Bundesanstalt für Wasserbau. Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastung - Schiffswellen und Strömungen -

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1 ( B A W ) Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Containerschiffahrt Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastung - Schiffswellen und Strömungen - Auftraggeber: Wasser- und Schiffahrtsamt Hamburg Moorweidenstraße 14, Hamburg Freie und Hansestadt Hamburg Wirtschaftsbehörde Strom- und Hafenbau Dalmannstraße 1, Hamburg Auftrag vom: / Auftragsnummer: BAW Nr / Seitenzahl: 167 Aufgestellt von: Abteilung Küste Referat: Wasserbauliches Versuchswesen (K2) Bearbeiter: Dr.-Ing. K. Uliczka Dipl.-Ing. Ch. Walter Hamburg, den Das Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentlichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW.

2 BAW-Nr /23 - Oktober Zusammenfassung Im Rahmen der interdisziplinären Arbeitsgruppe zur "Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe an die Containerschiffahrt" erhielt die Bundesanstalt für Wasserbau, Außenstelle Küste (BAW-AK) vom Träger des Vorhabens (TDV), des Wasser- und Schiffahrtsamtes (WSA) Hamburg und der Freien und Hansestadt Hamburg (FHH), Wirtschaftsbehörde, Strom- und Hafenbau den Auftrag, den im Untersuchungsrahmen der Umweltverträglichkeitsuntersuchung festgelegten Abschnitt "Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastungen (Schiffswellen und Strömungen)" zu bearbeiten. Eine gesicherte, quantitative Prognose ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen in unregelmäßigen Wasserstraßenprofilen ist derzeit nur auf Basis von hydraulischen Modellversuchen möglich. Das Untersuchungsgebiet im Rahmen der Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe umfaßt die Strom-km 625 (Hamburg) bis Strom-km 756 (Außenelbe) sowie die Nebenflüsse. Bei der Auftragsbearbeitung wurde folgendermaßen vorgegangen: * Erfassung vorhandener Naturmeßserien * Analyse der gebietsabhängigen Belastungsprozesse => Hydraulisches Maßstabsmodell: * Wahl eines topographisch komplexen Untersuchungsabschnitts * Untersuchungsvarianten im hydraulischen Modell Lühe * Bewertung für den Unterelbeabschnitt Lühe * Systemversuche zur Maximaländerung im hydraulischen Modell * Bewertung für das Gesamtgebiet. Die ausbaubedingten, tiefgangsabhängigen Änderungen der lang- und kurzperiodischen schiffserzeugten Belastungen lassen sich auf der Basis von Untersuchungen in hydraulischen Modellen für ausgewählte extreme Szenarien geschwindigkeitsabhängig exakt nur für die gewählte Unterwassertopographie bestimmen und nach oben hin abgrenzen. Anhand von zusätzlichen Systemversuchen können Änderungen für andere Querschnitte qualitativ abgeschätzt werden, eine Quantifizierung der zukünftigen Maximalbelastung ist auch mit Hilfe der analysierten Naturmessungen nicht möglich. Als Maß für entsprechende tiefgangsabhängige und ausbaubedingte Änderungen der lokalen schiffserzeugten Belastung ist der geschwindigkeitsabhängige Energieeintrag durch das Schiff zu bewerten. Die umfaßt wirksame Querschnittsänderungen durch flächenhafte und/oder asymmetrische Vertiefungsmaßnahmen, einen möglichen um 1m höheren Schiffstiefgang sowie Einengungen durch das Verbringen von Baggergut.

