1 Einleitung. 2 Sensitivitätsstudie zu Sturmfluten

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1 1 Einleitung Dieser Bildband zur Sensitivitätsstudie Sturflut Elbe stellt die Ergebnisse der in den Projekten KLIWAS und KLIMZUG-NORD durchgeführten Sturflutuntersuchungen für die Tideelbe vor. Er ist zu einen eine Ergänzung zu Kapitel 7 Sturfluten in den Ästuaren Elbe, Jade-Weser und Es des KLIWAS-Abschlussberichts der Projekte 04/3.02 (Seiffert, R. et al., 2014). Der Abschlussbericht ist in der KLIWAS Schriftenreihe als Bericht KLIWAS-36/2014 veröffentlicht und steht auf der KLIWAS Internetseite zur Verfügung. Zu anderen ergänzt der Bildband das i Rahen von KLIMZUG-NORD entstandene Kursbuch Kliaanpassung - Handlungsoptionen für die Metropolregion Haburg (KLIMZUG-NORD Verbund, 2014) sowie den Bericht Wilhelsburg i Kliawandel - Ist-Situation und zukünftige Veränderungen (Schlünzen, K.H. and Linde, M., 2014). Diese Berichte sind über die KLIMZUG-NORD Internetseite erhältlich. I Rahen der Projekte KLIWAS (Laufzeit: März 2009 bis Dezeber 2013) und KLIMZUG-NORD (Laufzeit: April 2009 bis März 2014) werden von der BAW ithilfe dreidiensionaler hydrodynaisch-nuerischer Modelle der Ästuare von Elbe, Jade-Weser und Es in verschiedenen Szenarien zentrale Aspekte öglicher Zukünfte untersucht. In den hier dargestellten Modellrechnungen zu Sturfluten in der Elbe wird der Meeresspiegel, der Wind und der Abfluss variiert. Alle anderen Paraeter werden nicht verändert. Dadurch lassen sich klare Wenn-Dann Aussagen forulieren und ögliche Betroffenheiten ableiten. Die Ergebnisse stellen keine Projektionen dar, sondern veritteln prinzipiell, welche Auswirkungen z.b. ein Meeresspiegelanstieg auf die Höhe des Sturflutscheitelwasserstandes hat. In Kapitel 4 ( Methoden ) des KLIWAS-Abschlussberichts der Projekte 04/3.02 wird die Vorgehensweise allgeein beschrieben. Zude sind alle i Rahen von KLIWAS durchgeführten Studien nach NOKIS-Standard it Metadaten beschrieben und z. B. über abrufbar. 2 Sensitivitätsstudie zu Sturfluten Sturfluten in den Ästuaren von Elbe, Jade-Weser und Es werden nicht nur durch die Gezeitendynaik und den Windstau in der Deutschen Bucht beeinflusst, sondern auch Prozesse in den bis zu 100 k tief in die Norddeutsche Tiefebene hineinreichenden Flussündungsgebieten prägen das Erscheinungsbild einer Sturflut. So beeinflussen die Wasserstandsentwicklung in der Deutschen Bucht, die lokale Windwirkung über de Ästuar, der Oberwasserzufluss sowie die Topographie des Ästuares den Sturflutscheitelwasserstand HW (höchster i Sturflutzeitrau aufgetretener Wasserstand) entlang des Ästuares. I Rahen einer Sensitivitätsstudie zu Sturfluten in Zeiten des Kliawandels werden Szenarien untersucht, die zentrale Eleente einer öglichen Zukunft hervorheben. Als zentrale Eleente einer öglichen Zukunft werden z. B. eine Zunahe der Niederschläge i Winter (Becker, 2012) und die daraus resultierenden höheren Abflüsse (Horsten, T. et al., 2012) in der Sturflutsaison, eine Zunahe der Windgeschwindigkeiten oder ein Meeresspiegelanstieg in der Deutschen Bucht (Heinrich, H. et al., 2012) genannt

