zurück zum Inhaltsverzeichnis

Transkript

1 zurück zum Inhaltsverzeichnis zu den Folien Fahrdynamische Untersuchungen zur Engpassanalyse Rhein Prof. Dr.-Ing. Bernahrd Söhngen, Thorsten Dettmann (BAW) Dr. rer. nat. Hubert Klüpfel (Fa. TraffGo) 1. Teil : Tiefenanalyse (Söhngen) Einführung Ziel der Engpassanalyse Rhein, die nachfolgend am Beispiel von Untersuchungen aufgezeigt wird, die im Auftrag des WSA Bingen für die Gebirgsstrecke des Rheines durchgeführt werden, ist gemäß Auftragsschreiben die Lösungsfindung von Maßnahmen, um bei gleicher und gesteigerter Sicherheit und Leichtigkeit die Abladeverhältnisse zu verbessern. In einem ersten Schritt sind zur Lösung dieser komplexe Aufgabe die vorhandenen Tiefenverhältnisse in der Fahrrinne zu analysieren. Hierbei ist die Dynamik der Gewässersohle zu beachten, denn auch in der Gebirgsstrecke des Rheines liegt keine starre Gewässersohle vor. In einem zweiten Schritt ist die Fahrdynamik der Binnenschiffe einzubeziehen. Hierzu gehört das fahrdynamische Einsinken der Schiffe in Fahrt, insbesondere von Bergfahrern. Letzteres reduziert die nutzbare Fahrrinnentiefe, ebenso wie das Mindestflottwasser zwischen Schiffsboden in Fahrt und Gewässersohle, das bei einer felsigen oder von Grobkomponenten überlagerten Sohle deutlich höher sein kann als bei einer Kies- oder Sandsohle. Vor allem ist aber der Verkehrsflächenbedarf der Fahrzeuge zu beachten, denn die notwendige Tiefe muss zumindest auf dieser Breite vorliegen, damit sie von der Schifffahrt auch genutzt werden kann. Schließlich sind die Sicherheitsabstände zwischen den Schiffen und zwischen Schiff und Ufer zu beachten, um, zusammen mit dem Verkehrsflächenbedarf, beurteilen zu können ob die erwünschten Verkehre auf verfügbarer Breite erfolgen können. Nachfolgend soll auf die für die Gebirgsstrecke des Rheines wichtigsten Komponenten einer Engstellenanalyse eingegangen werden, nämlich die Tiefenverhältnisse im Bereich der Fahrspur und der erforderliche Verkehrsflächenbedarf. Zur Bedeutung der Gebirgsstrecke des Rheins als maßgebender Engpass Der Sollwert der Fahrrinnentiefe beträgt mit Ausnahme der Strecke zwischen Koblenz und Iffezheim 2,5 m unter GLW (Gleichwertiger Wasserstand, wird an ca. 20 eisfreien Wasserständen pro Jahr unterschritten). In der übrigen Strecke beträgt die Solltiefe 2,1 m. In der Gebirgsstrecke zwischen St. Goar und Budenheim kann dieser Wert in den Randbereichen der Fahrrinne nicht erreicht werden. Auf voller Fahrrinnenbreite liegen hier nur 1,9 m vor. Dies unterstreicht die Bedeutung dieser Teilstrecke für die Engpassanalyse, die zudem ein großes Gefälle und entsprechend große Strömungsgeschwindigkeiten aufweist. Diese erhöhen den Leistungsbedarf von Bergfahrern, das fahrdynamische Einsinken und den Verkehrsflächenbedarf in der Talfahrt.