3 BAW-Nr /23 - Oktober Während durch Vertiefungsmaßnahmen örtlich eine Kompensation des größeren Tiefgangs möglich ist, bewirkt z.b. eine Tiefgangserhöhung in Abschnitten, in denen die Wassertiefen schon heute ausreichend sind, höhere schiffserzeugte Wasserspiegelauslenkungen und Rückstromgeschwindigkeiten. Bei hohen Schiffsgeschwindigkeiten nehmen der Energieeintrag, damit gleichermaßen die Belastung der Wasserstraße durch Wellen und Strömung sowie deren ausbaubedingte Änderungen, überproportional zu. Werden im IST-Zustand beispielsweise am Lüher Ufer beim Aufkommen eines PANMAX- Containerschiffes mit v S 12 Kn Absunkhöhen von etwa z A 0,4 m ermittelt, sind bei v S 15,5 Kn Werte von z A 1,5 m zu erwarten. Die ausbaubedingten Änderungen betragen hier allein aufgrund des größeren Tiefganges zum Beispiel bei v S 11 Kn nur etwa?z A +0,05 m, bei einer hohen Passagegeschwindigkeit von etwa v S 15 Kn dagegen etwa?z A +0,20 m. Für die charakteristischen Bereiche des Gesamtästuars sind örtlich die tiefgangs- und ausbaubedingten Änderungen abzuschätzen: Bereich I (Hamburger Hafen bis etwa Schwarztonnensand) hier z.b. oberhalb von Tinsdal: Bei etwa v S 10 Kn sind geringe Zunahmen von? < 0,1 m bzw. m/s zu erwarten. Bereich II (Schwarztonnensand bis etwa Brunsbüttel) hier z.b. Krautsand / Rhinplatte: Ab v S > 12 Kn ist mit Zunahmen von 0 m <? < 0,1 m bzw. m/s zu rechnen. Bereich III (Brunsbüttel bis zur See) hier z.b. Oste-Mündung: Meßbare Erhöhungen sind nur örtlich bei geringem Passierabstand z.b. bei Aufkommern oberhalb der Oste-Mündung (km 705 bis km 708) zu erwarten. Für ein Containerschiff der PANMAX-Klasse wie auch für die POST-PANMAX-Klasse werden von der BAW - in Anlehnung an die vom TDV für die Bemessung des Längsprofils angesetzte bereichsabhängige Schiffsgeschwindigkeit über Grund - folgende Fahrgeschwindigkeiten gegen Wasser als unkritisch angesehen: - Seemannshöft bis etwa Schulau v S < 10 Kn - Schulau bis etwa Glückstadt v S < 12 Kn - Glückstadt bis etwa Brunsbüttel v S < 14 Kn - Brunsbüttel bis See * v S < 17 Kn. * für Aufkommer zw. km 705 und km 708 v S 12 Kn. Bis zu einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa v S 12 Kn ist mit keinen ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen zu rechnen. Wie schon im IST-Zustand werden auch im AUSBAU- Zustand bei deutlich höherer Schiffsgeschwindigkeit örtlich überproportional erhöhte Schiffswellen und Rückströmungen verursacht werden.

4 BAW-Nr /23 - Oktober Inhaltsverzeichnis 1 Veranlassung und Aufgabenstellung Unterlagen Folgerungen aus den Erörterungsterminen nach 5 UVPG Schiffserzeugte Belastungen Allgemeine Bemerkungen Definition der kennzeichnenden Größen Traditionelle Berechnungsverfahren Schlußfolgerungen für traditionelle Berechnungsverfahren Die Entwicklung numerischer Lösungsansätze Erfassung des IST-Zustandes der schiffserzeugten Belastungen Bisherige Naturmeßprogramme Statistische Analysen zum IST-Zustand Flottenstruktur Fahrtgeschwindigkeiten Beschreibung des IST-Zustandes Belastung von Deckwerken und Deichen Belastung von Wattgebieten und natürlichen Ufern Belastung von baulichen Anlagen Belastung der Sport- und Kleinschiffahrt Belastung der Fahrrinne Belastung der Nebenflüsse Prognose ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen Vorbemerkungen Untersuchungen im hydraulischen Modell Modellgesetze und Versuchsstand... 65

5 BAW-Nr /23 - Oktober Modellgesetze Versuchsstand Bemessungsschiff und Schiffsvarianten Voruntersuchungen und Sonderversuche Einfluß der gesteuerten Kurvenfahrt Einfluß des Driftwinkels Einfluß des Passierabstandes Einfluß der Vertrimmung Einfluß der Strömung Einfluß des Wasserstandes Einfluß des Querschnitts auf die Schiffsgeschwindigkeit Vergleich von PANMAX- zu POST-PANMAX-Schiffen Simulation einer Schiffsbegegnung Sonderversuche Lühesperrwerk Untersuchungsvarianten im Referenzgebiet Schiffserzeugte Belastung im IST-Zustand Belastungsänderungen beim Ausbau-Zustand Schlußfolgerungen für das Referenzgebiet Systemuntersuchungen zur maximalen Vertiefung Randbedingungen Ergebnisse der Systemversuche Bewertung der Systemversuche für das Gesamtästuar Systemuntersuchungen zum maximalem Tiefgang Belastungsprognosen für das Gesamtästuar Einschränkung der Beurteilungskriterien Hydraulisch wirksame bauliche Veränderungen Delegationsstrecke Altona bis Tinsdal (km 625 bis km 639) Tinsdal bis Wedel (km 639 bis km 642) Wedel bis UF Mielstack (km 642 bis km 645) Bereich der Lühemündung (km 645 bis km 646)...145

