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Geschiebezugabe am Rhein unterhalb Iffezheim Gabriele Boettcher

Im folgenden Beitrag werden neben der Beschreibung der Geschiebezugabe unterhalb Iffezheim vor allem die vertraglichen Bedingungen, die die Grundlage für die Durchführung der Geschiebezugabe unterhalb Iffezheim bilden, erläutert. Es wird beschrieben, inwiefern die Einhaltung der Randbedingungen im Jahre 1998 Probleme bereitet haben und welche Maßnahmen daraufhin ergriffen wurden. Der Erfolg der zusätzlichen Maßnahmen wird beurteilt und in einem Ausblick eine Tendenz und die derzeit daran koppelbare Aussage für die Zukunft gegeben.

Veranlassung und vertragliche Grundlagen Mit dem Versailler Vertrag von 1919 wurde dem französischen Staat der Ausbau des Rheins zwischen Basel und Straßburg zur Stromerzeugung zugesprochen. Beim Bau der einzelnen Staustufen wurde das zu erwartende Phänomen beobachtet, dass oberhalb einer Staustufe aufgrund der großen Abflussquerschnitte und der dadurch bedingten geringen Fließgeschwindigkeiten die Erosionstendenz gering ist und der Geschiebetrieb sich als unbedeutend erweist. Beim Übergang unterhalb einer Staustufe in ein freifließendes Gewässer setzt der Geschiebetrieb ein und die Sohle erodiert bei befestigten Ufern aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeiten. Da mit der Inbetriebnahme der Staustufe bei Straßburg, der letzten Staustufe, deren Bau auf Grundlage des Versailler Vertrag vereinbart war, unterhalb wiederum die Erosion der Sohle einsetzen würde, schlossen die Bundesrepublik Deutschland und der Französische Staat am 4. Juli 1969 den Vertrag zum Ausbau des Rheins zwischen Kehl/Straßburg und Neuburgweier/Lauterbourg. Mit diesem Vertrag verpflichteten sich beide Staaten zum einen zum Bau der Staustufen Gambsheim und Iffezheim und zum anderen zur Durchführung von Untersuchungen zur Bekämpfung der Erosion am Entstehungsort, um ggfs. den weiteren Staustufenbau unterhalb von Iffezheim zu vermeiden. Die von beiden Staaten durchgeführten Untersuchungen führten nicht zum gewünschten Ergebnis. Mit der Zusatzvereinbarung vom 16. Juli 1975 zum o.g. Vertrag von 1969 wurde der Bau einer weiteren Staustufe bei Neuburgweier beschlossen. Bei Neuburgweier/Lauterbourg endet die deutsch-französische Grenzstrecke, d.h. der Rhein fließt nur noch auf deutschem Hoheitsgebiet. Die Lösung des Erosionsproblems wäre unterhalb der Staustufe Neuburgweier folglich kein deutsch-französisches mehr sondern ein alleiniges Problem der Bundesrepublik Deutschland. Die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes führte nach dem Beschluss dieser Vereinbarung weiterhin Untersuchungen zur Bekämpfung des Erosionsproblems durch. In zahlreichen Labor- und Naturversuchungen wurde der Ersatz des natürlichen Geschiebes durch die Zugabe von künstlichem Geschiebe erprobt. Infolge erfolgreicher Versuche wurde dann auf Initiative der deutschen Delegation am 6. Dezember 1982 die deutsch-französische Vereinbarung zur Änderung und Ergänzung der Zusatzvereinbarung von 1975 geschlossen, aufgrund derer u.a. der Bau der Staustufe Neuburgweier zurückgestellt und die Durchführung der Geschiebezugabe unterhalb Iffezheim beschlossen wurde. In der Vereinbarung sind die folgenden Bedingungen zur Durchführung der Geschiebezugabe festgelegt: Seite 1

• Bei Q = 570 m³/s (GLQ) darf die Wasserspiegelhöhe 111,11 müNN bei Rhein-km 336,2 für einen Zeitraum von mehr als 6 Monaten um nicht mehr als 30 cm unterschritten werden. Gegebenfalls können die Vertragspartner die Erhöhung der maximal zulässigen Wasserspiegelabsenkung von 30 cm auf 50 cm vereinbaren. • Die Fahrrinne ist auf eine Tiefe von 2,10 m bei GLQ bei einer Fahrrinnenbreite von 88 m oberhalb bzw. 92 m unterhalb der Murgmündung auszubauen.

• Durch die Maßnahmen darf keine Beeinträchtigung der Schifffahrt erfolgen. Sollten die Bedingungen nicht eingehalten werden, so ist umgehend mit dem Bau der Staustufe Neuburgweier zu beginnen.

