abhängig. Die bei der Gewässervermessung erhobenen Daten sind hier erneut Grundlage für die Bestimmung von Sedimentationsraten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randbedingungen. Abbildung 6 zeigt das Werkzeug Sedira, das bei der HPA als ein erweitertes Werkzeug des Geografischen Informationssystems GISMO (smile consult GmbH, für Beschreibung siehe SELLERHOFF 2004) eingesetzt wird. Die Entwicklung von Sedira dient neben der Erlangung eines allgemeinen Systemverständnisses und der damit verbundenen Kenntnis der Sedimentationsdynamik vor allem zur Beantwortung von Fragestellungen im Rahmen von Beratungen verschiedener Fachabteilungen im Hause der HPA, wie z. B. zur Wassertiefenunterhaltungs- und Baggergutdisposition unter verschiedenen hydrologischen und anthropogenen Randbedingungen. Sedira ermöglicht die konsequente Fortführung früherer Untersuchungen zu den Sedimentationsverhältnissen in Hamburger Hafenbecken, wie sie von CHRISTANSEN & HAAR (1996 und 1991) sowie von CHRISTIANSEN & KAMPS (1985) erarbeitet wurden. Diese Studien beinhalten die Entwicklung von Methoden zur Auswertung von analogen Peildaten für die Jahre 1977 bis 1995. Mit Sedira wurden diese Methoden und Analyseverfahren auf die heutigen flächenhaft vorliegenden digitalen Peildaten angepasst und verfeinert. Die in Sedira implementierten Methoden sowie die verbesserte und erhöhte Datengrundlage lassen heute weitergehende Analysen zu und können in Verknüpfung mit zusätzlichen Daten (z. B. Baggerfeldkoordinaten, Baggergutentnahmemengen, bauliche Veränderungen, hydrologische Randbedingungen oder auch hydronumerische Simulationsergebnisse) zu einer besseren Abschätzung der Sedimentationsraten führen. Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse unter Einbeziehung des vorhandenen wasserbaulichen Erfahrungswissens wird mittelfristig zu räumlich differenzierten Prognosen der Sedimentationsdynamik in der Tideelbe und den angrenzenden Hafenbecken führen. Damit werden verbesserte Konzepte für das Baggergut- und Sedimentmanagement ermöglicht.

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Abb. 6:

Übersicht von Analysemethoden des rechnergestützten Werkzeuges Sedira für den Bereich der Hafeneinfahrt Köhlfleet

Die Schwebstoffverhältnisse entlang der Tideelbe werden seit einigen Jahren durch ein Netz an Dauermessstationen kontinuierlich erfasst. Eine Beschreibung des Metznetzes kann z. B. STRÖMICH (2011) entnommen werden. Aktuell wird an einer Kalibrierung der in diesem Messnetz verwendeten Trübungssensoren gearbeitet. Ziel ist eine ausreichend gesicherte Umrechnung der durch die Sensorik kontinuierlich erfassten Messwerte für Trübung in einen korrespondierenden Schwebstoffgehalt. Für diesen Zweck werden zurzeit zahlreiche Schwebstoffproben an den verschiedenen Messstationen erfasst und in entsprechende Kalibrierfunktionen überführt (siehe REIHWALD 2012). Zugleich bestehen Planungen, das In-Situ-Dauermessnetz durch Einsatz fernerkundlicher Methoden zu ergänzen und damit räumlich umfassende Vorgänge auf der Skala von Flusseinzugsgebieten erstmals vollständig zu betrachten und vergleichend zu bewerten. Insbesondere Landsat 7 & 8, künftig Sentinel-2 sowie höher aufgelöste Sensoren (z. B. RapidEye) liefern räumlich aufgelöste Informationen zur Gewässertrübung, die mit der zunehmenden Anzahl an geeigneten Satellitensensoren ein immer verlässlicheres und zeitlich gut aufgelöstes Abtastraster bieten. Mit den Landsat-7-&-8-Satelliten werden aktuell vier Messungen pro Monat, mit Sentinel-2 ab 2014 bereits bis zu acht Messungen bundesweit pro Monat (je nach Bewölkung) operationell möglich sein, zuzüglich der Aufnahmen weiterer Missionen.

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5 Schlussfolgerungen für das Sedimentmanagement vor dem Hintergrund aktueller Entwicklungen Unter anderem sinkende Schadstoffgehalte führten in der Mitte der 90er-Jahre dazu, dass mit der Umlagerung des geringer belasteten Baggergutes im Bereich der Stromelbe als zusätzliche Option der Unterbringung begonnen wurde. Aktuell wird das gesamte bei der Wassertiefenunterhaltung anfallende Baggergut im Gewässer umgelagert; eine Ausnahme bildet hierbei die Unterhaltung der Hafenbecken. Dabei anfallende, immer noch erhöht mit Schadstoffen belastete (Alt-)Sedimente werden in der durch die HPA betriebenen Baggergutbehandlungsanlage METHA behandelt und anschließend landseitig untergebracht. Die Menge dieser Sedimente beträgt durchschnittlich pro Jahr etwa 1 Mio. m³. Seit Beginn der Umlagerung von Baggergut im Gewässer unterliegt die Unterhaltungsstrategie einer kontinuierlichen Fortschreibung, welche sich maßgeblich auch auf ein sich verbesserndes Systemverständnis stützt. Der starke Baggermengenanstieg in den Jahren 2004 und 2005 war Anlass für eine Reihe von Maßnahmen zur Verbesserung beim Baggergut- und Sedimentmanagement (siehe Abb. 7). Stark intensivierte Sedimentkreisläufe (infolge einer Reihe lang anhaltender Phasen niedrigen Oberwasserabflusses) und daraus resultierende Mehrfachbaggerungen derselben Sedimente im Hamburger Bereich sind als eine Hauptursache für diese Entwicklung identifiziert worden (siehe HPA & WSV 2008; BfG 2014).

