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Hydromorphologie des Elbeästuars - Tideelbe

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Wasser- und Schifffahrtsdirektion Nord<br />

Dr. Günther Eichweber<br />

26.04.2005<br />

<strong>Hydromorphologie</strong> <strong>des</strong> <strong>Elbeästuars</strong><br />

1. Nacheiszeitliche Entwicklung der <strong>Tideelbe</strong><br />

Die Anlage <strong>des</strong> Elbtales reicht bis weit in die Saale-Eiszeit und die Eem-Warmzeit. Die<br />

Entwicklung der <strong>Tideelbe</strong> beginnt in der Nacheiszeit, als sich am südlichen Rand der<br />

Gletscher Schmelzwasserabflüsse zwischen den Geesträndern 1 der heutigen Elbe ihren Weg<br />

in die Nordsee bahnten. Der Raum erfuhr große Sedimentationen, die teils durch<br />

Küstensenkung und teils durch den Meeresspiegelanstieg verursacht wurden. Mit dem<br />

Voranschreiten <strong>des</strong> Mündungsgebietes von der Doggerbank, wo Elbe und Weser noch eine<br />

gemeinsame Mündung hatten, bis in die heutige deutsche Bucht drang die Tide zunehmend in<br />

das Flusstal der heutigen Elbe ein. Mit dem Meeresspiegelanstieg sind auch – bis heute – eine<br />

Umformung der Nordseeküste und ein zunehmender Tidehub verbunden.<br />

1.1 Ufer<br />

Die Ufer der <strong>Tideelbe</strong> bildeten Tideröhrichte, Auenwälder, die auf höher gelegenen, von<br />

Sturmfluten aufgeworfenen sandigen Wällen wuchsen, sowie landseitig anschließend<br />

Vegetationskomplexe aus Röhrichten, Weidengebüschen und Erlenbruchwäldern. Während<br />

der Eisenzeit und der damit verbundenen Zunahme <strong>des</strong> Holzbedarfes für die Eisenverhüttung<br />

wurden großflächig Waldgebiete an der Mittel- und Oberelbe gerodet. Dies hatte weit<br />

reichende Erosionen der Böden zur Folge. Die Sedimentführung der Elbe erreichte schließlich<br />

so große Frachten, dass der Unterlauf der Elbe förmlich im Schlamm erstickte: Die mit<br />

Röhrichten bewachsene Uferlandschaft ging im Sediment unter, <strong>des</strong>sen Höhenniveau – wie<br />

heute – von der Sedimentführung einerseits und der Höhe und Häufigkeit der Sturmfluten<br />

andererseits bedingt wurde. So entstand die heutige Marschlandschaft. Durch die zunehmende<br />

Besiedlung und landwirtschaftliche Nutzung wurde der Auwald bis auf wenige Restbestände<br />

verdrängt.<br />

1.2 Deichbau<br />

Mit dem beginnenden Deichbau um die Jahrtausendwende wurde die Umformung zum<br />

heutigen Bild der Elbmarsch vorübergehend abgeschlossen; ab 1200 bestanden durchgängig<br />

flache Sommerdeiche an beiden Ufern der <strong>Tideelbe</strong>. Die Bebauung erfolgte weiterhin auf<br />

Warften, da die höheren Wintersturmfluten von den Deichen noch nicht abgewehrt wurden.<br />

Erst im 16. Jahrhundert erhielten die Deiche eine Höhe, die ganzjährig Hochwasserschutz bot.<br />

Durch die Entwässerung <strong>des</strong> Deichhinterlan<strong>des</strong> mit den darauf folgenden Setzungen und der<br />

Abkopplung von den mit Sturmfluten einhergehenden Sedimentationen, nahm die Höhenlage<br />

<strong>des</strong> Deichhinterlan<strong>des</strong> in Relation zum mittleren Wasserstand der Elbe immer mehr ab.<br />

Großflächig liegen diese Flächen heute unter dem Meeresspiegel. Durch <strong>des</strong>sen<br />

1 Geologisch korrekt sind die im üblichen Sprachgebrauch bezeichneten „Geestränder“ eigentlich Altmoränen.


Wasser- und Schifffahrtsdirektion Nord - Dr. Günther Eichweber: <strong>Hydromorphologie</strong> <strong>des</strong> <strong>Elbeästuars</strong><br />

fortschreitenden Anstieg ist langfristig damit zu rechnen, dass die Entwässerung <strong>des</strong><br />

Deichhinterlan<strong>des</strong> immer schwieriger wird.<br />

Im 20. Jahrhundert wurden die Deichlinien grundsätzlich neu gestaltet: Durch Vordeichungen<br />

wurde zusätzliches Land der Tide und den Sturmfluten entzogen. Von 1900 bis heute wurde<br />

die Vordeichsfläche am schleswig-holsteinischen Ufer um 50 Prozent, am niedersächsischen<br />

Ufer um 74 % verringert.<br />

1.3 Mäanderbildung<br />

Mit der immer stärker eindringenden Tide wurde auch die Dynamik <strong>des</strong> Flusses größer, so<br />

dass sich ein mäanderähnlicher Kurvenverlauf ausbildete. Anstelle der für<br />

oberwassergeprägte Flussabschnitte typischen Querschwingungen, die zu einem<br />

gleichmäßigen, von Abfluss, Gefälle und Querschnitt geregelten Kurvenverlauf führen, bildet<br />

die Tidewelle eine kompliziertere Trasse aus, die sich durch wechselnde Kurvenradien und –<br />

abstände auszeichnet. Besonderes Merkmal ist auch, dass die Wendepunkte <strong>des</strong><br />

Stromverlaufes und die Kurvenkrümmungen mit dem Uferabtrag über Jahrhunderte ihre<br />

Positionen beibehalten.<br />

Maßnahmen zum Uferschutz konnten nur zum Teil die Erosionen kontrollieren; so ging das<br />

am Prallhang an der Störmündung gelegene Wewelsfleth 1491 in der Elbe unter und wurde<br />

danach in sicherem Abstand - etwa 3 km landeinwärts an der Stör - wieder aufgebaut. Heute<br />

verläuft der Schifffahrtsweg über der Lage <strong>des</strong> früheren Ortes.<br />