6 BAW-Nr /23 - Oktober Grünendeich bis Lühesand (km 646 bis km 649) Lühesand bis OF Stadersand (km 649 bis km 654) OF Stadersand bis LF Pagensand Süd (km 654 bis km 658,5) LF Pagensand Süd bis OF Pagensand (km 658,5 bis 661,5) OF Pagensand bis Ruthenstrom (km 661,5 bis km 670,5) Ruthenstrom bis Wischhafen (km 670,5 bis km 676) Wischhafen bis Störmündung (km 676 bis km 680) Störmündung bis UF Scheelenkuhlen (km 680 bis km 689) UF Scheelenkuhlen bis Brunsbüttel (km 689 bis km 697) Brunsbüttel bis Glameyer Stack (km 697 bis km 718) Krümmung Altenbruch (km 718 bis km 723) Altenbruch bis Cuxhaven-Kugelbake (km 723 bis km 730) Cuxhaven bis Großer Vogelsand (km 730 bis km 756) Belastungsänderung für Deckwerke und Deiche Belastungsänderung für Wattgebiete und natürliche Ufer Belastungsänderung für bauliche Anlagen Belastungsänderung für die Sport- und Kleinschiffahrt Belastungsänderung für archäologische Denkmäler unter Wasser Belastungsänderung der Fahrrinne Belastungsänderung der Nebenflüsse und Nebenelben Schlußfolgerungen zu den ausbaubedingten Änderungen Literaturverzeichnis...162

7 BAW-Nr /23 - Oktober Bildverzeichnis Bild 1: Untersuchungsgebiet zur Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen der Unter- und Außenelbe (km 625 bis km 756) Bild 2: Containerschiff der PANMAX-Generation als Abgänger auf Höhe Cuxhaven (Foto WSD NORD 1992) Bild 3: Schiffswellen in unbeschränktem Fahrwasser (Draufsicht) Bild 4: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme (stark überhöht) und Einflußgrößen Bild 5: Darstellung des Querschnitts einer Wasserstraße mit Einflußgrößen auf schiffserzeugte Belastungen Bild 6: Berechneter geschwindigkeitsabhängiger Absunk z A für den Lühe-Anleger bei Passage eines vollabgeladenen Containerschiffes IV. Gen. als Aufkommer Bild 7: Numerische Berechnungen schiffserzeugter Belastungen (NRC, 1996) und Ergebnisse aus Untersuchungen im hydraulischen Modell der BAW-AK Bild 8: Unterteilung des Untersuchungsgebietes Unterelbe in Hinblick auf schiffserzeugte Belastung (nach FÜHRBÖTER et al., 1988) Bild 9: Zeitreihen der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkung der Containerschiffe "ENCOUNTER BAY" und "KOWLOON BAY" am an den Meßquerschnitten Krautsand und Lühe Bild 10: Querschnittsverhältnis n in der Unter- und Außenelbe für verschiedene Containerschiffe (Passage bei MTnw = KN, km-alt) Bild 11: Strömungsgeschwindigkeit während 51 Sekunden der Vorbeifahrt eines PANMAX-Containerschiffes mit Richtung, Betrag und Weg für v S = 13 Kn. Bild 12: Strömungsgeschwindigkeit während 51 Sekunden der Vorbeifahrt eines PANMAX-Containerschiffes mit Richtung, Betrag und Weg für v S = 14 Kn. Bild 13: Strömungsgeschwindigkeit während 51 Sekunden der Vorbeifahrt eines PANMAX-Containerschiffes mit Richtung, Betrag und Weg für v S = 15 Kn. Bild 14: Methodik zur Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen der Unter- und Außenelbe anhand einer vereinfachten Skizze Bild 15: Luftaufnahme des Unterelbeabschnitts LÜHER UFER / WEDELER WATT aus Blickrichtung Nordost mit Rändern des hydraulischen Modells (Foto: Uliczka, 3/1991) Bild 16: Untersuchungsabschnitt Unterelbe mit Lüher Ufer und Anleger Lühe im hydraulischen Modell der BAW-AK Bild 17: Untersuchungsabschnitt Unterelbe mit Lühemündung und Anleger der Fähre Schulau /Lühe im hydraulischen Modell der BAW-AK Bild 18: Modell-Containerschiff IV. Generation PANMAX bei Passage des Meßquerschnitt Bild 19: Dreidimensionale Darstellung des Referenzgebietes Lühe /Wedel Bild 20: Meßpositionen und Sondenbezeichnungen im Referenzgebiet Lühe / Wedel Bild 21: Ausstattung eines Modellschiffes mit Steuer- und Meßgeräten Bild 22: Modell-Containerschiff IV. PANMAX mit Steuermann bei Passage der Lühemündung Bild 23: Vergleich der schiffserzeugten Belastung am Beispiel der südlichen Fahrrinnenkante (Meßposition MP2) vor dem Lüheanleger bei Steuer- und Seilfahrt

