Diplomarbeit

Weiterbildendes Studium Wasser und UmweltUntersuchungen zur Entwicklungder Tideströmung in Unter- und Aussenelbenach dem Fahrrinnenausbau von 1999MasterarbeitDipl. Ing. (FH) Maja FickertSept. 2005

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________INHALTSVERZEICHNIS1 EINLEITUNG 11.1 AUFGABENSTELLUNG 11.2 VORGEHENSWEISE 12 UNTERSUCHUNGSGEBIET 32.1 DIE ELBE - ZUSTÄNDIGKEITEN 32.2 FAHRRINNENANPASSUNG 52.3 BEWEISSICHERUNG 82.4 MESSSTELLEN 92.4.1 STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT 92.4.1.1 LAUFZEIT-DIFFERENZ-VERFAHREN 102.4.1.2 DOPPLER-PRINZIP 132.4.1.3 ROTORMESSUNG 162.4.1.4 VERGLEICH DER MESSPRINZIPIEN UND FEHLERBETRACHTUNG 182.4.2 OBERWASSERABFLUSS 212.4.3 TIDEWASSERSTÄNDE 232.4.4 GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG IM QUERSCHNITT 253 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 273.1 EINFÜHRUNG 273.2 GEZEITEN 273.3 LINEARE WELLENTHEORIE 323.4 DISKUSSION TIDEWELLE 373.5 GERINNEHYDRAULIK 394 AUSWERTUNGEN 414.1 ANALYSE GRUNDSÄTZLICHER EINFLÜSSE AUF DIE TIDESTRÖMUNG 414.1.1 OBERWASSER 414.1.2 METEOROLOGISCHE EINFLÜSSE 454.1.3 TIDEWASSERSTÄNDE 464.1.3.1 SPRING-NIPP-ZYKLUS 484.1.4 ANTHROPOGENE EINGRIFFE 494.2 PARAMETER BETRACHTUNG 50_____________________________________________________________________________I

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________4.2.1 EINFÜHRUNG 504.2.2 KORRELATION DER TIDEPARAMETER 544.3 ZEITREIHENANALYSE 584.3.1 ANALYSE DER TIDEGRADIENTE 584.3.2 EINFLUSS VON SPRING-NIPP-ZYKLUS AUF GRADIENTE 604.3.3 PARAMETRISIERUNG DER GRADIENTEN 614.3.3.1 UNTERSUCHUNG EINES ABSCHNITTS DER TIDEKURVE MITGRADIENTENPARAMETERN 624.3.3.2 UNTERSUCHUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT MITGRADIENTENPARAMETERN 654.3.4 DARSTELLUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT ÜBER DIE GRADIENTE 684.4 BEWERTUNG DER ERGEBNISSE FÜR DIE AUSWIRKUNG DER FAHRRINNENANPASSUNG 735 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 76LITERATURIINTERNET GLOSSARIII_____________________________________________________________________________II

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________ABBILDUNGSVERZEICHNISABBILDUNG 2-1: ÜBERSICHT ÜBER DAS UNTERSUCHUNGSGEBIET MIT DEN GRENZEN DERZUSTÄNDIGKEITSBEREICHE DER BETEILIGTEN ÄMTER [QUELLE: WSAHAMBURG] 4ABBILDUNG 2-2: GRÖßENENTWICKLUNG DER CONTAINERSCHIFFE (TIEFENANGABEN BEZIEHEN SICHAUF SALZWASSER) [QUELLE:HPA] 5ABBILDUNG 2-3: PEILUNGEN VOR UND NACH DER FAHRRINNENANPASSUNG BEI HANSKALBSAND 7ABBILDUNG 2-4: LAGEPLAN DER DAUERSTRÖMUNGSMESSUNGEN IM BEREICH HAMBURG PORTAUTHORITY [QUELLE: WSA HAMBURG] 11ABBILDUNG 2-5: KREUZANLAGE BUNTHAUS NORD/ SÜDRESPONDERANLAGE TEUFELSBRÜCK[QUELLE: QUANTUM HYDROMETRIE] 12ABBILDUNG 2-6: ULTRASCHALLWANDLER 28 KHZ, RESPONDERANLAGE TEUFELSBRÜCK [QUELLE:HPA HAMBURG; SKIZZE: QUANTUM HYDROMETRIE] 13ABBILDUNG 2-7: LAGEPLAN DER DAUERSTRÖMUNGSMESSUNGEN IM BEREICH WSA HAMBURG[QUELLE: WSA HAMBURG] 14ABBILDUNG 2-8: STRÖMUNGSMESSSONDE TYP RCM 9 – PRINZIPSKIZZE [QUELLE:WWW.AANDERAA.NO] 15ABBILDUNG 2-9: STRÖMUNGSMESSSONDE TYP RCM 9 WÄHREND DER WARTUNG (MIT SINKSTÜCKUND AUFTRIEBSBALLON) [QUELLE: WSA HAMBURG] 16ABBILDUNG 2-10: LAGEPLAN DER DAUERSTRÖMUNGSMESSUNGEN IM BEREICH WSA CUXHAVEN[QUELLE: WSA HAMBURG] 17ABBILDUNG 2-11: STRÖMUNGSMESSSONDE TYP RCM 7 – PRINZIPSKIZZE [QUELLE:WWW.AANDERAA.NO] 17ABBILDUNG 2-12: STRÖMUNGSMESSSONDE TYP RCM 7 WÄHREND DER WARTUNG [QUELLE: WSAHAMBURG] 18ABBILDUNG 2-13: LAGEPLAN PEGEL NEU DARCHAU [QUELLE: DEUTSCHES GEWÄSSERKUNDLICHEJAHRBUCH 2001] 21ABBILDUNG 2-14: ABFLUSS NEU DARCHAU 1997-2004 22ABBILDUNG 2-15: AUSGEWÄHLTE PEGELSTANDORTE IM UNTERSUCHUNGSGEBIET [QUELLE: WSAHAMBURG] 23ABBILDUNG 2-16: FLUTGESCHWINDIGKEIT ÜBER QUERSCHNITT [QUELLE DERGESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG: BAW] 25ABBILDUNG 2-17: EBBEGESCHWINDIGKEIT ÜBER QUERSCHNITT [QUELLE DERGESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG: BAW] 26_____________________________________________________________________________III

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________ABBILDUNG 3-1:KRÄFTESYSTEM DER GEZEITENENTSTEHUNG [NACH DIETRICH ET AL, 1975] 28ABBILDUNG 3-2:: GESTIRNSTELLUNGEN ALS URSACHE FÜR SPRING-NIPP-ZYKLUS 29ABBILDUNG 3-3: SPRING_NIPP ZYKLUS TNW/THW – ASTRONOMISCH UND EINGETRETEN 30ABBILDUNG 3-4: SPRING_NIPP ZYKLUS DAUERN – ASTRONOMISCH UND EINGETRETEN 31ABBILDUNG 3-5: UNGESTÖRTE TIDEWELLE [NACH ZANKE] 33ABBILDUNG 3-6: ROTATION EINES WASSERTEILCHENS AUF DER ORBITALBAHN DER WELLE 34ABBILDUNG 3-7: DEFINITIONEN VON WELLENKENNGRÖßEN [NACH ZANKE] 34ABBILDUNG 3-8: HORIZONTALE ORBITALGESCHWINDIGKEIT FÜR VERSCHIEDENE TIDEHÜBE (OBEN)UND WASSERTIEFEN (UNTEN) 36ABBILDUNG 3-9: VERHÄLTNIS WASSERSTAND – STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT [ERWEITERT NACHDIN 4049] 38ABBILDUNG 4-1: EINFLUSS DES OBERWASSERS AUF DIE MAXIMALENSTRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN AM BEISPIEL AUGUSTHOCHWASSER 2002 42ABBILDUNG 4-2: EINFLUSS DES OBERWASSERS AUF DAS VERHÄLTNIS FLUTSTROMDAUER ZUEBBESTROMDAUER AM BEISPIEL AUGUSTHOCHWASSER 2002 44ABBILDUNG 4-3: DEFINITION WINDSTAUKURVE [QUELLE: SIEFERT] 46ABBILDUNG 4-4:WASSERSPIEGELNEIGUNG ÜBER DEN ORT [QUELLE: HTTP://WWW.RETTET-DIE-ELBE.DE/1KAPITEL/12DEICHE.HTM] 47ABBILDUNG 4-5:WASSERSPIEGELNEIGUNG ÜBER DIE ZEIT 48ABBILDUNG 4-6: SPRING_NIPP ZYKLUS MAXIMALE EBBE- UND FLUTSTROMGESCHWINDIGKEITEN 49ABBILDUNG 4-7: LAGEPLAN DER MESSSTELLE D1 HANSKALBSSAND UND PEGEL LÜHORT; DIGITALESGELÄNDEMODELL 2002 [QUELLE: BERICHT ZUR BEWEISSICHERUNG 2003;MATERIALIEN CD 3A) 51ABBILDUNG 4-8: GESCHWINDIGKEIT HANSKALBSAND OBERFLÄCHE IM UNTERSUCHUNGSZEITRAUMMIT TIDEHUB 52ABBILDUNG 4-9: GESCHWINDIGKEIT HANSKALBSAND OBERFLÄCHE IM UNTERSUCHUNGSZEITRAUMMIT ABFLUSS 53ABBILDUNG 4-10: VERHÄLTNIS GESCHWINDIGKEIT ZU TIDEHUB HANSKALBSAND OBERFLÄCHE 54ABBILDUNG 4-11: VERHÄLTNIS GESCHWINDIGKEIT ZU TIDEHUB HANSKALBSAND OBERFLÄCHE IMUNTERSUCHUNGSZEITRAUM 56ABBILDUNG 4-12: VERHÄLTNIS GESCHWINDIGKEIT ZU TIDESTIEG ODER TIDEFALL HANSKALBSANDOBERFLÄCHE 57_____________________________________________________________________________IV

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________ABBILDUNG 4-13: VERHÄLTNIS WASSERSTAND – STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT - GRADIENTE DERMITTLEREN GANGLINIEN 59ABBILDUNG 4-14: SPRING_NIPP ZYKLUS GRADIENTE 61ABBILDUNG 4-15: PARAMETRISIERUNG GRADIENTE 62ABBILDUNG 4-16: AUSSCHNITT „AUSBEULUNG“ WASSERSTANDSGANGLINIE 63ABBILDUNG 4-17: QUERPROFIL MIT VORLÄNDERN DES ELBEKM 644,6 BEI LÜHE [QUELLE:BEWEISSICHERUNGSBERICHT 2003, MATERIALIEN CD] 64ABBILDUNG 4-18: GANGLINIE ST. PAULI UND GRADIENTE 65ABBILDUNG 4-19: VERHÄLTNIS F_MAX UND F_D /Y S 66ABBILDUNG 4-20: F_MAX/GRADIENTE UND F_D/ GRADIENTE ÜBER DIE ZEIT 67ABBILDUNG 4-21: BESCHLEUNIGUNG DES WASSERSPIEGELNEIGUNG 68ABBILDUNG 4-22: REGRESSION MIT 100-MIN-GRADIENTENMITTELWERT 70ABBILDUNG 4-23: GEMESSENE UND ERRECHNETE MAXIMALE STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT;FEHLERABWEICHUNG 71ABBILDUNG 4-24: DARSTELLUNG DER GESCHWINDIGKEITSGANGLINIE ÜBER DIE MITTLEREGRADIENTE 72ABBILDUNG 4-25: DARSTELLUNG DER GESCHWINDIGKEITSGANGLINIE ÜBER DIE GRADIENTE ÜBERMEHRERE TAGE 73_____________________________________________________________________________V

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________TABELLENVERZEICHISTabelle 2-1: Dauerströmungsmessungen Tideelbe 10Tabelle 2-2: Vergleich der Messprinzipien 19Tabelle 2-3: Wasserstandsmessungen Tideelbe [Quelle: Beweissicherungsbericht 2003]24Tabelle 3-1: Ungleichheiten im Tideverlauf 28Tabelle 3-2: Formeln der linearen Wellentheorie für Flachwasserwellen [CERC, 1984] 35_____________________________________________________________________________VI

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________VERZEICHNIS DER VERWENDETEN FORMELZEICHENZeichen Einheit BedeutungA m² Fließquerschnittc m/s Wellenfortschrittsgeschwindigkeitg m/s 2 Erdbeschleunigungh m WassertiefeH m WellenhöheI E - EnergieliniengefälleI So - SohlliniengefälleI W - Wasserliniengefällek st m 1/3 /s Rauheitswert nach Manning-StricklerL m Wellenlängel U m benetzter UmfangQ m³/s Abflussr hy m hydraulischer RadiusT s Wellenperiodev m/s Strömungsgeschwindigkeitη m AuslenkungΠ - Kreiszahl_____________________________________________________________________________VII

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG______________________________________________________________________________VERZEICHNIS DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGENAbkürzungBedeutungADCPBAWBSHD ED eD FD fHPAK eK fKNNNPNRWSThbThwTnwTmwUVUWSAAccoustic Doppler Current ProfilerBundesanstalt für WasserbauBundesamt für Seeschifffahrt und HydrographieEbbedauerEbbestromdauerFlutdauerFlutstromdauerHamburg Port AuthorityEbbstromkenterpunktFlutstromkenterpunktKartennullNormalnullPegelnullRuhewasserspiegelTidehubTidehochwasserTideniedrigwasserTidemittelwasserUmweltverträglichkeitsuntersuchungWasser- und Schifffahrtsamt_____________________________________________________________________________VIII

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________1 EINLEITUNG1.1 AUFGABENSTELLUNGDas Gewässerbett der Elbe unterhalb Hamburgs unterliegt einem fortwährenden hydromorphologischenWandel. Unbestritten haben daran neben natürlichen Prozessenauch anthropogene Eingriffe wie Verkehrswegebau und Küstenschutz ihren Anteil.Um die Wettbewerbsfähigkeit des Hamburger Hafens zu wahren ist es u.a. immerwieder erforderlich, seine seewärtige Zufahrt an die schiffbaulichen Entwicklungenanzupassen. Die letzte Anpassung der Unter- und Außenelbe an die Anforderungen derContainerschifffahrt wurde 1999/ 2000 vorgenommen. Die Anpassung der Hafenzufahrtan größere Schiffsabmessungen verursacht immer einen erheblichen Eingriff in dieNatur, wodurch sich außer der Flora und Fauna auch die Dynamik der Tidewelle imÄstuar verändern kann. Die veränderten Wassertiefen und Fahrwasserbreiten könnendie Tidewasserstände und damit den Tidehub, die Laufzeiten der Hoch- und Niedrigwasserscheitel(Verkürzung der Flut- und entsprechende Verlängerung der Ebbedauer)sowie die Flut- und Ebbestromgeschwindigkeiten beeinflussen.Um diese Veränderungen analysieren zu können wird im Rahmen der Beweissicherungzur Fahrrinnenanpassung ein umfangreiches Monitoringprogramm durchgeführt. Sowird z.B. die Strömungsgeschwindigkeit in der Unter- und Außenelbe an 13 Dauermessstationenseit 1997/ 98 gemessen.Ziel dieser Arbeit ist es, die vorliegenden Daten aufzubereiten und sie mit statistischenVerfahren auf Veränderungen zu untersuchen. Dabei soll der Einfluss wechselnderäußerer Einflussgrößen wie Oberwasser, Tidenhub und Gezeiteneinfluss analysiert undin Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit gesetzt werden, so dass unterschiedlichehydrologische Situationen vor und nach der Fahrrinnenanpassung miteinander verglichenwerden können.1.2 VORGEHENSWEISEDie vorliegende Arbeit ist eingebunden in ein umfangreiches Untersuchungsprogramm,das sich intensiv mit der Analyse und Bewertung der Auswirkungen der letzten Fahrrin-_____________________________________________________________________________1

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________nenanpassung von Unter- und Aussenelbe befasst. Der Hintergrund und Rahmen diesesUntersuchungsprogramms soll daher kurz vorweg gestellt werden.Die Analyse der Einflussgrößen auf die Strömungsgeschwindigkeit wurde auf eineeinzelne Messlokation bezogen, um grundsätzliche Zusammenhänge detaillierter untersuchenzu können. Zur Plausibilisierung der verwendeten Daten und vertiefter Ursachenforschungwerden aber auch Vergleiche zu benachbarten Stationen hinzugezogen.Den lokalen hydrologischen und hydrographischen Randbedingungen ist eine großeBedeutung bei der Interpretation und Bewertung der Ergebnisse zu zuschreiben. DieAuswahl des Untersuchungsgebietes erfolgte daher in der Erwartungshaltung möglichstunkomplizierte Verhältnisse vorzufinden. Die ausführliche Beschreibung des Untersuchungsgebietesdient daher auch der späteren Einordnung und Interpretation nichterwarteter Phänomene.Für die spätere Auswertung der Daten ist es ebenfalls wichtig zu wissen, mit welchenVerfahren und mit welcher Messgenauigkeit diese Daten gewonnen werden (Kapitel2.4). Da der anthropogen bedingte Wandel des Gewässerbetts der Elbe überprägt istvon den natürlichen Vorgängen wie Ebbe und Flut. werden in Kapitel 3 die theoretischenMethoden zur Beschreibung dieser Vorgänge in komprimierter Form erläutert.Um die Daten auszuwerten, ist eine Analyse der grundsätzlichen physikalischen Einflussgrößenauf die Tideströmung erforderlich (Kapitel 4.1). Die Auswertung untersuchtzunächst den Zusammenhang zwischen maximaler Strömungsgeschwindigkeit undParametern der Tidekurve wie Tidehub, Tidestieg und Tidefall. Die Untersuchungenliefern wichtige Hinweise für die weiteren Schritte, da deutlich ist, dass die maximaleStrömungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit der Wasserspiegeländerunginitiiert wird. Es schließen sich detaillierte Untersuchungen über die Geschwindigkeitder Wasserspiegeländerung an. Abgeschlossen werden die Auswertungen mit einerBewertung der Ergebnisse für die Auswirkung der Fahrrinnenanpassung auf die Strömungsgeschwindigkeit.In Kapitel 5 erfolgen eine Zusammenfassung der Arbeit und ein Ausblick auf weitereUntersuchungen über das Strömungsgeschehen in der Unterelbe. Dazu gehören Empfehlungenüber Verbesserungen für das Monitoring der Strömungen im Rahmen derBeweissicherung._____________________________________________________________________________2

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2 UNTERSUCHUNGSGEBIET2.1 DIE ELBE - ZUSTÄNDIGKEITENDie Elbe entspringt im Riesengebirge auf einer Höhe von 1390 mNN. Die gesamteLauflänge der Elbe bis zur Seegrenze beträgt 1143 km. Als Seegrenze wird die Linievon Cuxhaven-Kugelbake nach Friedrichskoog-Spitze bezeichnet. Ab der deutschtschechischenGrenze bei Schöna (Elbe-km 0) ist die Elbe Bundeswasserstraße.Nach Artikel 89 Grundgesetz ist der Bund Eigentümer und zuständig für die Verwaltungder Elbe. Die Verwaltung der Bundeswasserstraßen ist dreistufig aufgebaut. ObersteBehörde ist das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen (BMVBW).Die Mittelbehörden sind die Wasser- und Schifffahrtsdirektionen (WSD). In der unterstenEbene obliegt die Verwaltung der Bundeswasserstraßen den Wasser- und Schifffahrtsämter(WSÄ). Für das Hamburger Stromspaltungsgebiet gilt dieAusnahmereglung nach §45 Wasserstraßengesetz 1 (nach dem Zusatzvertrag vom18.02.1922 2 ), dass das Land Hamburg selbst die Verwaltung der BundeswasserstraßeElbe wahrnimmt, während der Bund Eigentümer bleibt. Die Strecke heißt deshalb auchDelegationsstrecke.1 Fassung vom 4. November 19982 Reichsgesetzblatt 1929_____________________________________________________________________________3