2 Die Fahrrinnenbreiten von 150m zwischen Lobith und Koblenz, 120m zwischen Koblenz und Mannheim und um die 90 m zwischen Mannheim und Iffezheim, geben keinen direkten Aufschluß über einen möglichen Breitenengpass, denn sie betragen ein Vielfaches der Fahrspurbreite der auf dem Rhein verkehrenden Fahrzeuge in der Geradeausfahrt. In der Gebirgsstrecke des Rheins sind jedoch sehr enge Kurven zu durchfahren, wodurch die Schiffe ein Vielfaches ihrer Fahrspurbreite der Gradeausfahrt benötigen. Die vorhandenen Fahrrinnenbreiten müssen deshalb immer in Relation zum Breitenbedarf in der Kurvenfahrt gesehen werden, der in der Gebirgsstrecke ein Maximum erreicht. Auch diesbezüglich ist somit die Gebirgsstrecke der maßgebende Engpass auf dem Rhein. Einen weiteren Hinweis geben die von der Schifffahrt gewählten Abladetiefen. Hierzu wurden Angaben bekannter Schiffsführer und der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Duisburg hinsichtlich der gewählten Zuschläge auf Referenzpegel verwendet. Daraus wurden Dauerlinien potentieller Abladetiefen generiert. Obwohl diese Angaben kritisch zu sehen sind, geben sie dennoch wertvolle Hinweise zur Ausnutzung der Fahrwasserquerschnitte durch die Schifffahrt. Die Dauerlinien zeigen beispielsweise, dass in der Teilstrecke Rotterdam - Duisburg, wobei üblicherweise auf dem Pegel Duisburg abgeladen wird, bei abladebestimmenden Wasserständen durchschnittlich ca. 0,3 m größere Abladetiefen gewählt werden als in der Strecke Duisburg Moselmündung. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass der nach Angaben der Schiffsführer zum Teil heute noch maßgebende Pegel Koblenz künftig nicht mehr abladebestimmend sein wird. In der weiteren Strecke von der Moselmündung bis Mainz sinkt die Abladetiefe bei Mittel- und Niedrigwasser nochmals um ca. 0,4 m. Dieser Wert entspricht der Differenz der Sollwerte der Fahrrinnentiefe von 2,1 m zu 2,5 m. Bemerkenswert ist allerdings, dass dies für die beiden erstgenannten Strecken nicht zutrifft. Obwohl sie formal die gleichen Sollwerte der Fahrrinnentiefe von 2,5 m aufweisen, ist die mögliche Abladetiefe nach Angaben der Schiffsführer in der Strecke Duisburg Koblenz deutlich geringer. Dies zeigt, dass der Sollwert der Fahrrinnentiefe zwar einen ersten Hinweis auf die möglichen Abladetiefen der Schifffahrt gibt, dass aber weitere Kriterien für die Wahl der Abladetiefen mit entscheidend sind. So könnte in der Bergfahrt in der Strecke von Koblenz bis Köln ein größere fahrdynamische Einsinken auftreten, denn die Querschnitte sind kleiner und die Strömungsgeschwindigkeiten größer als in der Strecke unterstrom von Duisburg. Auch eine größere Morphodynamik oder eine grobkörnigere Gewässersohle könnten die Abladetiefen in der oberen Strecke negativ beeinflussen. Schließlich ist die dort vorhandene geringere Fahrrinnenbreite als Ursache zu nennen, die es den Schiffsführern schwerer macht, den Bereich mit den größten Tiefen innerhalb der Fahrrinnen, unter Beachtung der Verkehrssituation, zu nutzen. Die vorhandenen Übertiefen innerhalb der Fahrrinne können somit, wenn dies das entscheidende Kriterium ist, in der Teilstrecke Rotterdam Duisburg besser genutzt werden als in der oberstrom folgenden Strecke. Ein weiterer Aspekt bei der Wahl der Abladetiefe ist die Einbeziehung möglicher Wasserstandsveränderungen auf dem Fahrweg. Die Schiffsführer werden dann vorsichtiger Abladen, wenn sie länger unterwegs sind und deshalb möglichere größere

3 Wasserstandsänderungen beachten müssen als auf einer kürzeren Wegstrecke. Um diesen Einfluss zu quantifizieren wurde die mittlere negative Wasserspiegeländerung pro Tag für verschiedene, repräsentative Abflüsse an den Pegeln zwischen Duisburg Ruhrort und Mainz ermittelt und als Funktion der dem jeweiligen Abfluß zugeordneten Unterscheidungsdauer aufgetragen. Hierbei zeigt sich, dass die Wasserstandsänderungen um so größer sind, je höher der Abfluß ist bzw. je größer die Unterscheidungsdauer des jeweiligen Abflußzustandes ist. Dies kann sich wie folgt auf die gewählten Abladetiefen auswirken: Wenn ein modernes Großmotorschiff, dessen Maximaltiefgang beispielsweise 3,0 m beträgt, in der abladebestimmenden Gebirgsstrecke nur rund ein Drittel des Jahres voll ausgelastet fahren kann, dann muss bei einem Abflusszustand, bei dem die 3,0 m Abladetiefe gerade erreicht werden können, eine