8 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 24: Einfluß des Driftwinkels eines Aufkommers (Cont. IV. Gen., PANMAX) auf die Belastung an der südlichen Fahrrinne (Absunk und Sekundärwelle, MP2) Bild 25: Absunk, Sekundärwellen und Rückströmung eines Groß-Feeders (Aufkommer) bei Trimmung und Vertrimmung um 1 Grad an der südlichen Fahrrinnenkante (Meßpunkt MP3) Bild 26: Absunk und Rückströmung bei Passagen eines Containerschiffes IV. Gen. PANMAX für die Bedingungen ohne, mit und gegen Strömung Bild 27: Geschwindigkeits- und wasserstandsabhängiger Absunk z A für den Fahrrinnenrand bei Passage des großen Feederschiffes als Aufkommer Bild 28: Schiffsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schraubenumdrehung und verschiedener Fahrrinnenquerschnitte (FEEDER, Aufkommer, t = const.) Bild 29: Vergleich von Absunk und Rückstromgeschwindigkeit für das PANMAX- und POST-PANMAX- Containerschiff am südlichen Fahrrinnenrand (Wasserstand: NN+1,5m) Bild 30: Absunk z A und Rückstromgeschwindigkeit v R für v S = 13 kn bei Begegnung PANMAX- und POST-PANMAX-Containerschiff im Querschnitt Lühe Bild 31: Geschwindigkeitsabhängige Primärwelle H P sowie schiffserzeugte Strömung v R bei offenem (IST) und geschlossenem Sperrwerk (IST/AUSBAU/SYSTEM) Bild 32: Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkung bei Passage eines Containerschiffes der IV. Gen. (PANMAX) im IST-Zustand bei v S = 11 Kn Bild 33: Zeitreihen der Rückstromgeschwindigkeit (Betrag) bei Passage eines Containerschiffes der IV. Gen. (PANMAX) im IST-Zustand bei v S = 11 Kn Bild 34: Geschwindigkeitsabhängiger Absunk z A bei Passagen eines Containerschiffs IV. Gen. (PANMAX) als Aufkommer (NN+1,5) und Abgänger (NN±0) - IST-Zustand Bild 35: Geschwindigkeitsabhängige Primärwelle H P bei Passagen eines Containerschiffs IV. Gen. (PANMAX) als Aufkommer (NN+1,5) und Abgänger (NN±0) - IST-Zustand Bild 36: Geschwindigkeitsabhängige Sekundärwelle H S bei Passagen eines Containerschiffs IV. Gen. (PANMAX) als Aufkommer (NN+1,5) und Abgänger (NN±0) - IST-Zustand Bild 37: Geschwindigkeitsabhängige Rückstromgeschwindigkeit v R bei Passagen eines Containerschiffs IV. (PANMAX) als Aufkommer (NN+1,5) und Abgänger (NN±0) Bild 38: Heutige Belastungen des Wedeler Watts von kurzperiodischen Wellen bei Passagen großer Feederschiffe mit geringem Passierabstand und hoher Schiffsgeschwindigkeit (Tnw) Bild 39: Querschnitt der Unterelbe bei Lühe mit Absunk und Sekunkärwellen für ein großes Feederschiff bei v S ~ 12 u. 16 Kn (IST-Zustand) Bild 40: Passagen eines konventionellen Güterschiffes im Querprofil (Aufkommer; Absunk z A und Sekundärwelle H S ) für v S = 11 Kn u. 14 Kn Bild 41: Geplante Kurvenaufweitung im Querschnitt der Unterelbe auf Höhe der Lühemündung Bild 42: Absunk z A und Strömung v R bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer) für IST- (t=12,8m) und Ausbau-Zustand (t = 13.8 m; LP2/LS2 u. MP3/MS3) Bild 43: Absunk z A bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer/Abgänger) für IST-Zustand (t = 12,8 m) und AUSBAU-Zustand (t = 13,8 m) Bild 44: Rückströmung v R bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer/Abgänger) für IST-Zustand (t = 12,8 m) und AUSBAU-Zustand (t = 13,8 m) Bild 45: Vergleich IST- und AUSBAU-Zustand für den Absunk z A, LÜHER UFER (PANMAX, Aufkommer)