2 In einer Sensitivitätsstudie wird der Einfluss folgender Paraeter auf den Sturflutscheitelwasserstand entlang der Ästuare untersucht: Zunahe des Oberwasserzuflusses: Sturflutszenarien werden it de geessenen Abfluss sowie it jeweils drei erhöhten Abflüssen ( /s, /s und /s für Elbe und Weser sowie /s, /s und /s für die Es) kobiniert. Der höchste untersuchte Wert entspricht de heutigen HHQ (höchste bekannter Wert; siehe Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch DGJ, 2011 bzw. DGJ, 2012) des jeweiligen Ästuares; Erhöhung des lokalen Windes über de Ästuar u 5 % und 10 %; Meeresspiegelanstieg in der Nordsee: Sturflutszenarien werden it eine Meeresspiegelanstieg von 25 c, 80 c und 115 c kobiniert (zur Einordnung der Werte siehe Gönnert, G. et al., 2009). Das Ziel dieser Sensitivitätsstudie ist es, ein besseres Verständnis für die Variationsbreite der Sturflutscheitelwasserstände unter heutigen und öglichen zukünftigen Randbedingungen zu erhalten. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Charakteristik zukünftiger Sturfluten durch einen Kliawandel nicht grundsätzlich ändert (Seiffert, R. et al., 2014). Deswegen kann die Sensitivitätsstudie auf der Grundlage von historischen, sehr hohen Sturfluten (Sturflut 3. Januar 1976 (SF76) in Elbe und Jade-Weser, Sturflut 1. Noveber 2006 (SF06) in der Es) durchgeführt werden. Der Einsatz von hydrodynaisch nuerischen (HN-) Modellen (hier UnTRIM siehe Casulli, V. and Walters, R.A., 2000 bzw. BAW, 2004c) eröglicht es, den Einfluss der genannten Prozesse auf den Wasserstandsverlauf bei Sturflut jeweils einzeln zu untersuchen. Die Modellgebiete von Elbe, Jade-Weser und Es ufassen den bei Sturflut betroffenen Bereich der Ästuare. Landseitig werden sie durch die heutige Deichline begrenzt. Bei Sturflut sowie bei hohen Oberwasserzuflüssen werden die Wehre Geesthacht (Elbe), Heelingen (Weser), Herbru (Es) und Bollingerfähr (Es) gelegt und begrenzen soit nicht ehr den tidebeeinflussten Bereich der genannten Flüsse. Die Modelltopographien beschreiben den Zustand 2003 (Elbe und Jade-Weser) bzw (Es). Die Wasserstandsentwicklung a offenen Rand zur Nordsee wird für den heutigen Zustand (Referenzszenario) aus geessenen Wasserstandszeitreihen erzeugt. Der Anstieg des Meeresspiegels (slr) in der Deutschen Bucht wird durch ein Anheben der Wasserstandsrandwerte i Siulationszeitrau (siehe Tabelle 1 auf Seite 4) u 25 c, 80 c und 115 c berücksichtigt. Für die Referenzszenarien wird der während der zugrunde liegenden historischen Sturfluten (SF76 und SF06) herrschende Abfluss vorgegeben. Für die Oberwasserzuflussszenarien werden die angegebene erhöhten Abflüsse i gesaten Siulationszeitrau (siehe Tabelle 1 auf Seite 4) i HN-Modell berücksichtigt. Die Windfelder für die untersuchten Sturflutzeiträue wurden vo DWD bereit gestellt. Für die Windszenarien werden die Beträge der Windgeschwindigkeiten i Siulationszeitrau (siehe Tabelle 1 auf Seite 4) u 5 % bzw. 10 % erhöht

3 Wasserstand NHN Bild 1: Zeitreihe des Wasserstandes bei Elbe - k 640 (Schulau) für die Sturflutszenarien SF76 Q500 (schwarz, as01), Q2000 (rot, v83q2), Q3000 (grün, v83q3) und Q4000 (blau, v83q4). Wasserstand NHN Bild 2: Zeitreihe des Wasserstandes bei Elbe - k 640 (Schulau) für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (schwarz, as01), slr+25 c (rot, as02), slr+80 c (grün, as04) und slr+115 c (blau, as05). Wasserstand NHN Bild 3: Zeitreihe des Wasserstandes bei Elbe - k 640 (Schulau) für die Sturflutszenarien SF76 ohne Windveränderung (schwarz, as01), Wind+5% (rot, as17) und Wind+10% (grün, as21)