durchschnittliche negative Wasserstandsänderung im Bereich zwischen Koblenz und Mainz von ca. 12 cm pro Tag einkalkuliert werden. Bei einer Fahrzeit von einem Tag wäre also davon auszugehen, dass der Schiffsführer ca. 12 cm weniger tief ablädt als wenn sich die Wasserstände nicht ändern würden. Am Niederrhein kann dagegen nur an rund 20 % des Jahres nicht voll abgeladen werden. Die zugehörige durchschnittliche Wasserstandsänderung pro Tag beträgt bei dem zugehörigen niedrigeren Wasserstand, bei dem Vollschiffigkeit erreicht wird, nur ca. 6 cm pro Tag. Das "hydrologische Risiko" ist somit am Niederrhein deutlich geringer als in der Gebirgsstrecke. Hinzu kommen die dort in der Regel geringeren Fahrzeiten. Auch dies zeigt, dass die Gebirgsstrecke des Rheins gegenüber den anderen Teilstrecken deutliche Defizite aufweist, die über die Tiefen- und Breitenverhältnisse hinaus dazu zwingen, vorsichtiger, dass heißt weniger tief abzuladen. Tiefenanalyse Zunächst muss bei der Tiefenanalyse über die Breite, auf der die Tiefen ermittelt werden, befunden werden. Wenn weiterhin die plausible Annahme getroffen wird, dass das fahrdynamische Einsinken durch vorsichtige Fahrt, d. h., durch Reduktion der Schiffsgeschwindigkeit an Tiefenengstellen begrenzt wird, dann kann dies für die weitere Analyse gleichzeitig als gering und nahezu konstant angesehen werden. Unter diesen Voraussetzungen und unter der weiteren Annahme, dass die Fahrrinnenbreite von der Schifffahrt vollständig ausgenutzt wird - und dies auch bei Niedrigwasser -, geben die Tiefenverhältnisse innerhalb der Fahrrinne einen wichtigen Hinweis auf die möglichen Abladetiefen. Hierzu werden zunächst die Tiefenverhältnisse unter GLW für die Peilung von 1990 betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass die maßgebenden Tiefenengstellen im Bereich des Bacharacher Werth und bei Assmannshausen liegen. Dort ergibt sich die kleinste Tiefe zu 1,9 m, entsprechend dem eingangs erwähnten Sollwert der Fahrrinnentiefe in dieser Strecke. Geht man dagegen davon aus, dass die Fahrrinne in der Breite nicht vollständig ausgeschöpft wird, dass zum Beispiel ein Sicherheitsabstand zum Fahrrinnenrand von ca. einer Schiffsbreite, also rund 10 m, eingehalten wird, werden also die Randbereiche der Fahrrinne von der Tiefenanalyse ausgeschlossen und wird weiterhin angenommen, dass die

4 Schiffe so fahren, wie es im Radaratlas des Rheines angegeben ist, das heisst, dass Bergund Talfahrt auf einer bestimmten Seite der Fahrrinne erfolgt, dann ergibt sich ein anderes Bild. Die kleinsten Tiefen unter GLW der Peilung von 1990 von ca. 2,2 m treten nun an insgesamt 4 "Hochpunkten" zwischen Bingen und St. Goarshausen auf, wobei auch die Tiefenengstelle auf der gesamten Breite der Fahrrinne bei Bacharach enthalten ist. Dies zeigt, vorausgesetzt, dass die hier durchgeführte Analyse auf der Basis von Schwerprofilen in 100 m Abstand repräsentativ ist, dass es möglich ist, durch Meidung der Randbereiche der Fahrrinne ca. 0,3 m größere Abladetiefen zu wählen, als wenn die volle Breite der Fahrrinne genutzt werden muss. Wird die Unfallstatistik der Wasser- und Schifffahrtsdirektion SW einbezogen, wobei die Anzahl der Grundberührungen beziehungsweise des "Auflaufens" pro km und Jahr dargestellt wurde, dann zeigt sich zwar eine Häufung der Unfälle in den vorgenannten Teilstrecken. Eine signifikante Häufung an einer der vorgenannten herausragenden Engstellen tritt jedoch nicht auf. Bemerkenswert ist, dass das Maximum der Unfälle, bei dem die Schiffe aufgelaufen sind, an einer Stelle auftritt, an der zwar geringere Tiefen vorliegen als im Durchschnitt der Strecke, nämlich im Bereich des Jungferngrundes, dass es sich aber nicht um die Stelle mit den geringsten Tiefen handelt. Die Darstellung der Unfälle im Lageplan im Bereich des Jungferngrundes erklärt diese Diskrepanz. Sie zeigt, dass die nautische Situation am Jungferngrund entscheidend ist. Die Schiffsführer müssen nämlich nicht nur eine sehr enge Kurve durchfahren, wobei sie einen entsprechend erhöhten Verkehrsflächenbedarf haben, sondern sie müssen zusätzlich darauf achten, dass sie weder zu weit zum Innenufer fahren, das heißt am Jungferngrund, noch zu weit zum gegenüber liegenden abdriften, auf der sich das Tauberwerth, eine Felsengruppe befindet. Die Schiffsführer sind quasi zwischen Jungferngrund und