9 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 46: Vergleich IST- und AUSBAU-Zustand für den Absunk z A, WEDELER WATT (PANMAX, Abgänger) Bild 47: Auswirkungen der asymmetrischen Änderungen des Unterelbeprofils LÜHE, Absunk z A (Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 16 Kn) Bild 48: Auswirkungen der asymmetrischen Änderungen Elbeprofil LÜHE, Primärwelle H P (Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 16 Kn) Bild 49: Auswirkungen der Änderungen des Elbeprofils Lühe, Sekundärwelle H S (Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 16 Kn) Bild 50: Auswirkungen der Änderungen des Elbeprofils LÜHE, Rückströmung v R (Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 16 Kn) Bild 51: Skizze der miteinander zu vergleichenden System-Zustände im Querprofil Lühe mit der schraffierten Differenztiefe in der Fahrrinne von?d = 2 m Bild 52: Absunk z A und Strömung v R bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer) für AUSGANGS-Zustand (t = 12,8 m) und PROGNOSE-Zustand (t = 13,8 m) Bild 53: Absunk z A bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer/Abgänger) für AUSGANGS-Zustand (t = 12,8 m) und PROGNOSE-Zustand (t = 13,8 m) Bild 54: Rückströmung v R bei Passagen des Bemessungsschiffes (PANMAX, Aufkommer/Abgänger) für AUSGANGS-Zustand (t = 12,8 m) und PROGNOSE-Zustand (t = 13,8 m) Bild 55: Vergleich AUSGANGS- und PROGNOSE-Zustand für den Absunk z A, LÜHER UFER (PANMAX, Aufkommer) Bild 56: Vergleich AUSGANGS- und PROGNOSE-Zustand für den Absunk z A, WEDELER WATT (PANMAX, Abgänger) Bild 57: Auswirkungen der SYSTEM-Änderungen des Elbeprofils LÜHE, Absunk z A (?d = 2 m; Groß-Feeder, Aufkommer / Abgänger; v S ~ 12; 15 Kn) Bild 58: Auswirkungen der System-Änderungen, Profil LÜHE, Primärwelle H P (?d = 2 m; Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 15 Kn) Bild 59: Auswirkungen der System-Änderungen, LÜHE, Sekundärwelle H S (?d = 2 m; Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 15 Kn) Bild 60: Auswirkungen der System-Änderungen, LÜHE, Rückströmung v R (?d = 2 m; Groß-Feeder, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 12; 15 Kn) Bild 61: Auswirkungen der System-Änderungen, Profil LÜHE, Absunk z A (?d = 2 m; POST-PANMAX, Aufkommer/Abgänger; v S ~ 11; 15 Kn) Bild 62: Topographische Randbedingungen und Tiefgangsvarianten am Beispiel des PANMAX- Containerschiffes als Beurteilungsbasis für Maßnahmen im Gesamtästuar Bild 63: Karte der Unter- und Außenelbe mit Bereichen von flächenhaften und asymmetrischen Vertiefungen sowie Unterwasserablagerungen für das Baggergut Bild 64: Prinzipskizze zur Wirkung von Querschnittsaufweitungen und Einengungen sowie deren Überlagerung am Beispiel des Unterelbequerschnitts Hetlingen Bild 65: Prinzipskizze zur Wirkung von Querschnittsaufweitungen und Einengungen sowie deren Überlagerung am Beispiel des Unterelbequerschnitts Krautsand (Aufkommer)

10 BAW-Nr /23 - Oktober Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Tabelle 2: Tabelle 3: Zusammenstellung von Maximalwerten schiffserzeugter Wellen aus Naturuntersuchungen zur wind- und schiffserzeugter Belastung an der Unterelbe Entwicklung der Containerschiffsfahrten von und nach Hamburg nach Lotsstatistiken und Prognose bis zum Jahre 2010 (nach FRANZIUS-INSTITUT, 1995) Zusammenstellung der untersuchten Schiffseinheiten zur Prognose schiffserzeugter Belastung der Unterelbe

11 BAW-Nr /23 - Oktober Symbolverzeichnis: Zeichen Begriff Einheit A Querprofilfläche der Wasserstraße m 2 AT Teilquerprofilfläche der Wasserstraße m 2 AS Eingetauchter Hauptspantquerschnitt m 2 a Abstand Drehpunkt zu Schwerpunkt (a = l/6) m b Schiffsbreite in Hauptspantebene m B Wasserspiegelbreite (Oberfläche) m BS Sohlbreite der Wasserstraße m c Wellenfortschrittsgeschwindigkeit m/s cb Völligkeitsgrad der Verdrängung eines Schiffes - D Drehkreisdurchmesser bei Kurvenfahrt m d Wassertiefe m Fn FROUDEsche Zahl = vs/ (g * d) 1/2 - g Erdbeschleunigung m/s 2 H Wellenhöhe m HP Primärwellenhöhe m HS Sekundärwellenhöhe m k Dämpfungsfaktor - l Schiffslänge auf Wasserlinie m L Passierabstand vom Ufer m m Böschungsneigung 1:m - n Querschnittsverhältnis A/As - p Faktor - Rn REYNOLDSzahl = vs* l / v - RT,K Gesamtwiderstand eines Schiffes im Kanal - sb Bugstau / Schwallwelle m t Schiffstiefgang m T Wellenperiode der Sekundärwellen s v0 Grundströmung in der Wasserstraße m/s vl Kritische Schiffsgeschwindigkeit m/s vr Rückstromgeschwindigkeit m/s vs Schiffsgeschwindigkeit gegen Wasser m/s bzw. Kn za Absunk des Wasserspiegels m ß Driftwinkel v Kinematische Zähigkeit m 2 /s s Standardabweichung der Ergebniswerte m bzw. m/s Anmerkung: Kn = Knoten = Seemeilen pro Stunde = 1,852 km/h = 0,51 m/s. SKN = Seekarten-Null = mittl. Springtideniedrigwasser (z.b. Lühe: NN-1,4m). TEU = Containereinheit (20 Fuß-Container)