Durchführung der Geschiebezugabe

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Ersatz des natürlichen Geschiebes durch Zugabe von künstlichem Kies-Sand-Gemisch

Abbildung 1:

Räumliche Einordnung, Einbaubereich unterhalb der Staustufe Iffezheim und Schnitt einer Schute beim Verklappvorgang

Mit der Zugabe des Geschiebes wurde im April 1978, etwa ein Jahr nach Schließung des Querdammes der Staustufe Iffezheim, begonnen. Seitdem wird die Geschiebezugabe unterhalb Iffezheim ununterbrochen durchgeführt. Der Einbaubereich der Geschiebezugabe liegt zwischen Rhein-km 336 und 338. In diesem Bereich wird das künstliche Geschiebe für den Abtransport durch das Wasser auf der Sohle abgelegt. Der Einbau erfolgt mittels Hydroklappschuten, die durch das Peilschiff „Kriemhild“ für den Verklappvorgang genau eingewiesen werden (Abbildung 2). Eingebaut wird das Geschiebe Seite 3

ersatzmaterial bei der Talfahrt in Streifen von ca. 10 m Breite, 150-200 m Länge und ca. 2530 cm Höhe.

Beginn der Verklappung

Während ... Am Ende der Verklappung

Abbildung 2:

Verlauf eines Verklappvorganges

Seite 4

Abbildung 3:

Querprofil im Einbaubereich mit Kennzeichnung des Sicherheitsabstandes

Der Sicherheitsabstand zu der für die Schifffahrt zu gewährenden Fahrwassertiefe von 2,10 bei GLQ beträgt 40 cm (Abbildung 3). Nach dem Einbau jedes Streifens werden zur Kontrolle des Einbaus und Festlegung der Lage des nächsten Einbaustreifens Querprofile gepeilt. Die Zusammensetzung des Geschiebeersatzmaterials (Abbildung 4) wurde in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Wasserbau in Karlsruhe (BAW) und der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz (BfG) gemäß dem natürlich zu erwartendem Geschiebetrieb festgelegt. Die Kornverteilung wird aufgrund der gesammelten Erfahrungen beim Einbau und dem Erosions- und Sedimentationsverhaltens in den Streckenbereichen unterhalb der Zugabestelle bei Bedarf angepasst und wurde daher seit 1978 mehrmals abgeändert. Anhand von Probenahmen wird die Einhaltung der Kornverteilung ständig kontrolliert.

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120

Siebdurchgänge [ Gew.-% ]

100

80

60

40

20

0 0,1

2

8

16

32

63

Korndurchmesser [ mm ] Sollwerte

Abbildung 4:

Mittelwerte 2001

Soll-Ist-Darstellung der Zusammensetzung des Kies-Sand-Gemisches für das Jahr 2001

Seite 6

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800

300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0 1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

Einbaumengen [m³] Mittlerer Abfluss am Pegel Maxau [m³/s] Abbildung 5:

Darstellung der jährlichen Einbaumengen und des Verlaufs der mittleren jährlichen Abflüsse am Pegel Maxau für den Zeitraum 1978 bis 2000

Die jährlichen Einbaumengen hängen maßgeblich vom Abflussgeschehen ab (Abbildung 5). Durchschnittlich werden jährlich derzeit ca. 180.000 m³ Kies-Sand-Gemisch eingebaut.

Einhaltung der vertraglich festgelegten Bedingungen Im Jahr 1998 wurde festgestellt, dass der kritische Wasserstand von 110,80 müNN (111,11 müNN – 0,3 m) bei Rhein-km 336,2 (Pegel Iffezheim) anhaltend unterschritten worden ist. Daraufhin wurde in Absprache mit BAW und BfG mit dem Einbau von Wasserbausteinen 50/150 zur Stabilisierung der Sohle begonnen. Am 19./20. Oktober 1998 informierte die deutsche Delegation das für die Vertragserfüllung zuständige deutsch-französische Gremium (Ständige Kommission) über die eingetretene Situation und die begonnen Maßnahmen und beantragte die Heraufsetzung der Grenze für die maximale Unterschreitung des Wasserstandes von 111,11 müNN von 30 cm auf 50 cm für einen Zeitraum von drei Jahren. Die Ständige Kommission stimmte diesem Vorschlag zu und forderte die deutsche Delegation auf nach Ablauf der drei Jahre, d.h. zum Ende des Jahres 2001, über den Erfolg der Maßnahmen zu berichten.