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-1: Übersicht über das Untersuchungsgebiet mit den Grenzen der Zuständigkeitsbereiche derbeteiligten Ämter [QUELLE: WSA HAMBURG]Das Wasser- und Schifffahrtsamt Lauenburg ist zuständig für die mittlere Elbe vonElbe-km 502,25 bis Elbe-km 607,5.An den Zuständigkeitsbereich des WSA Lauenburg grenzt das Hamburgische Staatsgebietund somit die Delegationsstrecke. Die Verwaltung des Flusses wird hier von derHamburg Port Authority (HPA; ehemals Amt Strom- und Hafenbau) wahrgenommen.Die Delegationsstrecke beginnt bei Elbe-km 607,5 und endet bei Elbe-km 638,9. DieHPA misst an drei Stationen die Strömungsgeschwindigkeit der Elbe.Die Zuständigkeit des Wasser- und Schifffahrtsamtes Hamburg beginnt bei Elbekm638,9 (rechtes Ufer) bzw. 632,05 (linkes Ufer) und endet bei Elbe–km 689,1. DasWSA Hamburg betreibt auf diesem Flussabschnitt 4 Dauermessstationen zur Messungder Strömungsgeschwindigkeit.In Richtung Nordsee durchfließt die Elbe den Zuständigkeitsbereich des Wasser- undSchifffahrtsamtes Cuxhaven. Der Zuständigkeitsbereich des WSA-Cuxhaven beginnt beiElbe-km 689,1 und endet bei Elbe-km 727,7, der seewärtigen Begrenzung der Elbe zurNordsee. Durch das WSA Cuxhaven wird an 6 Dauermessstationen die Strömungsgeschwindigkeitder Elbe ermittelt._____________________________________________________________________________4

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2.2 FAHRRINNENANPASSUNGIm Zuge der Maßnahme "Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe" wurde dieFahrrinne zwischen der Deutschen Bucht und dem Hamburger Hafen für die Erfordernisseder Containerschifffahrt ausgebaut. Bemessungsschiff war ein sog. PanMax-Containerschiff (Containerschiff der 4. Generation) mit einer Länge vom 300 m, einerBreite von 32,20 m und einem Tiefgang von 13,50 m (in Salzwasser). Die Entwicklungder Größen von Containerschiffen ist in Abbildung 2-2 dargestellt.Abbildung 2-2: Größenentwicklung der Containerschiffe (Tiefenangaben beziehen sich auf Salzwasser)[QUELLE:HPA]_____________________________________________________________________________5

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Hergestellt wurden Fahrrinnentiefen zwischen 14,40 m unter Kartennull 3 (KN) im zentralenAbschnitt der Unterelbe (sog. Sockelbereich) und 15,30 m bzw. 15,20 m unter KNan den Enden der Ausbaustrecke. Dieses Fahrrinnenlängsprofil ermöglicht heute einentideunabhängigen Schiffsverkehr mit maximal 12,50 m Tiefgang und einen Maximaltiefgangvon 13,50 m im tideabhängig von Hamburg auslaufenden Verkehr (Angabenjeweils bezogen auf Salzwasser).Im Folgenden wird der zeitliche Verlauf der Baumaßnahmen zur Fahrrinnenanpassungvon Unter- und Außenelbe in kurzer Form skizziert. Zu unterscheiden ist grundsätzlichzwischen den vergleichsweise geringfügigen Baggerarbeiten, die im Rahmen vorgezogenerTeilmaßnahmen ausschließlich im Bereich der Bundesstrecke durchgeführt wurden,und den Hauptarbeiten zur Fahrrinnenanpassung, mit denen nach Vorliegen derbeiden Planfeststellungsbeschlüsse begonnen wurde.BundesstreckeIm Rahmen von vorgezogenen Teilmaßnahmen wurden zwischen Dezember 1997 undAugust 1998 auf der Bundesstrecke insgesamt rund 2 Mio. m³ Boden gebaggert. DasBaggergut wurde im Strom umgelagert. Weiterhin wurden vorbereitende Arbeiten zurAnlage der Randschwellen von Baggergutablagerungsflächen und des Baues einesSpülfeldes auf der Insel Pagensand ausgeführt.Die Baumaßnahmen im Rahmen der Hauptarbeiten wurden mit Vorlage der Planfeststellungsbeschlüssevorbereitet. Am 16. März 1999 wurden die Nassbaggerarbeiten aufder Bundesstrecke begonnen. Im Bereich des WSA Cuxhaven wurde der Boden aufKlappstellen und im Bereich des WSA Hamburg in Abhängigkeit von der Bodenart aufein Spülfeld und in subaquatische Baggergutablagerungsflächen verbracht. Die Freigabeder neuen Fahrrinnentiefen erfolgte am 14. Dezember 1999. Die Abbildung 2-3 zeigtan dem Querprofil bei Hanskalbsand Peilungen vom März 1999 und den folgendenJahren.3 Beim Kartennull handelt es sich um die Bezugsgröße für Wassertiefenangaben in Seekarten.Das Kartennull entspricht in Tideflüssen dem langjährigen mittleren örtlichen Tideniedrigwasser(MTnw) und wird diesem von Zeit zu Zeit angepasst._____________________________________________________________________________6

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-3: Peilungen vor und nach der Fahrrinnenanpassung bei HanskalbsandZwischen Februar und Ende Mai 2000 erfolgten Nachbearbeitungen im Bereich derMergelbaggerstrecke vor Wedel. Bis Ende 2000 wurden noch Restbaggerungen an derStörkurve ausgeführt. Die Arbeiten zur Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbeauf der Bundesstrecke sind bis auf wenige Restarbeiten (Deckwerksbauten) und derabschließenden Umsetzung der Kompensationsmaßnahmen abgeschlossen. Die Ausbaubaggermengebeträgt rund 14 Mio m³ (ohne Teilmaßnahmen). Als Bauabschlussterminwurde der Planfeststellungsbehörde der 30.11.2000 angezeigt.DelegationsstreckeDer Baggerbeginn auf der Hamburger Delegationsstrecke erfolgte am 22. Februar1999. Bis Dezember 1999 konnten die Vertiefungsarbeiten zwischen der Landesgrenzebei Tinsdal (km 638,9) und dem BAB-Elbtunnel (ca. km 626,6) abgeschlossen werden.Die Arbeiten zum Ausbau der restlichen Fahrrinnenstrecken stromauf des BAB-Elbtunnels in den Köhlbrand und die Norderelbe hinein waren eng mit den Arbeiten zurErrichtung der 4. Elbtunnelröhre sowie eines Schutzbauwerks für die Röhren 1 bis 3des BAB-Elbtunnels verknüpft und erfolgten daran anschließend. Während der gebaggerteSand für verschiedene Baumaßnahmen im Hamburger Hafen unter anderem fürdie Geländeaufhöhung im Bereich des Containerterminals Altenwerder verwendet wurde,wurde der eiszeitliche Geschiebemergel in einer speziellen Klappgrube nördlich des_____________________________________________________________________________7

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Mühlenberger Lochs untergebracht. Der Abschluss der Baggerarbeiten wurde am01.12.2002 der Planfeststellungsbehörde angezeigt.2.3 BEWEISSICHERUNGDie Planfeststellungsbeschlüsse zur „Fahrrinnenanpassung von Unter- und Aussenelbe“fordern ein umfangreiches Monitoringprogramm und formulieren die Ziele der Beweissicherung:„Die Beweissicherung dient dazu, die maßnahmebedingten Abweichungen von dem inder Umweltverträglichkeitsuntersuchung (UVU) festgelegten Eingriffsumfang zu ermitteln.Die Beweissicherung bildet somit die Grundlage für eine ggf. erforderlich werdendeweitere Kompensation, die über den in diesem Beschluss gesetzten Rahmenhinausgeht.“ 4Die in den Planfeststellungsbeschlüssen enthaltenen Auflagen zur Beweissicherungbetreffen sowohl abiotische Kenngrößen, wie z.B. Wasserstände, Strömungen, terrestrischesowie aquatische Topographie und Wassergüteparameter (Schwebstoffe, Sediment,Sauerstoff) als auch biotische Parameter, die sich auf die terrestrische undaquatische Flora und Fauna des Betrachtungsgebietes beziehen. Der Tidewasserstandist einer der beiden Primärparameter (der andere ist die Topographie). Das bedeutet,die Wasserstände reagieren erfahrungsgemäß unmittelbar auf eine Veränderung desGewässerbetts. Die Strömungsgeschwindigkeit ist ein Sekundärparameter, der direktvon den Tidewasserständen abhängt.In der Umweltverträglichkeitsuntersuchung (UVU) zur Fahrrinnenanpassung wurdeermittelt, dass sich die Strömungsgeschwindigkeiten durch den Fahrrinnenausbau nurgeringfügig erhöhen werden. Prognostiziert wurden ausbaubedingte Erhöhungen in derGrößenordnung von 0 bis 3 cm/s sowie an einzelnen Stellen bis zu 5 cm/s. Während fürdie Hauptrinne der Elbe die o. g. Geschwindigkeitszunahmen prognostiziert wurden,wurden für die Seitenbereiche nicht quantifizierbare Abnahmen beschrieben. Die Größenordnungder erwarteten Änderungen ist somit sehr gering und liegt im Bereich derMess- und Auswertegenauigkeit.4 Planfeststellungsbeschluss „Anpassung der Fahrrinne von Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt“04.02.99; Strom- und Hafenbau, Planfeststellungsbehörde_____________________________________________________________________________8

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Zur Erfüllung der Auflagen der Beweissicherung sind 1997 und 1998 insgesamt 13Dauermessstationen zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit errichtet worden.Die aktuellen Messergebnisse der Beweissicherung sind über die Datensammelstelle(DSS) der Beweissicherung verfügbar. Sie sind größtenteils öffentlich zugänglich unddownloadfähig über das Internet unter der Adresse http://www.cux.wsdnord.de/htm/zustimm.asp.2.4 MESSSTELLEN2.4.1 STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITTabelle 2-1 enthält die Namen der Dauermessstationen der Strömungsgeschwindigkeit,deren Elbkilometrierung, das Messverfahren sowie die zur Verfügung stehenden Auswertungen.Beschreibungen der Messverfahren und Lagepläne der Messstationenfinden sich in den jeweiligen Unterkapiteln._____________________________________________________________________________9

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Tabelle 2-1: Dauerströmungsmessungen TideelbeMessortname Ort Art der Messung AuswertungenHPABunthaus / Norderelbe 609,2Bunthaus / Süderelbe 609,2Teufelsbrück 630,7Physikalisches Messverfahrenauf akustischer Basis (Laufzeit-Differenz-Verfahren)Wasserstand, Durchfluss,Strömungs-Geschwindigkeit,jew. 5-Min.-WerteWSA HamburgD1Westspitze Hanskalbsand643,0D2 Juelsand 651,3D3 Pagensand Nord 664,7D4 Rhinplatte Nord 676,5Physikalisches Messverfahrenauf akustischer Basis (DopplerPrinzip)5-Minuten-MittelwerteEbbe-MittelwerteEbbe-MaximalwerteFlut-MittelwerteFlut-MaximalwerteTiden-MittelwerteLZ1 Krummendeich 693,6WSA CuxhavenLZ2 Neufeld-Reede-West 708,9LZ3 Altenbrucher Bogen 718,2LZ4 Spitzsand 731,1LZ4b Steinriff 731,4Mechanisches Messverfahren(Rotor-Messung)Ganglinie mit 5-min-Mittelwerten für 1 mittlere Tide;Flut- und Ebbstromstatistik;4-JahresvergleichLZ5 Scharhörn 745,12.4.1.1 LAUFZEIT-DIFFERENZ-VERFAHRENDas Amt Hamburg Port Authority misst die Strömungsgeschwindigkeit an drei Stationenmittels eines akustischen Messverfahrens. Die ersten beiden Stationen liegen am Zuflussder Elbe nach Hamburg an der Bunthäuser Spitze. An der Bunthäuser Spitze teiltsich die Elbe in Norder- und Süderelbe, und für jeden dieser Teilströme (Bunthaus Nordund Süd) wird die Geschwindigkeit gemessen.Des Weiteren wird die Strömungsgeschwindigkeit der Elbe kurz vor ihrem Verlassendes Hamburgischen Staatsgebietes in Nienstedten/ Teufelsbrück gemessen. Abbildung2-4 zeigt einen Lageplan der Messstationen der HPA._____________________________________________________________________________10

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-4: Lageplan der Dauerströmungsmessungen im Bereich Hamburg Port Authority [QUELLE: WSAHAMBURG]Die Strömungsgeschwindigkeit wird auf einer Ebene im Fließquerschnitt mit einemUltraschall-Messverfahren gemessen. Zusätzlich wird aus der Geschwindigkeitsmessung(v) und einer dem Wasserstand zugeordneten Querschnittsfläche (A) auf Grundlage derKontinuitätsgleichung ( Q = v ⋅ A ) der Durchfluss (Q) berechnet.Die Messebenen befinden sich in Bunthaus in einer Höhe von -2,78 mNN (Sohltiefe ca.-6,10 mNN) und in Teufelsbrück von -4,60 mNN (Sohltiefe ca. -16,70 mNN). Querprofileder beiden Messstationen sind in der Dokumentation zu finden.Abbildung 2-5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Messstationen. Die Anlagen inBunthaus sind Kreuzanlagen, d.h. dass zwei Messpfade (Pfad 1-2 und Pfad 3-4) überKreuz angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Strömungsrichtung ausder Information der zwei Messpfade zu berechnen. Da es in Teufelsbrück zu aufwändiggewesen wäre, das verbindende Kabel zwischen den Messgeräten zum gegenüberliegendenUfer zu verlegen, wurde an diesem Ufer alternativ ein automatisch arbeitendesAntwortgerät, der so genannte Responder, installiert. Grundsätzlich ist das Messprinzipder beiden Anlagen identisch und wird im Folgenden erläutert._____________________________________________________________________________11

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-5: Kreuzanlage Bunthaus Nord/ SüdResponderanlage Teufelsbrück [QUELLE: QUANTUMHYDROMETRIE]Ein Messpfad wird durch zwei Ultraschallköpfe, den so genannten hydroakustischenWandlern (siehe Abbildung 2-6), aufgespannt. Die Wandler können ein elektrischesSignal in ein akustisches Signal umwandeln und senden. In der Abbildung ist schematischder Aufbau eines Ultraschallwandlers zu sehen. Kernstück eines Wandlers ist einPiezoquarz (7), der durch das Anlegen von Wechselspannung zusammendrückt undauseinander gezogen wird. Diese Bewegung wird an eine Membran (8) weitergegeben,die Druckwellen erzeugt. Umgekehrt ist ein Wandler in der Lage, ein akustisches Signalzu empfangen und es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. So kann ein Wandlersowohl als Sender als auch als Empfänger dienen.Der Ultraschallwandler erzeugt also eine Schallwelle und schickt sie quer zur Strömungzu einem Wandler auf der anderen Uferseite. Dieser schickt eine Schallwelle zurück.Schallwellen, die sich in einem Gewässer entgegen der Fließrichtung bewegen, benötigeneine längere Laufzeit als Schallwellen, die mit der Fließrichtung wandern. Die Differenzder Laufzeiten ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit im Messpfad.Die Abbildung 2-6 zeigt den Responderteil der Messstation Teufelsbrück. Da die Dämpfung,also die Abschwächung des Schallsignals mit steigender Frequenz zunimmt,werden bei den großen Pfadlängen (800m) Wandler mit einer Frequenz von 28 KHzeingesetzt._____________________________________________________________________________12

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-6: Ultraschallwandler 28 kHz, Responderanlage Teufelsbrück [QUELLE: HPA HAMBURG; SKIZZE:QUANTUM HYDROMETRIE]2.4.1.2 DOPPLER-PRINZIPDas WSA Hamburg misst die Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls mit einem akustischenVerfahren. Im Gegensatz zum Laufzeit-Differenz-Verfahren wird bei den Messgerätendas Doppler-Prinzip eingesetzt. Es gibt im Zuständigkeitsbereich des WSAHamburg insgesamt vier Messstationen, die jeweils aus zwei Messgeräten pro Lotrechtebestehen.Die erste Messstation liegt nahe der Elbinsel Hanskalbsand (D1), die zweite Messungwird nahe dem Juelsand (D2) durchgeführt, die dritte am Pagensand Nord (D3) und dievierte am Rhinsand Nord (D4). Die Lage der Messstationen ist in Abbildung 2-7 dargestellt._____________________________________________________________________________13

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-7: Lageplan der Dauerströmungsmessungen im Bereich WSA Hamburg [QUELLE: WSAHAMBURG]Der untere Messpunkt einer Lotrechten befindet sich ca. 110 cm über Sohle und derandere ca. 80 cm unter dem aktuellen Wasserspiegel. Die Lotrechte wird über Auftriebsballone(vgl. Abbildung 2-8 als Prinzipskizze mit nur einem Messgerät in der Lotrechten)gehalten. Die Messeinrichtungen liegen ganzjährig aus; lediglich unterbrochenwährend der Wintermonate mit Eisgefahr. Als Messgeräte werden Ultraschall-Dopplergeräte vom Typ RCM 9 mit hydroakustischem Sensorkopf, induktiver Messzelleund Thermistor-Sensor eingesetzt; die Geräte-Kontrollen sowie die Datenspeicherwechselerfolgen jeweils nach etwa 14 Tagen._____________________________________________________________________________14

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Als Fundament dient dem Messsystem ein Sinkstück, das auf dem Grund des Gewässersfixiert wird. An diesem Sinkstück wird mit einem Drahtseil das Messgerät befestigt,während die Ballone weitestgehend (von der Stärke der Strömung abhängig) die Messgerätein der Lotrechten halten.Abbildung 2-8: Strömungsmesssonde Typ RCM 9 – Prinzipskizze [QUELLE: WWW.AANDERAA.NO]Das Messprinzip des RCM 9 basiert auf dem Dopplereffekt. Der Dopplereffekt beruhtauf einer Frequenzverschiebung von Schallsignalen. Diese Frequenzverschiebung entstehtdurch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten einer Schallwelle, deren Sendersich relativ zu einem stationären Empfänger bewegt. Das Gerät (hydroakustischerWandler) erzeugt ein akustisches Signal von 2 MHz, welches von kleinen, im Wasserbefindlichen Partikeln reflektiert wird. Als reflektierende Partikel dienen Plankton,Schwebstoffe oder kleine Gasblasen. Die von den Partikeln zurückgeworfene Energiewird vom System aufgenommen und auf Änderungen der Frequenz untersucht. EineVerringerung der Frequenz bedeutet, dass die Partikel sich von dem Messgerät entfernen.Umgekehrt zeigt eine Erhöhung ein sich näherndes Partikel an. Es wird davonausgegangen, dass sich die Partikel mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit bewegen,wie das sie umgebende Wasser.Ein geborgenes Gerät des WSA Hamburg ist in der Abbildung 2-9 zu sehen.Neben der Strömungsgeschwindigkeit wird von den RCM 9 – Geräten auch die Richtungder Strömung ermittelt. Dies geschieht über Messungen entlang zweier orthogonalerAchsen, die mit Hilfe eines internen Kompasses eingenordet werden._____________________________________________________________________________15

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-9: Strömungsmesssonde Typ RCM 9 während der Wartung (mit Sinkstück und Auftriebsballon)[QUELLE: WSA HAMBURG]2.4.1.3 ROTORMESSUNGDer Aufbau der Messstationen des WSA Cuxhaven ist gleich dem vorher beschriebenen,allerdings mit nur einem Messgerät pro Lotrechten (siehe Abbildung 2-11). Das WSACuxhaven misst an fünf Dauermessstationen: LZ 1 (Krummendeich), LZ 2 (Neufeld-Reede-West), LZ 3 (Altenbrucher Bogen), LZ 4 (Spitzsand), LZ 4b (Steinriff), LZ 5(Scharhörn). Die Lage der Messstellen ist in Abbildung 2-10 dargestellt._____________________________________________________________________________16

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-10: Lageplan der Dauerströmungsmessungen im Bereich WSA Cuxhaven [QUELLE: WSAHAMBURG]Zum Einsatz kommen Messgeräte des Typs RCM 7. Die Strömungsgeschwindigkeit wirdmit einem Rotor mit magnetischer Kopplung gemessen (Generatorprinzip). Im Gegensatzzu den beiden bisher beschriebenen akustischen Verfahren ist dies ein mechanischesVerfahren, bei dem über die Anzahl der Umdrehungen des Rotors über eineKalibrierbeziehung die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.Abbildung 2-11: Strömungsmesssonde Typ RCM 7 – Prinzipskizze [QUELLE: WWW.AANDERAA.NO]_____________________________________________________________________________17