BA Juelssand (WSV) BA Wedel (WSV) Bereich Hamburg (HPA) 2012

Starker Baggermengenanstieg Tonne E3 / Nordsee (HPA) Umstellung Sedimentmanagement WSÄ Hamburg & Cuxhaven Sedimentfang Wedel

Abb. 7:

Kornspezifische Baggermengenentwicklung seit 2002 und Maßnahmen im Rahmen einer Weiterentwicklung des Sedimentmanagements

Übergeordnetes Ziel der Gesamtheit dieser Maßnahmen im Nachgang zum Ereignis 2004/2005 war ein Durchbrechen bzw. eine Schwächung der Sedimentkreisläufe, die Vermeidung von Mehrfachbaggerungen und die Entlastung des Feinsedimenthaushaltes durch

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Umlagerung in stärker (in Bezug auf Sedimenttransport) ebbestromdominante Flussabschnitte. Als eine unmittelbare Reaktion hat die HPA im Zeitraum 2005 bis 2010 pro Jahr im Durchschnitt etwa 1 Mio. m³ (bzw. 0,5 Mio. t TS) auf die Stelle „Tonne E3“ in die Nordsee verbracht. Auch diese Maßnahme ist durch ein umfassendes Monitoring begleitet und begutachtet worden (http://www.hamburg-port-authority.de/ → Presse → Studien und Berichte). Hierbei handelte es sich um eine zeitlich befristete, durch eine Ausnahmeregelung des Landes Schleswig-Holstein ermöglichte Umlagerung von Baggergut aus dem Bereich Hamburg. Daher wird diese Maßnahme nicht als regulärer Bestandteil des gegenwärtigen Baggergutund Sedimentmanagements betrachtet. Für das Baggergut- und Sedimentmanagement mit den zuvor genannten Zielvorstellungen wurde erstmals auch eine gemeinsame Handlungsstrategie beschrieben ‒ siehe hierzu das Strombau- und Sedimentmanagementkonzept (SSMK) in HPA & WSV (2008). In Folge dieses Konzeptes sind die in den WSV-Amtsbereichen Hamburg und Cuxhaven anfallenden Feinsedimentmengen auf weiter seewärts gelegene, dafür aber stärker ebbstromdominante Verbringstellen, z. B. der Verbringstellenbereich bei St. Margarethen (etwa bei Elbe km 690) umgelagert worden. Mit Handlungsoptionen für die Umlagerung von Baggergut aus dem Baggerschwerpunkt vor Wedel und möglichen morphologischen sowie ökologischen Auswirkungen hat sich 2008 eine erste Systemstudie der BfG befasst (siehe BfG 2008). Seit 2008 wird im Baggerschwerpunkt Wedel ein Sedimentfang betrieben und während einer Pilotphase bis 2012 das Sedimenttransportgeschehen bzw. die Sedimentationsdynamik in diesem Bereich als Bestandteil eines umfassenden Überwachungsmonitorings erfasst und analysiert. Der Sedimentfang Wedel ist inzwischen fester Bestandteil der aktuellen Sedimentmanagementstrategie und wird gemeinsam von WSV und HPA unterhalten. Die Ergebnisse eines Überwachungsmonitorings sind in einer Berichtsreihe zum Sedimentfang dargelegt (BfG 2009, 2010, 2011, 2012a) bzw. werden im Abschlussbericht (BfG 2012b) nochmals zusammengefasst. Alle Berichte sind in das Portal Tideelbe (http://www.portal-tideelbe.de/ → Projekte → Strombau und Sedimentmanagement) eingestellt und dort verfügbar. In den vergangenen Jahren konnte ein stetiger Rückgang der Baggermengen im Bereich der oberen Tideelbe (Baggerschwerpunkte bei Wedel und Hamburger Hafen) beobachtet werden (vgl. Abb. 7). Diese Entwicklung ist zum Teil auf die ergriffenen Maßnahmen zurückzuführen, ist zugleich aber auch durch eine aus Managementperspektive positive Oberwassersituation unterstützt worden. Insbesondere der Zeitraum 2010/2011 war durch eine anhaltend hohe Abflusssituation beim Oberwasser geprägt und hat so zu einem Tiefstand bei den Baggermengen geführt. Ein im Frühjahr 2012 frühzeitig zurückgehender Oberwasserabfluss, gefolgt von langen Phasen konstant unterdurchschnittlich niedriger Abflüsse im Sommer und Herbst 2012 haben erneut im Bereich der oberen Tideelbe zu überdurchschnittlich hohen Sedimentationsraten geführt, so dass erstmals seit 2005 die Baggermengen wieder angestiegen sind. Das ist als Hinweis darauf zu werten, dass weiterer Handlungsbedarf vor allem bei der Optimierung der Verbringungswege für das in der oberen Tideelbe (Bereiche Hamburg und Wedel) anfallende feinkörnige Baggergut besteht. In der Systemstudie II (BfG 2014a), die im Gegensatz zur Systemstudie I (BfG 2008) das gesamte in der Tideelbe bei Unterhaltungsbaggerungen anfallende Feinsediment betrachtet, wird sich dieses Themas angenommen. Die Studie kommt aus systemischen Betrachtungen zum Ergebnis, dass das aus morphologischer Sicht zu verfolgende Ziel eines ausgeglichenen