Tauber Werth "eingeklemmt". Schon ein kleiner Fahrfehler kann hier bereits zu einem Unfall führen. Wichtig ist es deshalb, bei der Enpassanalyse die örtliche nautische Situation einzubeziehen. Messungen des Verkehrsflächenbedarfs, deren Ergebnisse hier bei einem vergleichsweise hohen Wasserstand dargestellt sind, zeigen überdies, dass die Verkehrsfläche von Bergund Talfahrern zusammen nahezu die gesamte Fahrspurbreite überstreichen. Für Begegnungsverkehr ist somit im Bereich des Jungferngrundes davon auszugehen, dass die Fahrrinnenbreite in ihrer Gänze beansprucht wird. Das Auslassen von Randbereichen für die Tiefenanalyse ist somit am Jungferngrund für diese Fahrsituation und für große Fahrzeuge unzulässig. Nur Einzelfahrer können die auch in dieser Strecke vorhandenen größeren Tiefen, unter Auslassung der Randbereiche, vollständig nutzen. Diese Analyse stützt sich auf die Annahme, dass die Fahrrinnentiefen bei allen Wasserständen, bei denen wasserstandsabhängig abgeladen wird, bei denen also jeder Zentimeter Wasserstanderhöhung in Abladetiefe umgesetzt wird, in der gesamten Gebirgsstrecke gleichwertig sind. In Wirklichkeit steigt aber der Wasserstand, zum Beispiel zwischen GLW und AZW (Ausbau-Zentralwasserstand), im Bereich Nahemündung, Klemensgrund, Lorcher und Bacharacher Werth in der Gebirgsstrecke um minimal ca. 0,84

5 m, dagegen am Pegel Kaub, auf den üblicherweise abgeladen wird, um ca. 1,22 m. Ein Schiffsführer, der diese Anomalien nicht beachtet und auf dem Pegel Kaub bei AZW ablädt, hätte somit im vorgenannten Bereich 0,4 m weniger Fahrrinnentiefe zur Verfügung. Erfahrene Schiffsführer kennen diesen Effekt und wählen bei höheren Wasserständen geringere Zuschläge auf dem Pegel Kaub als bei niedrigen Wasserständen. Dieser Effekt wurde im übrigen, dies sei hier nachgetragen, bei der oben diskutierten Dauerlinie potenzieller Abladetiefen berücksichtigt. Wichtig ist deshalb, dass nicht nur die Tiefenverhältnisse bei einem repräsentativen Wasserstand, zum Beispiel bei GLW, betrachtet werden, sondern dass dies für alle relevanten Wasserständen bis zur Vollschiffigkeit geschieht. Deshalb wurden die Längsprofile der kleinsten Wassertiefen in der "Fahrrinne ohne Randbereiche" auf der Seite des Bergfahrers für GLW, einen Wasserstand zwischen GLW und AZW und für AZW analysiert. Während bei GLW die abladebestimmende Strecke zwischen Bingen und dem Geiserücken liegt, wobei die Sohle mehrere Hochpunkte aufweist, liegt sie für den Wasserstand zwischen GLW und AZW und bei AZW jeweils im Bereich des Nahegrundes bei Bingen, bezogen auf die Peilung von Wird die Peilung von 1995 analysiert liegt die abladebestimmte Stelle bei GLW im Bereich des Klein Lorcher Werths und am Geiserücken, für höhere Wasserstände beim Klein Lorcher Werth. Sie liegt damit im gleichen Streckenabschnitt, aber dennoch in einem anderen Querprofil. Wichtig ist es deshalb auch, die Tiefenanalysen für mehrere Peilungen durchzuführen, um den Einfluss der Morphodynamik zu berücksichtigen. Zusammenfassend soll festgehalten werden, dass die Tiefenanalyse möglichst in dem Fahrrinnenbereich erfolgen sollte, der von den Fahrzeugen tatsächlich beansprucht wird, zum Beispiel auf der Basis gemessener Verkehrsflächen. Die hier getroffenen Annahmen, dass entweder die gesamte Fahrrinne beansprucht wird oder die Fahrrinne ohne Randbereiche auf der jeweiligen Seite des Bergfahrers gemäß Radaratlas, ist nur eine erste Näherung. Weiterhin ist die Ungleichförmigkeit im Wasserspiegelanstieg in Kombination mit der Gewässermorphologie zu analysieren, denn diejenigen Stellen, an denen der Wasserstand weniger stark ansteigt als in der übrigen Strecke oder am Kontrollpegel, müssen nicht mit Tiefenengstellen, die aus der Form der Gewässersohle resultieren, zusammen fallen. Schließlich ist die Morphodynamik zu beachten, das heißt, es sind Veränderungen der Gewässergestalt bei der Engstellenanalyse zu berücksichtigen. Solche Stellen, an denen bei vielen Peilungen und für unterschiedliche Wasserstände im Bereich der tatsächlichen Fahrspur der Schiffe immer wieder die kleinsten Tiefen vorkommen, sind bevorzugt zu entschärfen. Nachfolgend werden nun erste Ergebnisse fahrdynamischer Analysen zum Breitenbedarfs der Binnenschiffe vorgestellt werden. Die Kombination von Breiten- und Tiefenanalyse ist der nächste Schritt der weiteren Auswertung.