1.4 Nebenelben<br />

Die <strong>Tideelbe</strong> bildete ein vielfältiges System von Nebengewässern aus, die man Nebenelben<br />

nennt. Diese erfuhren, beginnend mit der um 1.000 n. Chr. einsetzenden Landnutzung in den<br />

Außendeichbereichen, einen umfangreichen Rückbau, der durch die verstärkte Tidedynamik<br />

und die damit verbundenen Verlandungsprozesse der Randbereiche verstärkt wurde.<br />

Im 19. Jahrhundert erfolgte ein weiterer Rückbau der Nebenelben auch mit dem Ziel, den<br />

Hauptstrom als Schifffahrtsweg zu stärken. Eine der größten Nebenelben war die<br />

Wischhafener Süderelbe, die zur Zeit der französischen Besetzung mit 500 m Breite und 10 m<br />

Tiefe kartiert wurde (Karte von Beautemps-Beaupré 1812). Heute ist das Gewässer<br />

eingedeicht und mit einem Sturmflutsperrwerk versehen; seine Ausmaße (Breite und Tiefe)<br />

reichen in dem kleinen Abschnitt, der noch schiffbar ist, nur noch für Sportboote. Weitere<br />

größere Nebenelben waren die Borsteler Binnenelbe und die Alte Süderelbe, die heute<br />

ebenfalls dem Tidegeschehen entzogen sind.<br />

1.5 Ausbau der Hauptrinne<br />

Die Vordeichungen und die Abdämmung der Nebenelben sind wichtige Beiträge auf einem<br />

Weg, der überspitzt – und für die Elbe immer noch vergleichsweise unzutreffend - auch als<br />

„Kanalisierung“ bezeichnet wird. Weitere Beiträge in diese Richtung stellen die Eingriffe in<br />

den eigentlichen Strom dar: Mit dem Einsatz dampfgetriebener Bagger waren Eingriffe in<br />

einem Umfang möglich, der bis dahin undenkbar war. Ab 1868 wurde die Elbe im Hamburger<br />

Raum auf 5 m vertieft (Köhlbrandvertrag). Dagegen war die Elbe noch bis zum Mittelalter im<br />

Stromspaltungsgebiet bei Niedrigwasser zu Fuß passierbar gewesen. Dies hatte zur<br />

Entwicklung eines Süd-Nord-gerichteten Handelsweges nach Lübeck geführt und im 10.<br />

Jahrhundert zur Gründung der Stadt Hamburg an der Stelle, wo der Schifffahrtsweg und die<br />

Handelsstraße sich kreuzten. Angesichts dieser Tatsache waren 5m Wassertiefe schon eine<br />

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Wasser- und Schifffahrtsdirektion Nord - Dr. Günther Eichweber: <strong>Hydromorphologie</strong> <strong>des</strong> <strong>Elbeästuars</strong><br />

große Veränderung. Es folgten 1897 die Vertiefung auf 6m und 1910 auf 8m; der 10 m-<br />

Ausbau wurde um 1930 begonnen und in den 50er Jahren abgeschlossen. Diese<br />

Ausbaumaßnahmen betrafen nur die obere <strong>Tideelbe</strong>, da in der mittleren und unteren <strong>Tideelbe</strong><br />

die Tiefen ausreichten.<br />

Diese Ausbauten verstärkten die Tide; Ihre besondere Charakteristik, die darin begründet ist,<br />

dass ein großer Teil der Energie in den Untiefen <strong>des</strong> Stromspaltungsgebietes reflektiert wird,<br />

nahm zu. Mit den weiteren Vertiefungen, die 1978 13,5 m erreichten, bildete sich der<br />

Übergang zu flacheren Gebieten am Elbtunnel bei den St. Pauli-Landungsbrücken als neue<br />

Reflexionsstelle der <strong>Tideelbe</strong> aus. Hier nimmt seitdem der Tidehub den maximalen Wert in<br />

der gesamten Unterelbe an.<br />

1.6 Hamburger Hafen<br />

Der Ausbau <strong>des</strong> Hamburger Hafens ging seit dem 19. Jahrhundert besonders zügig voran.<br />

Zunächst bedeutete dies eine Zunahme der Wasserflächen <strong>des</strong> Hafens, die für die Aufnahme<br />

der großen Zahl von Segelschiffen benötigt wurden. Durch die Erweiterung <strong>des</strong> Hafens wurde<br />

Flutraum geschaffen, der dem ansteigenden Tidehub entgegenwirkte (ohne jedoch den Trend<br />

umzukehren). Diese Entwicklung wurde durch den Übergang vom Stückguttransport zur<br />

Containerisierung aufgehoben. Heute werden weniger Liegplatzflächen für Schiffe, dafür aber<br />

mehr Stellplätze für Container benötigt. Hierdurch kam es zu einer Abnahme der<br />

Wasserflächen im Hafen um 84 ha seit den 50er Jahren. Dies unterstützt einen weiteren<br />

Anstieg <strong>des</strong> Tidehubes, wobei zusätzlich ungenutzte Hafenbecken zuschlicken und damit<br />

ebenfalls nicht mehr als Flutraum zur Verfügung stehen.<br />

1.7 Bau von Leitinseln<br />

Die Ausbauten der Elbe im 20. Jahrhundert erforderten die Verbringung von großen Mengen<br />

Sand, der auf den verbliebenen Sandbänken der Elbe aufgespült wurde. Damit wurden diese<br />

zu Inseln, die in der Gestaltung als Strombauwerke ausgeführt wurden. Im Einzelnen sind<br />

dies die zu einer Insel zusammengefassten Sände Hanskalbsand, Neßsand und Schweinesand<br />

bei Wedel, der Lühesand, der Pagensand, der Schwarztonnensand und die Rhinplatte. Die neu<br />

geschaffenen Inseln hatten die Aufgabe, die Strömung zu lenken und zu bündeln. Die<br />

Querschnitte <strong>des</strong> Stromes sollten ausgeglichen, die dadurch konzentrierte Energie für die<br />

Räumung genutzt werden. Hinter diesen Inseln sind dadurch aus den Nebenarmen und<br />

Prielen, die ehemals die Sandbänke umflossen, neue Nebenelben entstanden, die denen<br />

ähneln, die vorher durch Eindeichungen verloren gegangen sind. Ursprüngliche Sande, die bei<br />

Hochwasser überflutet werden, gibt es nur noch stromab Glückstadt: die Brammerbank, der<br />