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Feinsedimenthaushaltes derzeit nicht erreicht wird. Durch Umlagerung von Baggergut soll daher ein gezielter Austrag von Feinsedimenten aus der Tideelbe fortwährend sichergestellt werden, um den Feinsedimenthaushalt zu stabilisieren und in einen ausgeglichenen Zustand zu überführen. Eine zu starke „Aufladung“ des Wasserkörpers mit Schwebstoffen soll damit in Zukunft vermieden werden. Im Vergleich zu der aktuellen Strategie wird es daher als erforderlich erachtet, einen zusätzlichen Austrag pro Jahr von etwa 1 Mio. m³ Feinmaterial aus dem Ästuar zu bewirken. Um dieses Ziel aus morphologischer Sicht zu erreichen, wird die Empfehlung gegeben, Verbringstellen für die Umlagerung von Baggergut nicht mehr fix festzulegen, sondern abhängig vom Oberwasserabfluss zu bestimmen (flexibles Management). Bei der genannten Menge für den zusätzlichen Austrag handelt es sich um eine erste Schätzung unter Einbeziehung der Erfahrungen aus der zeitlich befristeten Umlagerung von Baggergut aus dem Bereich Hamburg in die Nordsee (Stelle Tonne E3). Die Bilanzierung des Sedimenthaushaltes der Tideelbe und der durch Strömung transportierten Gesamtfrachten ist jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet. Die in BfG (2014a) gegebene Empfehlung ist eng an ein Monitoringprogramm geknüpft. Dieses soll helfen, bestehende Wissenslücken zu schließen und durch Messergebnisse, z. B. Abschätzungen der erforderlichen Austragsmengen, genauer zu präzisieren. Das wird ggf. zu einer fortgesetzten Anpassung der Strategie führen (adaptives Management). Zentrale Fragestellungen im Zusammenhang mit diesem Monitoring sind: 1. Welche Baggermengen differenziert nach den Korngrößenfraktionen werden auf die verschiedenen Stellen untergebracht? 2. Welche Austragsmengen an Feinsediment sind abhängig von der Unterbringungsstelle und den dort untergebrachten Baggermengen bislang tatsächlich erreicht worden? 3. Welche Auswirkungen auf die umgebende Morphodynamik bei Unterbringung von Baggergut auf Stellen mit WSV-Zuständigkeit (Auswirkungsprognose gemäß den Handlungsrichtlinien für den Umgang mit Baggergut – Anonymus 2009 oder BfG 2000, abhängig von Lage der Verbringstelle) bzw. auf die Stelle bei Neßsand (Zuständigkeit HPA) werden erwartet? 4. Wie entwickelt sich der Feinsedimenthaushalt (Mengenbilanz)? Die Systemstudie II (BfG 2014a) beschreibt einen möglichen Rahmen für ein zukünftiges Feinsedimentmanagement abgeleitet aus einem verbesserten morphologischen Verständnis wichtiger Wirkungspfade und mit Unterstützung der hier beschriebenen Werkzeuge und Instrumente. Gleiches gilt für die Bewirtschaftung der sandigen Unterhaltungsbaggermengen. Für sandige Sedimente werden derzeit die Grundlagen für ein eigenständiges Konzept erarbeitet. Für den durch die Morphodynamik der Watten geprägten Bereich der Außenelbe ist dies in BAW (2013) erfolgt. Grundlagen für einen zukünftigen Umgang mit den sandigen Baggermengen, die bei Unterhaltungsbaggerungen im Schlauchbereich der Tideelbe stromauf von Brunsbüttel anfallen, werden in BfG (2014b, in Bearbeitung) erläutert. Wichtigstes Ziel ist eine Stützung des Sandhaushaltes und der Erhalt von Transportkörperstrukturen stromab von Hamburg als ein wichtiger Beitrag zur Dämpfung der mit dem Flutstrom einströmenden Tideenergie. Sandiges Baggergut sollte – auch aus Kostengründen ‒ möglichst ortsnah innerhalb zusammenhängender Transportkörperstrecken verbleiben. Eine weiträumige Umlage-

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rung, wie für Feinsedimente praktiziert, ist aus morphologischer Sicht nicht zielführend und teurer als eine ortsnahe Umlagerung. Auch aus diesem Grund sollten Wasserinjektionsbaggerungen zur Beseitigung sandiger Mindertiefen auch in Zukunft weiter verstärkt eingesetzt werden.