6 Teil : Breitenanalyse ( Dettmann) Zur Vorbereitung der Breitenanalyse wurden im Zeitraum von Juni 1998 bis August 2003 zahlreiche Messkampagnen in der Natur durchgeführt. Dabei wurden die Ortungen mit Hilfe zweier GPS-Antennen, welche an Bug und Heck des Schiffes aufgestellt wurden, durchgeführt. Durch die Nutzung von DGPS konnten so hochgenau die Schiffsbewegungen im Sekundentakt aufgenommen und daraus zahlreiche fahrdynamische Parameter wie Schiffsgeschwindigkeit, Bahnkrümmung, Driftwinkel etc. abgeleitet werden. In Absprache mit dem WSA Bingen konzentrierten sich die Messungen auf die Bereiche Mariannenaue, Bingen / Nahegrund, Loreley und Bopparder Hamm. Durchgeführt wurden insgesamt 11 Kampagnen bei HW, MW und NW. Da sich die gewünschten Wasserstände erst einstellen mussten, erstreckte sich der Untersuchungszeitraum über 5 Jahre. Im Rahmen der Breitenanalyse waren folgende Fragen zu klären: - Welchen Fahrweg wählen die Schiffe und warum? - Wie groß ist der Verkehrsflächenbedarf? Nach derzeitigen Erkenntnissen wird der Verkehrsflächenbedarf maßgeblich von folgenden Randbedingungen beeinflusst: - Kursachsenkrümmung, in Kombination mit der Strömungsgeschwindigkeit - Fließgeschwindigkeit in Kombination mit der Fahrgeschwindigkeit - Querströmungen bzw. Kreuzung der Hauptströmung - Form der Uferböschungen auf erforderliche Sicherheitsabstände zum Ufer Stellvertretend soll am Beispiel der Mariannenaue (Rhein km 511 bis km 518) das Vorgehen bei der Breitenanalyse vorgestellt werden. Oberhalb der Mariannenaue wird der Strom in die Große und die Kleine Gieß aufgespalten. Die Fahrrinne verläuft durch die Kleine Gieß. Beobachtungen durch das WSA haben ergeben, dass sich Bergfahrer in der Regel hart am grünen Tonnenbereich halten, da sie bei der Ausfahrt durch die Strömung in Richtung Große Gieß gedrückt werden. Unterhalb der Mariannenaue bestehen die umgekehrten Verhältnisse. Talfahrer werden in Richtung rechtes Ufer gedrückt. Nach Aussagen des WSA Bingen kommt es in beiden Bereichen häufig zu Festfahrungen. Im Verlauf der Messkampagnen konnte die Beobachtungen des WSA Bingen sowohl oberhalb als auch unterhalb von Mariannenaue bestätigt werden. Aus den Messdaten ist zu erkennen, das oberhalb von Mariannenaue die Stromteilung im Bereich von Eltville / Königsklinger Aue auf die Schiffe zu wirken beginnt. Sowohl die Tal- als auch die Bergfahrer werden durch die Strömung in Richtung Große Gieß an den linken Rand der Fahrrinne gedrückt. Um in der Fahrrinne zu bleiben, nehmen beide Schiffe eine Drift in Richtung rechten Fahrrinnenrand ein, um so hydraulische Querkräfte zu erzeugen, die der Strömung entgegen wirken und das Schiff in der Fahrrinne halten. Infolge dieser Drift steigt der Verkehrsflächenbedarf für beide Schiffe. Trotz der beschriebenen Maßnahmen fahren die nautischen Einheiten einen leichten Bogen in Richtung Große Gieß, was zu einer zusätzlichen Vergrößerung des Verkehrsflächenbedarfs führt.