Neufelder Sand, der Medemgrund und die weiteren Sände der Außenelbe.<br />

1.8 Außenelbe<br />

Die Sande und Rinnen der Außenelbe unterliegen sehr langperiodischen zyklischen<br />

Prozessen. Für das System der Nordwanderung <strong>des</strong> Medemgrun<strong>des</strong> und der Neubildung eines<br />

entsprechenden San<strong>des</strong> südlich davon, am Nordrand der Hauptrinne bei Otterndorf, wurde<br />

eine Periode von 100 Jahren ermittelt. Andere Rinnen-Bank-Systeme durchlaufen noch<br />

längere Perioden.<br />

Die Elbe bildet im Mündungsbereich ein Drei-Rinnen-System aus, das durch den Bau <strong>des</strong><br />

Leitdammes Kugelbake auf zwei Rinnen begrenzt und in der Lage stabilisiert wurde.<br />

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Der zunehmende Tidehub führt zu größeren hin und her schwingenden Wassermengen, die<br />

auch für die Aufweitung der Mündung verantwortlich sind. Im vergangenen Jahrhundert hat<br />

sich der Querschnitt der Elbmündung etwa verdoppelt. Die Entwicklung währt schon länger,<br />

als die vorliegenden Daten der Topographie und der Wasserstände eine Dokumentation<br />

erlauben, nimmt aber seit 1980 besonders zu.<br />

1.9 Sturmflutwasserstände<br />

Die Sturmflutwasserstände haben sich an der Elbe besonders im Raum Hamburg deutlich<br />

erhöht. Durch den verkleinerten Flutraum läuft das Wasser höher auf; durch die vertiefte<br />

Rinne schreitet die Welle schneller stromauf voran. Eine besondere Rolle haben die<br />

Vordeichungen und die Absperrung der Nebenflüsse, die nach der schweren Sturmflut von<br />

1962 ausgeführt wurden. Diese Maßnahmen haben in der Summe die Sturmflutscheitel bei<br />

Hamburg um fast einen halben Meter erhöht. Den Ausbauten der Schifffahrtsrinne nach 1950<br />

wird insgesamt eine Wirkung von 1dm bis 1,5dm zugeschrieben. Die Laufzeit <strong>des</strong><br />

Sturmflutscheitels von Cuxhaven nach Hamburg hat sich um etwa 1 Stunde verkürzt.<br />

Die Diskussion der Entwicklung der Sturmfluten nimmt breiten Raum ein, auch <strong>des</strong>halb, weil<br />

die Häufigkeit von Orkantiefs in der zweiten Hälfte <strong>des</strong> 20. Jahrhunderts sehr hoch war.<br />

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2. Heutiges Formeninventar der <strong>Tideelbe</strong><br />

2.1 Vorland und Inseln<br />

Das Deichvorland wird vielfach genutzt; dominierend ist dort die Weidewirtschaft. In den<br />

letzten 10 bis 15 Jahren sind u.a. im Abschnitt zwischen Stör-Mündung und Wedeler Au die<br />

meisten landwirtschaftlichen Flächen brach gefallen. Teils wurde dieses bei der Ausweisung<br />

als NSG beabsichtigt, teils handelt es sich um eine Entwicklung, die auf<br />

betriebswirtschaftliche Entscheidungen der Landwirte zurückgeht. Auch in vielen<br />

Vorlandabschnitten auf niedersächsischer Seite wurden Nutzungen der Vorlandflächen aus<br />

Gründen <strong>des</strong> Vogelschutzes aufgegeben.<br />

Die Auwälder sind bis auf Restbestände verschwunden. Zum Teil haben sich auf Sänden<br />

Trockenrasen entwickelt, die langfristig Bestand haben, da die locker aufgespülten Flächen<br />

eine Wasserhaltung und Bodenbildung nicht zulassen und das dafür nötige Feinmaterial durch<br />

die geringe Überflutungshäufigkeit nicht abgelagert wird (z.B. Schwarztonnensand). Auch auf<br />

technisch hergestellten Sandablagerungen mit vergleichsweise steilen Böschungen und höher<br />

gelegenen Ebenen - ähnlich wie Tafelberge - wie der Lühesand und Teile <strong>des</strong> Pagensan<strong>des</strong><br />

entwickeln sich ganz spezifische Lebensräume.<br />

Die natürlichen Sedimentationen enthalten dagegen hohe Ton- und Schluffanteile. Die<br />

Marschflächen, die von den bei Sturmfluten aufgewirbelten Feinsanden nicht erreicht werden,<br />

sind Schlickablagerungen ausgesetzt. Der heute eingedeichte Krautsand erfuhr dagegen eine<br />

Sedimentation von tonigem Material, das im 18. und 19. Jahrhundert für die Hamburger<br />

Ziegelfertigung genutzt wurde. Diese Sedimente, verbunden mit der niedrigen Höhe über dem<br />

Hochwasserniveau, würden eine für den Lebensraum typische Vegetation ermöglichen.<br />

2.2 Ufer<br />

Die Ufer gliedern sich in solche, die relativ stabil an Kurveninnenkanten liegen, und solche,<br />

die angegriffen werden. Es kommt, auch bedingt durch die Weite der Elbe und die hohen<br />

Windwellen, die sich hier entwickeln können, zur Bildung von Abbruchkanten. Dies wird<br />

auch an Ufern beobachtet, die eine positive Materialbilanz aufweisen und anwachsen<br />

(Nordkehdingen). In Bezug auf die Gesamtlänge der <strong>Tideelbe</strong> ist der überwiegende Teil der<br />

Uferstrecken unverbaut.<br />

Zum Schutz der Uferlinien und zur Kontrolle <strong>des</strong> Stromverlaufes existieren umfangreiche<br />

Buhnenfelder. Einige davon sind so groß und weisen so geringe Gefälle auf, dass sie die<br />

Ausbildung von strömungsberuhigten Ufern mit üppigen Röhrichtbeständen erlauben, wie sie<br />

hier früher bestanden haben mögen (Hetlingen). Ohne die Buhnen wäre hier durch den<br />

Wellen- und Strömungsangriff die anthropogene Prägung der Ufer noch größer. Einen<br />

extremen Uferverbau stellt das Steindeckwerk dar, das an steilen, anders nicht zu haltenden<br />