Literatur Anonymus (2009): Gemeinsame Übergangsbestimmungen zum Umgang mit Baggergutgut in den Küstengewässern (GÜBAK) zwischen der Bundesrepublik Deutschland und den fünf Küstenländern, August 2009 BAW (2012): Model validation and system studies for hydrodynamics, salt and sediment transport in the Elbe Estuary - Basic information for the River engineering and sediment management concept. A39550310069, Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg BAW (2013): Handlungsoptionen zur Optimierung der Unterhaltungsstrategie im Mündungstrichter der Tideelbe. A39550310069, Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg BfG (2000): Handlungsanweisung für den Umgang mit Baggergut im Binnenland (HABABWSV). 2. überarbeitete Fassung. BfG-1251, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2008): WSV Sedimentmanagement Tideelbe, Strategien und Potenziale – eine Systemstudie, ökologische Auswirkungen der Umlagerung von Wedeler Baggergut, BfG1584, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2009): Monitoring der morphologischen, ökologischen und naturschutzfachlichen Auswirkungen eines Sedimentfangs vor Wedel an der Tideelbe. Bericht 2008, BfG1655, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2010): Monitoring der morphologischen, ökologischen und naturschutzfachlichen Auswirkungen eines Sedimentfangs vor Wedel an der Tideelbe. Zwischenbericht 2009, BfG-1692, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2011): Monitoring der morphologischen, ökologischen und naturschutzfachlichen Auswirkungen eines Sedimentfangs vor Wedel an der Tideelbe. Bericht 2009/2010, BfG-1716, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2012a): Monitoring der morphologischen, ökologischen und naturschutzfachlichen Auswirkungen eines Sedimentfangs vor Wedel an der Tideelbe. Zwischenbericht 2010/2011, BfG-1737, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2012b): Monitoring der morphologischen, ökologischen und naturschutzfachlichen Auswirkungen eines Sedimentfangs vor Wedel an der Tideelbe. Abschlussbericht, BfG-1757, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2014a): Sedimentmanagement Tideelbe – Strategien und Potenziale – Systemstudie II. Ökologische Auswirkungen der Unterbringung von Feinmaterial. Band 1(2), BfG1763, Endbericht, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG (2014b – in Vorbereitung): Sedimentmanagement Tideelbe – Ökologische Auswirkungen der Unterbringung von sandigem Material CHRISTIANSEN, H. (2010): Sedimentation in Hamburger Hafenbecken – Ursachen und Maßnahmen der Verhinderung, erschienen in die „Die Küste“, Archiv für Forschung und Technik an der Nord- und Ostsee, Heft 77

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CHRISTIANSEN, H. & KAMPS, A. (1985): Sedimentationsverhältnisse in Hamburger Hafenbecken, Auswertungen der Peilungen von 1977 bis 1984, Gewässerkundliche Studie Nr. 3, Referat Gewässerkunde, Strom- und Hafenbau, Behörde für Wirtschaft und Arbeit, Hamburg CHRISTIANSEN, H. & HAAR, S. (1991): Sedimentationsverhältnisse in Hamburger Hafenbecken, Auswertungen der Peilungen von 1977 bis 1990, Gewässerkundliche Studie Nr. 12, Referat Gewässerkunde, Strom- und Hafenbau, Behörde für Wirtschaft und Arbeit, Hamburg CHRISTIANSEN, H. & HAAR, S. (1996): Sedimentationsverhältnisse in Hamburger Hafenbecken, Auswertungen der Peilungen von 1977 bis 1995, Gewässerkundliche Studie Nr. 15, Referat Gewässerkunde, Strom- und Hafenbau, Behörde für Wirtschaft und Arbeit, Hamburg ENTELMANN I. & QREFA-SANDER, M. (2013): Gewässerkundlicher Bericht „Morphologische Strukturen im Fahrrinnenbereich der Tideelbe – Ein Beitrag zum Reviersteckbrief Tideelbe. WSA Hamburg, Az. 2.231.2 El/107. FRINGS, R. M. (2011): Proposal for the revision of the dunetracking software DT2D. Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management, RWTH Aachen University GEHRES, N., WINTERSCHEID, A., FRINGS, R. M. & VOLLMER, S. (2013): Bed form dynamics in relation to headwater discharge and human influences in the tidal Elbe river, Germany. Proceedings of Marine and River Dune Dynamics – MARID IV – 15 & 16 April 2013, Bruges, Belgium HPA – Hamburg Port Authority & WSV – Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (2008): Strombau- und Sedimentmanagementkonzept für die Tideelbe HPA – Hamburg Port Authority & WSV – Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (2010): Integrierter Bewirtschaftungsplan Elbeästuar – Fachbeitrag Wasserstraßen und Häfen REIHWALD, F. (2012): Auswertungen von Trübungs- und Schwebstoffgehaltsmessungen der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung in der Tideelbe. Bachelorarbeit im Studiengang Wasserwirtschaft, Hochschule Magdeburg Stendal SELLERHOFF, F. (2004): Entwicklung und Implementierung von Methoden zur Aufbereitung konsistenter digitaler Bathymetrien, KFKI-Projekt Nr. 79, Abschlussbericht, Hannover, http://www.smileconsult.de STRÖMICH (2011): Messprogramme zur Erfassung des Schwebstoffgehaltes in der Tideelbe – eine aktuelle Übersicht, Bachelor-Arbeit im Major Ingenieurwissenschaften BauWasser-Boden, Wasser-und Bodenmanagement, Leuphana Universität, Lüneburg

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1996-2002 Studium des Bauingenieurwesens an der TU Darmstadt 2002-2008 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Darmstadt Dissertationsschrift: „Szenariotechnik im Hochwasserrisikomanagement“

Kontakt: Dr.-Ing. Axel Winterscheid Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/ 1306 5190 Fax: 0261/ 1306 5280 E-Mail: [email protected]

seit 2009 Bundesanstalt für Gewässerkunde Abteilung M - Quantitative Gewässerkunde Referat M3 - Grundwasser, Geologie und Gewässermorphologie