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________In Abbildung 2-12 ist zu sehen, dass das RCM 7 Gerät zum Schutz gegen grobe mechanischeEinflüsse aufwändig in einem Gitter angebracht wurde.Zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit können die installierten Messinstrumente dieStrömungsrichtung, Temperatur und Leitfähigkeit aufnehmen. Das Gerät stellt sichdurch eine Strömungsfahne (ähnlich einer Windfahne) in den Strom, und ein eingebauterKompass ermittelt daraus die Richtung.Abbildung 2-12: Strömungsmesssonde Typ RCM 7 während der Wartung [QUELLE: WSA HAMBURG]2.4.1.4 VERGLEICH DER MESSPRINZIPIEN UND FEHLERBETRACHTUNGBei der Messung physikalischer Größen entstehen Messfehler. Um die Qualität derMesswerte, die das Messgerät liefert, beurteilen zu können, ist eine Fehlerabschätzungnotwendig.Zudem werden für die einzelnen Messgerätetypen hinsichtlich ihrer Anfälligkeit gegenüberAusfällen und Störungen bewertet._____________________________________________________________________________18

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Tabelle 2-2: Vergleich der MessprinzipienHPA WSA HH WSA CuxArt der Messung akustisch akustisch physikalischVgl. Kap. 2.4.4 in einer Ebene 2 Werte in Lotrechte 1 Wert in LotrechteGenauigkeit nachHerstellerangaben* 5%±4% aktu. Geschwindigkeitmind. ± 1 cm/s±1% aktu. Geschwindigkeitmind. ± 0,15 cm/sMessbereich*Abhängig von Frequenzder eingesetztenWandler 2-295 cm/s 0-300 cm/sAusfälle der MessgerätedurchSchwebstoffe,Verkrautung, Luftblasen,Temperatur u.SalzgehaltVerkrautung, Kollisionmit TreibselVerkrautung, Kollisionmit Treibsel*QUELLE: WWW.QUANTUM-HYDROMETRIE.DE; DATENBLÄTTER FA. AANDERÄ WWW.AANDERAA.NONach LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT WASSER (1992) ist die Unsicherheit bei Ultraschall-Durchflussmessungen hauptsächlich den folgenden vier Punkten zuzuordnen:1. Auswahl der Messstelle: Veränderliche Strömungsrichtung, Luftblasen, Schwebstoffführung,Temperaturschichtungen, Sauerstoffübersättigung, zu kleineFließgeschwindigkeiten2. Einrichten und Kalibrieren der Messanlage: Geräteeinstellung, ungenaue oderfalsche Geometrieangaben, ungenaue oder falsche Referenzmessungen (abhängigvom verwendeten Verfahren)3. Betrieb der Messanlage: Gestörte oder defekte Messanlage (Ausfall der Elektronik),Wahl zu großer ( > 10 min) oder zu kleiner (

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mit RCM 7/9 istabhängig von:1. der Eichung der Geräte vor und nach dem Messeinsatz und der daraus resultierendenkorrekten Beschickung der Daten2. in der Wassersäule mitgeführtem Material (Verkrautung, Kollision mit sonstigemTreibsel)3. der Abweichung der Messkette von der Lotrechten. Je größer die Strömungsgeschwindigkeitist, desto mehr wird die Messkette der o.g. Anordnung aufgrundihres eigenen Strömungswiderstandes gegenüber der Lotrechten schiefgezogen.Einerseits verringert sich hierdurch die Messtiefe um ein unbekanntesMaß, andererseits erfolgt ab einer gewissen Schiefe die Anströmung der Rotorennicht mehr einwandfrei, da die Geräte nur bis zu einem bestimmten Gradkardanisch aufgehängt sind._____________________________________________________________________________20

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2.4.2 OBERWASSERABFLUSSDer Oberwasserabfluss der Elbe wird u.a. am Pegel Neu Darchau ermittelt. Neu Darchauliegt zwischen Hitzacker und Lauenburg bei Elbe-km 536,4. In Abbildung 2-13 istder Pegel in blau hinterlegt worden.Abbildung 2-13: Lageplan Pegel Neu Darchau [QUELLE: DEUTSCHES GEWÄSSERKUNDLICHE JAHRBUCH 2001]Am Pegel Neu Darchau wird der Wasserstand gemessen und über eine Wasserstands-Durchfluss-Beziehung der Durchfluss ermittelt. Es stehen Tageswerte in m³/s aus 7.00Uhr-Ablesungen über einen Zeitraum von mehr als hundert Jahren zur Verfügung.Zwischen Neu Darchau und der Messstation Hanskalbssand liegen ca. 100 km. DerZwischenwasserzufluss beträgt ungefähr 10%. Für die weiteren Betrachtungen ist esausreichend, wenn diese vernachlässigt werden. In der Dokumentation sind die Pegel(in der Abbildung grün hinterlegt) und deren Abflüsse aufgeführt, aus denen sich derZwischenwasserzufluss zusammensetzt, dazu die relative Häufigkeit der Abflüsse amPegel Neu Darchau.Ähnlich stellt sich die Situation dar, wenn die Zeitdauern, die das Wasser vom PegelNeu Darchau bis zu den jeweiligen Messstationen benötigt, betrachtet werden. In derRegel ist davon auszugehen, dass das Wasser bei normalem Abfluss ca. zwei Tagebraucht bis es Hamburg erreicht. Bei erhöhtem Abfluss reduziert sich die Dauer auf_____________________________________________________________________________21

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________einen Tag [QUELLE: GEWÄSSERKUNDLICHEN DIENST HPA]. Da sich Hochwasserwellen übermehrere Tage entwickeln, können diese Zeitdifferenzen vernachlässigt werden.Für die Untersuchungen dieser Arbeit ist es zunächst von Bedeutung, dass längereZeiträume mit ähnlichen hydrologischen Randbedingungen miteinander verglichenwerden. Für den hier betrachteten Abfluss bedeutet dies, dass Zeiträume gesuchtwerden mit gleichmäßigen Abflusswerten. Die Abbildung 2-14 zeigt die Ganglinien derAbflüsse der Kalenderjahre 1997 bis 2004.Abbildung 2-14: Abfluss Neu Darchau 1997-2004In der Abbildung ist gut zu erkennen, dass die Abflussmengen grundsätzlich sehr starkschwanken. Die typischen Hochwasser treten hauptsächlich in den Frühjahrsmonatenbis Anfang Mai auf. Die selteneren Herbsthochwasser beginnen meist im Oktober. DasHochwasser August 2002 ist hier deutlich als außergewöhnliches Ereignis zum einen imMaximum und zum anderen im Zeitpunkt wahrzunehmen.Mit Ausnahme des Jahres 2002 wird insofern die Zeit zwischen Mai und Oktober fürden Untersuchungszeitraum als geeignet betrachtet. Für diesen Zeitraum mit vergleichsweiseniedrigen Oberwasserabflüssen sind prinzipiell größere ausbaubedingteVeränderungen auf Wasserstände und Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten._____________________________________________________________________________22

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2.4.3 TIDEWASSERSTÄNDEDie Tidewasserstände werden im Rahmen der Beweissicherung an der tidebeeinflusstenElbe an insgesamt 21 Pegeln gemessen. Die Lage der Messstationen ist inAbbildung 2-15 wiedergegeben. Die Pegelstandorte sind rot dargestellt.Abbildung 2-15: Ausgewählte Pegelstandorte im Untersuchungsgebiet [QUELLE: WSA HAMBURG]Die Bestimmung des Wasserstandes erfolgt an der Elbe größtenteils mit Pegeln, dieden Wasserstand durch einen in einem Rohr schwimmenden Auftriebskörper erfassen.Durch eine Mechanik wird der gemessene Wasserstand auf ein Schreibgerät übertragen.In Tabelle 2-3 sind die Namen der Messstellen und ihre Kilometrierung zusammengefasst._____________________________________________________________________________23

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Tabelle 2-3: Wasserstandsmessungen Tideelbe [Quelle: Beweissicherungsbericht 2003]Pegelname Pegel Nr. Gebiet Elbe-kmHelgoland 95100702 Deutsche Bucht -Großer Vogelsand 95100509 Außenelbe 745,6Cuxhaven-Steubenhöft 59900206 Unterelbe 724,0Otterndorf 59900104 Unterelbe 714,2Osteriff 59700954 Unterelbe 703,8Brunsbüttel Mole 4 59700557 Unterelbe 696,5Brokdorf 5970050 Unterelbe 684,2Glückstadt 5970035 Unterelbe 674,3Krautsand 5970030 Unterelbe 671,7Kollmar 5970025 Unterelbe 666,8Grauerort 5970020 Unterelbe 660,6Stadersand 5970013 Unterelbe 654,8Lühort 5960010 Unterelbe 645,5Schulau 5950090 Unterelbe 641,0Cranz 5950070 Unterelbe 634,4U.F. Blankenese 59520651 Unterelbe 634,8St. Pauli 59520505 Norderelbe 623,1Bunthaus 59520200 Obere Tideelbe 609,8Over 5950010 Obere Tideelbe 605,29Zollenspieker 5930090 Obere Tideelbe 598,20Wehr Geesthacht UP 5930081 Obere Tideelbe 585,99Die Genauigkeit bei der Bestimmung des Wasserstandes mit Schwimmerpegeln istabhängig von:1. der Genauigkeit der geodätischen Einmessung in der Höhe2. dem Zustand der Pegelmechanik (Präzision der Übertragung)3. der Sorgfalt des Pegelbeobachters (genaue Bestimmung des Wasserstandesmittels Lichtlot, genaue Bestimmung der Uhrzeit und genaue Einstellung derbeiden Variablen am Pegel)4. der Dämpfung des Pegelzulaufs (Schieberöffnung, Verschlickung)5. der Qualität der Ablesung bei analoger Aufzeichnung6. der Fehlerbehandlung bei digitaler Aufzeichnung (Postprosessing)Aus den genannten Gründen wird die Genauigkeit der Bestimmung des Wasserstandesmit ± 2-3 cm angegeben [QUELLE: GEWÄSSERKUNDLICHEN DIENST HPA.]_____________________________________________________________________________24

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2.4.4 GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG IM QUERSCHNITTDie Geschwindigkeitsverteilung in einem Querschnitt (hier Hanskalbsand) zur Flut ist inder Abbildung 2-17 dargestellt. Die Geschwindigkeitsverteilung ist mit einem AcousticDoppler Current Profiler (ADCP) 5 von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) gemessenworden. Die Messstation D1 mit zwei Messgeräten ist schematisch in den Fließquerschnitteingezeichnet worden.Abbildung 2-16: Flutgeschwindigkeit über Querschnitt [QUELLE DER GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG: BAW]Zu erkennen ist, dass die maximalen Flutgeschwindigkeiten in der rechten Fahrrinnenhälftenahe der Oberfläche auftreten. Die beiden Messgeräte, die am Rand der Fahrrinneplatziert wurden, messen eine langsamere Geschwindigkeit. Grundsätzlich ist dieStrömungsgeschwindigkeit an der Sohle durch die geringer als an der Oberfläche; anden Uferbereichen langsamer als in der Mitte der Fahrrinne. Dies ist auf die Rauheitenzurückzuführen.Analog zu den Flutstromgeschwindigkeiten gibt die Abbildung 2-17 die Geschwindigkeitsverteilungim Fließquerschnitt zur Ebbe an.5 akustisches Messgerät der Firma RDI, dass auf dem Doppler-Effekt (vgl 2.4.1.2) beruht_____________________________________________________________________________25

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 2-17: Ebbegeschwindigkeit über Querschnitt [QUELLE DER GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG: BAW]Ebenso treten die maximalen Ebbestromgeschwindigkeiten in der rechten Hälfte derFahrrinne auf. Gemessen wird durch die Geräte eine langsamere Geschwindigkeit.Dennoch kann die Geschwindigkeit an einem Punkt im Querschnitt oder in einer Messebeneim Querschnitt zu der gesamten Geschwindigkeitsverteilung in Beziehung gebrachtwerden. So können aus Veränderungen, die an einem Punkt oder in einer Ebenenachgewiesen werden, Rückschlüsse über Veränderungen der Geschwindigkeit imQuerschnitt gezogen werden.Vorraussetzung hierfür ist eine geeignete Positionierung des Messgerätes im Querschnitt.Da die Messgeräte den Schiffverkehr nicht behindern dürfen, sind die Möglichkeitender Positionierung der punktuellen Messgeräte sehr eingeschränkt. ImGegensatz dazu stellt eine Ultraschall-Durchfluss-Messanlage keine Behinderung für dieSchifffahrt dar._____________________________________________________________________________26

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________3 THEORETISCHE GRUNDLAGEN3.1 EINFÜHRUNGDas Abflussgeschehen in der Tideelbe ist charakterisiert durch ein ständig veränderlichesSpiegelgefälles und der daraus resultierenden Beschleunigung des Wasserkörpers.Hinzu kommt eine wiederkehrende Richtungsumkehr der Strömung erzeugt durch dieGezeiten.In der theoretischen Beschreibung der Strömungsvorgänge in der Unterelbe treffenzwei Fachgebiete aufeinander: zum einen die Wellentheorie, die die Wellenfortschrittsgeschwindigkeitund die Geschwindigkeit eines Wasserpartikels unter einer Welle beschreibtund zum anderen die Gerinnehydraulik, die das freie, durch Gefälle undReibung erzeugte Fließen beschreibt.3.2 GEZEITENGezeiten entstehen durch die Wirkung der Gravitationskräfte des Mondes und derSonne auf die Erde. Da die Distanz zwischen Erde und Mond viel geringer ist als zwischenErde und Sonne, sind die gezeitenerzeugenden Kräfte des Mondes, obwohl ererheblich kleiner ist, mehr als doppelt so stark wie die der Sonne. Der Mond kreist inca. 29,5 Tagen einmal um die Erde, die selbst wiederum um die Sonne kreist, alsonicht fest an einem Punkt im Weltraum steht.Die Entfernung Erde- Mond ist gerade so groß, dass die Gesamtheit der Anziehungskräftezwischen allen Masseteilchen der Erde und des Mondes im vollständigen Gleichgewichtzur Gesamtheit der Fliehkräfte auftreten. Dieses Gleichgewicht gilt nur für dieGesamtheit beider Kräfte, nicht aber für einzelne Punkte an der Erdoberfläche. Auf dergesamten mondzugewandten Erdhälfte überwiegt die Anziehungskraft, auf der mondabgewandtenHälfte die Fliehkraft. Nur im Erdmittelpunkt heben sich beide genau auf.An allen anderen Stellen verbleiben als Resultierende der beiden Kräfte kleine Restkräfte.Dies sind die gezeitenerzeugenden Kräfte.Abbildung 3-1 zeigt die gezeitenerzeugende Kraft als Resultierende aus Gravitationskraftund Zentrifugalkraft auf einem Meridionalschnitt durch die Erde_____________________________________________________________________________27

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 3-1:Kräftesystem der Gezeitenentstehung [NACH DIETRICH ET AL, 1975]Eine volle Umdrehung der Erde dauert von der Sonne aus gesehen 24 Stunden. Währenddieser Zeit bewegt sich auch der Mond weiter. Die Erde muss sich noch weitere 50Minuten drehen, damit der Beobachter auf der Erde wieder seine Ausgangsstellungzum Mond hat. Von einem Hochwasser bis zum übernächsten vergehen demnach etwa24 Stunden und 50 Minuten; zwischen zwei Hochwasser liegen 12 Stunden und 25Minuten (Mittelwert).Die gezeitenerzeugenden Kräfte sind im wesentlichen eine Überlagerung von harmonischenBewegungen der Gestirne, wie die Eigenrotation der Erde, die Rotation desMondes um die Erde und die Rotation des Erde-Mond-Systems um die Sonne. Jededieser harmonischen Bewegungen wird als Partialtide oder Teilgezeit (Tabelle Partialtidenin der Dokumentation) bezeichnet. Die wichtigsten sich aus den Überlagerungender Partialtiden ergebenden Ungleichheiten im Tideverlauf sind:Tabelle 3-1: Ungleichheiten im TideverlaufUngleichheitHalbmonatliche Ungleichheit (Spring- und Nippzeiten)Monatliche UngleichheitDeklinationsungleichheitTägliche UngleichheitNodal-TidePeriode14,77 Tage27,55 Tage13,66 Tage27,32 Tage18,6 JahreDie Ungleichheiten und ihr Einfluss auf die Wasserstände und die Strömungsgeschwindigkeitenwerden im Folgenden erläutert._____________________________________________________________________________28

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Die Zeiten zusammenfallender Mond- und Sonnentiden treten alle 14,77 Tage ein,wenn die Sonne, der Mond und die Erde in einer Linie stehen wie in Abbildung 3-2dargestellt. Dann treten besonders hoch auflaufende Tidehochwasser und weit ablaufendeTideniedrigwasser auf. Diese Phase wird Springtide genannt.Zu unterscheiden ist zwischen einer großen Springtide, die bei der Konstellation Sonne-Mond-Erde (Neumond) auftritt und einer kleinen Springtide, bei der die Erde zwischenSonne und Mond steht (Vollmond). In der erstgenannten Konstellation verstärken sichdie gezeitenerzeugenden Kräfte von Sonne und Mond, bei der zweiten wirken sie einzeln.Stehen die Achsen Sonne-Erde und Erde-Mond in einem Winkel von 90° zueinander,fallen die Berge der Mondtide mit den Tälern der Sonnentide zusammen oder umgekehrt.Zu diesen Zeiten treten niedrig auflaufende Tidehochwasser und hoch auflaufendeTideniedrigwasser auf; es herrscht Nipptide.Abbildung 3-2:: Gestirnstellungen als Ursache für Spring-Nipp-ZyklusDer Spring-Nipp-Zyklus ist in den Tidewasserständen der unteren Elbe mit einer gewissenVerzögerung zu erkennen. Die Gezeitentafeln europäischer Gewässer des Bundesamtesfür Seeschifffahrt und Hydrographie geben für Cuxhaven eine Springverspätung_____________________________________________________________________________29

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________mit 1 Tag und 10 Stunden an, d.h. die Auswirkungen der Gestirnstellungen sind inCuxhaven um diese Zeitdauer versetzt zu beobachten.Abbildung 3-3 zeigt sowohl die tatsächlich eingetretenen Scheitelwasserstände (alsGanglinie) als auch die im Voraus astronomisch berechneten (als hinterlegte Fläche)des Pegels Cuxhaven [QUELLE: GEZEITENTAFELN EUROPÄISCHER GEWÄSSER].Abbildung 3-3: Spring_Nipp Zyklus Tnw/Thw – astronomisch und eingetretenIn der Abbildung ist der Spring-Nipp-Zyklus sehr deutlich zu erkennen. Zum Neumondam Monatsbeginn ist Springtide. Nach einem Viertel des Monats bei zunehmendemMond herrscht Nipptide usw. Der Sping-Nipp-Zyklus hat ebenso Einfluss auf die FlutundEbbedauern (Abbildung 3-4)._____________________________________________________________________________30

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 3-4: Spring_Nipp Zyklus Dauern – astronomisch und eingetretenIn der Springzeit verkürzen sich die Flutdauern während sich die Ebbedauern verlängern.Zu Nippzeiten ist es genau anders herum: längere Flut- und kürzere Ebbedauern.Die monatliche Ungleichheit ist auf die wechselnde Entfernung des Mondes von derErde zurückzuführen. Die Dauer eines Umlaufs des Mondes in seiner Bahnellipse umdie Erde von einem Perigäum, so wird der erdnächste Punkt des Mondes auf seinerUmlaufbahn um die Erde bezeichnet, bis zum nächsten beträgt im Mittel 27,55 TageDieser Zeitraum wird anomalistischer Monat genannt. Bei Erdnähe, also im Perigäum,wird der Tidenhub besonders groß.Die Deklinationsungleichheit ergibt sich aus der Deklination des Mondes. Die Deklinationgibt den Winkel eines Himmelskörpers gemessen vom Himmelsäquator an. Sieist vergleichbar mit den Breitenangaben auf der Erde. Himmelskörper nördlich desHimmelsäquators haben eine positive Deklination, Himmelskörper südlich davon einenegative. Die Deklination wird in der Regel in Grad (°) angegeben. Eine Deklinationsungleichheitnimmt jeweils nach Ablauf eines halben tropischen Monats oder von13,66 Tagen wieder den gleichen Wert an. Die Deklinationsungleichheiten in Hoch- undNiedrigwasserhöhe haben bei halbtägigen Gezeiten eine Abnahme des Tidenhubs mitwachsender Deklination des Mondes zur Folge._____________________________________________________________________________31