Uferstrecken nötig ist. Etwa 15 Prozent der Ufer der <strong>Tideelbe</strong> zwischen Hamburg und<br />

Nordsee sind derartig geschützt. Auch hier gibt es eine Bandbreite in den Ausführungen:<br />

Einige Deckwerke sind nicht sofort als solche erkennbar, da sie aus lockeren<br />

Steinschüttungen bestehen, die von Schilf durchwachsen werden.<br />

Von den 30er bis in die 70er Jahre hatte der biologische Wasserbau eine besondere Stellung<br />

an der <strong>Tideelbe</strong>. Auf dem Pagensand befand sich ein Pflanzgarten, wo für die Befestigung<br />

von Ufern und Spülflächen Bäume und Sträucher herangezogen wurden. Der biologische<br />

Wasserbau vermochte den Uferbereich ab 1m über MTnw aufwärts wirksam zu schützen,<br />

wenn die Böschung entsprechend flach war und die Umwandlung der Wellenenergie<br />

großflächig verteilt erfolgte.<br />

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2.3 Wattgebiete<br />

Die Watten erscheinen weitgehend ursprünglich. Ihre Fläche hat durch die Konzentration der<br />

Strömung auf die Schifffahrtsrinne leicht zugenommen; durch steigende Hochwasserstände<br />

wachsen sie auch höher auf. Da das Niedrigwasser abfällt, werden die Trockenfallzeiten der<br />

Watten erhöht. Durch die allgemein zunehmende Energie der Strömungen dürfte sich die<br />

Zusammensetzung der Wattsedimente verändert haben; dies ist jedoch nicht durch Daten<br />

dokumentiert. Biologisch produktive Schlickwatten gibt es in auflandenden, beruhigten<br />

Bereichen wie der Haseldorfer Nebenelbe und dem Mühlenberger Loch. Letzteres ist in den<br />

30er Jahren aus einem Gebiet von Sänden und Nebenarmen durch Ausbaggerungen für einen<br />

Landeplatz für Wasserflugzeuge entstanden. Durch die Zusammenlegung der Sande<br />

Hanskalbsand, Neßsand und Schweinesand und durch die Schließung der Alten Süderelbe<br />

wurde der Verlandungsprozess dieser künstlichen Wasserfläche beschleunigt.<br />

2.4 Flachwasserbereiche<br />

Flachwassergebiete stellen heute im Wesentlichen die Nebenrinnen dar, die hinter den<br />

aufgespülten Inseln bestehen. Sie sind in ihren Abmessungen meist wasserbaulich fixiert.<br />

Einige von ihnen verlanden, die Lühesander Nebenelbe und das Glückstädter Fahrwasser sind<br />

dagegen morphologisch stabil.<br />

2.5 Hauptrinne<br />

Die Hauptrinne ist in ihrer heutigen Form das Ergebnis umfangreichen Strombaus. Die<br />

natürliche Dynamik, die auch die wechselnde Aktivierung alternativer Nebenrinnen<br />

einschloss, ist weitgehend durch eine gebündelte Strömung in einer festgelegten Rinne ersetzt<br />

worden. Dieses ist allerdings nicht vollständig gelungen, so dass qualitativ die Elemente der<br />

Ebb- und Flutstromwege und ihrer Ausprägungen im Gewässerbett noch vorhanden sind. Die<br />

Rinne gliedert sich in Bereiche sehr unterschiedlicher Strömungskräfte; Abschnitte mit bis zu<br />

3m hohen Rippelstrukturen folgen im Wechsel solchen mit strukturlosen<br />

Schluffsedimentationen. Etwa 40 % der Rinnenstrecke werden regelmäßig bis gelegentlich<br />

unterhalten; 60 % sind tiefer als die Schifffahrt es erfordert und benötigen keine Unterhaltung.<br />

Hier reichen die Tiefen bis zu 30 m unter dem Niedrigwasser. Die vielleicht wesentlichste<br />

Veränderung, die diese Rinne im 20. Jahrhundert erfahren hat, ist die Vertiefung in den<br />

Bereich unterhalb der fast überall anstehenden, erosionsstabilen Kleilagen. Diese hatten bis<br />

vor dem 10 m-Ausbau streckenweise eine ebene Sohle gebildet, die hydraulisch wie eine<br />

betonierte Gewässersohle wirkte und von der sich kaum Sediment lösen konnte. Die<br />

Durchbaggerung dieser stabilen Kleilage hat die darunter liegenden lockerer gelagerten<br />

Sandböden freigelegt und einen großräumigen Sandtransport im Tidefluss eingeleitet. Enorme<br />

Materialmengen wurden in Bewegung gesetzt und führten zu einem Wechsel von Übertiefen<br />

und Untiefen (Baggerstellen), die bis auf einige wenige nach diesen Vertiefungsmaßnahmen<br />

entstanden sind. Noch heute ist dieser Sachverhalt auf den Tiefenplänen erkennbar, da die<br />

Hauptrinne über weite Strecken seitlich im Tiefenbereich von ungefähr –12 m bis –8 m von<br />

steilen, erosionsfesten Böschungen begrenzt wird.<br />

Eine aktive Mehrrinnendynamik ist noch in der Außenelbe anzutreffen, wo die Strömung in<br />

der Mittel- und Norderrinne verläuft. Die Mittelrinne wird dabei durch den Leitdamm<br />

Kugelbake so beruhigt, dass eine verlässliche Lage <strong>des</strong> Schifffahrtsweges besteht.<br />

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3. Physikalische Prozesse<br />

3.1 Hydromechanik<br />

Die Tidedynamik der Elbe zeichnet sich durch ihr Schwingungsverhalten und ihre<br />

Resonanzentwicklung aus. Die Reflexion der Tide in Hamburg ist seit einigen Jahrhunderten<br />

das hervorstechende Merkmal. Die halbtägige Tide passt genau in die Länge <strong>des</strong> Systems bis<br />

zur Mündung bei Scharhörn, so dass sich, angeregt von den Gezeiten, stehende Wellen 2<br />

ausbilden können. Diese prägen in ihrer Überlagerung die Energieverteilung der Elbe, die<br />

Ausprägung flacher, breiter Bereiche wie auch der schmaleren, tiefen Abschnitte. Dieses<br />