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Beschreibung der seit 1998 durchgeführten Maßnahmen Zusätzlich zur Geschiebezugabe werden seit 1998 die o.g. Maßnahmen zur Sohlenstabilisierung durchgeführt. Hierbei wird die Rheinsohle in Übertiefen, die größer als 3 m unter dem Einbauwasserstand sind und bei denen die natürliche Sohlenpanzerung durch Erosion zerstört sein könnte, dadurch befestigt, dass Wasserbausteine der Körnung 50-150 mm in einer Schichtdicke von ca. 50 cm eingebaut werden. Die natürliche Sohlstruktur wird durch diesen Einbau nachgebildet und um durchschnittlich 50 cm angehoben. Die Steingröße wurde so gewählt, dass jederzeit überall im Fahrwasser für die Schifffahrt die Möglichkeit besteht zu ankern. Die Einbaumengen an Kies-Sand-Gemisch als Geschiebeersatzmaterial und Steine zur Sohlenstabilisierung, die seit 1998 einbebaut worden sind, sind in Tabelle 1 dargestellt. Jahr

Kies-Sandgemisch [m³]

Steine [m³]

1998

190.000

22.000

1999

275.000

64.000

2000

165.000

61.000

2001*

183.000

12.000

* bis einschließlich 31.08.2001

Tabelle 1: Einbaumengen des Geschiebeersatzmaterials (Kies-Sandgemisch) und Sohlenstabilisierung (Steine)

Bis zum Ende des Jahres 2001 ist aufgrund des Abflussgeschehens mit dem Einbau von im Minimum 240.000 m³ Kies-Sandgemisch (Stand 31.08.2001) zu rechnen. Im Jahr 2001 werden ca. 30.000 m³ Steine zur Stabilisierung der Sohle eingebaut. Kontrolluntersuchungen der Sohle, die mit dem Taucherglockenschiff „Carl Straat“ im Oktober 1999, d.h. nach den extremen Hochwässern in Februar und Mai 1999, durchgeführt werden konnten, haben gezeigt, dass das eingebaute Sohlstabilisierungsmaterial sich größtenteils lagestabil verhält.

Entwicklung des Wasserspiegels Eine direkte Aussage bzgl. der Wasserspiegelentwicklung bei Rh-km 336,2 beim Q = 570 m³/s ist aufgrund von Messungen derzeit nicht möglich, da seit 1997 keine Niedrigwasserabflüsse in dieser Größenordnung aufgetreten sind. Eine Rückrechnung des Wasserstandes bei Rh-km 336,2 für Q = 570 m³/s anhand der Abflusskurve Iffezheim oder Plittersdorf ist wenig aussagekräftig. Dies ist darin begründet, dass diese Abflusskurven aufgrund der extremen Sohlschwankungen (max. Differenz von 30 cm) laufenden Änderungen unterworfen sind und daher anhand von Messungen ständig zu aktualisieren sind, um die realen Verhältnisse möglichst korrekt abbilden zu können. Da für die Aktualisierung der W-Q-Beziehung für den Niedrigwasserbereich jedoch keine Messwerte vorliegen, könnten die aktuellen Werte für den Niedrigwasserbereich nur über Extrapolation bestimmt werden. Diese Extrapolation führt jedoch zu einer zu hohen Fehlerbehaftung und ist daher nicht sinnvoll. Die Darstellungen in den Abbildungen 6 und 7 zeigen die Differenzen zwischen dem gemessenen Wasserspiegel zum entsprechenden Zeitpunkt und dem Wasserspiegel, der sich er Seite 8

Abweichung W - Wber von der Abflusskurve [cm]

gibt, wenn zur Berechnung des Wasserspiegels aus dem gemessenen Abfluss die im Jahr 1978 (Beginn der Geschiebezugabe) geltende Abflusskurve zugrundegelegt wird. Anhand der Abweichung der gemessenen Wasserspiegel zu den auf 1978 rückgerechneten Wasserspiegeln ist es möglich, eine Aussage über die Tendenz des Wasserspiegelverhaltens am Pegel Iffezheim bezogen auf die Situation im Jahre 1978 treffen.