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Die tägliche Ungleichheit wird durch die Stellung von Mond und Sonne zur rotierendenErde hervorgerufen und bewirkt eine wechselnde Erhöhung und Erniedrigungaufeinander folgender Hoch- und Niedrigwasser. Die tägliche Ungleichheit ist in derAbbildung 3-3 deutlich zu erkennen.Die Nodaltide ist ein Tidezyklus mit einer Periode von 18,61 Jahren, entsprechend desaufsteigenden mittleren Knotens der Mondbahn, d.h. dass alle 18,61 Jahre die Bahnendes Mondes und der Erde in genau dem gleichen Knoten kreuzen. In dem hier betrachtetenUntersuchungszeitraum spielt die Nodeltide keine entscheidende Rolle. Dennochmuss sie gerade bei der Bewertung von langfristigen Änderungen der Tidewasserscheitelbetrachtet werden.3.3 LINEARE WELLENTHEORIEDie klassische lineare Wellentheorie wurde von LAPLACE (1749-1827) und AIRY (1801-1892) entwickelt. Obwohl Airy seine Theorie für Gezeitenwellen entwickelte, wird sieheute als die grundlegende Theorie zur Beschreibung kurzer Wellen verwendet. Sie hatfür die meisten Wellenphänomene eine Erklärung parat [QUELLE: MALCHAREK].In der Wellentheorie wird von einer ungestörten Welle ausgegangen, die weder durchSohlreibung noch anderen Beschränkungen verändert wird, also eine ideale Welle ist.Die Zusammenhänge zwischen Wasserstand und Strömungsgeschwindigkeit einerungestörten Welle gibt die Abbildung 3-5 wieder. Zu sehen ist, dass in der ungestörtenWelle die maximalen Geschwindigkeiten während der Scheitelwasserstände auftreten.Die Kenterpunkte, also die Zeitpunkte zur Strömungsumkehr, liegen ungefähr mittigzwischen den beiden Scheitelpunkten._____________________________________________________________________________32

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 3-5: Ungestörte Tidewelle [NACH ZANKE]DIETRICH [1975] schreibt über die Wahrnehmung von Wellenbewegung:„Ein ungeübter Beobachter an Bord eines Schiffes oder an der Küste unterliegt beimAnblick der unaufhörlich an ihm vorbeilaufenden Wellen leicht der Täuschung, dass dieWassermasse jedes Wellenberges sich an ihm vorüberwälzt. Tatsächlich aber zeigt sich,wenn man die Bahn eines im Wasser schwebenden Körpers verfolgt, dass dieser nichtmit den Wellen fortschreitet, sondern sich nur hin und her und gleichzeitig auf und abbewegt. Er beschreibt die so genannte Orbitalbahn. Es ist die Form der Meeresoberflächeund nicht das Wasser, was fortschreitet.“Das Wasserteilchen bewegt sich wie in Abbildung 3-6 zu sehen ist auf einer Orbitalbahnmit dem Radius H/2 (halbe Wellenamplitude). Es wird deutlich, dass der ungestörteVerlauf des Flutstroms (in Wellenfortschrittsrichtung) solange besteht, wie der Wasserstandoberhalb H/2 liegt. Entsprechend besteht Ebbstrom bei Wasserständen unterH/2. Der Strom kentert bei Wasserständen in H/2._____________________________________________________________________________33

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 3-6: Rotation eines Wasserteilchens auf der Orbitalbahn der WelleDie Geschwindigkeit eines sich in der Welle bewegenden Wasserteilchens ist aufgeteiltin eine horizontale Geschwindigkeitskomponente u und eine vertikale Geschwindigkeitskomponentew.Neben der bereits bekannten Wellenhöhe H lassen sich Wellen durch die WellenlängeL, die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c und die Wellenperiode T beschreiben(siehe Abbildung 3-7). Die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit lässt sich berechnenLdurchc = .TWeiterhin ist die lokale Auslenkung η gegeben, die sich infolge der Wellenbewegungeinstellt. Die lokale Auslenkung η bezieht sich auf den Ruhewasserspiegel RWS. Diemomentane Wasserspiegelhöhe ist mit h aufgeführt. Die Lage der Sohle ist demzufolgez=-h.Abbildung 3-7: Definitionen von Wellenkenngrößen [NACH ZANKE]_____________________________________________________________________________34

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abhängig von der Wassertiefe h lassen sich für die lineare Wellentheorie drei Bereichemit jeweils hergeleiteten Rechenansätzen definieren. Der Tiefwasserbereich ist gegebendurch das Verhältnis h/L > 1/2, der Übergangsbereich durch 1/25 < h/L < 1/2 undder Flachwasserbereich durch h/L < 1/25.Für die Tidewelle zwischen Geesthacht und Cuxhaven (Distanz= 138 km) lässt sich mitder Periode 12,5 h eine mittlere Wellengeschwindigkeit von 7,06 m/s berechnen. Darausergeben sich eine Wellenfortschrittsgeschwindigkeit von 5,08 m/s und eine Wellenlängevon 316 km. Es gilt also für h/L

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________horizonzale Orbitalgeschwindigkeit [m/s]3,002,502,001,501,000,50h=5h=10h=12h=150,000,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50H (Tidehub) [m]horizontale Orbitalgeschwindigkeit [m/s]7,006,005,004,003,002,001,00H=4H=3H=2H=10,000,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00h [m]Abbildung 3-8: horizontale Orbitalgeschwindigkeit für verschiedene Tidehübe (oben) und Wassertiefen(unten)_____________________________________________________________________________36

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________3.4 DISKUSSION TIDEWELLEDie aus der offenen See kommenden, in die Randmeere, Buchten und Flussmündungeneinlaufenden Tidewellen können erheblich verändert werden durch:- Topographie und Morphologie der Meere und Küsten- Sohlenreibung- Reflexion/ Teilreflexion (das Zurückwerfen der Wellen an einer Wand)- Überlagerung zeitlich versetzter Teilwellen- Oberwasserzustrom in Flussmündungen- Temperatur- und Salzgehaltsdifferenzen- Windstaueffekte- Diffraktion (die Wellenausbreitung hinter einem Hindernis)- Shoaling (das Aufsteilen der Wellen bei senkrechtem Anlaufen eines ansteigendenUnterwasserstrandes)- Refraktion (die Beugung der Wellen bei schrägem Anlaufen eines ansteigendenUnterwasserstrandes (zusätzlich zum Shoaling))Besonders hervorgehoben werden sollen hier für die Tideelbe die Einwirkungen derReflexion und der Reibung.An Wehr Geesthacht sowie am alten Elbtunnel, der einen erheblichen Geländesprung inder Sohle der Elbe darstellt, wird die einlaufende Welle reflektiert. Aber auch in Kurvendes Flusses werden Teilreflexionen wirksam. Mit steigendem Reflexionsgrad rücken dieKenterpunke näher an den Scheitel der Tidewelle. Die Lage der Kenterpunkte kann alsoals ein Indikator für den Reflexionsgrad gelten.Die Sohlenreibung wirkt sich ebenfalls auf die Form der Tidewelle aus. Die Wirkung derSohlenreibung verstärkt sich nach stromauf aufgrund abnehmender Wassertiefe. DieSohlenreibung hat deswegen größeren Einfluss auf niedrige oder fallende Wasserständeund ist bei hohen oder steigenden Wasserständen geringer. Somit wird die Tidewelledurch Reibung in ihrer Fortschrittsgeschwindigkeit verformt. Eine mittlere Tidewelledes Pegels Lühort und eine mittlere Strömungsganglinie sind in der Abbildung 3-9dargestellt._____________________________________________________________________________37

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 3-9: Verhältnis Wasserstand – Strömungsgeschwindigkeit [erweitert nach DIN 4049]Unter Reibung werden die Tidekurven von der Nordsee flussaufwärts immer unsymmetrischer:Die Steigdauer verkürzt sich, die Falldauer wird länger; die Stromkenterungliegt weiter stromauf dichter an den Scheiteln als an der Mündung. Nach der Beschreibungvon DIETRICH [1975] nähert sich dabei die lange „Tidewelle“ schließlich hinsichtlichder Strömung dem Charakter einer stehenden Welle, bleibt nach ihrerOberflächenform aber – da Knoten und Bäuche fehlen – eine fortschreitende Welle._____________________________________________________________________________38

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Dies gilt vornehmlich für den Anstiegsteil, da der Tidefall weitgehend gradlinig verläuft,als ob sich ein gefülltes Becken entleert.Insoweit stellte SIEFERT [1997] sich die Frage, ob man Tiden in Randmeeren und Ästuarenals „Wellen“ ansehen und behandeln darf. Im Gegensatz zu Windwellen in tiefemWasser (h>L/2) weist z.B. die Tide in der Nordsee eine Länge von etwa 1000 km beiWassertiefen zwischen 100 und 10 m auf, was allenfalls den Bedingungen von Wellenin extrem flachen Wasser entspricht. Er weist zudem darauf hin, dass eine Tidekurvenicht ein Profil einer „Tidewelle“ darstellt; die Tidekurve zeigt Höhen über die Zeit aneinem festen Ort (η(t)), also eine Schwingung; ein Profil muss Wasserstände über eineStrecke (η(x)) darstellen.Demzufolge kann die Tideentwicklung in Ästuarien als durch Wasserspiegelgefälleerzwungene Bewegung erklärt werden, wobei die Gefälle von See durch die Tidewasserständeund von oberhalb durch das Oberwasser und die vorhergegangene Tidegesteuert werden. Es liegt daher nahe, den Vorgang mit Hilfe von Fließformeln zubeschreiben.3.5 GERINNEHYDRAULIKIn der Gerinnehydraulik wurden Fließformeln entwickelt, die den Zusammenhang zwischender Strömungsgeschwindigkeit v und den Randbedingungen des Gerinnes wieWassertiefe h, Querschnittseigenschaften A und l U , Gefälle I und Wandungsbeschaffenheitdarstellen._____________________________________________________________________________39

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Auf GAUCKLER, MANNING UND STRICKLER (GMS) geht die empirische Fließformel zurück.vmST2 / 3hy1/ 2E= k ⋅ r ⋅I(3.1)mit:v m [m/s] über den Querschnitt gemittelte Geschwindigkeitk ST [m 1/3 /s] Rauheitsbeiwertr hy [m] hydraulischer RadiusA Fließquerschnitt[m²]= =lUbenetzterUmfang[m]I E [-] Energieliniengefälleh = vlWerden für die untere Elbe z.B. die folgenden Werte (mit k St = 34 m 1/3 /s für „natürlicheFlussbetten mit mäßigem Geschiebetrieb“) eingesetzt, so ergibt sich eine mittlere Geschwindigkeitvon 1,02 m/s; ein realistischer Wert.o k St 34 m 1/3 /s [SCHNEIDER-BAUTABELLEN]o A aus dem Querprofil ermittelto l U aus dem Querprofil ermittelto h v 3,50 m Tidehub (auf -1,40 mNN bezogen)o l 100 km Distanz Cuxhaven-HamburgStreng genommen gilt die GMS-Formel jedoch nur für den stationär gleichförmigenAbfluss._____________________________________________________________________________40

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________4 AUSWERTUNGEN4.1 ANALYSE GRUNDSÄTZLICHER EINFLÜSSE AUF DIE TIDESTRÖMUNG4.1.1 OBERWASSERDer Oberwasserzufluss beeinflusst vorwiegend das obere Tidegebiet bis zum HamburgerHafen. Die Oberwassermengen sind in diesem Gebiet im Verhältnis zu den Tidewassermengenverhältnismäßig groß.Ein erhöhter Oberwasserabfluss führt im und hinter dem Hamburger Hafen zu geringenWasserstandsanhebungen. Das Wasser kann sich in den stetig zunehmenden Querschnittendes Hafens verteilen und fließt durch die vergleichsweise großen Querschnitteunterstrom schnell ab.Anhand eines extremen Oberwasserabflusses wird der Einfluss des Oberwassers auf dieStrömungsgeschwindigkeiten in der unteren Elbe untersucht. Ausgewählt wurde alsgrößter in dem Untersuchungszeitraum aufgetretener Abfluss das Augusthochwasser2002. In Abbildung 4-1 wird der Oberwasserabfluss den Strömungsgeschwindigkeitenan der Messstation Bunthaus Süd (km 609,2) und an der Messstation Hanskalbsand(km 643,0) gegenüber gestellt.In Bunthaus bleiben die Geschwindigkeiten bei steigendem Abfluss negativ, es herrschtausschließlich Ebbeströmung. Je nach Tidephase ist diese Ebbeströmung allerdingsschneller oder langsamer._____________________________________________________________________________41

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________400035003000Q [m³/s]2500200015001000500001.08.02 16.08.02 31.08.02 15.09.021,51Bunthaus-Süd km-609,20,5v [m/s]0-0,5-1-1,5-201.08.02 16.08.02 31.08.02 15.09.021,51Hanskalbsand km-643,00,5v [m/s]0-0,5-1-1,5-201.08.02 16.08.02 31.08.02 15.09.02Abbildung 4-1: Einfluss des Oberwassers auf die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten am BeispielAugusthochwasser 2002_____________________________________________________________________________42

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________In Hanskalbsand, ca. 34 km von Bunthaus stromab hinterm Hafen, ist keine deutlicheVeränderung der maximalen Geschwindigkeiten in diesem Zeitraum zu erkennen. DerVerlauf der Ganglinie schwankt in einer für diese Station normalen Größenordnung.Als weiterer Indikator für den Oberwassereinfluss wird das Verhältnis von Flutstromdauerzu Ebbestromdauer (D f / D e ) betrachtet. Das Verhältnis von Flutstromdauer zuEbbestromdauer unterscheidet sich für jede Messstation. Grundsätzlich gilt: Je näherdie Messstelle Richtung Nordsee liegt, desto mehr nähert sich das Verhältnis D f / D egegen 1, d.h. die Flutstromdauer nimmt im Verhältnis zur prinzipiell längeren Ebbestromdauerzu.In Abbildung 4-2 ist das Verhältnis D f / D e von mehreren Messstationen zwischen demHamburger Hafen und Brunsbüttel für den Zeitraum des Augusthochwassers 2002aufgetragen. Die Ganglinien wurden mit einem gleitenden Mittel über 5 Werte geglättet.Es ist zu erkennen, dass sich bei hohen Oberwasserabflüssen die Ebbestromdauerverlängert. Die Flutstromdauer nimmt demzufolge ab. Das Verhältnis D f / D e wird kleiner.Dieser Einfluss des Oberwassers nimmt jedoch mit wachsender Entfernung vom HamburgerHafen ab. Während bis zur Messstation D4 (km 676,5; Nähe Brokdorf) eineVeränderung der Ganglinie festzustellen ist, kann für die beiden folgenden Stationenaufgrund ihrer grundsätzlich höheren Schwankungen der Einfluss nicht eindeutig bestimmtwerden._____________________________________________________________________________43

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________400035003000Q [m³/s]2500200015001000500015.07.2002 30.07.2002 14.08.2002 29.08.2002 13.09.2002 28.09.20021,05D1 km-643,0 D2 km-651,3 D3 km-664,7D4 km-676,5 LZ1 km-693,6 LZ2 km-708,90,95Verhältnis Df/De [-]0,850,750,650,5515.07.2002 30.07.2002 14.08.2002 29.08.2002 13.09.2002 28.09.2002Abbildung 4-2: Einfluss des Oberwassers auf das Verhältnis Flutstromdauer zu Ebbestromdauer am BeispielAugusthochwasser 2002Zwei gegenläufige Effekte kommen durch den Oberwassereinfluss zum Tragen: zumeinen bewirkt ein erhöhter Oberwasserabfluss eine Verschiebung der Flutstromgrenzenach unterstrom. Dies ist in Abbildung 4-1 an der Messstation Bunthaus zu erkennen.Somit kann es zu keiner oder geringeren Flutstromgeschwindigkeiten kommen. Ande-_____________________________________________________________________________44

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________rerseits wird die Flutstromdauer durch einen erhöhten Oberwasserabfluss verkürzt(Abbildung 4-2). Die kürzere Dauer erzeugt bei gleichem Tidehub eine Vergrößerungder Flutstromgeschwindigkeiten.Festzuhalten bleibt somit, dass das Oberwasser die Strömungsgeschwindigkeit in derunteren Elbe sichtbar nur bis zum Hamburger Hafen beeinflusst. Im und hinter demHafen kann das Wasser durch vergrößerte Querschnitte frei abfließen, so dass durchden Oberwasserabfluss unterstrom keine bedeutsame Erhöhung des Wasserstandesund eindeutige Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit mehr nachzuweisen ist.4.1.2 METEOROLOGISCHE EINFLÜSSEDer Wind ist ein weiterer Parameter, der die Strömungsgeschwindigkeit und den Tidewasserstandbeeinflusst. Die Wirkung des Windes auf das Wasser wird angegeben alsWindstau. Der Windstau ist das Ergebnis der durch Wind auf die Wasseroberflächeausgelösten Schubspannungen. Die Größe des Windstaus ist deshalb abhängig von derLänge des Fetches 6 , der Windgeschwindigkeit, der Windrichtung und zusätzlich örtlichvon der Wassertiefe. Somit ist der Windstau die durch den Wind bedingte Differenzzwischen der astronomischen Tide und den tatsächlich eingetretenen Wasserständenam jeweiligen Ort.6 Länge über die ein Windfeld wirksam ist_____________________________________________________________________________45

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 4-3: Definition Windstaukurve [Quelle: Siefert]RHODE (1967) schreibt über die Strömungsgeschwindigkeit bei Sturmfluten: „Bei einemkleinen Hub (Tidehub) in hoher Lage 7 ist die Geschwindigkeit klein, bei großem Hub intiefer Lage ist sie besonders groß. So ist zu erklären, dass häufig bei Sturmfluten verhältnismäßigkleine Geschwindigkeiten auftreten.“Im Rahmen dieser Arbeit ist eine detaillierte Untersuchung der Strömungsgeschwindigkeitenwährend Sturmfluten nicht möglich, da im Untersuchungszeitraum zu wenigeDaten vorliegen. Das Thema ist überdies äußerst komplex und müsste in einer eigenständigenUntersuchung bearbeitet werden.4.1.3 TIDEWASSERSTÄNDEEin Wasserspiegelgefälle initiiert Strömung. Wie bereits in Kapitel 3.4. in der Diskussionum die Tidewelle angerissen, müsste also das Wasserspiegelgefälle η(x) zwischen zweiOrten untersucht werden.7 Lage = vorlaufendes Tideniedrigwasser_____________________________________________________________________________46

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 4-4:Wasserspiegelneigung über den Ort [Quelle: http://www.rettet-dieelbe.de/1kapitel/12deiche.htm]Da die Pegelwasserstände stark von örtlichen Faktoren beeinflusst sind, können füreinen Vergleich von zwei benachbarten Pegeln die gemessenen Daten nicht verwendetwerden. Hierfür ist ein numerisches Modell notwendig. Weitere Abbildungen der Tidewellesind in der Dokumentation zu finden.Zur Verfügung für die Auswertungen steht die Tidekurve, die die Wasserstandsveränderungan einem Ort über die Zeit gibt η(t)._____________________________________________________________________________47