Merkmal unterscheidet die Elbe von anderen Ästuaren wie z.B. der Weser.<br />

Die bestimmende Größe der Tidedynamik ist damit der Grad der Reflexion im Verhältnis zur<br />

Dissipation 3 . Damit verbinden sich die Fragen, wie viel Energie wo reflektiert wird, welcher<br />

Bedeutung Teilreflexionen im Strom unterhalb Hamburgs zukommen, und wie viel Energie<br />

durch die Dämpfung im Gewässerbett geschluckt wird.<br />

Wesentliche Bedeutung für diese Fragen haben die Vertiefungen, die die Dämpfung reduziert<br />

haben, der Rückbau der Wasserflächen im Hafen sowie die Verlandung bzw. Zuschüttung<br />

von Hafenbecken, die ebenfalls die Reflexion verstärken. Durch das Geschiebedefizit<br />

unterhalb <strong>des</strong> Wehres von Geesthacht wird der obere Teil der <strong>Tideelbe</strong> zunehmend erodiert,<br />

der Tidehub nimmt bei Geesthacht zu und es bildet sich eine zusätzliche Gezeitenreflexion am<br />

Wehr aus.<br />

Durch den jüngsten Fahrrinnenausbau, der zur Eingriffsminimierung mit einem flacheren<br />

Sockel zwischen Glückstadt und Stade konzipiert wurde, wurde mehr Dämpfung erhalten, als<br />

dies mit einem durchgehenden Ausbau erfolgt wäre. Am seewärtigen Rand dieses Sockels<br />

wurde durch die neue Stufe in der Gewässersohle eine Teilreflexion der Tide eingeführt.<br />

Eine Verminderung der Dämpfung führt zu einer zunehmenden Asymmetrie der Tidekurve,<br />

womit die Abweichung <strong>des</strong> Verlaufes der Flut- und der Ebbströmungen gemeint ist. Dadurch<br />

bilden sich unausgeglichene Sedimentbewegungen aus (s.u.).<br />

3.2 Vermischung von Salz- und Süßwasser<br />

Ein weiteres Merkmal der Gezeitenströmung ist das Vordringen <strong>des</strong> Salzkeils mit der Flut.<br />

Das schwerere Salzwasser dringt an der Sohle, besonders im tiefen Hauptstrom, in das Ästuar<br />

ein und vermischt sich dann mit dem Oberwasser. Die Salzgehalte der Vermischungszone<br />

werden vom Oberwasserabfluss bestimmt; bei hohen Abflüssen verlagert sich der<br />

Vermischungsbereich in Richtung Nordsee bis Cuxhaven, bei lang anhaltenden niedrigen<br />

Abflüssen dringt der Vermischungsbereich bis Glückstadt vor. Durch die Ausbauten wird das<br />

Vordringen <strong>des</strong> Salzwassers gefördert; die Brackwasserzone verschiebt sich stromauf. Dieses<br />

hat im 20. Jahrhundert eine Verschiebung der mittleren Lage von wenigen Kilometern<br />

hervorgerufen. Größeren Einfluss hatten die Ausbauten auf das Schwankungsverhalten: Die<br />

Extremlagen der Brackwasserzone bei niedrigen und hohen Oberwasserabflüssen liegen heute<br />

viele Kilometer weiter stromauf bzw. stromab als früher.<br />

2 Stehende Wellen entstehen durch gegenläufige Wellen, deren Wellenberge und Wellentäler sich synchron<br />

überlagern, höhere Wellenberge bzw. tiefere Wellentäler bilden und scheinbar ortsfest stehen bleiben.<br />

3 Dissipation (lat. 'Zerstreuung'): Übergang einer beliebigen Energieform in Wärmeenergie bei gleichzeitigem<br />

Energieverlust.<br />

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3.3 Gleichgewichtsbedingungen der Nebenelben<br />

Die Nebenelben sind, wie oben beschrieben wurde, zwar nicht in der Lage und Ausdehnung,<br />

aber in der Gestaltung künstliche Gebilde, denen der Spielraum für Anpassungen an<br />

veränderte Strömungen weitgehend genommen wurde. Ihre Gleichgewichtszustände hängen<br />

von wenigen hydromechanischen Parametern ab. Ein Merkmal, das über die Ausprägung der<br />

Querschnitte entscheidet, ist der Strömungsdruck der Elbe im Bereich der Nebenelbe, der sich<br />

aus Gesamtquerschnitt und Durchflussmenge ergibt. Durch die Vertiefung <strong>des</strong><br />

Schifffahrtsweges wird der Querschnitt erweitert, so dass hiermit die Verlandung <strong>des</strong><br />

Nebenarmes gefördert wird. Die mit der Vertiefung ebenfalls erzeugte Erhöhung <strong>des</strong><br />

Tidevolumens kann diesen Effekt meistens nicht vollständig kompensieren.<br />

Ein weiteres Merkmal ist die Phasenbeziehung, die sich zwischen der Flutwelle <strong>des</strong><br />

Hauptstromes und der im Nebenstrom einstellt: Durch die geringere Wassertiefe im<br />

Nebenarm läuft die Flutwelle dort langsamer, so dass sie von der Flut im Hauptstrom überholt<br />

wird. Die Flut dringt dann vom stromauf liegenden Ende her in den Nebenarm ein und stößt<br />

mit der dort voranschreitenden Flut zusammen. Dies führt zum Ausfällen der suspendierten<br />

Sedimente. Bei einer geringen Phasenverschiebung kann diese Sedimentation anschließend<br />

wieder weggeräumt werden; wird die Phasendifferenz größer, so setzt zügige Verlandung <strong>des</strong><br />

Systems ein, bis die Flut überhaupt nicht mehr durchdringt. Nach diesem Wirkungsprinzip ist<br />

im 19. Jahrhundert die Wischhafener Süderelbe verlandet. Für das Gleichgewicht einer<br />

Nebenelbe ist also auch die Länge entscheidend; angesichts der heute schneller<br />

voranschreitenden Flutwelle können nur relativ kürzere Nebenelben stabil sein. Dieses ist<br />

einer der Gründe dafür, dass die zwei kürzesten Nebenelben, das Glückstädter Fahrwasser<br />

und die Lühesander Nebenelbe, nicht verlanden.<br />

3.4 Wirkung <strong>des</strong> Meeresspiegelanstieges<br />

Der Meeresspiegelanstieg hat die <strong>Tideelbe</strong> als solche erzeugt und ständig weiter gestaltet.<br />