4 Ästuar Szenario Siulationszeitrau Elbe SF :00 Uhr bis :00 Uhr Jade-Weser SF :30 Uhr bis :00 Uhr Es SF :00 Uhr bis :00 Uhr Tabelle 1: Siulationszeiträue für die Sturflutszenarien SF76 (Elbe und Jade-Weser) bzw. SF06 (Es) Die Bilder 1 bis 3 auf der vorherigen Seite zeigen beispielhaft die Wasserstandsentwicklung bei Schulau in der Unterelbe (Elbe - k 640) für ausgewählte Oberwasserzufluss-, lokaler Wind- und Meeresspiegelanstiegsszenarien basierend auf de Sturflutszenario SF7 Man erkennt, dass sowohl der Abfluss Q als auch der Meeresspiegelanstieg slr die Höhe und die Eintrittszeit des Tideniedrigwassers Tnw und des Tidehochwassers Thw a Tag vor der Sturflut beeinflussen. Die Höhe des Sturflutscheitelwasserstandes HW und die Eintrittszeit des Sturflutscheitelwasserstandes thw sowie die Dauer hoher Wasserstände DHW werden vo Abfluss, vo lokalen Wind über der Elbe und vo Meeresspiegelanstieg in der Deutschen Bucht beeinflusst. Der Sturflutscheitelwasserstand wird höher und tritt früher ein. Hohe Wasserstände, z.b. höher als NHN + 3,00 treten länger auf. Die Sturflutscheitelwasserstände HW entlang der Ästuare von Elbe, Weser und Es für das Szenario Meeresspiegelanstieg sind in Bild 4 auf Seite 8 dargestellt. Bei der Modellierung der Szenarien für die Es wird von eine geöffneten Sturflutsperrwerk bei Gandersu (Es-k 32) ausgegangen. Der Einfluss eines Meeresspiegelanstieges u 25 c, 80 c und 115 c auf die Sturflutscheitelwasserstände ist bis tief in die Ästuare von Elbe, Weser und Es hinein zu erkennen. Erhöht sich zusätzlich i Sturflutzeitrau der Abfluss, so verändert dies zusätzlich die Höhe des Sturflutscheitelwasserstandes. Beispielhaft sind in Bild 6 auf Seite 10 die Sturflutscheitelwasserstände für einen Abfluss in Elbe und Weser von /s bzw. in der Es von /s eingetragen. I Mündungsbereich verändert ein erhöhter Abfluss die Sturflutscheitelwasserstände u weniger als ± 1 c. I ittleren Bereich der Ästuare wird der Sturflutscheitelwasserstand zusätzlich u ehrere Zentieter und i oberen Bereich u ehrere Dezieter erhöht. Es zeigt sich, dass bei Sturflut die Wasserstände i Mündungsbereich durch das Geschehen in der Nordsee, d.h. Sturflut und Meeresspiegelanstieg geprägt sind, während die Wasserstände i oberen Bereich der Ästuare durch das Geschehen i Binnenland, d.h. den Abfluss, geprägt sind. Zusaenfassend sind die Ergebnisse der Sensitivitätsstudie zu Sturflutscheitelwasserstand in Tabelle 2 dargestellt. I Mündungsbereich der Ästuare wird der Sturflutscheitelwasserstand durch das Geschehen in der Nordsee beeinflusst. Eine Erhöhung des Meeresspiegels führt zu einer Erhöhung des Sturflutscheitelwasserstandes in der gleichen Größenordnung. Eine Zunahe des Oberwasserzuflusses beeinflusst die Sturflutscheitelwasserstände i Mündungsbereich nur geringfügig (± 1 c). Bei einer Kobination von Meeresspiegelanstieg it einer Zunahe des Oberwasserzuflusses doiniert der Effekt des Mee