7 Unterhalb von Mariannenaue werden die Schiffe infolge der Strömung aus der Großen Gieß an den rechten Fahrrinnenrand gedrückt. Die Messungen zeigen, wie die Schiffseinheiten zwischen km 517,5 und km 519 mit einer Fahrt unter Drift in Richtung linkes Ufer auf die Strömung reagieren. Infolge dieser Drift vergrößert sich hier ebenfalls die Fahrspurbreite. Bei dem Bergfahrer ist deutlich zu erkennen, wie das Schiff gegen die Strömung arbeiten muss und z.t. trotz der eingenommenen Drift in Richtung rechtes Ufer abgedrängt wird. Ein derartiger Versatz hat keine Folgen, wenn sich zu diesem Zeitpunkt kein weiteres Schiff in der Strecke befindet. Ein entgegenkommendes Schiff hätte in dieser Situation in Richtung rechtes Ufer ausweichen müssen und wäre so in eine Position geraten, in der Gefahr bestand, aus der Fahrrinne herausgetragen zu werden. Derartige Verkehrssituationen können leicht auftreten, wenn einer der beiden begegnenden Schiff die Querströmung aus der Großen Gieß falsch einschätzt. Das Gefahrenpotenzial sowohl oberhalb als auch unterhalb der Mariannenaue wird durch die Unfallstatistik der WSD Südwest belegt. Um den Zuwachs für die Fahrspurbreiten quantifizieren zu können, wurden aus den gemessenen Schiffspositionen die Fahrspurbreiten bezogen auf den Rhein- km ermittelt. In der Folie wurden alle gemessenen Fahrspurbreiten von Bergfahrern mit einer Länge von 80 bis 135 m einer Messkampagne zusammengestellt. Um Streuungen in den Fahrspurbreiten infolge unterschiedlicher Schiffsbreiten zu eliminieren, wurden sie mit der Schiffsbreite dimensionslos gemacht und in Prozent angegeben. 100% Fahrspurbreite entsprechen einer Schiffsbreite. Zur Verdeutlichung wurden die dimensionslosen Fahrspurbreiten für alle eingemessenen Schiffe im Bereich von Mariannenaue gemittelt und getrennt nach Berg und Talfahrt für die Schiffe mit einer Länge < 85 m, einer Länge zwischen 85 m bis 135 m und einer Länge von über 135 m aufgetragen. Die Klasseneinteilung ist notwendig, da die Fahrspurbreite insbesondere in der Kurvenfahrt sowohl von der Schiffsbreite als auch von der Schiffslänge abhängt. Wie man in den Fahrspuren entnehmen kann, fahren die Bergfahrer im Bereich Ingelheim (km 521,5 bis km 519,5) durch eine Krümmung in Richtung Kleine Gieß. Die aus dieser Kurvenfahrt resultierende Vergrößerung der Fahrspurbreiten ist in dem Diagramm erkennbar. Im Anschluss dieser Kurve bewegt sich das Schiff auf einer Geraden in die Kleine Gieß. In diesem Bereich zwischen km 519,5 und km 517,8 wird die Schifffahrt durch die einströmenden Wassermassen aus der Großen Gieß beeinflusst. Da in diesen Bereichen die Fahrrinne keine Krümmungen aufweist, können die Verbreiterungen der Fahrspuren ausschließlich auf die Wirkung der Querströmung zurückgeführt werden. Innerhalb der Kleinen Gieß weist die Fahrrinne leichte Krümmungen mit großen Radien auf. Aus diesen Krümmungen und aus Ausweich- und Kurskorrekturmanövern resultieren die Schwankungen der Fahrspurbreiten zwischen km 517,8 und km 512. Oberhalb der Stromteilung verläuft die Fahrrinne wieder gerade, so das auch die Fahrspurverbreiterungen im Bereich zwischen km 512 und 510,6 ebenfalls allein auf die Wirkung der in die Große Gieß abfließenden Wassermassen zurückzuführen sind. Das Diagramm ist mit der Unfallstatistik als gelbe Balken hinterlegt. In Bereichen, in denen die Schiffe der Querströmung ausgesetzt sind, häufen sich die Unfälle. Ebenfalls deutlich markiert sich in diesen Streckenabschnitten eine