1991-1998 Studium des Bauingenieurwesens an der Universität Hannover 1998-2005 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Universität Hannover

Kontakt: Dipl.-Ing. Nino Ohle Hamburg Port Authority Neuer Wandrahm 4 20457 Hamburg Tel.: 040/ 42847 2409 Fax: 040/ 42847 2881 E-Mail: [email protected]

seit 2005 Technischer Angestellter bei der Hamburg Port Authority seit 2007 Leiter der Hydrologischen Beratung bei der Hamburg Port Authority

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1990-1992 Ausbildung zum Wasserbauer im Außenbezirk Wedel des WSA Hamburg 1992-1998 Studium des Bauingenieurwesens und der Umwelttechnik an der Technischen Universität HamburgHarburg

Kontakt: Dr.-Ing. Ingo Entelmann Wasser- und Schifffahrtsamt Hamburg Moorweidenstraße 14 20148 Hamburg Tel.: 040/ 44110 220 Fax: 040/ 44110 365 E-Mail: [email protected]

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1999-2004 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Wasserressourcen und Wasserversorgung an der Technischen Universität Hamburg-Harburg Dissertationsschrift: „Stoffbilanzmodelle in der flusseinzugsgebietsbezogenen Gewässerbewirtschaftung“ 2005 Kurzzeitige Tätigkeit als Projektmanager bei der aquabench GmbH, Hamburg/Köln seit 2005 Technischer Angestellter WSA Hamburg; seit 2008 Leiter der Gewässerkunde des Amtes

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Modellierung und Messungen schraubenstrahlinduzierten Sedimenttransports: Hamburg und Singapur

Elimar Precht, Nino Ohle, Thomas Strotmann und Oliver Stoschek

1 Einleitung Ästuare wie Elbe, Weser oder Ems sind hochkomplexe Lebensräume und werden wesentlich durch den Gezeitenwechsel und eine hohe Sedimentdynamik geprägt, deren Management die zuständigen Stellen vor große Herausforderungen stellt. Schwebstoffe und Sedimente inklusive ihrer abiotischen und biotischen Komponenten sind in diverse Prozesse im benthischen und pelagischen Bereich eingebunden. So kommt es in Bereichen mit geringerer Fließgeschwindigkeit zu verstärkter Sedimentation von Schwebstoffen und Sauerstoffzehrungsprozessen, die wiederum Organismen des Ökosystems beeinträchtigen können. Sedimentgebundene Nähr- und Schadstoffe werden durch Resuspension ins Pelagial freigesetzt und können so die Wasserqualität und den Lebensraum von biologischen Lebensgemeinschaften beeinflussen. Voraussetzung für ein ausgewogenes Sedimentmanagement ist – neben vielen anderen – auch die Kenntnis der durch den Schiffsverkehr produzierten Sedimentfracht sowie deren Wechselwirkungen mit der Hydrogeomorphologie und Ökologie. Die durch den Schiffsverkehr in einer Wasserstraße hervorgerufenen Einwirkungen auf die Gewässersohle und Ufer resultieren entweder direkt aus dem Propellerstrahl oder aber indirekt aus den Verdrängungsströmungen und den schiffserzeugten Wellen. Ausführliche Zusammenstellungen zu Letzterem finden sich u. a. in ULICZKA & KONDZIELLA (2006). Empirisch-analytische Ansätze sind u. a. für die Ermittlung der erosiven Wirkung der Schiffsantriebe entwickelt worden (z. B. LAM et al. 2011). Sie erfordern jedoch weitere Absicherung durch Naturmessungen und/oder physikalische beziehungsweise numerische Modellversuche. In der hier vorgestellten Studie werden erste Ergebnisse von Untersuchungen dargestellt, die zum Ziel hatten, mit Hilfe einer Literaturstudie, der Auswertung empirischer Ansätze, physikalischen Modellversuchen sowie numerischer Modellierung schiffsschraubenstrahlinduzierten Sedimenttransport in Abhängigkeit seiner Einflussgrößen zu quantifizieren. Hierbei sind sowohl CFD-Modelle (OpenFOAM 2013) sowie großskalige Modelle (MIKEbyDHI (DHI 2013)) zum Einsatz gekommen. Im Folgenden wird die Schiffsschraube durchgehend als Propeller bezeichnet. Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden gefördert durch: Hamburg Port Authority (HPA), Maritime Port Authority (MPA).

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2 Empirische Beschreibungen des Propellerstrahls Der Propellerstrahl eines Schiffes ist aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen und Prozesse (z. B. Kavitation, Turbulenz) ein sehr komplexes Phänomen (siehe auch Abb. 1 im Labormaßstab). Eine empirische Betrachtung stellt daher immer einen vereinfachter Ansatz dar, gleichwohl können auf Basis der Axialmomenttheorie von ALBERTSON et al. (1950) wertvolle Abschätzungen der Wichtigkeit der Einflussgrößen gewonnen werden. Existierende empirische Beschreibungen wurden verwandt, um in einer Sensitivitätsanalyse die Bedeutung der Einflussgrößen auf die Geschwindigkeiten des Propellerstrahls in Sohlhöhe zu quantifizieren. Untersucht wurden: Kielfreiheit, Propellerdurchmesser, Propellerumdrehungen, Schiffsgeschwindigkeit sowie der Ruderwinkel. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass die Veränderung der Schiffsgeschwindigkeit den größten Einfluss auf die Sohlgeschwindigkeiten hat, wobei der Beschleunigungsfall (hohe Propellerumdrehungen bei niedriger Geschwindigkeit) den größten Einfluss darstellt. Ein Ruder hat ebenfalls sehr große Auswirkungen, vor allem bei negativen Winkeln (steuerbord) bei rechtsdrehenden Propellern.