Durch ihn drang die Nordsee so weit in die deutsche Bucht vor, dass hier ein Ästuar entstehen<br />

konnte. Das Küstenvorfeld befindet sich durch den Meeresspiegelanstieg in einer<br />

kontinuierlichen Umgestaltung, die zu steileren Vorstränden, schmaleren Wattgebieten und<br />

höherem Tidehub führt. Dadurch wird die Tide als gestaltende Kraft auch in der Elbe stärker,<br />

was bis heute fortwirkt. Es wurde berechnet, dass der Meeresspiegelanstieg den Tidehub bei<br />

Hamburg um einen Betrag erhöht, der etwa 60 Prozent <strong>des</strong> Anstieges ausmacht Die Wirkung<br />

<strong>des</strong> Meeresspiegelanstieges ist, was die ausgelöste Umgestaltung <strong>des</strong> Ästuars betrifft, fast<br />

dieselbe wie die der wasserbaulichen Eingriffe, so dass die quantitative Zuordnung einer<br />

Veränderung auf die Ursachen schwierig ist.<br />

3.5 Sedimentdynamik der <strong>Tideelbe</strong><br />

3.5.1 Transportregime<br />

Die Bewegung der Sedimente in einem Ästuar ist äußerst kompliziert. Es kann daher nur<br />

versucht werden, einige Aspekte zu beleuchten und die Darstellung nur so weit zu<br />

vereinfachen, dass das Ergebnis zumin<strong>des</strong>t nicht grundsätzlich falsch ist.<br />

Die Prozesse, denen die Sedimente bei ihrer Umlagerung unterworfen sind, sind von Größe<br />

und Dichte der Partikel abhängig. Gröberes Sediment formt im sohlnahen Transport große<br />

Strömungsrippel, die seit der Durchbaggerung der Kleischicht und der Freilegung der<br />

eiszeitlichen Sande in der Elbe auftreten. Diese Transporte sind nicht in jedem<br />

hydrologischen Zustand aktiviert; es gibt auch Zeiten, da füllen sich die Rippeltäler mit<br />

Feinsanden, Schluff und organischem Material, das von der Flut- und Ebbströmung teils<br />

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aufgewirbelt und verfrachtet wird. Welches Transportregime gerade bedeutend ist, wechselt je<br />

nach Ort, Oberwasserabfluss und Tidekennwerten. Schluff und Schlick spielen für den<br />

Sedimenthaushalt ebenfalls eine bedeutende Rolle. Sie werden in der Wassersäule<br />

aufgewirbelt und bilden Bereiche mit großen Trübungen aus. Je nach Absetzverhalten halten<br />

sie sich besonders an energiearmen Abschnitten <strong>des</strong> Stroms auf, wo sie in den Kenterphasen<br />

der Strömung kurzeitig sedimentieren und dann mit einsetzender Strömung resuspendiert<br />

werden. Partikel mit sehr geringen Sinkgeschwindigkeiten bleiben permanent in der<br />

Wassersäule; sie werden durch die Oberwasserwirkung zur Nordsee transportiert.<br />

3.5.2 Trübungszone<br />

Im Bereich der Durchmischung von marinem und limnischem Wasser kommt es zum<br />

Absterben vieler Organismen und zur Ausbildung der Trübungszone. Diese gliedert sich<br />

genau betrachtet in eine Vielzahl lokaler Schwankungen der Trübung. Der Schwerpunkt<br />

dieses Bereiches liegt bei der Störmündung, kann aber bei hohem Oberwasserabfluss auch bis<br />

Cuxhaven verdriftet werden.<br />

Die biologischen und chemischen Prozesse, denen das organische Material im Ästuar<br />

unterworfen ist, sollen hier nicht beschrieben, die physikalischen nur grob skizziert werden:<br />

Die Flockenbildung <strong>des</strong> Schwebstoffes ist ein Prozess, durch den das Material ständig seine<br />

Sinkgeschwindigkeit verändert. Die Flocken heften sich zusammen, wenn die Strömungen im<br />

Tidezyklus nachlassen, und sinken dadurch langsamer. Die Turbulenz der Ti<strong>des</strong>trömung führt<br />

dann wieder zur Zerlegung großer Schwebstoffkörper in kleinere, die durch die Strömungen<br />

in Suspension gehalten werden. Ähnliches zyklisches Verhalten gibt es auch im Jahresverlauf:<br />

Im Sommer sind die Trübungen geringer, die Konzentration <strong>des</strong> organischen Materials an der<br />

Gewässersohle größer als im Winter. Der verringerte Auftrieb im wärmeren Wasser trägt zu<br />

diesem Verhalten bei. Die Wirkung <strong>des</strong> Salzgehaltes auf den Auftrieb und den Transport von<br />

organischem Material ist erheblich. Das Eindringen <strong>des</strong> Salzkeils verhindert weitgehend die<br />

Sedimentation von Schlick an der Sohle der Hauptrinne.<br />

Auch mikrobielles Wachstum auf den Schwebstofflocken wirkt auf die Sinkgeschwindigkeit<br />

ein und macht die Beschreibung <strong>des</strong> Verhaltens nicht einfacher. Der Abbau <strong>des</strong> organischen<br />

Materials führt im Sommer zur Abnahme <strong>des</strong> Sauerstoffes in der Elbe, mit besonders<br />

niedrigen Werten im limnischen Bereich zwischen Glückstadt und Hamburg. In den<br />

Nebenelben ist durch das flachere Wasser der Sauerstoffgehalt deutlich höher.<br />

3.5.3 Sedimenthaushalt<br />

3.5.3.1 Quellen<br />

Es ist gegenwärtig nicht möglich, den Sedimenthaushalt vollständig quantitativ zu<br />

beschreiben. Einträge von Sedimenten in das System erfolgen über das Oberwasser, die<br />

Nordsee und die Nebenflüsse. Die Erosion der Hauptrinne als Antwort auf die verstärkten<br />

Strömungen setzt ebenfalls Material frei, das in das Transportregime eingeht. Die<br />

biologischen Prozesse wandeln die eingetragenen Nährstoffe in organische Substanz um, die<br />

in der Elbe umgelagert wird.<br />

3.5.3.2 Senken<br />

Die Senken <strong>des</strong> Materialhaushaltes sind ebenfalls die Nordsee, wo ein Großteil der erodierten<br />