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 4-5:Wasserspiegelneigung über die ZeitEs lassen sich aus der zeitlichen Veränderung des Wasserspiegels an einem Ort η(t)auch Zusammenhänge auf die Höhenlage des Wasserspiegels η(x) feststellen. FürSinuswellen sind diese Zusammenhänge eindeutig, bei der Tidewelle sind sie wesentlichkomplexer. Die in dieser Arbeit gewählte Vorgehensweise ist es, die Tideparameteraus der Tidekurve mit den Strömungsparametern zu korrelieren. Auf diese Art könnenmorphologische bedingte Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit von Veränderungen,die andere Parameter auf die Strömungsgeschwindigkeit haben, unterschiedenwerden.4.1.3.1 SPRING-NIPP-ZYKLUSDer Spring-Nipp-Zyklus ist in den Strömungsgeschwindigkeiten ebenfalls wieder zufinden. Analog zu den Untersuchungen über den Einfluss des Spring-Nipp-Zyklus aufdie Tidescheitelwerte ist untersucht worden, ob die Strömungsgeschwindigkeiten ebenfallsoffensichtlich auf den Spring-Nipp-Zyklus reagieren (Abbildung 4-6)._____________________________________________________________________________48

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________1,5maximalen Geschwindigkeiten [m/s]10,50-0,5-1Mai 200330. 02. 04. 06. 08. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. 26. 28. 30. 01.Abbildung 4-6: Spring_Nipp Zyklus maximale Ebbe- und FlutstromgeschwindigkeitenDeutlich wird, dass die maximalen Ebbe- und Flutstromgeschwindigkeiten ebenfalls imRahmen des Spring-Nipp-Zyklusses beeinflusst werden. Die maximalen Flutstromgeschwindigkeitenschwanken im Verlauf des dargestellten Monats in einer Größenordnungvon ca. 25 cm/s, die Schwankungen der maximalen Ebbegeschwindigkeit sindgeringer und liegen bei 15 cm/s.4.1.4 ANTHROPOGENE EINGRIFFEDie Tidedynamik in einem Ästuar wird durch die Topographie (Morphologie), den O-berwasserzufluss und die von See einschwingende Tidewelle mit ihren meteorologischinduzierten Veränderungen beeinflusst. Die damit einhergehenden Strömungsvorgängetreten in Wechselwirkung mit der Morphologie und bilden so die Grundlage für ständigeVeränderungen.Der künstliche Eingriff durch eine Fahrrinnenanpassung überlagert die natürlichenVorgänge. Es entsteht eine Interaktion zwischen beiden mit eigenständigen Auswirkun-_____________________________________________________________________________49

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________gen. Grundsätzlich lassen sich aber folgende physikalische Wirkungsmerkmale identifizieren:Durch Vertiefung entsteht eine Stärkung der Hauptrinne. Sie wird im Verhältnis zu denNebenrinnen- und Flachwasserbereichen hydraulisch glatter, da die Wirkung der Sohlrauheitsich auf eine größere Tiefe verteilt. Die von See einschwingende Tidewelleunterliegt damit einer geringeren Dämpfung und Reflexion, so dass mehr Tideenergiedas Ästuar stromaufwärts gelangt. Daher rührt eine Zunahme des Tidehubs. Die Veränderungder Strömungsgeschwindigkeit unterliegt der Wechselwirkung zwischen einerAbnahme, die durch die Querschnittsaufweitung bedingt ist, und einer Zunahme, diesich aus dem größeren Tidevolumen ergibt (Tidehubzunahme). Über den Querschnittbetrachtet werden die Strömungsgeschwindigkeiten in der Hauptrinne gestärkt und inden Nebenbereichen geschwächt.4.2 PARAMETER BETRACHTUNG4.2.1 EINFÜHRUNGSowohl die Größe als auch die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit ändert sichfortlaufend mit Zeit und Ort. Die Strömungsverhältnisse geben deshalb ein ständigwechselndes Bild, dessen Beschreibung sich auf einige wenige charakteristische Kenngrößenbeschränken muss. Ziel dieser Arbeit ist es, ausbaubedingte Veränderungen aufdie Tideströmung zu analysieren. Eine Diskussion um ausbaubedingte Wasserstandsänderungenwird im Rahmen dieser Arbeit nicht geführt.Die Auswertungen können im Zuge dieser Arbeit nur exemplarisch für eine Messstationvorgenommen werden, da eine Untersuchung aller Stationen in dem vorgegebenenZeitrahmen zu aufwändig und datenintensiv gewesen wäre.Ausgewählt wurde die Dauerströmungsmessstation D1 –Hanskalbsand mit dem zugehörigenPegel Lühort. Die Messstationen liegen oberhalb der Trübungszone und damitaußerhalb der unbekannten Dichteströmung. Zudem sind sie nicht so stark dem Oberwassereinflussausgesetzt wie die Messstelle Bunthaus. Die Daten der Messstelle Teufelsbrückweisen aufgrund einer Haverie an der Messstelle sehr große Datenlücken auf._____________________________________________________________________________50

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Die genaue Lage der beiden Messstationen wird in der Abbildung 4-7 ersichtlich. Diebeiden Stationen sind ca. 2,5 km voneinander entfernt, beide sind am südlichen Elbeufergelegen.Abbildung 4-7: Lageplan der Messstelle D1 Hanskalbssand und Pegel Lühort; Digitales Geländemodell2002 [Quelle: Bericht zur Beweissicherung 2003; Materialien CD 3A)Wie in Kapitel 3 ausführlich erläutert, stellt sich die Strömung aufgrund einer Neigungdes Wasserspiegels ein. Vor diesem theoretischen Hintergrund kann vermutet werden,dass der Parameter „maximale Strömungsgeschwindigkeit (F und E_max)“ mit demParameter „Tidehub (Thb)“, der hier für die Differenz von Wasserspiegellagen an einemfesten Ort (dem Pegel) über die Zeit (Tidedauer) steht, auf einem beschreibbarenZusammenhang gebracht werden kann.Dazu ist in Abbildung 4-8 die Flut- und Ebbeströmungsgeschwindigkeiten (jeweilsMaximum und Mittelwert einer Tidephase) über die 6 untersuchten Jahre aufgetragen.Auf einer zweiten Skala ist der Tidehub in hellblau mit einem gleitenden Mittel über 250Werte in dunkelblau abgebildet._____________________________________________________________________________51

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2F_max F_d E_max E_d Tidehub_Lühe61,55Strömungsgeschwindigkeit [m/s]10,50-0,5-1-1,5-24321Hanskalbsand OberflächeJan. 98Apr. 98Jul. 98Okt. 98Jan. 99Apr. 99Jul. 99Okt. 99Jan. 00Apr. 00Jul. 00Okt. 00Jan. 01Apr. 01Jul. 01Okt. 01Jan. 02Apr. 02Jul. 02Okt. 02Jan. 03Apr. 03Jul. 03Okt. 03Tidehub [m]0Abbildung 4-8: Geschwindigkeit Hanskalbsand Oberfläche im Untersuchungszeitraum mit TidehubWie die Ganglinienverläufe zeigen ist die Strömungsgeschwindigkeit sowohl in der Flutalsauch in der Ebbephase längerfristigen Schwankungen unterworfen. Die größereBandbreite der maximalen Strömungsgeschwindigkeiten verspricht eindeutigere Beziehungen.Die Flutwerte und die Ebbewerte schwanken unterschiedlich stark. Während die Flutgeschwindigkeitregelmäßig zum Winterhalbjahr steigt und im Frühjahr wieder abnimmt,sind diese Schwankungen bei der Ebbegeschwindigkeit nur bis zum Frühjahr 2001 zubeobachten. Anschließend nimmt die Ganglinie der Ebbegeschwindigkeiten einengleichmäßigen, leicht ansteigenden Verlauf. Ein genereller Trend ist bei der Flutgeschwindigkeitaufgrund der ausgeprägten jahreszeitlichen Schwankung nicht auszumachen.Ein Ansteigen der positiv aufgetragenen Flutgeschwindigkeiten ist gleichbedeutend miteiner schneller fließenden Flutströmung. Demgegenüber bedeutet ein Ansteigen dernegativen Ebbegeschwindigkeiten eine Verlangsamung der Ebbeströmung.Um ausschließen zu können, dass dieser Verlauf ein lokales Phänomen ist und nur ander Messstation Hanskalbsand Oberfläche auftritt, sind ebenfalls die Werte der Statio-_____________________________________________________________________________52

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________nen Hanskalbsand Sohle und D2 Juelsand ausgewertet worden. Im Ergebnis weisen dieGanglinien an beiden Stationen ein vergleichbares Muster auf.Der Tidehub verläuft im Untersuchungszeitraum ebenfalls unregelmäßig. Der Ganglinienverlaufdes gleitenden Mittels zeigt, dass in den Frühjahren 1998, 1999 und 2000der Tidehub besonders hoch ist, während er in den Herbsten dieser Jahre besondersniedrig ist. Wie bereist beschrieben nehmen die maximalen Flutströmungen einenähnlichen Verlauf.Trotzdem es auffällt, dass der Anstieg der Flutstromgeschwindigkeiten in Zeiträumenstattfindet, in denen der Oberwasserabfluss in der Regel höher liegt, wird nicht erwartet,dass der Oberwasserabfluss mit den Strömungsgeschwindigkeiten in einem offensichtlichenZusammenhang steht (vgl. Kapitel 4.1.1) Dennoch erfolgt eine Auftragungder maximalen und mittleren Strömungsgeschwindigkeiten mit dem Oberwasserabflussin Abbildung 4-9. Wie vermutet, ist zwischen den beiden Parametern kein offensichtlicherZusammenhang erkennbar.2F_max F_d E_max E_d Abfluss401,530Strömungsgeschwindigkeit [m/s]10,50-0,5-1-1,5-2Hanskalbsand OberflächeJan. 98Apr. 98Jul. 98Okt. 98Jan. 99Apr. 99Jul. 99Okt. 99Jan. 00Apr. 00Jul. 00Okt. 00Jan. 01Apr. 01Jul. 01Okt. 01Jan. 02Apr. 02Jul. 02Okt. 02Jan. 03Apr. 03Jul. 03Okt. 0320100-10-20Abfluss [100 m³/s]Abbildung 4-9: Geschwindigkeit Hanskalbsand Oberfläche im Untersuchungszeitraum mit Abfluss_____________________________________________________________________________53

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________4.2.2 KORRELATION DER TIDEPARAMETERUm den qualitativ beschriebenen Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeitund dem Tidehub mathematisch beschreiben zu können, wird in der Abbildung4-10 jede der vier Geschwindigkeitsparameter, Maximal- und Mittelwerte für Flut undEbbe dem Tidehub gegenübergestellt. Die durch die sich dabei ergebenden Punktewolkengelegten Regressionsgeraden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadratezeigen eine funktionale Beziehung. Die Güte der Regression wird durch das Bestimmtheitsmaß,welches ebenfalls in dem Diagramm angegeben ist, dargestellt.Das Bestimmtheitsmaß wird in der Statistik dazu verwendet, den Zusammenhang vonuntersuchten Datenreihen (Variablen) bei der Varianz-, Korrelations- undRegressionsanalyse anzugeben. Das Bestimmtheitsmaß wird oft mit R² abgekürzt undliegt zwischen 0 (kein Zusammenhang) und 1 (starker Zusammenhang).21,51F_maxF_dE_maxE_dy = 0,1695x + 0,649R 2 = 0,0945v [m/s]0,50-0,5y = 0,1087x + 0,3567R 2 = 0,124y = -0,1002x - 0,2304R 2 = 0,1115-1-1,5y = -0,1067x - 0,4886R 2 = 0,05441,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00Tidehub [m]Abbildung 4-10: Verhältnis Geschwindigkeit zu Tidehub Hanskalbsand OberflächeDie Güte der in Abbildung 4-10 dargestellten Regressionsgeraden ist unbefriedigend. Esist zu erkennen, dass die Regressionsgeraden von Flut und Ebbe unterschiedlicheSteigungen haben._____________________________________________________________________________54

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Ein linearer Regressionstyp weist auf eine physikalische Beziehung mit der Orbitalgeschwindigkeit(vgl. Abbildung 3-8: horizontale Orbitalgeschwindigkeit für verschiedeneTidehübe (oben) und Wassertiefen (unten)). Hier geht der Tidehub linear in die Formelzur Berechnung der Geschwindigkeit ein.Anlehnend an die Gauckler-Manning-Strickler-Formel, in die das Energieliniengefälle alsWurzel I E eingeht, ist zusätzlich ein potentieller Regressionstyp für die Flutgeschwindigkeitengewählt worden. Für die maximale Flutgeschwindigkeit ergibt sich die Regressionsfunktiony=0,69x 0,47 mit einem Bestimmtheitsmaß R 2 =0,11 und für die mittlereGeschwindigkeit y=0,39x 0,5 mit R 2 =0,14. Die Güte der Regression verbessert sich durcheine Potenzregression. Zudem liegt die Potenz in der Nähe der durch die GMS-Formeltheoretisch vorgegebenen von 0,5. Dies deutet auf eine nichtlineare Korrelation zwischenStrömungsgeschwindigkeit und Wasserstandsänderung hin.Wie bereits festgestellt ist die Güte der Regression weder linear noch potentiell zufriedenstellend. Die Streuungen der Daten um die Geraden sind sehr hoch. Da die Regressionüber einen sehr langen Zeitraum gemacht wurde, stellt sich die Frage, ob ausanderen Gründen die Güte der Regression so schlecht ist. Die Datensätze könnten überden Zeitraum einem Trend unterliegen oder der Einfluss anderer Parameter hat sichverändert._____________________________________________________________________________55

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________0,80,6F_max/Thb F_d/Thb E_max/ThbE_d/ThbTidehub760,45v/Thb [1/s]0,204Thb [m]3-0,22-0,41-0,6Jan. 98Apr. 98Jun. 98Sep. 98Dez. 98Mrz. 99Jun. 99Sep. 99Dez. 99Mrz. 00Jun. 00Sep. 00Dez. 00Mrz. 01Jun. 01Sep. 01Dez. 01Mrz. 02Jun. 02Sep. 02Dez. 02Mrz. 03Jun. 03Sep. 03Dez. 030Abbildung 4-11: Verhältnis Geschwindigkeit zu Tidehub Hanskalbsand Oberfläche im UntersuchungszeitraumAuffallend in der Abbildung 4-11 ist, dass die zuvor in den Ganglinien der Strömungsgeschwindigkeitbeobachteten Schwankungen hier ebenfalls zu sehen sind. Die Kurvendes Verhältnisses Geschwindigkeit/ Tidehub zeigen jedoch keine signifikanten Trendsoder andere Auffälligkeiten, die weitere Interpretationen über die Geschwindigkeiterlauben.Somit bleibt festzustellen, dass der Tidehub alleine nicht der passende Parameter zusein scheint, der die Wasserspiegelneigung repräsentieren kann und aus dem sich einfunktionaler Zusammenhang zur Berechnung der maximalen Geschwindigkeiten ergibt.Zuvor wurde beobachtet, dass die Regressionsgeraden für Ebbe und Flut unterschiedlicheSteigungen haben, die Flut- und Ebbestromgeschwindigkeiten also unterschiedlichauf den Tidehub reagieren. Diese Beobachtung führt zu der Überlegung, den Tidehubnicht als Ganzes der Geschwindigkeit gegenüber zu stellen._____________________________________________________________________________56

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________8Folgerichtig wird der Tidehub „aufgeteilt“ in den Tidestieg ( Tidestieg = THW − TNW 1)und den Tidefall ( Tidefall= TNW2−THW9 ). Der jeweilige Differenzwasserstand wirddurch die Dauer des Stieges bzw. Falls geteilt, so dass sich die Geschwindigkeiten desStieges und des Falls berechnen lassen. Die Geschwindigkeit des Tidestiegs wird denmaximalen Flutstromgeschwindigkeiten gegenübergestellt. Die Geschwindigkeit desTidefalls wird den maximalen Ebbestromgeschwindigkeiten gegenübergestellt. So wirdnur noch die Geschwindigkeit der Wasserstandsänderung der Tidekurve mit der jeweiligenStrömungsgeschwindigkeit ins Verhältnis gesetzt, in dessen Zeitraum die maximaleGeschwindigkeit auftritt.Da der Tidefall negativ ist, unterscheidet sich die Abbildung 4-12 in der Darstellung desKoordinatensystems.F_maxF_dE_maxE_d21,51y = 3206,6x + 0,6629R 2 = 0,1516v [m/s]0,5y = 4043,8x - 0,0436R 2 = 0,19940y = 2388,5x + 0,3118R 2 = 0,2703-0,0003 -0,0002 -0,0001 0,0000 0,0001 0,0002 0,0003-0,5-1y = 4284,3x - 0,2922R 2 = 0,0963-1,5Stieg [m/s]Fall [m/s]Abbildung 4-12: Verhältnis Geschwindigkeit zu Tidestieg oder Tidefall Hanskalbsand Oberfläche8 TNW 1 = vorlaufendes Niedrigwasser9 TNW 2 = nachlaufendes Niedrigwasser_____________________________________________________________________________57

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Die Güte der Regression hat sich nicht in einem erwähnenswerten Maß gebessert. Auchdie potentielle Regression kann die Güte der Regression nicht entscheidend verbessern.Somit muss auch hier der Schluss gezogen werden, dass trotz der richtigen Überlegung,der maximalen Flutströmung der Geschwindigkeit des Wasserspiegelanstiegs undder maximalen Ebbeströmung die Geschwindigkeit des Wasserspiegelfalls gegenüberzustellen,es nicht gelungen ist, eine mathematische Beschreibung für die Geschwindigkeitzu finden.Die parametrischen Untersuchungen der Strömungsgeschwindigkeit haben zu keinemErfolg geführt. Es müssen weitere Überlegungen durchgeführt werden, um zu einerDarstellung des Zusammenhangs zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wasserspiegelneigungzu gelangen.Wird sich noch einmal die Abbildung 3-9: Verhältnis Wasserstand – Strömungsgeschwindigkeit[erweitert nach DIN 4049] vergegenwärtigt, so tritt in diesen mittlerenKurven der Maximalwert des Flutstromes in kurzem zeitlichen Abstand hinter demTideniedrigwasser und dem Ebbstromkenterpunkt auf. Der Abstand zum Tideniedrigwasserbeträgt ca. 2 h. Im Gegensatz dazu beträgt die Dauer des Tidestiegs ca.5 h30 min. Von diesem Zeitraum sind für die maximale Strömungsgeschwindigkeit alsonur die ersten zwei Stunden von Bedeutung. Demzufolge sind auch nur die Wasserstandsänderungenin diesem Zeitraum ausschlaggebend. Ziel der weiteren Auswertungenmuss es sein, die Wasserstandsänderungen in diesem Zeitraum näher zuuntersuchen. Dazu können keine parametrischen Untersuchungen mit den Tidescheitelwertendurchgeführt werden, sondern die Ganglinie des Wasserstandes muss alsZeitreihe analysiert werden.4.3 ZEITREIHENANALYSE4.3.1 ANALYSE DER TIDEGRADIENTEBei der Analyse der Wasserstände besteht die Möglichkeit, nicht nur den Wasserstandzu einem Zeitpunkt zu untersuchen, sondern die Auslenkung des Wasserspiegels übereinen Zeitraum. Diese Wasserspiegelauslenkung ist die Gradiente des Wasserstandes,_____________________________________________________________________________58

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________also die erste Ableitung nach der Zeit η’(t). Die Gradiente beschreibt somit die Geschwindigkeitmit der sich der Wasserspiegel zu einer bestimmten Zeit ändert.Der Zusammenhang zwischen dem Wasserstand, der Gradiente und der Strömungsgeschwindigkeitist in der folgenden Abbildung für eine gesamte Tide dargestellt. DieKurven sind jeweils über 3 Monate gemittelt und vertikal normiert, um über eine y-Achse dargestellt werden zu können.Diese Kurven sind für die gewählten Messstationen repräsentativ. Andere Messstellenliefern ein anderes Bild.η'_maxv_maxThwGradiente der mittlerenTidekurvemittlere GeschwindigkeitskurveHanskalbsandZeitversatzmittlere TidekurveLühortTnwminuten-60060120180240300360420480540600660720780Abbildung 4-13: Verhältnis Wasserstand – Strömungsgeschwindigkeit - Gradiente der mittleren GanglinienDie Gradiente beträgt in den Scheitelpunkten der Tidekurve Null. Das Maximum erreichtdie Gradiente innerhalb der ersten Stunde nach Tideniedrigwasser. Anschließendfällt die Kurve der Gradiente deutlich ab bis sie auf einem mittleren Niveau bleibt vondem das weitere Abfallen nahezu linear verläuft. In diese Phase fällt die maximaleFlutgeschwindigkeit. Nach einem weiteren Nulldurchgang zum Zeitpunkt des Tidehochwassersverläuft die Gradiente in der Ebbephase relativ konstant, was auf den mehr_____________________________________________________________________________59