8 Erhöhung des Verkehrsflächenbedarfs, d.h. Unfallhäufigkeit und Verkehrsflächenbedarf korrespondieren. Die gemittelten Fahrspurbreiten für die Talfahrt wurden nach den gleichen Schiffsgrößenklassen geordnet zusammengestellt. Die Messdaten belegen, dass die Talfahrt von den Querströmungen im gleichen Maße betroffen ist wie die Bergfahrt. Die grundsätzliche Tendenz der Fahrspurbreitenentwicklung, wie sie für die Bergfahrt beschrieben wurde, kann man bei der Talfahrt wiederfinden. Bedingt durch die Talfahrt und der damit verbundenen geringen Relativgeschwindigkeit Schiff/Wasser, im Vergleich zur Geschwindigkeit gegen Land, sind allerdings die Auswirkungen der Kurven- und Schlängelfahrten auf die Größe der Fahrspurbreiten wesentlich stärker. Dagegen ist der Einfluss der Querströmung insbesondere im Bereich oberhalb von Mariannenaue zum Teil geringer. Nach derzeitigem Kenntnisstand kann dies auf die größere Fahrgeschwindigkeit des Schiffes gegen Land zurückgeführt werden. Infolge der größeren Geschwindigkeit ist die Einwirkzeit der Querströmung auf das Schiff und damit verbunden die Auswirkung auf die Fahrt geringer. Neben der Vergrößerung der Fahrspurbreiten wirkt sich die Querströmung auch auf das Fahrverhalten, insbesondere auf die gewählte Kursachse aus. Im Ergebnis der Messkampagnen lässt sich feststellen, dass die Schiffsführer unterhalb der Mariannenaue aus Sicherheitsgründen die Fahrt am linken Ufer bevorzugen. Auch die Talfahrt steuert das linke Ufer an, wenn es die Verkehrssituation zulässt. Dadurch bietet die Fahrrinnenbreite noch einen Sicherheitsbereich, den der Schiffsführer nutzen kann, wenn das Schiff infolge Fehleinschätzung der Querströmung in Richtung rechtes Ufer abdriftet. Muss der Talfahrer bedingt durch Begegnungsverkehr am rechten Rand der Fahrrinne entlang fahren, besteht im Fall einer Fehleinschätzung der Querströmung wie beschrieben die Gefahr einer Grundberührung außerhalb der Fahrrinne. Oberhalb der Mariannenaue verläuft die Bergfahrt für alle Schiffsgrößen sehr dicht am linken Fahrrinnenrand, was sich nach Befragung der Schiffsführer auf die Stromteilung zurückführen lässt. Um das durch das WSA festgestellte und durch die Messungen nachgewiesene Gefahrenpotenzial einschätzen zu können, bedarf es einer eingehenden Analyse, in der zum einen die hydraulischen Belastungen auf das fahrende Schiff als auch die nautisch notwendigen Manövrierfähigkeiten quantifiziert und gegeneinander abgewogen werden müssen. Eine theoretische Durchdringung der Fahrdynamik in fließenden Gewässern, verbunden mit einer Erstellung fahrdynamischer Berechnungsmodelle, ermöglicht nicht nur eine fundierte Analyse gemessener Fahrspuren, sondern sie ermöglicht auch eine reine theoretische Analyse auf der Grundlage flussbaulicher Modelle. Das bringt den Vorteil, dass bei einer fahrdynamischen Streckenanalyse, wie sie derzeit für die Gebirgsstrecke am Rhein durchgeführt wird, die umfangreichen und damit kostspieligen Naturversuche auf wenige Eichfahrten reduziert werden können. Darüber hinaus entfällt das u. U. jahrelange warten auf bestimmte Wasserstände. Darüber hinaus können geplante Ausbauzustände untersucht werden.