5 resspiegelanstieges. Eine Zunahe der lokalen Windgeschwindigkeit über den Ästuaren u 5 % bzw. 10 % erhöht die Sturflutscheitelwasserstände u bis zu 30 c. Bei einer Kobination von Meeresspiegelanstieg it einer Zunahe der Windgeschwindigkeit suieren sich die Effekte von Meeresspiegelanstieg und Windgeschwindigkeitszunahe. I oberen Bereich der Ästuare wird der Sturflutscheitelwasserstand durch das Geschehen i Binnenland beeinflusst. Eine Zunahe des Oberwasserzuflusses kann den Sturflutscheitelwasserstand u ehrer Dezieter anheben. I Binnenbereich, z.b. in der Elbe bei Bleckede, ist der Wasserstand lediglich durch den Abfluss bestit. Der Einfluss des Meeresspiegelanstieges nit z.b. stroauf des Wehres Geesthacht (Elbe-k 585) deutlich ab (siehe Bild 4 auf Seite 8 oben). I ittleren Bereich der Ästuare wird der Sturflutscheitelwasserstand sowohl durch das Geschehen über der Nordsee (Meeresspiegelanstieg), das Geschehen über de Ästuar (Zunahe der lokalen Windgeschwindigkeit) als auch de Geschehen i Binnenland (Oberwasserzufluss) beeinflußt. Szenarien Ästuaründung ittleres Ästuar oberes Ästuar Oberwasserzufluss Q ± 1 c 5 c bis 30 c 10 c bis 100 c Meeresspiegelanstieg slr + slr + slr ± 10 c + slr ± 10 c Kobination Q und slr + slr (slr + Q) (slr + Q) Windgeschwindigkeit bis zu 10 c bis zu 30 c bis zu 30 c Kobination Wind und slr (slr + Wind) (slr + Wind) (slr + Wind) Tabelle 2: Bedeutung der untersuchten Variation der Einflussgrößen bzw. ihrer Kobination für die Höhe der Sturflutscheitelwasserstände HW entlang der Ästuare von Elbe, Weser und Es. Zusätzlich zur Höhe des Sturflutscheitelwasserstandes verändert sich durch den Meeresspiegelanstieg auch die Eintrittszeiten des Sturflutscheitelwasserstandes. Bezogen auf einen Ort in der Mündung der Ästuare treten die Sturflutscheitelwasserstände bei eine Meeresspiegelanstieg i zentralen Ästuar früher ein. Beispielhaft sind für Haburg (Elbe-k 623), Breen (Weser-k 0) und Eden (Esk 40) die Eintrittszeiten i Referenzszenario it heutige Meeresspiegel bezogen auf die Elbündung (Elbe-k 748), die Weseründung (Weser-k 126) und die Esündung (Es-k 107) in Tabelle 3 dargestellt. Erhöht sich der Meeresspiegel u 25 c, 80 c oder 115 c so treten die Sturflutscheitelwasserstände 3 Minuten bis 27 Minuten früher ein. In Elbe und Es treten die Sturflutscheitelwasserstände in Haburg bzw. Eden it zunehende Meeresspiegelanstieg früher ein. In der Weser ist diese systeatische Veränderung nicht zu beobachten. Hier beeinflusst zusätzlich die je nach Meeresspiegelanstieg unterschiedliche Wirkung der von den Soerdeichen gebildeten Polder die Eintrittszeit des Sturflutscheitelwasserstandes in Breen. Bei eine Meeresspiegelanstieg ist bei Sturflut it einer Verkürzung der Vorwarnzeiten für die Bevölkerung und die Deichverteidigung sowie das Räuen von überflutungsgefährdeten Hafengebieten zu erwarten. Durch einen Meeresspiegelanstieg verändert sich die Dauer hoher Wasserstände. Entwässerungssyste und Siele ohne Pupen sind auf Wasserstandsgefälle zu Ästuar ange

6 SF76 SF76 SF06 Haburg (Elbe) Breen (Weser) Eden (Es) Szenario thw [in] thw [in] thw [in] SF_ref dthw [in] dthw [in] dthw [in] slr + 25 c slr + 80 c slr c Tabelle 3: Eintrittszeit thw des Sturflutscheitelwasserstandes sowie Änderung der Eintrittszeit des STurflutscheitelwasserstandes auf Grund eines Meeresspiegelanstieges (slr). wiesen. Auch Hafenanlagen können bei extre hohen Wasserständen nicht genutzt werden. Schleusen und Sperrwerke werden bei Sturflut geschlossen und bilden so Einschränkungen für den Schiffsverkehr. In einer Sensitivitätsstudie zu Sturfluten in Elbe, Jade-Weser und Es werden systeatische Variationen der Paraeter durchgeführt, die sich durch den Kliawandel ändern können. Die Sturflutscheitelwasserstände i Mündungsbereich der Ästuare werden durch das Geschehen in der Nordsee, d.h. die Sturflut und der Meeresspiegelanstieg, bestit. I Ästuar wird der Sturflutscheitelwasserstand sowohl durch das Geschehen in der Nordsee, das Geschehen über de Ästuar (lokaler Wind) als auch das Geschehen i Binnenbereich (Abfluss) geprägt. Die betrachteten Szenarien führen zu einer Zunahe der Sturflutscheitelwasserstände, einer früheren Eintrittszeit der Sturflutscheitelwasserstände sowie einer längeren Dauer hoher Wasserstände. Es ist davon auszugehen, dass die bekannten Problee bei Sturfluten durch den Kliawandel verstärkt werden. I Falle eines Meeresspiegelanstieges sollte die Wirksakeit des Küstenschutzes entlang des gesaten Ästuares überprüft werden. Bei einer zusätzlichen Erhöhung des Abflusses bei Sturflut sollte besonders auf die Wirksakeit des Küstenschutzes in den oberen Bereichen der Ästuare geachtet werden. Der frühere Eintritt des Sturflutscheitels durch einen Meeresspiegelanstieg verkürzt die Vorwarnzeit für z.b. das Räuen überflutungsgefährdeter Hafengebiete. Die durch einen Meeresspiegelanstieg verursachte längere Dauer hoher Wasserstände kann z.b. zu Probleen bei der Entwässerung in die Ästuare führen. Die Ergebnisse dieser Sensitivitätsstudie tragen dazu bei, Betroffenheiten entlang der Ästuare zu finden und dann geeignete Anpassungsaßnahen zu entwickeln

7 1 Vergleich Elbe, Weser und Es: Sturflutscheitelwasserstand entlang der Ästuare bei eine Meeresspiegelanstieg - 7 -