12 BAW-Nr /23 - Oktober Veranlassung und Aufgabenstellung Im Rahmen der interdisziplinären Arbeitsgruppe zur "Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe" hat die Bundesanstalt für Wasserbau, Außenstelle Küste (BAW-AK) den Auftrag, den im Untersuchungsrahmen der Umweltverträglichkeitsuntersuchung festgelegten Abschnitt "Hydromechanik" (Punkt 5.2) zu bearbeiten. Neben der Ermittlung und Darstellung der ausbaubedingten Änderungen der Tidedynamik (Unterpunkt 5.2.1), der Ermittlung und Darstellung der ausbaubedingten Änderungen der Sturmflutkenngrößen (Unterpunkt 5.2.2), der Ermittlung und Bewertung morphologischer Veränderungen (Unterpunkt 5.2.3) sowie der Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen in der Seegangsbelastung auf Ufer, Watten und Deiche (Unterpunkt 5.2.4) erteilten die Träger des Vorhabens (TDV), das Wasser- und Schiffahrtsamt (WSA) Hamburg mit Schreiben vom , Az EIA UVP/21-31/95, und die Freie und Hansestadt Hamburg (FHH), Wirtschaftsbehörde, Strom- und Hafenbau mit Schreiben vom , Az. PL 04/95 F-N1, der BAW den Auftrag, die "Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastungen (Schiffswellen und Strömungen)" vorzunehmen (Unterpunkt 5.2.5). Als Untersuchungsraum war die Tideelbe ohne ihre Nebenflüsse vom Hamburger Hafen bei Altona (km 625) bis zur Außenelbe bei Neuwerk (km 743; erweitert auf die neue Fahrrinnenkilometrierung km 756; vergl. Kapitel 3) festgelegt (Abbildung 1).

13 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 1: Untersuchungsgebiet zur Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen der Unter- und Außenelbe (neue Fahrrinnenkilometrierung km 625 bis km 756)

14 BAW-Nr /23 - Oktober Das Untersuchungsprogramm umfaßt Vergleichsbetrachtungen auf Basis theoretischer Ansätze und Erfahrungen aus Naturuntersuchungen für ausgewählte Schiffstypen hinsichtlich der Belastungsänderungen von Deckwerken und Deichen, Wattgebieten und natürlichen Ufern sowie von baulichen Anlagen. Zur Absicherung der Ergebnisse wurden Versuche im hydraulischen Modell eines ausgewählten Unterelbeabschnitts vorgenommen. 2 Unterlagen Zur Projektbearbeitung und zum Aufbau des hydraulischen Modells wurden der BAW vom WSA Hamburg Seekarten, Luftbilder, Peildaten und detaillierte Angaben zu den Uferbefestigungen zur Verfügung gestellt. Eigene Unterlagen aus Begehungen vervollständigten die Datenbasis. Desweiteren konnte auf die Daten des hydronumerischen Modells der BAW (BAW, 1995) zurückgegriffen werden. Folgende Planunterlagen wurden u.a. verwendet: - Bundeswasserstraßenkarte Unterelbe, Maßstab 1 : , WSD Nord, Stromkarte Elbe Blatt 31, Maßstab 1 : 2000, WSD Nord - WSA Hamburg vom , berichtigt bis Stromkarte LÜHE km 10,7-12,7 Blatt 10, Maßstab 1 : 1000, WSD Nord - WSA Hamburg vom , berichtigt bis Untersuchungsvariante Z1 zur Fahrrinnenanpassung der Elbe, Sollsohle ohne Nachlauf, WSD Nord FAX vom UVU - Anpassung der Elbefahrrinne - Baubeschreibung u.a. Anpassung der Elbefahrrinne, Trassierung und Breitenausbildung

15 BAW-Nr /23 - Oktober Lagepläne H1 (km 638,9 neu) bis H8, C1 bis C8 (km 747,9 neu), Maßstab 1 : , WSD Nord - WSA Hamburg aufgestellt am WSA Hamburg, EIAVor/50-42/95 mit Schreiben vom , Ergänzung mit Schreiben 4-42/95 vom , Überarbeitung: April Achselemente der "neuen" Elbekilometrierung, Gegenüberstellung von "alter" und "neuer" Stationierung, WSD Nord, T AchsKm/2 vom Juni 1994 Im Folgenden werden hinsichtlich der Elbe-Kilometrierung nur noch die zukünftigen "neuen" Fahrrinnen-Kilometerangaben gemäß WSD Nord verwendet. Das STAATLICHE AMT FÜR WASSER UND ABFALL STADE (STAWA STADE) stellte die Aufzeichnungen folgender Pegel und Hilfspegel zur Verfügung: * Lühe-Sperrwerk vom bis * Steinkirchen vom bis * Mittelnkirchen vom bis * Neuenkirchen vom bis