Abb. 1:

Strömungsquerschnitt im Propellerstrahl gemessen im Labor mit Hilfe von Particle Image Velocimetry (PIV). Parameter. Propellerdurchmesser 7,5 cm, Nabendurchmesser 1,6 cm, Umdrehungen 500 min-1. Versuch in den Laboren der Nanyang Technological University, Singapore.

3 CFD-Modellierung CFD-Simulationen wurden mit dem Programm OpenFOAM durchgeführt. In den CFD-Simulationen wurden zwei unterschiedliche Berechnungsansätze zur Beschreibung der Propeller und des von ihnen induzierten Strahles genutzt. Als Referenzszenario wurden Berechnungen mit dem Sliding Mesh Verfahren durchgeführt (s. auch Abb. 2). In dem Sliding Mesh Model (GGI) ist der zu berechnende Bereich in zwei seperate Gebiete unterteilt: in eines mit dem Rotornetz, welches dem Propeller folgt, und in eines mit einem Statornetz, welches den restlichen Modellbereich abbildet (Abb. 2). Als Referenzpropeller diente der gut beschriebene Wageningen B Propeller mit 5 Blättern.

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Da direkte Messungen im Propellerstrahl nicht vorlagen, wurden zur Validierung Drehmoment und Schub verglichen.

Abb. 2:

Sliding Mesh Modell des Wageningen B Propellers. Durchmesser 8 m.

Zur Berechnung der Szenarien zur Bedeutung der Einflussgrößen wurde das Multiple Reference Modell genutzt, welches den besten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand darstellte. Der Multiple Reference Ansatz (MRF) ist eine stationäre Formulierung, bei der der Rotor und der Stator im Bezug zueinander fixiert wurden und andere Bereiche im stationären und rotierenden Bereich zur Strahlerzeugung verwendet werden (Reference Frames, Impulsgleichung mit Coriolis- und Fliehkräften in Bezug zu einem sich selbst drehenden Bezugssystem). Abbildung 3 zeigt den Vergleich mit dem validierten Sliding Mesh Modell.

Abb. 3:

Variation (longitudinale Geschwindigkeit geteilt durch die Propellergeschwindigkeit versus der radialen Distanz des Propellerstrahles geteilt durch den Propellerdurchmesser) der Geschwindigkeit hinter einem Propeller auf der Basis eines Sliding Mesh Modells (GGI) und eines MRF-Modells. Ergebnisse in einer Entfernung von 2, 4 und 6 Propellerdurchmessern hinter dem Propeller.

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Mit diesem Modell wurden die weiteren Simulationen unter Verwendung der Geometrie des Rumpfes und des Propellers der „Susanne Maersk“ durchgeführt. Die Geometrie wurde freundlicherweise von Maersk A/S zur Verfügung gestellt. Die „Susanne Maersk“ ist ein Containerschiff mit 347 m Länge, 42 m Breite, und 13,7 m Tiefgang sowie einer Kapazität von 6.600 TEU. Ihr Propeller ist 6-blättrig und hat einen Durchmesser von 9 m. Damit stellt die „Susanne Maersk“ einen weltweit gängigen Schiffstyp dar. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Untersuchungsmatrix. Alle Berechnungen wurden mit einer nicht erodierbaren Sohle mit einer Rauhigkeit von 1 mm durchgeführt. Tabelle 1 Untersuchungsmatrix der CFD-Szenariorechnungen Parameter

Abkürzung

Einheit

Kielfreiheit

UKC

m

Propellerumdrehungen

RPM

Umdr/min

30

60

90

Schiffsgeschwindigkeit

V

kn

0

6

12

Rudderwinkel

θ

°

-20

0

20

Schiffsrumpf

-

-

Propellerdurchmesser

D

m

9

Propellertyp

-

-

Maersk S-Class

Abb. 4:

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Größen 1

3

5

ja

∞

nein

Dreidimensionale Darstellung des Strömungsbildes im Propellerstrahl aus den CFDSimulationen. Geschwindigkeit in m/s, Schubspannung in hPa.

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Abb. 5:

Vergleichende Ergebnisse aus den CFD-Simulationen, hier: Auswirkung der Kielfreiheit. Oben: 1 m UKC, Mitte: 3 m UKC, unten: 5 m UKC. Weitere Randbedingungen: 60 rpm, 6 kn Schiffsgeschwindigkeit, Ruderwinkel θ 0°. Schubspannung in hPa.

Die CFD-Modellierung bestätigt die Ergebnisse aus Laborversuchen und empirischen Ansätzen und zeigt, dass die propellerstrahlinduzierte Resuspension mit größerem Propellerdurchmesser Dp und Umdrehungszahl sowie geringerer Kielfreiheit und Schiffsgeschwindigkeit zunimmt. Weiterhin hat sich auch hier gezeigt, dass der Ruderwinkel einen erheblichen Einfluss hat. Insbesondere bei dem rechtsdrehenden Propeller und bei Steuerbordmanövern wird die Sohle stärker belastet.