8 k Hochwasserstand HW ESF06slp1 KUKA-NSEE Cuxhaven k700 k680 k660 k640 Haburg k600 k580 k E E k120 k100 k80 Breerhaven k60 k40 k20 Breen K350 k E E E k Borku k80 k60 Eden E E5 Es-SPW k20 Papenburg k Bild 4: Vergleich Sturflutscheitelwasserstand HW Elbe, Weser und Es it Meeresspiegelanstieg. Elbe (Q500, oben): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (as01), slr+25 c (as02), slr+80 c (as04) und slr+115 c (as05) entlang des Elbefahrwassers von Elbe-k 748 bis Elbe-k 550. Weser (Q250, Mitte): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (er011), slr+25 c (aj14), slr+80 c (aj15) und slr+115 c (er31) entlang des Weserfahrwassers von Weser-k 126 bis Weser-k 330. Es (Q32, unten): für die Sturflutszenarien SF06 ohne slr (v10), slr+25 c (sp25), slr+80 c (slp80) und slr+115 c (slp115) entlang des Esfahrwassers von Es-k 107 bis Es-k 23.

9 1 k740 Cuxhaven k700 k680 k660 k640 Haburg k E E5 k580 k560 1 k k k80 Breerhaven k60 k40 k20 Breen K350 k E E E k Borku k k60 Eden E E5 Bild 5: Vergleich Sturflutscheitelwasserstand HW Elbe, Weser und Es it Meeresspiegelanstieg und erhöhte Abfluss. Elbe (oben): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (as01), slr+25 c (as02), slr+80 c (as04) und slr+115 c (as05) (gestrichelt), Q2000 (v83q2), Q2000slr+25 c (as25), Q2000slr+80 c (as08) und Q2000slr+115 c (er33) (durchgezogen) entlang des Elbefahrwassers von Elbek 748 bis Elbe-k 550. Weser (Mitte): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (er011), slr+25 c (aj14), slr+80 c (aj15) und slr+115 c (er31), Q2000 (aj111a), Q2000slr+25 c (aj20), Q2000slr+80 c (aj21) und Q2000slr+115 c (er33) (durchgezogen) entlang des Weserfahrwassers von Weser-k 126 bis Weser-k 330. Es (unten): für die Sturflutszenarien SF06 ohne slr (v10), slr+25 c (sp25), slr+80 c (slp80) und slr+115 c (slp115), Q350 (q350), Q350slr+25 c (q3s25), Q350slr+80 c (q380) und Q350slr+115 c (q3115) (durchgezogen) entlang des Esfahrwassers von Esk 107 bis Es-k-23. Es-SPW k20 Papenburg k-20

10 1 1 1 k740 Cuxhaven k700 k E E5 k k k80 Breerhaven k60 k660 k E E E5 k Borku k k60 Eden E E5 k640 Es-SPW Haburg k20 k20 k600 Breen Papenburg k580 K350 k560 k-20 k Bild 6: Vergleich Sturflutscheitelwasserstand HW Elbe, Weser und Es it Meeresspiegelanstieg und erhöhte Abfluss. Elbe (oben): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (as01), slr+25 c (as02), slr+80 c (as04) und slr+115 c (as05) (gestrichelt), Q3000 (v83q3), Q3000slr+25 c (as26), Q3000slr+80 c (as11) und Q3000slr+115 c (er34) (durchgezogen) entlang des Elbefahrwassers von Elbek 748 bis Elbe-k 550. Weser (Mitte): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (er011), slr+25 c (aj14), slr+80 c (aj15) und slr+115 c (er31), Q3000 (aj121), Q3000slr+25 c (aj23), Q3000slr+80 c (aj24) und Q3000slr+115 c (er34) (durchgezogen) entlang des Weserfahrwassers von Weser-k 126 bis Weser-k 330. Es (unten): für die Sturflutszenarien SF06 ohne slr (v10), slr+25 c (sp25), slr+80 c (slp80) und slr+115 c (slp115), Q700 (q700), Q700slr+25 c (q7s25), Q700slr+80 c (q780) und Q700slr+115 c (q7115) (durchgezogen) entlang des Esfahrwassers von Esk 107 bis Es-k-23.