9 Voraussetzung für eine fahrdynamische Engstellenanalyse ist eine flussbauliche Modellierung des zu untersuchenden Flussabschnittes, welche pegelabhängig das Abflussgeschehen liefert und das Vorhandensein von flussgeometrischen Basisdaten wie Sohltopografie, Fahrrinnebegrenzungen, Flussachsen etc.. Die Entwicklung derartiger flussbaulicher Modelle ist ein übliches Verfahren. Für große Steckenabschnitte z.b. des Rheins existieren 1D bzw. 2D Modelle, die die notwendige Datenbasis für eine fahrdynamische Analyse bieten. Aufbauend auf dieser Datengrundlage sind 4 grundsätzliche fahrdynamische Fragestellung zu beantworten. Auf welchen Kursachsen navigieren die Schiffe bei welchen Abflussverhältnissen innerhalb des Fahrwassers? Die eingangs aufgezählten Naturuntersuchungen haben gezeigt, dass das Fahrverhalten und damit verbunden der gewählte Kursweg des Schiffes mit den Abflussverhältnissen variiert. Mit der Variation der Kurswege verändern sich die hydraulischen Verhältnisse um den Schiffskörper, was wiederum den Raumbedarf entscheidend beeinflussen kann. Da der Aufwand zur Messung der Kurswege in Abhängigkeit der Pegelstände und der Schiffsgrößen groß ist, wurden Algorithmen entwickelt, mit deren Hilfe möglichst optimale Kurswege innerhalb der Fahrrinne gesucht werden können. Für eine derartige Generierung von Kursachsen werden querprofilorientiert Zielbereiche vorgegeben, die das Schiff ansteuern soll. Zielfunktionen sind z.b. Verkehrsregeln, Fließgeschwindigkeits- und Wassertiefenverteilung im Profil wobei die Bergfahrt in Bereichen geringer Fließgeschwindigkeiten und die Talfahrt in Bereichen hoher Fließgeschwindigkeiten erfolgen soll. Aus den Zielfunktionen werden für jedes Profil Bereiche ermittelt, die das Schiff durchfahren sollte. Durch diese Kette aufeinander folgender Zielbereiche wird mit Hilfe einer Vielzahl von Iterationsschritten eine Kursachse konstruiert, die das fahrdynamische Verhalten eines Schiffes berücksichtigt. Erste Vergleiche mit nachgerechneten Fahrten aus den Naturuntersuchungen brachten bereits gute Ergebnisse. Wie tief können Schiffe in Abhängigkeit der Abflussverhältnisse abladen? Zur Ermittlung der potenziellen Abladetiefe existiert in der BAW das Modell VSCHIFF, mit dem für die Fahrt auf Kanälen und Flüssen folgende fahrdynamische Kennwerte berechnet werden können: - Squat, - mögliche Schiffsgeschwindigkeit, - notwendiger Leistungsbedarf, - Grenzabladetiefen und - Sohlbeanspruchung.

10 Bei diesem Programm handelt es sich um ein stationäres Verfahren. Es setzt die Fahrt in einem abschnittsweise prismatischen Gerinne voraus. Die sich um das Schiff herausbildende Absunkmulde wird in Querrichtung als konstant und in Längsrichtung als linear verteilt angenommen. Grundlagen sind: - vereinfachte potenzialtheoretische Ansätze, - Impulssatz, - Kräftebilanz und - semiempirische Ansätze für den Wellen-, Neigungs-, Ablösungs- und Reibungswiderstand Dieses Verfahren wurde umfangreich getestet und bereits vielfach eingesetzt. Als Eingangsdaten werden die besprochenen Kursachsen benötigt, damit die maßgebenden Tiefenverhältnisse berücksichtigt werden können. Die Berechnungen sollten überdies für verschiedene Sohlpeilungen erfolgen, um den morphodynamischen Einfluss zu erfassen (Siehe erster Teil des Vortrages.) Wie verhalten sich Schiffe in frei fließenden Gewässern unter Berücksichtigung der Ruderausrüstung? Das in der BAW vorhandene fahrdynamische Modell PeTra (Pegelabhängige Trassierung) berücksichtigt bei der Berechnung des Verkehrsflächenbedarfs zwar die Fließgeschwindigkeit, ist aber für das Beispiel Mariannenaue nicht ausreichend, da das fahrende Schiff zusätzlich durch Querströmung aus der Großen Gieß belastet wird. Theoretische Berechnungen sind in diesem Fall nur mit einem 2- dimensionalen fahrdynamischen Modell möglich. Dieses Modell befindet sich derzeit in der Entwicklung. Es basiert auf den gleichen Grundsätzen der Impulsanalyse wie PeTra, berücksichtigt aber zusätzlich Querströmungen, die auf den Schiffskörper wirken. Wie wirkt die Verkehrsdichte auf das Verkehrsgeschehen und wie wirkt das Verkehrsgeschehen auf die Navigation? Wie man Beispiel der Mariannenaue gesehen hat, hat das Verkehrsgeschehen einen Einfluss auf die Fahrtrouten der Schiffe bzw. kann das Gefahrenpotenzials eines Streckenabschnittes beeinflussen. Um die Auswirkungen auf den Schiffsverkehr bzw. auf die vom Schiffsführer gewählten Kursachsen bewerten zu können, ist ein Verkehrssimulationsmodell notwendig. Für den Binnenschiffsverkehr existieren keine fertigen Werkzeuge, die den heutigen Ansprüchen genügen. Aus diesem Grund wird in Kooperation mit der Firma TraffGo die Entwicklung eines BAW -eignen Werkzeuges in Angriff genommen. zurück zum Inhaltsverzeichnis zu den Folien