4 Feldmessungen Messungen des propellerinduzierten Sedimenttransports achteraus von außergewöhnlich großen Fahrzeugen (AGF) sind aufgrund von Sicherheitsbestimmungen und -erwägungen eine Herausforderung. Es wurden jedoch in Singapur sowie im Hamburger Hafen eine Vielzahl von ADCP-Profilen vermessen, bei denen die Sedimentkonzentrationen im Fahrwasser gemessen wurden. Abbildung 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung von ADCP-Schwebstoffkonzentrationsmessungen hinter einem Containerschiff am Tanjong Pagar Terminal in Singapur. Deutlich sind erhöhte Schwebstoffkonzentrationen zu erkennen. Abbildung 7 zeigt Ergebnisse von Messungen aus dem Hamburger Hafen, die von der HPA durchgeführt wurden. Die Schwebstoffkonzentration in dem gezeigten Fall überschritt 500 mg/l, in anderen Fällen wurden Schwebstoffkonzentrationen von über 1000 mg/l gemessen.

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Abb. 6:

Schwebstoffkonzentrationen hinter einem Containerschiff in Singapur, Tanjong Pagar Terminal.

Abb. 7:

Schwebstoffkonzentrationen hinter einem Containerschiff in Hamburg. Links Schwebstoffkonzentrationen, Mitte: Profillage, rechts: Ablegemanöver.

5 Großmaßstäbliche Modellierung Während in CFD-Simulationen nur Ausschnitte einzelner Schiffspassagen modelliert werden können, erfordert eine großmaßstäbliche Betrachtung der Auswirkungen des Schiffsverkehrs in seiner Gesamtheit andere Modellansätze. Hierzu wurde ein dreidimensionales MIKE 3 Modell für die Tideelbe aufgebaut und mehrere Szenariofahrten zwischen Cuxhaven und Hamburg bei unterschiedlichen Tidezeitpunkten sowie Manöverfahrten in Hamburg berechnet. Hierbei wurde das Sedimenttransportmodul MT und das Dredging Modul verwandt. Das Dredging Modul erlaubt die Erosion und Freisetzung einer Sedimentfracht über längere Strecken. Die Sedimentmengen wurden mit Hilfe der o. g. Messungen und eines vorgeschalteten Szenario Moduls berechnet. Das Modul berücksichtigt den Propellerdurchmesser Dp und die Umdrehungszahl sowie die Kielfreiheit und Schiffsgeschwindigkeit. Die Werte für die Manöverfahrten wurden direkt aus den Messungen übernommen. Die Szenarien umfassen verschiedene Liegeplätze, aufkommende sowie abgehende Schiffe, unterschiedliche Tideverhältnisse und variable freigesetzte Schwebstoffkonzentrationen. Durch die Summierung werden die Auswirkungen des Schiffsverkehrs in der Tideelbe erstmalig abgeschätzt, wobei nur die propellerinduzierten Sedimenttransporte betrachtet werden. Abbildung 8 zeigt die Berechnung der Sedimentumlagerung bei einem Ablegemanöver am Containerterminal Altenwerder. Hierbei wurde nur die Fahrt in der Süderelbe bis in den Köhlbrand simuliert. Die gemessenen Konzentrationen während des Ablege-

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manövers betrugen bis zu 1500 mg/l. Dies wurde im Modell berücksichtigt, bis sich das Schiff in Fahrt setzt. Dann reduziert sich der Schwebstoffgehalt der Elbe unmittelbar hinter dem Schiff auf rund 15 mg/l. Hierbei zeigt sich direkt an der Kaje und im Bereich der Manöverfahrt zunächst eine deutliche Erosion. Nach dem Umlagern der Sedimente bleibt ein Bereich mit erhöhter Sedimentation zurück. Diese finalen Umlagerungen zeigen sich auch auf einigen Fächerecholotpeilungen der HPA, ohne dass sie einem bestimmten Schiff oder Manöver zugeordnet werden konnten.

Abb. 8:

Berechnete Sedimentumlagerung bei einem Ablegemanöver an der Containerkaje in Altenwerder (Track 4, 1500 mg/l abnehmend mit Fahrt auf 15 mg/l).

6 Zusammenfassung und Ausblick In der hier vorgestellten Studie wurden Naturmessungen, Labormessungen und unterschiedliche Methoden zur Modellierung von Strömungen und Sedimenttransport verwendet, um den schiffsinduzierten Sedimenttransport im Hafen in Singapur und Hamburg sowie auch in der Elbe zu untersuchen. Hier konnte zunächst nur ein Überblick über die unterschiedlichen Ansätze und Ergebnisse gegeben werden. Zusammenfassend zeigt sich der größte Einfluss bei der Manöverfahrt in den jeweiligen Häfen. Aber auch die Revierfahrt kann eine der Ursachen für die Verschlickung von Seitenbereichen darstellen. Im Umfeld von Bereichen mit geringer Kielfreiheit kann es im Laufe eines Jahres zu merklichen schiffsinduzierten Sedimentumlagerungen kommen.

Literatur ALBERTSON M. L., DAI Y. B., JENSEN R. A., ROUSE H. (1950): Diffusion of a submerged jets. Transcript of the ASCE (Paper No. 2409), (115), 639-697. DHI (2013): MIKE 3 Estuarine and Coastal Hydraulics and Oceanography. Scientific Documentation, Hørsholm, Dänemark.