11 1 k740 Cuxhaven k700 k680 k660 k640 Haburg k E E5 k580 k560 1 k k k80 Breerhaven k60 k40 k20 Breen K350 k E E E k Borku k k60 Eden E E5 Bild 7: Vergleich Sturflutscheitelwasserstand HW Elbe, Weser und Es it Meeresspiegelanstieg und erhöhte Abfluss. Elbe (oben): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (as01), slr+25 c (as02), slr+80 c (as04) und slr+115 c (as05) (gestrichelt), Q4000 (v83q4), Q4000slr+25 c (as27), Q4000slr+80 c (as14) und Q4000slr+115 c (er35) (durchgezogen) entlang des Elbefahrwassers von Elbek 748 bis Elbe-k 550. Weser (Mitte): für die Sturflutszenarien SF76 ohne slr (er011), slr+25 c (aj14), slr+80 c (aj15) und slr+115 c (er31), Q4000 (aj131), Q4000slr+25 c (aj26), Q4000slr+80 c (aj27) und Q4000slr+115 c (er35) (durchgezogen) entlang des Weserfahrwassers von Weser-k 126 bis Weser-k 330. Es (unten): für die Sturflutszenarien SF06 ohne slr (v10), slr+25 c (sp25), slr+80 c (slp80) und slr+115 c (slp115), Q700 (q700), Q700slr+25 c (q7s25), Q700slr+80 c (q780) und Q700slr+115 c (q7115) (durchgezogen) entlang des Esfahrwassers von Esk 107 bis Es-k-23. Es-SPW k20 Papenburg k-20

12 k740 NHN Cuxhaven k700 k680 k660 k640 Haburg k600 k580 k E E5 NHN 2 k120 k100 k80 Breerhaven k60 k40 k20 Breen K350 k E E E NHN k100 Borku k80 k60 Eden E E5 Es-SPW k20 Papenburg k-20 Bild 8: Topographie der HN Modelle für das Elbe Ästuars entlang des Elbefahrwassers von Elbe-k 748 bis Elbe-k 550 (oben), des Weser Ästuars entlang des Weserfahrwassers von Weser-k 126 bis Weser-k 330 (Mitte) und des Es Ästuars entlang des Esfahrwassers von Es-k 107 bis Es-k-23 (unten)

13 2 Modellierung und Analyse des Sturflutszenarios SF76 in der Elbe 1 Das atheatische Modell des Elbe Ästuars Für die in diese Bildatlas vorgestellten Untersuchungen i Rahen von KLI- WAS und KLIMZUG-NORD wird das hydronuerischen Modellverfahrens UnTRIM (Casulli, V. and Walters, R.A., 2000) eingesetzt. Das auf der Methode der Finiten Differenzen / Finiten Voluen basierende drei - diensional atheatische Verfahren UnTRIM dient der Siulation stationärer und instationärer Ströungs- und Transportprozesse in Gewässern it freier Wasseroberfläche. UnTRIM verwendet ein unstrukturiertes orthogonales Gitter. Auf der Grundlage des genannten HN Verfahrens wird unter Berücksichtigung der Topographie des Elbe Ästuares ein Modell der Elbe gebildet. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens findet sich i Matheatical Model Un- TRIM Validation Docuent (BAW, 2004c). Grundlage des Verfahrens UnTRIM sind Differentialgleichungen, die eine atheatische Forulierung der physikalischen Erhaltungssätze für das Wasservoluen und den Ipuls der Ströung darstellen. Mit diese Berechnungsverfahren können flächendeckend für jeden aktiven Gitterpunkt und Zeitschritt u. a. folgende physikalische Größen berechnet und ausgegeben werden: Wasserspiegelauslenkung (bezüglich NHN) und Ströungsgeschwindigkeit (tiefengeittelt). Bei der Berechnung der aufgezählten physikalischen Größen berücksichtigt das atheatische Modell des Elbe Ästuars folgende, die Tidedynaik beeinflussende Prozesse: Gezeiten, Oberwasserzufluss, Trockenfallen und Überfluten von Wattflächen, Sohlreibung, Ipulseintrag durch Wind, turbulente Diffusion des Ströungsipulses, Corioliskraft sowie den advektiven Ipulstransport. Die räuliche und zeitliche Variabilität des lokalen Windfeldes erzeugt einen zusätzlichen räulich und zeitlich variablen Ipulseintrag aus der Atosphäre, der Ströung und Wasserstand von Flüssen und Ästuaren kleinräuig beeinflusst. Dieser Effekt ist bei Extreereignissen wie Sturfluten nicht zu vernachlässigen und uss deshalb i Rahen dieser Untersuchungen i HN Modell berücksichtig werden. Der Ipulseintrag aus der Atosphäre wird paraetrisiert und durch die Windschubspannung τ Wind beschrieben:

14 τ Wind = ρ Lu ft C D v 10,Wind v 10,Wind. Hierbei bezeichnet ρ Lu ft die Dichte der Luft und v 10,Wind die Windgeschwindigkeit in 10 Höhe über Grund. Für die vorliegenden Untersuchungen wird der Ipulsaustauschkoeffizient C D it den von Sith und Banke (Sith, S.D. and Banke, E.G, 1975 ) vorgeschlagenen Koeffizienten berechnet: C D =( v 10,Wind ) Modellgebiet Elbe Das Modellgebiet des verwendeten HN-Modells ufasst die folgenden Gebiete: Außenelbe bis Elbe k 756, Unterelbe und Mittelelbe bis Bleckede (Elbe k 550). Bei der Festlegung der Grenzen (Berandung) des Siulationsgebietes werden folgende Kriterien beachtet: Da bei hohe Oberwasserzufluss (> /s ) oder Sturflut das Wehr Geesthacht gelegt wird, reicht das Modellgebiet bis Bleckede. Da bei Sturflut die Nebenflüsse der Elbe durch Sperrwerke von der Elbe getrennt sind, werden diese i Modell nicht berücksichtigt. Ausgehend von den vorstehend ausgeführten Kriterien wurde das in Bild 9 auf der nächsten Seite dargestellte Modellgebiet gewählt. Der seeseitige Rand des Modellgebietes wird durch die gedachte Linie von Cuxhaven Sahlenburg über Neuwerk, Scharhörn, Bake A, Bake Z bis Blauortsand und dann nach Osten zur Schleswig Holsteinischen Küste gebildet. Landseitig endet das Modell bei Bleckede. Das Gebiet des Elbe Ästuars ist bis zur Deichlinie nachgebildet. Bild 10 auf Seite 16 zeigt in Rot das Längsprofil der Sohllage entlang des Elbefahrwassers für den Ist Zustand 2003 (PIZ2003) zwischen Elbe k 748 in der Außenelbe und Elbe k 550 bei Bleckede

15 BakeZ Scharhoern BakeW Cuxhaven Brunsbuettel Glueckstadt Topographie NN k Schulau Haburg St.Pauli Bunthaus Geesthacht Bleckede Bild 9: Topographie des HN Modells des Elbe Ästuars für Sturflutuntersuchungen (Ist Zustand PIZ2003) it ausgewählten Pegelorten.

16 NHN E E5 k740 k680 Haburg St.Pauli k580 Cuxhaven k660 k605 k560 k700 k640 k600 Bild 10: Längsprofil der auf NHN bezogenen Sohllage der Fahrrinnenachse der Elbe in der Topographie des HN Modells für den Ist Zustand 2003 (PIZ2003, rot) zwischen Elbe k 748 und Elbe k 550.

17 3 Gitternetz Das de HN Modell zugrunde liegende unstrukturierte orthogonale Gitternetz ist i vorliegenden Fall aus dreieckigen Gittereleenten aufgebaut und überdeckt das Modellgebiet vollständig. Gitternetz und räuliche Diskretisierung werden wie folgt näher beschrieben: Anzahl der Knoten: Anzahl der Kanten: Anzahl der Polygone: Kantenlänge: 5 bis 820 Eleentflächen: 47 2 bis 0,62 k 2. 4 Modellsteuerung Für die Steuerung des atheatischen Modells wird a offenen seeseitigen Rand der zeitliche Verlauf des Wasserstandes für jedes auf de offenen Rand liegende Polygon vorgegeben. Für die Sturflut vo (SF76) wird aus den Pegelaufzeichungen der Bake W (Zehnerloch) unter Berücksichtigung einer Übertragungsfunktion der Wasserstandsverlauf auf de seeseitigen Modellrand bestit. A landseitigen offenen Modellrand bei Bleckede werden für das auf einer historischen Sturflut beruhende Sturflutszenario SF76 die a Pegel Neu Darchau geessenen Abflüsse (siehe hierzu DGJ, 1976 it eine Zeitversatz von + 7 Stunden (erittelt aus Laufzeit der Hochwasserwelle zwischen Neu Darchau und Bleckede, pers. Mitteilung WSA Lauenburg)) vorgegeben. Eine Einordnung der gewählten Abflussszenarien bietet Tabelle 4 auf Seite 19. Zur Berechnung des Ipulseintrages aus der Atosphäre während des Sturflutszenarios SF76 wird die Windgeschwindigkeit in 10 Höhe aus odellierten hochaufgelösten lokalen Windfeldern über de gesaten Modellgebiet vorgegeben. I Abstand von zwei Stunden liegen für den Zeitrau bis vo DWD it MKW (Schidt, H. and Pätsch, J., 1992) odellierte Windfelder it einer räulichen Auflösung von 450 x 450 vor. 5 Analyse der Modellergebnisse I Rahen einer sich an die Modellrechnung anschließenden Auswertung wird aus den Zeitreihen der Wasserstände für jeden Siulationslauf i gesaten Modellgebiet der Sturflutscheitelwasserstand (höchster aufgetretener Wasserstand HW) i Analysezeitrau (vgl. Tabelle 5 auf Seite 19), die Eintrittszeit des Sturflutscheitelwasserstandes (thw) bezogen auf Elbe k 748 sowie die