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________oder weniger gleichförmigen Ablauf der Wassermengen der Tide und des Oberwassershindeutet.Zwischen dem Maximum der Gradiente und der maximalen Flutgeschwindigkeit ist einZeitversatz. Zu erklären ist der Zeitversatz mit der Trägheit der Wassermassen. Ebensowie die Wassermassen eine gewisse Zeit brauchen, bis sie nach dem Durchlaufen einesScheitelpunktes des Wasserstandes ihren Schwung verlieren und durch die geänderteWasserspiegellage einem Richtungswechsel unterliegen, brauchen sie ebenfalls länger,um die Energie aus dem Wasserspiegelgefälle aufzunehmen und in Strömungsgeschwindigkeitumzusetzen.Nicht außer Acht gelassen werden darf zudem das gesamte Tidegeschehen unter- undoberhalb der Messstation. Wenn z.B. in Lühort Tideniedrigwasser ist, sind unter- undoberhalb der Messstation höhere Wasserstände, die zum einen fallen (oberstrom) undzum anderen steigen (unterstrom). Das Strömungsgeschehen in Hanskalbsand setztwird von den umliegenden Bedingungen beeinflusst.4.3.2 EINFLUSS VON SPRING-NIPP-ZYKLUS AUF GRADIENTEDer indirekte Einfluss des Spring-Nipp-Zyklus auf die Ganglinie der Gradiente ist ebenfallsuntersucht worden. In Abbildung 4-14 fällt auf, dass die negativen Gradienten inihrem Maximum kaum schwanken während bei den positiven Werten der Gradientedeutliche Schwankungen der Maxima zu erkennen sind._____________________________________________________________________________60

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 4-14: Spring_Nipp Zyklus GradienteBemerkenswert ist, dass die Gradiente überproportional stark auf den Spring-Nipp-Zyklus reagiert. Dies ist damit zu erklären, dass in den Springzeiten nicht nur ein besondersgroßer Tidehub vorherrscht, sondern auch die Flutdauer besonders kurz ist(vgl. Abbildung 3-3: Spring_Nipp Zyklus Tnw/Thw – astronomisch und eingetretensowie Abbildung 3-4: Spring_Nipp Zyklus Dauern – astronomisch und eingetreten).Dies hat in der Springzeit große Werte der Gradiente zur Folge. Anders herum ist beiNippzeit der Tidehub besonders klein und die Flutdauer besonders lang. Für einengeringen Wasserstandsanstieg ist eine lange Zeitdauer vorhanden; die Gradienten sindklein.4.3.3 PARAMETRISIERUNG DER GRADIENTENIn den Untersuchungen zum Spring-Nipp-Zyklus wurde bereits deutlich, dass die Gradientestark schwankt. Um mit der Gradienten weitere Auswertungen vornehmen zukönnen, werden zusätzliche Kenngrößen zur Beschreibung der Gradienten eingeführt.Abbildung 4-15 zeigt ein Dreieck, dass durch zwei Tangenten (rot) aufgespannt wird.Die Tangenten sind an den steigenden m (Stieg) und fallenden m (Fall) Ast der Gradientenangelegt worden. Der Schnittpunkt dieser beiden Tangenten und somit sieSpitze des Dreiecks ist der Punkt y s ._____________________________________________________________________________61

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Schnittpunkt ysm (Stieg)m (Fall)08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00Abbildung 4-15: Parametrisierung Gradiente4.3.3.1 UNTERSUCHUNG EINES ABSCHNITTS DER TIDEKURVE MITGRADIENTENPARAMETERNDie Strömungsgeschwindigkeit steht mit der Beschleunigung der Wasserspiegelneigungin einem noch nicht näher beschriebenen Zusammenhang. Natürlich hat auch die Profilforman der Messstelle einen Einfluss auf die Wasserspiegelneigung wie ein Vergleichder Messstellen Lühort (mit Profilausweitung) und St. Pauli (ohne Profilausweitung)deutlich zeigt. Diese Untersuchungen dienen dem weitergehenden Verständnis für dieZusammenhänge zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wasserstand. Auf den Einflussvon Wasserständen, Wellen und Strömungsgeschwindigkeit auf die Ufer wird nichteingegangen.Besonders interessant an dem dargestellten Pegel Lühort ist die „Ausbeulung“ derWasserstandskurve (Abbildung 4-16)._____________________________________________________________________________62

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________η'_maxv_maxZeitversatzminuten060120180Abbildung 4-16: Ausschnitt „Ausbeulung“ WasserstandsganglinieNach dem steilen Anstieg der Wasserstandsganglinie kommt es nach 2-3 Stunden zueinem Abflachen der Kurve. An der Messstation kann also beobachtet werden, dass derWasserstand erst recht schnell und dann nur noch langsam ansteigt. Zu ungefährdiesem Zeitpunkt erreicht die Strömungsgeschwindigkeit ihr Maximum. Die Ursache fürdas Abflachen der Wasserstandsganglinie liegt in dem sich mit steigendem Wasserstandaufweitenden Fließquerschnitt. Dies wird zum Beispiel in der Fließformel (vgl.Kapitel 3.5: Gerinnehydraulik) über den hydraulischen Radius rhy berücksichtigt.Um diesen Zusammenhang zu überprüfen ist in Abbildung 4-17 ein Querprofil der Elbebei km 644,6, unweit von dem Pegel Lühe (Elbe-km 645,5) aufgetragen. Eingezeichnetin das Querprofil sind das mittlere Tideniedrigwasser und das mittlere Tidehochwasser.Das MTnw liegt bei 0 m unter KN (-1,40 mNN). Das MThw liegt umgerechnet bei1,8 mNN. In der Abbildung ist zu erkennen, dass zwischen diesen beiden Höhen eineauffallende Querschnittserweiterung vorhanden ist._____________________________________________________________________________63

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Abbildung 4-17: Querprofil mit Vorländern des Elbekm 644,6 bei Lühe [Quelle: Beweissicherungsbericht2003, Materialien CD]Es wird davon ausgegangen, dass die maximale Beschleunigung und der Punkt derflacher werdenden Wasserstandsganglinie immer in den gleichen Wasserspiegelhöhenauftreten. Die maximale Beschleunigung wird durch die Kenngröße y s wiedergegeben.Der andere Punkt spannt die Tangente am abfallenden Ast der Gradiente auf und istauch bekannt. Für die beiden Zeitpunkte pro Tide werden die Wasserstände über mehrereMonate herausgesucht.Die Untersuchungen sind in der Dokumentation aufgeführt. Ergebnis der Untersuchungist, dass für die beiden Zeitpunkte stark schwankende Wasserstände zugeordnet wurden.Diese Ergebnisse werden auf die Art der durchgeführten Untersuchungen zurückgeführt(mathematisches Ermitteln der Wasserstandseintrittszeiten).Im Vergleich mit der bisher untersuchten Messstation werden die Wasserstandsganglinieund deren Gradiente des Pegels St. Pauli aufgetragen (Abbildung 4-18). Der PegelSt. Pauli liegt am nördlichen Hafenrand in der Norderelbe. An dieser Stelle hat dasGewässer keine Vorländer. So ist festzustellen, dass das Bild der beiden Ganglinien sichvon dem bisher bekannten unterscheidet. Die Wasserstandsganglinie beult nicht so auswie diejenige des Pegels Lühort. Die Gradiente zeigt, dass am Pegel St. Pauli die Wasserspiegelneigunggleichmäßiger beschleunigt._____________________________________________________________________________64

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________0,00060,0004St. Pauli0,0002[-]0-0,0002-0,0004-0,000609:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00Abbildung 4-18: Ganglinie St. Pauli und GradienteUm die „Ausbeulung“ der Wasserstandsganglinie und ihr Einfluss auf den Zusammenhangzwischen Gradiente und Strömungsgeschwindigkeit näher zu analysieren, wärenweitere eigenständige Untersuchungen notwendig.4.3.3.2 UNTERSUCHUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT MITGRADIENTENPARAMETERNEs wurde herausgearbeitet, dass die Beschleunigung des Wasserstandanstiegs zu dermaximalen Strömungsgeschwindigkeit mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung inBeziehung steht. Nun wird untersucht, ob die Kenngröße y s (maximale Beschleunigungder Wasserspiegelneigung) zu der maximalen und der mittleren Flutströmungsgeschwindigkeitauf einem funktionalen Zusammenhang beruht (Abbildung 4-19.)_____________________________________________________________________________65

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________1,81,61,4F_maxF_dy = 701,31x + 0,9943R 2 = 0,1533Geschwindigkeit [m/s]1,210,80,60,4y = 653,02x + 0,496R 2 = 0,56460,200,00015 0,0002 0,00025 0,0003 0,00035 0,0004 0,00045 0,0005 0,00055ys [m/s]Abbildung 4-19: Verhältnis F_max und F_d /y sDie lineare Regression liefert kein zufrieden stellendes Ergebnis; bei einer potentiellenRegression wird R² nur wenig größer. Allerdings ist eine Verbesserung der Güte derRegression zu den vorherigen Untersuchungen festzustellen.Die Verhältnisse F_max/ y s und F_d/ y s werden in Abbildung 4-20 über einen Zeitraumvon sieben Monaten dargestellt, um zu überprüfen, ob die Streuungen normalverteiltsind oder periodischen Schwankungen unterlegen sind. Die Verhältnisse wurden normiert.Deutlich zu erkennen ist der Einfluss des Spring-Nipp-Zyklus durch die Aufteilung der x-Achse in 14,77 Tages-Schritten. Zur weiteren Analyse von Zusammenhängen sind demDiagramm der Tidehub und die maximalen Geschwindigkeiten hinzugefügt worden,wobei der Tidehub auf die Größenordnung der Geschwindigkeit umgerechnet wurde.Ziel ist es, die Schwankungen der Ganglinien vergleichbar zu machen._____________________________________________________________________________66

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________4F_max/ys F_d/ys Tidehub F_max2Strömungsgeschwindigkeit/ ys [1/s]3,532,521,510,5001.05.0315.05.0330.05.0314.06.031,510,50-0,5-1-1,5-229.06.0313.07.0328.07.0312.08.0327.08.0310.09.0325.09.0310.10.0325.10.0309.11.0323.11.0308.12.0323.12.03Abbildung 4-20: F_max/Gradiente und F_d/ Gradiente über die ZeitDie Schwankungen des Verhältnisses Strömungsgeschwindigkeit zu y s nehmen zu denWintermonaten zu. Hierbei verstärken sich die Effekte von Geschwindigkeit und Wasserstandsänderungin den Nippzeiten. Die Geschwindigkeit wird kleiner, ebenso dieGradiente. Die beiden Verkleinerungen stehen allerdings nicht in einem proportionalenVerhältnis, sondern die Auswirkungen auf die Gradiente sind überproportional groß.Das Verhältnis zum Punkt y s alleine kann somit den Einfluss der Gradienten auf dieStrömungsgeschwindigkeit nicht zum Ausdruck bringen.Die Analyse der Gradienten wird mit den weiteren Kenngrößen fortgeführt. InAbbildung 4-21 werden für einen Zeitraum von mehreren Monaten die Steigungen derbeiden Tangenten m(Stieg) und m(Fall) aufgetragen.Es ist deutlich zu erkennen, dass die Steigungen der ansteigenden Tangente in einerweiteren Bandbreite schwanken als die Steigungen der Fallenden. Aufgrund der augenscheinlichrhythmischen Schwankungen der Steigungen wurde eine Sinuswelle mit derPeriode 14,8 hinter die Punkte gelegt, um auch hier die Abhängigkeit vom Spring-Nipp-Zyklus zu beschreiben._____________________________________________________________________________67

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________0,050m(Stieg) m(Fall) SinuskurveBeschleunigung [m/s²]0,0250,000-0,02501.05.03 15.05.03 30.05.03 14.06.03 29.06.03 13.07.03 28.07.03Abbildung 4-21: Beschleunigung des WasserspiegelneigungAuf einer Gegenüberstellung der Steigungen mit den Strömungsgeschwindigkeiten wirdverzichtet, da auch die Steigungen überproportionalen Schwankungen unterlegen sind.Die bisherigen Untersuchungen haben aufgezeigt, dass aufgrund dieser überproportionalenSteigungen eine einfache Gegenüberstellung der Kengrößen der Gradiente undder maximalen Strömungsgeschwindigkeit keine Erfolge erzielt. Die großen Schwankungender Gradiente werden durch eine Mittelung der Gradiente gedämpft, um dieStrömungsgeschwindigkeit in einen funktionalen Zusammenhang mit der Wasserspiegelneigungzu stellen.4.3.4 DARSTELLUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT ÜBER DIE GRADIENTEMit den bisher vorgenommen Untersuchungen ist es nicht gelungen, das Maximum derStrömungsgeschwindigkeit mit einer Kenngröße der Tidekurve oder der Gradienten ineine mathematische Funktion zu bringen. Es wurde dargestellt, dass die positive Gradientesowohl vom Tidehub als auch von der Dauer des Tidestiegs abhängt und somitgrößeren Schwankungen unterworfen ist. Die Strömungsgeschwindigkeit kann aufgrundder Trägheit der Wassermassen diese zum Teil sehr kurzfristigen starken_____________________________________________________________________________68

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Schwankungen nicht nachvollziehen. Es dürfen also nicht nur Einzelzustände betrachtetwerden, sondern es muss auch die Trägheit, die in dem ganzen Prozess der Wasserstandsänderungsteckt, berücksichtigt werden. Eine Mittelwertbildung der Gradientenist dafür geeignet.Allerdings wird der Mittelwert nicht wie üblich um den betrachteten Zeitpunkt gebildet,sondern es erfolgt eine Rückwärtsbetrachtung, denn es ist für die Strömungsgeschwindigkeitvon Bedeutung, mit welcher Dynamik sich der Wasserstand in einem zurückliegendenZeitraum verändert hat. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die aktuelleGradiente für die aktuelle Strömungsgeschwindigkeit nicht wirksam ist.Zu vergleichen ist diese Art der Betrachtung mit Untersuchungen über die Entwicklungvom Windstau bei Sturmfluten, bei denen ebenfalls nicht die augenblickliche Situationausgewertet wird, sondern die Windentwicklung der vorangegangenen 2-3 Stunden.Es wird also von dem aktuellen Zeitpunkt aus eine Rückwärtsbetrachtung durchgeführt.Die passende Zeitspanne der Betrachtung ergibt sich durch die konkrete Fragestellung:Um das Maximum der Strömungsgeschwindigkeit über die Gradiente abbilden zu können,sind längere Zeiträume notwendig. Im Sinne einer allgemeingültigen Formulierungauch des abfallenden Astes der Strömungsgeschwindigkeit erweist sich eine Betrachtungüber 100 Minuten als optimal.Für den Zeitraum Mai bis Juli 2003 ist das Verhältnis von maximalen gemessenenStrömungsgeschwindigkeiten (F_max) zu den über die Gradiente reproduzierten Wertenin Abbildung 4-22 aufgetragen worden. Die reproduzierten Werte sind über 100Minuten vom Zeitpunkt der F_max gemittelt worden.Die Größenordnung der errechneten Werte stimmt noch nicht mit den gemessenenStrömungsgeschwindigkeiten überein und muss für weitere Betrachtungen umgerechnetwerden._____________________________________________________________________________69

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________1,75History=100Min von Mai-Juli 031,501,25F_max [m/s]1,000,75y = 80,704x 0,5121R 2 = 0,58140,500,250,000 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004errechneter WertAbbildung 4-22: Regression mit 100-min-GradientenmittelwertEs ist zu sehen, dass die Güte der Regression, die sich zwar zu den vorherigen Untersuchungenverbessert hat, nicht so gut ist, dass von einem deutlichen mathematischenZusammenhang gesprochen werden kann. Eine Darstellung der maximalen Strömungsgeschwindigkeitüber die Mittlung der Gradienten ist somit nicht ohne Qualitätsverlustemöglich.Der Verlauf der Ganglinien der maximalen Strömungsgeschwindigkeiten „gemessen“und „errechnet“ über mehrere Monate ist in der Abbildung 4-23 dargestellt. Die Fehlerabweichungdes Verhältnisses ist auf der zweiten y-Achse aufgetragen und beträgtnicht mehr als ± 10%._____________________________________________________________________________70

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________1,4v_errechnet v_gemessen v_err/v_gem50%1,340%Strömungsgeschwindigkeit [m/s]1,21,110,930%20%10%0%Fehlerabweichung0,801.05.03 15.05.03 30.05.03 14.06.03 29.06.03 13.07.03-10%Abbildung 4-23: gemessene und errechnete maximale Strömungsgeschwindigkeit; FehlerabweichungÜber die Mittelung der Gradienten ist es ebenfalls möglich, den ganzen Verlauf derGeschwindigkeitsganglinie nachzubilden wie in Abbildung 4-25 gezeigt. In dieser Abbildungsind eine über mehrere Monate gemittelte Wasserstandskurve und eine gemittelteStrömungsganglinie aufgetragen. Aus der mittleren Wasserstandsganglinie ist dieGradienten errechnet worden und aus dieser wurde mit dem oben beschriebenenVerfahren die Strömungsganglinie nachgebildet._____________________________________________________________________________71

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________2,5v_gemessen v_errechnet Gradiente Wasserstand2,01,51,00,50,0-0,5-1,0-1,5minuten0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720Abbildung 4-24: Darstellung der Geschwindigkeitsganglinie über die mittlere GradienteÜber weite Strecken passen die Ganglinien der gemittelten Strömungsgeschwindigkeitund der errechneten gut überein. Lediglich der Abfall nach dem Maximum ist bei dererrechneten Kurve stärker und der Abfall nach dem Nulldurchgang ist schwächer alsder der gemittelten Kurve.Dass dies nicht nur für die oben dargestellte mittlere Geschwindigkeitsganglinie gilt,zeigt die Abbildung 4-25, in der die beiden Ganglinien über mehrere tage aufgetragensind. Die Nachbildung der Strömungsgeschwindigkeitsganglinie funktioniert für beliebiglange Zeiträume mit unterschiedlichen Tidehüben._____________________________________________________________________________72

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________3,00v_gemessen v_errechnet Gradiente Wasserstand2,001,000,00-1,00-2,0001.05. 02.05. 03.05. 04.05. 05.05. 06.05.Abbildung 4-25: Darstellung der Geschwindigkeitsganglinie über die Gradiente über mehrere Tage4.4 BEWERTUNG DER ERGEBNISSE FÜR DIE AUSWIRKUNG DERFAHRRINNENANPASSUNGDie Strömung in der Unterelbe ist von vielen natürlichen und anthropogenen Einflussgrößenabhängig, die in Wechselbeziehungen zueinander stehen. Ziel dieser Arbeit wares, die Strömungsgeschwindigkeit insoweit von den natürlichen hydrologischen Einflüssenwie Oberwasserabfluss und Tidewasserstände „reinigen“ zu können, dass alleingroßräumige morphologische Einflüsse wie die Vertiefung der Fahrrinne für die restlichenVeränderungen übrig bleiben.Prinzipiell besteht bei den durchgeführten Untersuchungen die Schwierigkeit, dass eineWasserspiegelneigung über den Ort als Initiator der Strömungsgeschwindigkeit betrachtetwerden müsste. Dies ist jedoch nicht möglich und es wird stattdessen eineWasserspiegelneigung über die Zeit betrachtet (Kapitel 4.1.3). Die theoretischenGrundlagen und hier insbesondere die Behandlung der Fließformel nach GAUKLER-MANNING-STRICKLER (Kapitel 3.5) machen zudem deutlich, dass die Strömung nichtalleine von einer Wasserspiegelneigung abhängt. Bevor es jedoch möglich sein kann,_____________________________________________________________________________73