16 BAW-Nr /23 - Oktober Folgerungen aus den Erörterungsterminen nach 5 UVPG Das Scoping-Verfahren gemäß 5 des "Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung" (UVPG) führte hinsichtlich der zu ermittelnden und zu bewertenden ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen (Unterpunkt 5.2.5) zur ergänzenden Festlegung des Untersuchungsrahmens durch die Planfeststellungsbehörde: a) Das Untersuchungsgebiet ist bis auf km 756 und soweit auf die Nebenflüsse auszudehnen, wo Einflüsse zu erwarten sind. b) Die hydrodynamischen Auswirkungen der ausbaubedingten Änderungen des Schiffsverkehrs auf den Kleinschiffverkehr (z.b. Sportboote, Fischereifahrzeuge) und die Hafenverkehre (z.b. im Bereich Cuxhaven) sind zu untersuchen. c) Die Auswirkungen des Schiffsschwells auf die Deichvorländer (Strombauwerke, spielende Kinder usw.) sind in das Untersuchungsprogramm einzubeziehen. Zusätzlich werden in das vom TDV vorgeschlagende Untersuchungsprogramm in das Gutachten der BAW Stellungnahmen * zur Änderung der Häufigkeit schiffserzeugter Belastung, * zur Auswirkung der Belastung auf Sielzüge und Vorfluter, sowie * zur Auswirkung von schiffserzeugter Belastung auf archäologische Denkmäler unter Wasser (z.b. historische Wracks) aufgenommen.

17 BAW-Nr /23 - Oktober Schiffserzeugte Belastungen 4.1 Allgemeine Bemerkungen Hydrodynamische, instationäre Belastungen an den seitlichen Einfassungen von Wasserstraßen, seien es schiffbare Flüsse oder Kanäle, lassen sich als Wellen- und Strömungsbelastung definieren. Unter Wellenbelastung sind die Auswirkungen von Wind- und Schiffswellen zu verstehen, bei der Strömung unterscheidet man natürliche Strömungsverhältnisse (u.a. Gefälleströmung oder/und winderzeugte Strömung) sowie anthropogen bedingte Strömungen wie z.b. schiffserzeugte Strömungen. Das Wellenbild eines Containerschiffes (Länge ~ 190 m) auf Höhe des Cuxhaven-Kugelbake zeigt Abbildung 2. Die grundsätzlichen physikalischen Zusammenhänge der Strömungsverhältnisse um ein fahrendes Schiff hat KREY (1913) in seiner Arbeit "Fahrt der Schiffe auf beschränktem Wasser" sehr ausführlich beschrieben. Die wirksamen physikalischen Parameter sowie daraus abgeleitete Größen zur Bestimmung der schiffserzeugten Belastungen von Wasserstraßen wurden desweiteren u.a. von SCHIJF (1949), JANSEN/SCHIJF (1953), CONSTANTINE (1960), GLAZIK (1962), RÖMISCH (1969), BOUWMEESTER et al. (1977), GELENCSER (1977), DAND/WHITE (1978), FÜHRBÖTER (1982), FÜHRER (1985), SÖHNGEN / ZÖLLNER (1992) und JENSEN (1992) in Veröffentlichungen und Vortragsveranstaltungen, wie u.a. dem von der P.I.A.N.C. (Permanent International Association of Navigation Congresses) veranstalteten 24th INTERNATIONAL NAVIGATION CONGRESS in LENIN- GRAD (1977), diskutiert. Die Verfahren der bisher genannten Autoren sind im Kapitel 4.3 als traditionelle, ingenieurwissenschaftliche Berechnungsmethoden hinsichtlich ihrer möglichen Anwendung für Seewasserstraßen ausgewertet worden.

18 BAW-Nr /23 - Oktober LEITDAMM CUXHAVEN Bild 2: Containerschiff der PANMAX-Generation als Abgänger auf Höhe Cuxhaven (Foto WSD NORD 1992)