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LAM W., HAMIL G. A., SONG Y. C., ROBINSON D. J., RAGHUNATHAN S. (2011): A review of the equations used to predict the velocity distribution within a ship’s propeller jet. Ocean Engineering, Elsevier, (38), 1-10. OpenFOAM (2013): The Open Source CFD Toolbox. User Guide, version 2.2.2, www.openfoam.org. ULICZKA, K., KONDZIELLA, B. (2006): Dynamic response of very large containerships in extremly shallow water, Proceedings of the 31st PIANC Congress, Estoril, Spanien.

1992-1998 Studium Geologie an der CAU Kiel und der Rijksuniversiteit Gent 1999-2004 Promotion und Post-Doc am Max-Planck-Institut in Bremen 2004-2008 DHI Wasser & Umwelt GmbH, Projektmitarbeiter, v. a. im Bereich Offshore Wind 2008-2010 DHI-WASY GmbH, Niederlassungsleiter Kontakt: Dr. Elimar Precht DHI-WASY GmbH Niederlassung Syke Max Planck-Straße 6 28857 Syke Tel.: 04242/ 1638 15 Fax: 04242/ 1638 18 E-Mail: [email protected]

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2010-2013 DHI Singapore, Leitung Forschungsgruppe Ökologie, Auswirkungen der Schifffahrt auf die Umwelt seit 2013 DHI-WASY GmbH

In der Reihe BfG-Veranstaltungen sind bisher u. a. erschienen: 1/2008

Neue Wege der Schadstoffbekämpfung

2/2008

Ultraschall in der Hydrometrie: neue Technik – neuer Nutzen?

3/2008

Effektive und qualitätsgesicherte Abwicklung von Sediment-/Baggergutuntersuchungen in der WSV

4/2008

Saisonale Vorhersagesysteme in Meteorologie und Hydrologie

5/2008

Umweltaspekte des Einsatzes von industriell hergestellten Wasserbausteinen in Bundeswasserstraßen

6/2008

Wasserbewirtschaftung und Niedrigwasser

1/2009

Wasserstandsinformationsdienste der BfG für die Bundeswasserstraßen

2/2009

Sediment Contact Tests. Reference conditions, control sediments, toxicity thresholds

3/2009

Sedimentologische Prozesse – Analyse, Beschreibung, Modellierung

4/2009

Ingenieurvermessung im Bauwesen der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung

5/2009

Verfahren der ökotoxikologischen (Risiko-) Bewertung in der Umweltsicherung

6/2009

Softwarelösungen für ein integriertes Hochwassermanagement

7/2009

Aspekte des Schadstoffmonitorings an Schwebstoffen und Sedimenten in der aquatischen Umwelt

1/2010

Flusssysteme in Raum und Zeit

2/2010

Berücksichtigung verkehrs- und bautechnischer Emissionen und Immissionen in Umweltverträglichkeitsprüfungen

3/2010

Pathogene Vibrionen in der marinen Umwelt

4/2010

Riskobewertung stofflicher Belastungen

5/2010

Screeningverfahren zur Erfassung endokriner Wirkungen in der aquatischen Umwelt

1/2011

Erfassung und Bewertung des hydromorphologischen Zustands in Wasserstraßen

2/2011

Umweltauswirkungen von Wasserinjektionsbaggerungen

3/2011

Zeitgemäße Erfassung und Bereitstellung von Geobasisdaten für die WSV

4/2011

EurAqua Symposium Impact of climate change on water resources – 200 years hydrology in Europe – a European perspective in a changing world

5/2011

Schadstoffdynamik in Flussgebieten – Ursachen, Wirkungen und Konsequenzen stofflicher Veränderungen in Raum und Zeit

1/2012

Partikuläre Stoffströme in Flusseinzugsgebieten

2/2012

Überregionale Wasserbewirtschaftung – Entwicklung und Einsatz eines Informationssystems und verschiedener Modelle

3/2012

Dynamik des Sedimenthaushaltes von Wasserstraßen

4/2012

Pathogenic Vibrio spp. in Northern European Waters

5/2012

Baumaterialien und Oberflächengewässer

6/2012

Hydro-ökologische Modellierungen und ihre Anwendungen

7/2012

Monitoring, Funktionskontrollen und Qualitätssicherung an Fischaufstiegsanlagen. 2. Kolloquium zur Herstellung der ökologischen Durchgängigkeit der Bundeswasserstraßen

1/2013

Wissen was war … – Rückblick auf hydrologische Extreme

2/2013

Die Bundeswasserstraßen im Blickfeld ökologischer Zielsetzungen gemäß WRRL – Erreichtes und Erreichbares

3/2013

Geomorphologische Prozesse unserer Flussgebiete

4/2013

FLYS goes WEB: Eröffnung eines neuen hydrologischen Fachdienstes in der BfG

5/2013

Neue Entwicklungen in der Gewässervermessung

6/2013

Die Zukunft des Wasserhaushaltes im Elbeeinzugsgebiet / Budoucnost vod-ního režimu v povodí Labe

7/2013

Bioakkumulation in aquatischen Systemen: Methoden, Monitoring, Bewertung

8/2013

Geodätische Arbeiten für Bundeswasserstraßen

1/2014

Artenschutz in der Praxis – Erfahrungen mit Ersatzquartieren und der Umsiedlung von streng geschützten Arten