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________eine Korrelation zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und mehreren anderen Größenherzustellen, müssen die einzelnen Größen untersucht werden. Die Fließformelliefert insofern Hinweise auf die Größen, dass neben der Wasserspiegelneigung nochder hydraulische Radius und ein Rauheitsbeiwert in die Berechnung der mittleren Strömungsgeschwindigkeiteingehen.Obwohl die Fließformel streng genommen nur für den stationär gleichförmigen Abflussgilt, liefert sie bei einem Manning-Strickler Beiwert von k St = 34 m 1/3 /s für die betrachteteStation Hanskalbsand realistische Geschwindigkeiten. Zur Plausibilitätskontrollewerden die in der UVU prognostizierten Änderungen mit der Fließformel nachgerechnet.Wenn man für das Spiegelliniengefälle näherungsweise den Quotienten Tidehubzur halber Wellenlänge einsetzt, liefert GMS für einen Tidehub von 3,50 m eine mittlereGeschwindigkeit von 1,02 m/s. Die UVU erwartet eine Vergrößerung des Tidehubsdurch die Fahrrinnenanpassung von maximal 0,11 m für den Pegel St. Pauli, was lautGMS zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit von 0,02 m/s führen würde.Anders herum erwartet die UVU eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeiten vonmaximal 0,03 m/s. Dies ergäbe mit GMS eine Zunahme des Tidehubs von 0,20 m. Dieprognostizierten Änderungen liegen also im Bereich der Mess- und Auswertegenauigkeitender Strömungssensoren. Schon diese Betrachtung zeigt, dass eine Identifizierungvon sehr kleinen prognostizierten Änderungen der Strömungsgeschwindigkeitenaus den sehr großen Schwankungen unterworfenen Naturmessungen nicht realistischist.Grundsätzlich ist die Strömungsgeschwindigkeit in Hanskalbsand (Elbe km-643,0)starken saisonalen Schwankungen unterlegen (Abbildung 4-8). Diese Schwankungensind ebenfalls an der Station Juelsand (Elbe km-651,3) zu sehen. Besonders in denWintermonaten ist zu beobachten, dass die Flutstromgeschwindigkeit stark ansteigenund dann im Frühjahr wieder fällt. Diese saisonalen Schwankungen im Gang der maximalenFlutstromgeschwindigkeiten lassen sich weder mit dem Tidehub noch mit den imWinterhalbjahr grundsätzlich größeren Oberwasserabflüssen korrelieren.Bekannt ist, dass sich wenige Kilometer oberstrom der Messstation Hanskalbsand eineKlappstelle (Neßsand) für umlagerungsfähiges Baggergut befindet. Die Umlagerungenkönnen aufgrund der sauerstoffzehrenden Belastung für die Stromelbe ausschließlich inden Wintermonaten durchgeführt werden. So kann vermutet werden, dass möglicherweisegrößere Mengen des kontinuierlich umgelagerten Materials, welches mit dem_____________________________________________________________________________74

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Ebbstrom Richtung Nordsee transportiert werden soll, im Bereich der Messstationensedimentiert und es somit zu einer Verengung des Querschnittes und damit zu einerErhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten kommt. Nach Rücksprachen mit der Baggergutunterbringungder HPA konnte bestätigt werden, dass es zumindest im Bereichder Klappstelle zu Sedimentationen von Sand gekommen ist. Allerdings sind dieseSedimentationen kontinuierlich über die letzten Jahre aufgewachsen und wurden erstvor kurzem gebaggert. Folglich ist dies keine Begründung für den wiederkehrendensaisonalen Anstieg der maximalen Strömungsgeschwindigkeiten, sondern die Sedimentationmüsste sich durch einen längerfristigen Anstieg der Geschwindigkeiten ausdrücken.Dies ist für die vorliegenden Daten nicht der Fall.Ob als Ursache für die saisonalen Schwankungen andere kurzfristige periodische morphologischeVeränderungen in Frage kommen, die durch Bodenerosion an der Sohleoder vom Vorland verursacht wurden, wäre in einer vertiefenden Studie unter Einbeziehungkontinuierlicher hydrographischer Vermessungen zu untersuchen. Hierzu müsstendie Vermessungsdaten des WSA Hamburg der 14-tägig durchgeführtenFahrrinnensicherungsmessungen aufbereitet und analysiert werden.Neben diesen möglichen morphologischen Einflüssen auf die Strömungsgeschwindigkeitist eine auffällige Synchronität der Maximalgeschwindigkeiten zur Temperatur desWassers zu verzeichnen. Selbst wenn bekanntermaßen die Viskosität des Wassers mitder Temperatur korreliert, scheint ein physikalischer Zusammenhang zur Strömungsgeschwindigkeitin der beobachteten Größenordnung nicht plausibel.Da sich auch eine mögliche indirekte Beeinflussung der Messgrößen durch die verwendeteMesstechnik nicht ausschließen lässt, kann im Rahmen dieser Untersuchungenkeine abschließende Bewertung dieses Phänomens vorgenommen werden.Aufgrund der physikalisch nicht erklärbaren sehr großen saisonalen Schwankungen dermaximalen Strömungsgeschwindigkeiten kann somit auch keine statistisch abgesicherteAussage zum Einfluss der Fahrrinnenvertiefung auf die Veränderung von Strömungsgeschwindigkeitengemacht werden._____________________________________________________________________________75

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICKZiel dieser Arbeit war es, die vorliegenden Daten aufzubereiten und sie mit statistischenVerfahren auf Veränderungen zu untersuchen. Dabei sollen wechselnde äußere Einflussgrößen(Oberwasser, Tidenhub, Gezeiteneinfluss) berücksichtigt werden, so dassunterschiedliche hydrologische Situationen vor und nach der Fahrrinnenanpassungmiteinander verglichen werden können.Das Oberwasser, der Tidehub und Tidestieg/Tidefall unter sind unter Einbeziehung desGezeiteneinflusses hinsichtlich ihres Einflusses auf die Strömungsgeschwindigkeit untersuchtworden. Es wurde versucht, die maximalen und mittleren Strömungsgeschwindigkeitenüber die Kenngrößen der Tidekurve darzustellen. Grundsätzlich solltegelten, dass bei höheren Tidehüben größere Strömungsgeschwindigkeiten herrschen.Doch nicht nur die absolute Wasserstandsänderung hat Einfluss auf die Geschwindigkeit,sondern auch die „Ausgangssituation“, sprich das vorlaufende Tideniedrigwasser.Dies konnte in den Auswertungen nicht berücksichtigt werden, ebenso wenig die obenangesprochenen weiteren Parameter wie der mit dem Wasserstand variierende hydraulischeRadius. Somit ist es nicht gelungen eine zufrieden stellende Korrelation zwischenden Tidekennwerten und der Strömungsgeschwindigkeit herzustellen, mit der es möglichwäre, ausbaubedingte Veränderungen in den Strömungsgeschwindigkeiten herauszufiltern.Da aus den Erkenntnissen der Parameterbetrachtung deutlich wurde, dass die statischeBetrachtung der Tidekenngrößen nicht ausreicht, den dynamischen Prozess der Strömungzu beschreiben, ist im weiteren die Gradiente des Wasserstandes, also die Geschwindigkeit,mit der sich die Wasserstandsänderung vollzieht, eingeführt worden.Aber auch die Korrelationen mit den neu eingeführten Kenngrößen der Gradiente scheitertenaus den o.g. Gründen. Die Untersuchungen lieferten dafür wichtige Erkenntnissefür das Verstehen des komplexen Vorgangs der Strömungsverhältnisse in einem Tideästuar.Es wurde deutlich, wie die Prozesse in dem Ästuar funktionieren und wie wichtigdie Rolle der Gradienten ist.In einem abschließenden Schritt ist es gelungen, die vollständige Ganglinie der Strömungsgeschwindigkeitenunter Einbeziehung der vorausgegangenen Geschichte derGradiente in guter Näherung nachzubilden._____________________________________________________________________________76

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________Dieses ist insofern als Erfolg zu werten, da nun die Datenlücken der Zeitreihen aufgefülltwerden können und ebenfalls Geschwindigkeitsganglinien für Zeiträume, in denendie Geschwindigkeit nicht gemessen wurde, erstellt werden können.Besonders interessant ist dieses Ergebnis im Hinblick auf die vielfältigen Fragestellungen,die sich im Zusammenhang mit dem Thema Sedimenttransport infolge des Tidal-Pumpings ergeben. Vor dem Hintergrund der erhöhten Baggermengen im HamburgerHafen wächst der Bedarf nach einem größeren Verständnis der Zusammenhänge imElbeästuar, um diesem Phänomen entgegensteuern zu können. Hierfür liefert dieseArbeit wichtige Erkenntnisse.Die aufwändigen statistischen Untersuchungen sind im Rahmen dieser Arbeit für nureine der 13 Messstationen des Monitoringprogrammes der Beweissicherung durchgeführtworden. In einem nächsten Schritt müssen die Erkenntnisse auf die anderenPegel übertragen werden.Um das Ziel dieser Arbeit erreichen zu können, müssen die Untersuchungen über denZusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wasserspiegelneigung mitAngaben über das Fließprofil verbunden werden. Die Fließformel weist bereits daraufhin, dass in die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit nicht nur eine Wasserspiegelneigungeingeht, sondern zusätzlich Informationen über den hydraulischen Radiusnotwendig sind. Allerdings gilt die Fließformel originär nur für stationär gleichförmigeVerhältnisse. In einem weiteren Schritt müssen zudem die Wasserstandsänderungenund die Durchflussänderungen über den Weg in die Untersuchungen einbezogen werden.Darüber hinaus muss der Durchfluss über die Zeit betrachtet werden, um dieinstationären ungleichförmigen Verhältnisse beschreiben zu können, die in der unterenElbe vorliegen.Es wurde aufgezeigt, dass eine Synchronität der maximalen Flutgeschwindigkeiten zurWassertemperatur vorliegt. Diese Synchronität wirft die Frage auf, ob es einen Temperatureinflussggf. als Auslöser anderer physikalischer Prozesse gibt.Hinsichtlich der Beweissicherung läge ein Optimum für belastbare Aussagen der Beweissicherungin einer intelligenten Kombination aus in-situ Messungen und Modellrechnungen.Dabei ist es zunächst erforderlich bei der Aufstellung einesBeweissicherungsmonitorings die Messstellen und Messzeiträume mit Hilfe eines Modellsdahingehend zu optimieren, dass die Messlokationen und Messzeiten möglichst_____________________________________________________________________________77

UNTERSUCHUNGEN ZUR ENTWICKLUNG DER TIDESTRÖMUNG_____________________________________________________________________________repräsentativ für das Regime in der jeweiligen Umgebung sind und die jährlichen Entwicklungenvor, während und nach der Ausbaumaßnahme wiedergibt. Wünschenswerthierfür sind insgesamt drei Messlokationen pro Querschnitt: eine im Fahrwasser, eineim Übergangsbereich (die bestehende) und eine im Flachwasserbereich. Da es schwierigist, im Fahrwasser dauerhaft einen Strömungssensor zu installieren, sollten Messkampagnengefahren werden, die ausreichend Datenmaterial liefern (Spring- undNippzeiten unter Ost- und Westwind), um in einem Modell die Geschwindigkeitsverteilungim Querschnitt wiedergeben zu können. Um die für den Schwebstofftransport unddie zunehmende Verlandung der Nebenelben besonders interessante Fragestellung derFlut- und Ebbstromverhältnisse beantworten zu können müssen im Flachwasserbereichspezielle Messgeräte eingesetzt werden, die für Messungen auf Wattflächen geeignetsind._____________________________________________________________________________78

LITERATURVERZEICHNIS_____________________________________________________________________________LITERATURCOASTAL ENGINEERING RESEARCH CENTER – CERC (1984)Shore Protection Manual Volume I. US Army Corps of Engineers, Washington 1984BWK- BERICHT (2000)Hydraulische Berechnung von naturnahen Fließgewässern, Düsseldorf 2000BUNDESAMT FÜR SEESCHIFFFAHRT UND HYDROGRAPHIE (2002)Gezeitentafeln europäischer Gewässer 2003., Hamburg-Rostock 2002DIETRICH, G. ET AL (1975)Allgemeine Meereskunde. Gebrüder Borntraeger Berlin Stuttgart 1975FREIE UND HANSESTADT HAMBURG, BEHÖRDE FÜR WIRTSCHAFT UND ARBEIT, STROM- UNDHAFENBAU (2005)Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. Elbegebiet Teil III 2001,LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT WASSER (1992)Pegelvorschrift, Anlage D. Verlag Paul Parey, Hamburg BerlinRHODE, H. (1967)Strömungsverhältnisse und Wassermengen der Tideelbe (19960-1966); inRHODE, H. (1971): Eine Studie über die Entwicklung der Elbe als Schifffahrtsstraße,Mitteilungen des Franzius-Instituts, Heft 36, 1971_____________________________________________________________________________I

LITERATURVERZEICHNIS_____________________________________________________________________________SCHNEIDER, KLAUS-JÜERGEN HRSG. (2004)Bautabellen. Werner Verlag NeuwiedSCHRÖDER, RALPH C.M. (1994)Technische Hydraulik. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1994SIEFERT, WINFRIED (1997)Küsteningenieurwesen –Tiden und Sturmfluten-. Vorlesungs-Skriptum, TU Hamburg-HarburgWASSER- UND SCHIFFFAHRTSAMT HAMBURG, STROM UND HAFENBAU (2003)Bericht zur Beweissicherung 2003 Version 3.0ZANKE, ULRICH C.E. (2002)Hydromechanik der Gerinne und Küstengewässer. Parey Buchverlag Berlin 2002_____________________________________________________________________________II

LITERATURVERZEICHNIS_____________________________________________________________________________INTERNET GLOSSARBUNDESAMT FÜR SEESCHIFFFAHRT UND HYDROGRAPHIEBegriffe aus der Gezeitenkundehttp://www.bsh.de/de/Meeresdaten/Vorhersagen/Gezeiten/808.jspStand: 01.08.05BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU (2000)KFKI-Forschungsvorhaben „Sturmfluten“; Abschlussbericht „Untersuchung regionalerWindwirkungen, hydrodynamischer Systemzustände und Oberwassereinflüsse aufdas Sturmflutgeschehen in Tideästuaren,http://kfki.baw.de/fileadmin/projects/E_34_852_Lit.pdfStand: 06.07.05BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU, STROM- UND HAFENBAU (2004)KFKI-Forschungsvorhaben „Charakterisierung der Tidekurve“; Endberichthttp://www.baw.de/vip/abteilungen/wbk/Projekte/nordsee/KFKI_BERICHT_BAW_00.pdfStand: 23.05.05CENTER FOR APPLIED COASTAL RESEARCHVelocities Under Water Waveshttp:// www.coastal.udel.edu/faculty/rad/linearplot.htmlStand: 05.07.05FÖRDERKREIS „RETTET DIE ELBE“ EV_____________________________________________________________________________III

LITERATURVERZEICHNIS_____________________________________________________________________________Tidewelle im Längsverlauf - Modell der Universität Hamburghttp:// www.rettet-die-elbe.de/1kapitel/12deiche.htmStand: 06.09.05MALCHEREK, ANDREASHYDROMECHANIK DER OBERFLÄCHENGEWÄSSERhttp://www.baw.de/vip/abteilungen/wbk/Methoden/hnm/nummeth/nummeth1.pdfStand: 19.04.05TECHNISCHE UNIVERSITÄT HAMBURG-HARBURG, WASSERBAU, RIVER AND COASTAL ENGINEERINGHydraulik - Gerinneströmungenhttp://elbe.wb.tu-harburg.deStand: 03.08.05UNIVERSITY OF DELAWARE, OCEAN INFORMATION CENTERIntroduction to physical oceanographyhttp://www.cms.udel.edu/mast602/outline.htmStand: 09.08.05WASSER- UND SCHIFFFAHRTSAMT CUXHAVENBeweissicherungsdatenbankhttp://www.cux.wsd-nord.de/htm/zustimm.aspStand: 30.06.05_____________________________________________________________________________IV

DOKUMENTATION

DOKUMENTATION______________________________________________________________________________INHALTSVERZEICHNIS1 UNTERSUCHUNGSGEBIET 11.1 OBERWASSERABFLUSS 22 QUERSCHNITTE DER MESSUNGEN 43 DATEN 63.1 DATENAUFBEREITUNG 63.2 PLAUSIBILITÄTSPRÜFUNG DER DATEN 104 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 154.1 PARTIALTIDEN 154.2 KRÄFTEBILANZ GERINNEHYDRAULIK 155 DIE TIDEWELLE ÜBER DIE ZEIT 166 METHODIK WASSERSTANDSUNTERSUCHUNGEN 18_____________________________________________________________________________I

DOKUMENTATION______________________________________________________________________________ABBILDUNGSVERZEICHNISABBILDUNG 1-1: LUFTBILDAUFNAHME BUNTHÄUSER SPITZE [QUELLE: WWW.ARGE-ELBE.DE] 1ABBILDUNG 1-2: FOTO PEGEL NEU DARCHAU [QUELLE: WWW.ARGE-ELBE.DE] 1ABBILDUNG 1-3: ABFLUSS NEU DARCHAU 1874-2002, RELATIVE HÄUFIGKEITEN UNDSUMMENFUNKTION (KLASSE 50 M³/S) 3ABBILDUNG 2-1: MESSUNG MIT DEM ULTRASCHALL-LAUFZEITDIFFERENZ-VERFAHREN BEIBUNTHAUS-NORD IM QUERSCHNITT 4ABBILDUNG 2-2: MESSUNG MIT DEM ULTRASCHALL-LAUFZEITDIFFERENZ-VERFAHREN BEITEUFELSBRÜCK IM QUERSCHNITT 4ABBILDUNG 2-3: MESSUNG IN EINER EBENE BEI HANSKALBSAND IM QUERSCHNITT 5ABBILDUNG 2-4: VERGLEICH DER QUERSCHNITTE TEUFELSBRÜCK UND HANSKALBSAND 5ABBILDUNG 3-1: HÄUFIGKEITSVERTEILUNG DER STRÖMUNGSRICHTUNGEN AN DER STATIONHANSKALBSAND 8ABBILDUNG 3-2: VERGLEICH DER 5- MINUTEN UND 15-MINUTEN-MITTELWERTE DERSTRÖMUNGSMESSUNGEN 9ABBILDUNG 3-3: VERGLEICH DER 1-MINUTE, 5- MINUTEN UND 15-MINUTEN-MITTELWERTE DERSTRÖMUNGSMESSUNGEN 10ABBILDUNG 3-4: VERGLEICH DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN AN DER OBERFLÄCHE UND DERSOHLE IM JAHR 2003 11ABBILDUNG 3-5: DIFFERENZ DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN OBERFLÄCHE UND SOHLE FÜRDAS JAHR 2003 12ABBILDUNG 3-6: DETAILUNTERSUCHUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN OBERFLÄCHE UNDSOHLE NOVEMBER 2003 13ABBILDUNG 3-7: DETAILUNTERSUCHUNG DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN OBERFLÄCHE UNDSOHLE SEPTEMBER 2003 14ABBILDUNG 4-1: KRÄFTEBILANZ 15ABBILDUNG 5-1: TIDEWELLE IM LÄNGSVERLAUF, MODELL UNIVERSITÄT HAMBURG [QUELLE:HTTP://WWW.RETTET-DIE-ELBE.DE/1KAPITEL/12DEICHE.HTM] 17ABBILDUNG 6-1: ZUSAMMENHÄNGE GERADENSCHNITTPUNKT 19ABBILDUNG 6-2: WASSERSTAND I, MP, II MIT GANGLINIE 20ABBILDUNG 6-3: QUERPROFIL MIT VORLÄNDERN DES ELBEKM 644,6 BEI LÜHE MIT UNTERSUCHTEMWASSERSTAND 21ABBILDUNG 7-1: DIFFERENZENMODELL [QUELLE: BEWEISSICHERUNGSBERICHT 2003]FEHLER! TEXTMARKE NICHT DETABELLENVERZEICHIS_____________________________________________________________________________II

DOKUMENTATION______________________________________________________________________________Tabelle 1-1: Zuflüsse in die Elbe hinter Neu Darchau 2Tabelle 2-1: Datengrundlagen der Strömungs- und Wasserstandswerte 7Tabelle 4-1: die wichtigsten Partialtiden für die Nordsee mit ihren Perioden [nachDietrich et al, 1975] 15_____________________________________________________________________________III