Sedimente verbleibt, darüber hinaus auch die Nebenflüsse, die seit den Sperrwerkbauten<br />

Sedimentationen erfahren, weil die erodierende Wirkung <strong>des</strong> Abflusses der Sturmfluten<br />

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ausbleibt. Das Deichvorland ist bei Sturmfluten starken Sedimentationen ausgesetzt und stellt<br />

daher eine wesentliche Senke <strong>des</strong> Materialhaushaltes dar. Es hat durch die Vordeichungen an<br />

Fläche verloren, wodurch sich hier weniger Material absetzen kann. Dieses hat zur Folge,<br />

dass eine wesentliche Entlastung der Elbe besonders von Feinmaterial und organischer<br />

Substanz eingeschränkt ist und die Trübungszone an Material zunimmt. Die verbliebenen<br />

Vorlandflächen weisen gesteigerte Sedimentationsraten bis zu 2 cm/Jahr auf. Das<br />

Deichvorland der Nebenflüsse ist durch die Absperrung vom Materialhaushalt abgekoppelt.<br />

Die auflandenden Watten und die verlandenden Randgewässer wie z. B. das Mühlenberger<br />

Loch und die Pagensander Nebenelbe sind ebenfalls Senken <strong>des</strong> Sedimentes.<br />

3.5.3.3 Sedimentumlagerungen<br />

Die Sedimente werden auf unterschiedlichen Wegen transportiert, die sehr vom<br />

Sinkverhalten abhängen. Es gibt Austauschvorgänge zwischen den Nebengewässern und der<br />

Hauptrinne, kleinere und größere Kreisläufe <strong>des</strong> Sedimentes, an denen sich auch die<br />

Unterhaltungsbaggerungen und Umlagerungen beteiligen. Die Gezeitenströmungen bewegen<br />

große Mengen von Sedimenten hin und her, wobei die dominierenden Transportrichtungen<br />

sich abhängig von Korngrößen unterschiedlich einstellen. Vor dem Beginn der<br />

Unterhaltungsbaggerungen wurde hauptsächlich Sediment in das System eingetragen, das<br />

damit den Meeresspiegelanstieg ausglich. Danach setzten durch verstärke Strömungen<br />

Erosionsvorgänge ein, die den Querschnitt der Rinne aufweiteten. Diese Erosionen<br />

übertrafen in der Regel sowohl die durch Baggerungen entnommenen Mengen als auch die<br />

Sedimentationen der Randbereiche. Die Tidekurve und die von ihr erzeugten Strömungen<br />

sind verantwortlich für die Richtungen, die das Sediment überwiegend nimmt. Weitere<br />

Einflüsse gehen vom Oberwasser aus.<br />

Im Flachwasser ist natürlicherweise ein stromauf gerichteter Transport (tidal pumping)<br />

vorherrschend, der, wenn das System im Gleichgewicht ist, durch die stromab<br />

vorherrschenden Transporte in der Hauptrinne ausgeglichen wird. Durch die verringerte<br />

Dämpfung der Tide ist die Tidekurve immer asymmetrischer geworden und erzeugt heute<br />

auch unausgeglichene Transporte in der Hauptrinne. Es wird ein stromab gerichteter<br />

Transport unterhalb der Stör beobachtet, der die Querschnitte besonders in der Mündung<br />

aufweitet. Stromauf davon findet seit langem ein Transport von Schlick in Richtung Hamburg<br />

statt. Durch zunehmende Asymmetrie der Tidekurve ist in jüngster Zeit die Flutströmung<br />

noch stärker und befördert auch Feinsande stromauf.<br />

3.6 Wechselwirkungen zwischen dem Gewässerbett und den Strömungen<br />

Die Strömungen formen das Gewässerbett und dieses die Strömungen – eine Wirkungskette,<br />

deren Ergebnis unmöglich vorherzusehen ist. Auch mit modernsten Methoden ist es nur<br />

möglich, die Richtung anzugeben, in der sich ein Anfangszustand weiterentwickelt. Weist das<br />

betrachtete System einige unveränderliche Randbedingungen auf, so folgt die morphologische<br />

Entwicklung gewissen Gesetzmäßigkeiten, die zum Teil empirisch erfasst werden können.<br />

Die wichtigsten Randbedingungen sind die von außen einschwingende halbtägige Tide, die<br />

Länge <strong>des</strong> Systems, die die Resonanz dieser Tide ermöglicht, die Wassertiefen und die Trasse<br />

der Rinne, die für die Schifffahrt vorgehalten werden.<br />

Die bedeutendsten morphodynamischen Prozesse, die zu beobachten sind, sollen im<br />

Folgenden kurz skizziert werden.<br />

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3.6.1 Nachlauf<br />

Nachlaufprozesse sind Reaktionen <strong>des</strong> Systems auf Eingriffe. Das Gewässerbett schwingt<br />

sich neu ein, bis dahin wird viel Material umgelagert. Durch die Wechselwirkungen bleibt es<br />

nicht bei einer unmittelbaren Rückkopplung, etwa indem eine Baggerung durch<br />

Sedimentation ausgeglichen wird und dann Ruhe eintritt. Auf Entnahmen reagiert der Fluss<br />

mit verstärkter Strömung, die ein noch weiteres Gewässerbett als Gleichgewicht anstrebt.<br />

Dies führt zu zusätzlichem Materialaustrag in die Nordsee. Die Bündelung der Strömung auf<br />

die Hauptrinne wird ebenfalls gefördert; die Randbereiche erfahren Sedimentationen.<br />

3.6.2 Selbstverstärkende Prozesse<br />

Dies führt zum Gesichtspunkt der selbst verstärkenden Prozesse. Die flacheren Randbereiche<br />

fördern die Bündelung der Hauptrinne zusätzlich, so dass eine Wirkungskette in Gang kommt,<br />

die erst nach längerer Zeit ein neues Gleichgewicht erreichen kann.<br />

Der Austrag von Material mit der Folge der größeren Rinnenquerschnitte hat ebenfalls eine<br />

selbst verstärkende Wirkungskette, da die Tidedynamik und die morphologische Reaktion<br />

sich gegenseitig fördern. In diesem Sinne ist auch von einem Wirkungszusammenhang<br />

zwischen Mündungserosion, Niedrigwasserabsenkung und verstärktem tidal pumping<br />

auszugehen.<br />

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4. Gestaltungsmöglichkeiten<br />