30,00 20,00 10,00

alte Messungen

für die Abflusskurve verwendete Messungen

0,00 -10,00 -20,00 -30,00 -40,00 -50,00 -60,00 12.10.1977 08.07.1980 04.04.1983 29.12.1985 24.09.1988 21.06.1991 17.03.1994 11.12.1996 07.09.1999

Zeit Wber : Wasserstand, der sich mit dem gemessenen Abfluss aus der Abflusskurve ergibt W : Wasserstand, der während der Abflussmessung aufgetreten ist

Abbildung 6:

Pegel Iffezheim 1978: Abweichungen der delta-W der Abflussmessungen von der Abflusskurve

In der Abbildung 6 sind die Differenzen der einzelnen Messungen bezogen auf das jeweilige Datum der Messung aufgetragen, in Abbildung 7 sind zur Verdeutlichung die arithmetischen Mittel der Differenzen eines Jahres dargestellt.

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Anhand des Verlaufes der Punkteschar der Abweichungen bzw. der arithmetischen Mittel der Abweichungen kann der Abwärtstrend des Wasserspiegels nachvollzogen werden, der unter anderem auch durch den Ausbau der Fahrrinne auf von 1,70m auf 2,10m und der damit verbundenen Buhnenanpassung bedingt ist. Das Wasserspiegeltief im Jahr 1995 ist eindeutig erkennbar. Ebenso zeigt die Darstellung einen eindeutigen Aufwärtstrend infolge der Sohlenstabilisierung seit 1998.

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Mittelwert Delta-W (cm)

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

1985

1984

1983

1982

1981

1980

1979

1978

0

-10

-20

-30

-40

-50 Zeit (Jahr)

Abbildung 7:

Jährliche arithmetische Mittelwerte der Delta-W-Werte (Wgem-Wber) bezogen auf die Abflusskurve der Pegels Iffezheim 1978, aufgetragen über die Zeit

Eine Näherung der heutigen Situation am Vertragspegel zeigen die in Abbildung 8 dargestellten Ergebnisse von Wasserspiegelfixierungen. Die Darstellung beinhaltet eine Gegen

Seite 10

überstellung der Wasserspiegelfixierung von Februar 2001 und Fixierungen von Januar und September 1978 bei einem Abfluss von Q ≈ 800 m³/s.

114,00 113,00 112,00

Wasserspiegelhöhe [NN + m]

111,00 110,00

Vertragspegel bei Rh.-km 336,201

109,00 Pegel Plittersdorf Rh.-km 340,215

108,00 107,00 106,00 105,00 104,00 103,00 102,00 334,000

335,000

336,000

337,000

338,000

339,000

340,000

341,000

342,000

Rhein-km Freiburg - Geschiebezugabe Iffezheim, GS 1

Abbildung 8:

18.01.78

28.09.1978

20.02.2001

Gegenüberdarstellung der Wasserspiegelfixierungen von Februar 2001 mit Wasserspiegelfixierungen von Januar und September 1978

Diese Wasserspiegelfixierung zeigt, dass die Differenz zu den im Jahr 1978 gemessenen Werten ausreichend gut innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches von 30 cm liegt.

Bewertung der Maßnahmen der Sohlenstabilisierung Sowohl der Aufwärtstrend am Pegel bei Rh-km 336,2 und die geringen Abweichungen der Wasserspiegelfixierung am Vertragspegel als auch deren Verlauf rechtfertigen die Ansicht, dass die seit 1998 durchgeführten Maßnahmen zur Sohlenstabilisierung eine positive Wirkung auf die Wasserspiegelentwicklung am Vertragspegel zeigen. Dies ist unter der Berück Seite 11

sichtigung der Tatsache bemerkenswert, dass der Wasserspiegel sogar trotz der beiden langanhaltenden außergewöhnlichen Hochwasserereignisse im Jahre 1999 und der in den letzten Jahren überwiegend aufgetretenen hohen und langanhaltenden Abflüsse wieder angehoben werden konnte. Es zeigt sich, dass mit der Maßnahme der Sohlenstabilisierung eine Trendwende herbeigeführt werden konnte.

Ausblick Da es sich bei der Rheinsohle um eine bewegliche Sohle handelt und mit den eingebauten Steinen keine Sohlpanzerung bewirkt werden soll, werden immer wieder – zumindest in den nächsten Jahren - Nacharbeiten durchzuführen sein. Folglich sind zumindest mittelfristig neben der Geschiebezugabe weiterhin die sohlstabilisierenden Maßnahmen fortzuführen. Bei Weiterführung dieser Maßnahmen wird es aufgrund der Erfahrungen der vergangenen drei Jahre für erreichbar angesehen, dass die zulässige Abweichung am Pegel bei Rh-km 336,2 von 30 cm wieder eingehalten werden können. Es wird jedoch erst nach einem wesentlich längerem Beobachtungszeitraum möglich sein zu beurteilen, ob mit dieser zusätzlichen Maßnahme der gewünschte Erfolg erreicht werden kann !

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