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________1 UNTERSUCHUNGSGEBIETAbbildung 1-1: Luftbildaufnahme Bunthäuser Spitze [Quelle: www.arge-elbe.de]Abbildung 1-2: Foto Pegel Neu Darchau [Quelle: www.arge-elbe.de]_____________________________________________________________________________1

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________1.1 OBERWASSERABFLUSSTabelle 1-1: Zuflüsse in die Elbe hinter Neu DarchauGewässer Pegel Zeitraum der MittelwertbildungMNQ[m/s³]MQ[m/s³]MHQ[m/s³]Sude Garlitz 1955/ 2001 1,05 4,53 15,1Schaale Klein Bengersdorf 1957/ 2001 0,858 2,86 9,96Boize Schwartow 1976/ 2001 0,313 1,23 5,1Ilmenau Bienenbütttel 1956/ 2001 4,95 9,14 35,9Neetze Süttdorf 1971/ 2001 0,629 1,01 3,5Lindau Witzeeze 1971/ 2001 0,071 0,38 5,09Seeve Jehrden 1962/ 2001 2,92 4,45 15,2Bille Reinbek 1976/ 2001 0,776 2,54 13,9Hunnau Bünningstedt 1971/ 2001 0,098 0,424 2,7Alster Wulksfelde 1970/ 2001 0,302 1,55 10,5Este Emmen 1957/ 2001 1,02 1,74 7,43Lühe Oersdorf 1983/ 2001 0,061 0,308 3,59Summen: 13,048 30,162 127,97_____________________________________________________________________________2

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 1-3: Abfluss Neu Darchau 1874-2002, Relative Häufigkeiten und Summenfunktion (Klasse 50m³/s)_____________________________________________________________________________3

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________2 QUERSCHNITTE DER MESSUNGENAbbildung 2-1: Messung mit dem Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahren bei Bunthaus-Nord im QuerschnittAbbildung 2-2: Messung mit dem Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahren bei Teufelsbrück im Querschnitt_____________________________________________________________________________4

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 2-3: Messung in einer Ebene bei Hanskalbsand im QuerschnittAbbildung 2-4: Vergleich der Querschnitte Teufelsbrück und Hanskalbsand_____________________________________________________________________________5

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________3 DATEN3.1 DATENAUFBEREITUNGDie mit den beschriebenen Messverfahren aufgenommen Daten werden, werden in derDatenbank „UVU- und Beweissicherung“ des Projektes Fahrrinnenanpassung gesammelt.Die Datensammelstelle im WSA Cuxhaven archiviert alle Daten, die aufgrund derAnordnungen des Planfeststellungsbeschlusses erhoben werden müssen, und stellt siegrößtenteils online zur Verfügung http://www.cux.wsd-nord.de/htm/zustimm.asp.Die Datenbank stellt sowohl die Messdaten als auch abgeleitete Parameter zur Verfügung.Mit einem Programm des WSA Cuxhaven werden von der Datensammelstelle u.a.für die jeweilige Strömungsphase (Ebbe oder Flut) die Maxima der Strömungsgeschwindigkeitenermittelt und die Mittelwerte berechnet. Aus den Scheitelwerten derWasserstände wird der Tidehub errechnet.Tabelle 3-1 stellt die insgesamt zur Verfügung stehenden Daten dar. Die Strömungsgeschwindigkeitenwerden seit 1997 (WSA Cuxhaven) und 1998 (WSA Hamburg) alskontinuierliche Zeitreihen aufgezeichnet. Die Wasserstände liegen als Minutenwerte, jenach Pegel, teilweise bereits seit 1997 digital (St. Pauli 1992) vor, die Scheitelwerte seit1950 und die Abflussdaten des Pegels Neu Darchau seit 1874. Bei den Strömungsgeschwindigkeitensind aufgrund der empfindlichen und wartungsintensiven Messgerätehäufiger Ausfälle zu verzeichnen._____________________________________________________________________________6

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Tabelle 3-1: Datengrundlagen der Strömungs- und WasserstandswerteStrömungsdaten Wasserstandsdaten AbflussBasisdaten- 5-Minutenmittelwerte- max. Strömungsgeschwindigkeiten- Pegelminutenwerte- Pegelscheitelwerte (TNW,THW)- Tageswerte aus7.00 Uhr Ablesungen- Uhrzeit der max. StrömungsgeschwindigkeitEbbe, Flut- Eintrittszeiten Scheitelwerte- Uhrzeit der Kenterpunkte (Ebbe1, Flut, Ebbe 2)- mittlere StrömungsgeschwindigkeitEbbe, Flut- Tidedauer- TidehubAbgeleiteteParameter- mittlere Strömungsrichtung (nurbei den Daten der WSÄ)- Ebbe- u. Flutstromdauer- Anzahl der Geschwindigkeits- u.Richtungswerte (nur bei denDaten der WSÄ)- Tidenummer (bezogen auf dieTide Helgoland)Die Messwerte der WSÄ für die Strömungsgeschwindigkeit sind aus der Datenbank nurpositiv verfügbar, während die HPA die Ebbeströmungsgeschwindigkeiten negativdarstellt und die Flutgeschwindigkeit positiv. Um eine einheitliche Darstellung zu erzielenund Rechenverfahren einheitlich anwenden zu können, werden die Geschwindigkeitsdatender WSÄ umgerechnet. Dies geschieht mit einer Routine, die unterEinbeziehung der Richtungsangaben der Strömung ermittelt, ob es sich um die Ebbeoder Flutströmung handelt. Der Originalwert wird daraufhin mit dem entsprechendenVorzeichen versehen. Beispielhaft ist in Abbildung 3-1 die Häufigkeitsverteilung derRichtungswerte der Messstation Hanskalbsand (D1) wiedergegeben._____________________________________________________________________________7

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 3-1: Häufigkeitsverteilung der Strömungsrichtungen an der Station HanskalbsandNeben den aggregierten Werten F_max und F_d und den Tidescheitelwerten werdenfür Detailuntersuchungen auch 15-Minutenmittelwerte verwendet. Diese sind durchMittelwertbildung aus den 5-Minuten-Werten erzeugt worden. Die 15-Minutenmittelwerte des Wasserstandes sind aus Pegelminutenwerten gemittelt.Die Abbildung 3-2 stellt anhand der Strömungsmesswerte eines Tages dar, wie sich dieGlättung durch die Mittelwertbildung von 5-Minutenwerten auf 15-Minutenwerte auf dieDatenqualität auswirkt. Zur besseren Ansicht sind markante Stellen der Ganglinienhervorgehoben worden._____________________________________________________________________________8

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 3-2: Vergleich der 5- Minuten und 15-Minuten-Mittelwerte der StrömungsmessungenDie Größenordnung der Differenzen durch die Mittelung liegt für diese Arbeit in einemakzeptablen Bereich. Wie an der Ursprungsganglinie zu sehen, ist diese (obwohl bereitsschon auf 5-Minutenwerte zusammengefasst) sehr stark kurzfristigen Einwirkungen wiez.B. Schifffahrtssog oder Wellen unterworfen. In der Betrachtung langer Zeiträume undmöglichen Veränderungen über lange Zeiträume ist eine Mittelung sogar sinnvoll, dalangfristige Entwicklungen nicht durch „Momentanaufnahmen“ verfälscht werden.Die Wasserstände liegen ursprünglich in Pegelminutenwerten vor und werden auf 5-Minutenwerte und 15-Minutenwerte gemittelt. In Abbildung 3-3 sind die drei Gangliniendargestellt. Markante Bereiche sind wiederum hervorgehoben._____________________________________________________________________________9

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 3-3: Vergleich der 1-Minute, 5- Minuten und 15-Minuten-Mittelwerte der StrömungsmessungenDa kurzfristige Schwankungen für die Auswertungen dieser Arbeit nicht relevant sind,ist die Mittelbildung für solche Fälle sehr sinnvoll.Somit wird in dieser Arbeit mit den geglätteten 15-Minutenwerten sowohl für die Strömungsgeschwindigkeitals auch für den Wasserstand gerechnet, soweit nichts anderesvermerkt ist.3.2 PLAUSIBILITÄTSPRÜFUNG DER DATENDie Messwerte werden, bevor sie in die Datenbank eingestellt werden, einer automatisiertenPlausibiliätsprüfung unterzogen. Darüberhinaus werden im Rahmen dieserUntersuchungen die Werte weitergehend überprüft, da sich herausgestellt hat, dasseinige Unstimmigkeiten in den Daten vorhanden sind, die zu Fehlern in den EinleseundAuswerteroutinen führen.Die Zeitangaben müssen wie folgt dargestellt sein:- Uhrzeiten zwischen 00:00 bis 23:59- Winkel zwischen 1° und 360°_____________________________________________________________________________10

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Der Ursache für die falschen Messwerte können beim Messgerät selber, in der Datenübertragungoder den manuellen Korrekturen (Tippfehler) liegen.Für die vier Messstationen des WSA Hamburg liegen die Messwerte für zwei Punkte jeMesslotrechte vor. Durch einen Abgleich der Messwerte der beiden Sonden ist es möglich,Messfehler herauszufiltern und eine Plausibilitätskontrolle durchzuführen.Bevor eine Abweichung zu Vermutungen über mögliche morphologische Ursachenführt, muss durch eine detaillierte Untersuchung festgestellt werden, wie es zu diesensprunghaften Anstiegen in der Differenz kommt.Die Abbildung 3-4 zeigt Messwerte der Sonden, die in einer Lotrechten an der derStation Hanskalbssand (D1) ausliegen. Zu sehen ist, dass die Strömungsgeschwindigkeitan der Sohle erwartungsgemäß niedriger ist als die Strömungsgeschwindigkeitunter der Oberfläche Die Daten erscheinen soweit plausibel, als dass die beiden SondenWerte liefern, die parallel verlaufende Ganglinien entstehen lassen.Abbildung 3-4: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeiten an der Oberfläche und der Sohle im Jahr 2003Aufschluss darüber, ob die Daten tatsächlich plausibel zueinander sind oder sich Veränderungendes Verhältnisses im Laufe der Zeit ergeben, lässt sich über die Differenzbildungersehen._____________________________________________________________________________11

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Abbildung 3-5 für die Station Hanskalbssand(D1) für das Jahr 2003 exemplarisch dargestellt.Ab Mitte September 2003 steigt die Ganglinie der Differenz sprunghaft für einen kurzenZeitraum an. Im November ist ein weiterer Zeitraum zu erkennen, in dem die Differenzder beiden Geräte von der zuvor als normal erachteten abweicht.Abbildung 3-5: Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten Oberfläche und Sohle für das Jahr 2003Die Abbildung 3-6 zeigt die Ganglinien zweier Tage Ende November 2003, in denen eszu dem Anstieg der Differenz kam. Zu erkennen ist, dass bis zu der markierten Stelledie beiden Ganglinien parallel verlaufen. In ihren Extremwerten, die zeitgleich auftreten,sind die Werte wie oben bereits erkannt, unterschiedlich groß. An der markiertenStelle hat das obere Messgerät einen „Aussetzer“, der dazu führt, dass die Gangliniennicht mehr zeitgleich laufen. Die Extremwerte sind nun zeitversetzt. Das führt zu dengroßen Differenzen zu den Zeitpunkten des Maximums der Ganglinie des oberen Gerätes._____________________________________________________________________________12

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 3-6: Detailuntersuchung der Strömungsgeschwindigkeiten Oberfläche und Sohle November2003Solche Aussetzer sind des Öfteren in den Ganglinien zu finden. Sie treten meist nachkürzeren Messausfällen auf. Die Messgeräte laufen dann bis zur nächsten Wartungzeitversetzt.Anders stellt sich der Fall für den September 2003 dar. Bei genauerer Ansicht ist zuerkennen, dass kein Aussetzer die Ursache für die anschließende Differenz ist, sondernein „Zacken“. Bei weiteren Recherchen stellte sich heraus, dass ab diesem ZeitpunktMessdaten der Station D2-Juelsand an die Ganglinie D1 angefügt wurden._____________________________________________________________________________13

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 3-7: Detailuntersuchung der Strömungsgeschwindigkeiten Oberfläche und Sohle September2003Auf diese Fehlerquellen wird im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter eingegangen. Fürdie weiteren Untersuchungen der Strömungsdaten spielen diese leichten zeitweiligenPhasenverschiebungen keine weitere Rolle, da das Hauptaugenmerk auf den absolutenGeschwindigkeitswerten liegt._____________________________________________________________________________14

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________4 THEORETISCHE GRUNDLAGEN4.1 PARTIALTIDENTabelle 4-1: Die wichtigsten Partialtiden für die Nordsee mit ihren Perioden [nachDietrich et al, 1975]Symbol Frequenz NameTidekoeffizient zurBezeichnung derBedeutungM 0 0.000 Konstante Mondtide 0.505S 0 0.000 Konstante Sonnentide 0.234Mf 1.098 Deklinationstide zu M 0 0.156O 1 13.943 Eintäg. Haupt-Mondtide 0.377P 1 14.959 Eintäg. Haupt-Sonnentide 0.176K 1 (M) 15.041 Eintäg. Haupt-Deklinationstide 0.362K 1 (S) 15.041 Eintäg. Haupt-Deklinationstide 0.168N 2 28.440 Gr.ellipt Tide 1 Ord. zu M 2 0.174M 2 28.984 Halbtäg. Haupt-Mondtide 0.908S 2 30.000 Halbtäg. Haupt-Sonnentide 0.423Symbol – Gebräuchliche Kurzbezeichnung der einzelnen TidenFrequenz – Zahlenwert der Winkelgeschwindigkeit σ in °/hName – Deutung der einzelnen TidenKoeffizient K der „geodätischen“ Funktion von DOODSON4.2 KRÄFTEBILANZ GERINNEHYDRAULIKAbbildung 4-1: Kräftebilanz_____________________________________________________________________________15

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________5 DIE TIDEWELLE ÜBER DIE ZEITFür die unteren Elbverlauf bis Hamburg ist die Ausbreitung der Wasserstandsänderungenanhand der Abbildung 5-1 zu erkennen. Vier Momentaufnahmen eines Modells derUniversität Hamburg zeigen den Verlauf der Tidewelle in der unteren Elbe. In denAufnahmen ist jeweils ein Längsprofil der Elbe von Cuxhaven bis Hamburg eingetragen.Die unterschiedlichen Blautöne der Elbe stellen die unterschiedlichen Wasserständedar. Die Wasserstände sind zudem in einem Diagramm aufgetragen, welches die Elbkilometerals X-Achse und die mNN-Höhe als Y-Achse besitzt. Die dunklen Blautönestehen für höhere Wasserstände, die helleren Blautöne für niedrige Wasserstände.Das erste Bild zeigt eine Aufnahme bei Niedrigwasser Cuxhaven. Während des NiedrigwassersCuxhaven liegt der Wasserstand in Hamburg um ±0, Tendenz fallend. In dernächsten Aufnahme; die ca 4 h später gemacht wurde, ist zu erkennen, dass Cuxhavenkurz vor dem Hochwasser steht. Gleichzeitig ist der Wasserstand in Hamburg gefallenund es herrscht Niedrigwasser. Auf dem dritten Bild (ca. 9 h nach Beginn) ist zu sehen,dass der Wasserstand in Cuxhaven wieder fällt, während der in Hamburg ansteigt.Zwischen diesen beiden Orten ist der Scheitelpunkt der Welle, die in dieser Aufnahmedeutlich als solche zu erkennen ist. Das letzte Bild zeigt eine Aufnahme bei geradedurchlaufenem Niedrigwasser Cuxhaven, ähnlich der ersten Aufnahme._____________________________________________________________________________16

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 5-1: Tidewelle im Längsverlauf, Modell Universität Hamburg [Quelle: http://www.rettet-dieelbe.de/1kapitel/12deiche.htm]_____________________________________________________________________________17

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________6 METHODIK WASSERSTANDSUNTERSUCHUNGENDie „Ausbeulung“ könnte also auf die Überflutung des Vorlandes ab einem bestimmtenWasserstand zurückzuführen sein. Um diese Aussage verifizieren zu können, müssenweitere Untersuchungen durchgeführt werden.So ist zu überprüfen, ob es sich tatsächlich immer um den gleichen Wasserstand handelt,ab dem die Abflachung der Wasserstandsganglinie zu beobachten ist. Hierzuwerden weitere Parameter eingeführt und in Abbildung 6-1 dargestellt. Diese Parameterdienen einerseits dieser Überprüfung, andererseits sind sie aber auch die weiterenUntersuchungen zur Ermittlung einer mathematischen Beziehung zwischen Wasserstandund Strömungsgeschwindigkeit notwenig sind.Es wird an den ansteigenden Ast der Gradiente eine Gerade a/b angelegt, die auseinem Punkt a unmittelbar vor dem Nulldurchgang und einem zweiten Punkt b unmittelbarvor dem Maximum erzeugt wird. Ähnlich wird eine zweite Gerade c/d an denabfallenden Ast der Gradiente gelegt, die zum einen durch einen Punkt c unmittelbarhinter dem Maximum und einem Punkt d, der vor dem Abflachen der Gradiente liegt,erzeugt wird. Der Schnittpunkt der beiden Geraden a/b und c/d wird x s genannt. DieGeraden sind in dem Diagramm rot dargestellt, die Punkte blau mit roter Umrandung.Des Weiteren sind drei spezielle Wasserstände farbig markiert. Der Wasserstand I, ingelb dargestellt, ist der Wasserstand zum Zeitpunkt x s , d.h. es ist der Wasserstand zudem das Wasser am schnellsten steigt. Der Wasserstand II (pink) ist der Wasserstandzum Zeitpunkt d, also zu einem Zeitpunkt, ab dem ein gleichmäßiges aber langsameresSteigen des Wassers beginnt. Der Wasserstand MP (für Mittelpunkt) ist grün dargestelltund befindet sich genau in der zeitlichen Mitte der Wasserstände I und II._____________________________________________________________________________18

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 6-1: Zusammenhänge GeradenschnittpunktDiese drei zeitabhängigen Wasserstände werden nun auf ihre Höhenlage überprüft.Das heißt, es wird untersucht, ob der steilste Wasserstandsanstieg immer in einerbestimmten Höhenlage festzustellen ist. Ebenso soll herausgefunden werden, ob dasAbflachen der Gradiente auf ein Überfluten der Vorländer zurückzuführen ist. Dazuwerden die drei Wasserstände über einen längeren Zeitraum von 13 Tiden aufgetragen(Abbildung 6-2). Zum besseren Verständnis ist die Wasserstandsganglinie ebenfalls indem Diagramm dargestellt._____________________________________________________________________________19

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 6-2: Wasserstand I, MP, II mit GanglinieBereits in diesem kurzen Zeitraum von 13 Tiden ist zu sehen, dass die eingezeichnetenWasserstände in ihren Höhenlagen schwanken und zwar bis zu 80 cm. Diese Schwankungensind einhergehend mit den Schwankungen des Scheitelwertes zu Tideniedrigwasser.Die Beobachtung, die bereits bei der Untersuchung der 13 Tiden gemacht wurde,wiederholt sich hier. Die Schwankungen der Höhe der drei Wasserstände sind sehrhoch. Es kann kein eindeutiger Wasserstand bestimmt werden, zu dem die Vorländerüberflutet werden oder der Wasserspiegel grundsätzlich die größte Steigung hat.Ergänzend werden in Abbildung 6-3 die Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt, d.h. die Bandbreite der betreffenden Wasserstandshöhen wird in das Querprofil eingetragen.Zu sehen ist, dass es sich bei den Wasserstandshöhen gerade um die Höhenhandelt, bei denen sich der Querschnitt sehr verbreitert._____________________________________________________________________________20

DOKUMENTATION_____________________________________________________________________________Abbildung 6-3: Querprofil mit Vorländern des Elbekm 644,6 bei Lühe mit untersuchtem WasserstandSo kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei der „Ausbeulung“ der Wasserstandsgangliniewohl um das Überfluten des Vorlandes und damit einer Verlangsamungdes Wasseranstiegs handelt. Allerdings ist die Art der durchgeführten Untersuchung(mathematisches Ermitteln der drei Wasserstandseintrittszeiten) nicht geeignet, eindeutigeWasserstandshöhen herauszufinden._____________________________________________________________________________21