4.1 Wasserbauliche Entwicklungsziele<br />

Vorrangiges Ziel aus wasserbaulicher und nautischer Sicht ist die Stabilisierung bzw., wie<br />

schon Prof. Winfried Siefert 1995 forderte, die Dämpfung <strong>des</strong> Tidehubs mit Anhebung der<br />

Tideniedrigwasserstände. Ob das mittlere Tidehochwasser noch ein Problem darstellt, mag<br />

offen bleiben. Es verhält sich schon längere Zeit, auch nach dem letzten, 1999<br />

abgeschlossenen Ausbau, stabil. Weitere Ziele sind, die Strömungen und damit die<br />

Transportregime auszugleichen. Die Reduzierung der Unterhaltungsbaggerungen steht dabei<br />

im Vordergrund.<br />

4.2 Lösungsansätze<br />

4.2.1 Gestaltung <strong>des</strong> Gewässerbettes<br />

Wie aus den Ausführungen hervorgeht, bestehen enge Beziehungen zwischen den Problemen,<br />

die gelöst werden müssen. Die Anhebung <strong>des</strong> Niedrigwassers, die Ausgleichung der<br />

Strömungen, die Veränderung der Tidekurve hin zu früherer Symmetrie, die Reduzierung <strong>des</strong><br />

tidal pumping und die Stabilisierung der Mündungsquerschnitte meinen weitgehend das<br />

gleiche, da sie alle in einem Kausalzusammenhang stehen.<br />

Die möglichen Maßnahmen zur Behebung der Probleme gliedern sich in zwei Gruppen:<br />

1. Eingriffe in die Dämpfung der Tide<br />

Das Gewässerbett ist so zu gestalten, dass eine möglichst hohe Dämpfung erreicht wird.<br />

Dazu sind die Tiefen auf das erforderliche Maß zu beschränken und die Querschnitte so<br />

zu gestalten, dass die Tidewelle eine möglichst große Dämpfung erfährt. Dieses wird<br />

erreicht, indem die Querschnitte so breit und flach wie möglich ausgebildet werden.<br />

Nebensysteme können ebenfalls einen Beitrag leisten, wenn hier ein möglichst großer<br />

Anteil <strong>des</strong> Tidevolumens über flaches Wasser mit viel Reibung strömt.<br />

2. Eingriffe in das Reflexionsverhalten <strong>des</strong> Systems<br />

Durch eine Gestaltung <strong>des</strong> Tiefenlängsprofils in einer Weise, wie dies für tideabhängige<br />

Fahrt nahe liegend ist, wird ein Sockel geschaffen, der zu einer Teilreflexion der<br />

Tideenergie führen kann. Dieses kann, neben der durch den Sockel erreichten Dämpfung,<br />

den Tidehub reduzieren. In ähnlicher Weise kann auch an anderen Stellen die Reflexion<br />

beeinflusst werden. Auch die Wiederherstellung der Nebengewässer beeinflusst bei<br />

ausreichendem Tidevolumen die Reflektivität.<br />

Beide Ansätze führen zur Umgestaltung in eine Zielrichtung, die zum Teil der <strong>Tideelbe</strong><br />

früherer Zustände entspricht.<br />

4.2.2 Optimierung der Unterhaltungsmaßnahmen<br />

Die Umlagerung muss insgesamt und übergreifend optimiert werden. Die Eintreibungen von<br />

Sedimenten sind auch dadurch zu verringern; die Sedimentkreisläufe sind zu berücksichtigen<br />

und nach Möglichkeit nicht negativ zu unterstützen. Der Materialhaushalt der betreffenden<br />

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Stromabschnitte ist zu beachten. Auf diese Weise wird auch für die Sedimentbewegung und<br />

die Trübung insgesamt ein positiver Beitrag geleistet.<br />

5. Zusammenfassung und Fazit<br />

Es gibt keinen aus der Geschichte der <strong>Tideelbe</strong> bekannten stabilen Naturzustand, der als<br />

Referenz für naturschutzfachliche Entwicklungsziele geeignet erscheint. Seit der Eisenzeit ist<br />

die Entwicklung der Hydrologie, <strong>des</strong> Sedimenthaushaltes und der Ökologie der <strong>Tideelbe</strong><br />

anthropogen überprägt. Bei der Formulierung von Zielen stellen sich daher unter anderem<br />

folgende Fragen:<br />

- Welche Regimezustände sind unter den heutigen natürlichen Randbedingungen<br />

möglich?<br />

- Welche Regimezustände sind unter Fortführung der Nutzungen möglich?<br />

Die Umsetzung der Entwicklungsziele setzt in der Physik an und bereitet von dort aus die<br />

Voraussetzungen für Entwicklungen der chemischen und biologischen Entwicklung. Wie aus<br />

den Ausführungen hervorgeht, gibt es in einigen wesentlichen Punkten Übereinstimmungen<br />

zwischen wasserbaulichen und ökologischen Zielen. Dies betrifft insbesondere die Dämpfung<br />

der Tide durch Strombaumaßnahmen.<br />

Hydraulisch intakte Randgebiete sind in den vorhandenen Grenzen soweit zu fördern, dass<br />

dies nicht zum Nachteil für die Unterhaltung wird. Teilweise können diese Maßnahmen auch<br />

mit den wasserbaulichen Zielsetzungen übereinstimmen, z.B. wegen der Wirkung auf die<br />

Wasserstände oder den Sedimenthaushalt. Der Gestaltung <strong>des</strong> Gewässerbettes mit hohem<br />

Flachwasseranteil erhält dadurch auch eine wasserbauliche Motivation.<br />

Konflikte zwischen wasserbaulichen und naturschutzfachlichen Zielen bestehen bei der<br />

Ufergestaltung, wo der Wasserbau befestigte Ufer bevorzugt, die bei aufgespülten Flächen zur<br />

Erreichung hoher Kapazitäten steil ausgestaltet werden. Für die ökologische Entwicklung<br />

werden dagegen flache, unbefestigte Ufer angestrebt. Es bestehen jedoch<br />

Gestaltungsspielräume zur Erlangung von Kompromissen zwischen den vorliegenden<br />

Ansprüchen.<br />

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