18 skalare Windgeschwindigkeit /s Windrichtung Grad Wasserstand NHN Bild 11: SF76, oben: Windgeschwindigkeit und Windrichtung vo bis bei Cuxhaven. Die Messung ist rot und die Rechnung (MKW) schwarz gekennzeichnet. unten: Wasserstandsentwicklung vo bis für den Pegel Cuxhaven. Die Messung ist rot und die Rechnung (HN Modell der Elbe, PIZ2003) schwarz gekennzeichnet. Dauer von Wasserständen (DHW) höher als NHN + 3,00 i Analysezeitrau (vgl. Tabelle 5) berechnet. Zusätzliche Inforationen zu den aus den berechneten Wasserstandszeitreihen abgeleiteten Kenngrößen HW, thw und DHW findet an i Bericht Tideunabhängige Kennwerte des Wasserstandes (BAW, 2002). Aus den Zeitreihen der Wasserstände und der Ströungsgeschwindigkeiten werden für jeden Siulationslauf entlang der Elbe die ittlere und axiale Flutstrogeschwindigkeit (Vf und Vfx), die ittlere und axiale Ebbestrogeschwindigkeit (Ve und Vex), bestit. Betrachtet wird lediglich ein Ereignis: die Flut vor Erreichen des Sturflutscheitelwasserstandes bzw. die Ebbe nach de Sturflutscheitelwasserstand. Die Analysezeiträue sind in Tabelle 5 auf der nächsten Seite angegeben. Zusätzliche Inforationen zu den abgeleiteten Kenngrößen findet an i Bericht Tidekennwerte der Ströungsgeschwindigkeit ( BAW, 2004a und BAW, 2004b). Zur Erittlung dieser Analysegrößen werden die Zeitreihen des Wasserstandes und der Ströungsgeschwindigkeit auf Querschnitten i Abstand von 5 k entlang der Elbe querschnittsgeittelt. Die Lage dieser Querprofile ist in Bild 12 auf Seite 20 eingezeichnet. Man erhält so die für den jeweiligen Querschnitt charakteristischen Ströungsgeschwindigkeiten

19 MNQ (ittlerer niedrigster Abfluss) /s MQ (ittlerer Abfluss) /s MHQ (ittlerer höchster Abfluss) /s HHQ (höchster bekannter Abfluss, ) /s HQ 100 (Neu Darchau Geesthacht) /s Elbehochwasser 2002: /s Elbehochwasser 2006: /s Elbehochwasser 2013: /s Abfluss während der Sturflut /s Abfluss während der Sturflut /s Abfluss während der Sturflut /s Abfluss während der Sturflut /s Abfluss während der Sturflut /s Abfluss während der Beessungssturflut /s Tabelle 4: Oberwasserereignisse der Elbe bei Neu Darchau (Elbe k 536) bezogen auf den Zeitrau 1926/2006 (aus: DGJ, 2011, Internationale Koission zu Schutz der Elbe, 2001 sowie pers. Mitteilung WSA Lauenburg). Die gewählten Analysezeiträue für die Kennwerte des Wasserstandes und der Ströungsgeschwindigkeit sind in Tabelle 5 angegeben. Sturflut physikalische Größe von bis SF76 Wasserstand 04:00 22:00 (HW, thw, DHW) Ströung 04: :00 (Vf,Vfx, Ve, Vex) Tabelle 5: Analysezeiträue der Sturflutszenarien Elbe für die unterschiedlichen physikalischen Größen. Die tideunabhängigen Kennwerte des Wasserstandes (BAW, 2002) werden für den jeweiligen Tag der Sturflut analysiert. Die Tidekennwerte der Ströung werden (BAW, 2004a) für die Flut vor de Sturflutscheitelwasserstand und die Ebbe nach de Sturflutscheitelwasserstand bestit

20 QP-745 QP-740 QP-735 QP-730 QP-700 QP-695 QP-690 QP-725 QP-705 QP-685 QP-720 QP-715 QP-710 QP-680 QP-675 Topographie NN k QP-670 QP-665 QP-660 QP-655 QP-650 QP-645 QP-640 QP-635 QP-632 QP-HaHH1 QP-HaHH2 QP-HaHH3 QP-605 Bild 12: Topographie des HN-Modells des Elbe-Ästuares zwischen der Elbündung und Elbe k 605 (Over) it der Lage der zur Querschnittsittelung bzw. -integration der Wasserstands- und Ströungszeitreihen verwendeten Querprofile