19 BAW-Nr /23 - Oktober Auf dem 27th INTERNATIONAL NAVIGATION CONGRESS in OSAKA, Japan, 1990, wurden unter dem Kapitel "Inland waterways and ports (for commercial and pleasure navigation)" erste Ansätze zur mathematisch-physikalischen Modellierung der Umströmung von einfachen Schiffskörpern sowie dessen Squat und Gesamtwiderstand in Rechteckkanälen vorgestellt (FÜHRER / PAGEL, 1990). Eine Weiterentwicklung wird in Zusammenarbeit mit der BAW vorgenommen. Allgemeingültige Lastannahmen aus der Berechnung von schiffserzeugten Belastungen als Grundlage für Empfehlungen zur Ausführung von Ufereinfassungen, Häfen und Wasserstraßen liegen nur in Ansätzen (E 186 in: EAU 1990) vor. Auf internationaler Ebene wurden im Jahre 1987 unter Mitarbeit von Vertretern der BAW - im wesentlichen für Schubverbände bei Kanalfahrt - im Rahmen der Richtlinien zur Bemessung von flexiblen Uferböschungen die Empfehlungen der Arbeitsgruppe 4 der P.I.A.N.C. als Arbeitsgruppenreport Nr. 57 veröffentlicht (PIANC, 1987). Die Wirkung von Schiffsvorbeifahrten auf seitlich einer Wasserstraße angeordnete Hafenbecken sowie Sielbauwerke wurde u.a. von KUNZ (1977a, Grundsatzversuche im Modell; 1977b, Naturmessungen sowie Modellversuche) und auf vertäute Schiffe u.a. von HAFFKE (1986; Naturmessungen am Nordostsee-Kanal) untersucht. Der Stand des Wissens auf dem Gebiet der Strömungsmechanik beim Schiffbau (physikalische Vorgänge am Schiffskörper) wurde von SCHNEEKLUTH (1988) in "Hydromechanik zum Schiffsentwurf" zusammengestellt. Jüngere Arbeiten mehrerer Autoren zur numerischen Ermittlung des Schiffswiderstandes (dabei auch Verdrängungsströmung und Wellenbildung am Schiff) wurden im Kontaktstudium des INSTITUT FÜR SCHIFFBAU DER UNIVERSITÄT HAMBURG ("Numerische Methoden in der Strömungsmechanik", 1993) vorgestellt. Auf diesem Gebiet sind international neben den Universitäten die Schiffbauversuchsanstalten tätig, wobei Programme zur Simulation von Passagen in tiefen- und vor allem seitenbegrenzten, unregelmäßigen Fahrwassern derzeit im Rahmen von Forschungsprojekten in der Entwicklung sind.

20 BAW-Nr /23 - Oktober Als Ergebnis des STG-Sprechtages im Oktober 1995 zum Thema "Numerische Schiffshydrodynamik" und "Numerischer Schlepptank" - ausgerichtet von Fachausschuß Schiffshydrodynamik der Schiffbautechnischen Gesellschaft (STG) - wurde festgehalten, daß qualitative Formoptimierungen normaler Handelsschiffe mit numerischen Methoden mit Erfolg im Routinebetrieb durchgeführt werden können, quantitative Aussagen jedoch nach wie vor Modellversuche "im realen Wasser" erfordern (HANSA, 1995). Die Wertungen und Prognosen aus dem Bereich des Schiffbaus hinsichtlich eines Zeitrahmens für eine vollständige numerische Bearbeitung schiffbautechnischer Aufgaben (z.b. Propulsionsversuche) müssen allerdings für Fragestellungen zur schiffserzeugten Belastung der Wasserstraßen in ihren Genauigkeitsanforderungen aus Sicht des Wasserbau-Ingenieurs entsprechend eingestuft werden, so daß für die hier zu bearbeitende Aufgabenstellung in einigen Jahren mit numerischen Lösungen zu rechnen sein wird. Auf die Entwicklung eines numerischen Modells zur Ermittlung und Ausbreitung von schiffserzeugten Belastungen in unregelmäßigen Profilen auf der Basis einer neuen Form der BOUSSINESQ-Gleichungen (NWOGU, 1993) wird gesondert im Kapitel 4.5 eingegangen.

21 BAW-Nr /23 - Oktober Definition der kennzeichnenden Größen Bei der Fahrt eines Schiffes durch das Wasser treten infolge der verursachten Verdrängungsströmung (BERNOULLIströmung) und der auftretenden Druck- und Wasserspiegeländerungen an Bug, Heck und Schiffslängsseite Wellensysteme unterschiedlicher Periode auf. Sie können auch als sichtbare Größe des Schiffswiderstandes verstanden werden. Die Schiffswellen- und Strömungssysteme sind gekennzeichnet durch die Schwallwelle als vorauslaufende Ablösung des Bugstaus, den Bugstau (sb) direkt am Schiffskörper, den Absunk (za) seitlich am Schiff, die Heckwelle als Teil des durch den Absunk angeregten langperiodischen Primärwellensystems (HP), die kurzperiodischen Sekundärwellen (HS) sowie die Rückströmung (vr), mit ihren Komponenten in Abhängigkeit von Bugstau, Absunk und Heckwelle. Das Wellenbild eines Schiffes in unbeschränktem Fahrwasser ist als Draufsicht in Abbildung 3 skizziert. Die Wasserspiegeländerungen in tiefen- und seitenbegrenztem Fahrwasser, wie sich das Wellenbild für einen Betrachter am Ufer darstellt, sind als Seitenansicht schematisch in starker Überhöhung in Abbildung 4, unten, erläutert. Ausgewählte Einflußgrößen sind in Abbildung 4, oben, sowie anhand des Querschnitts einer Wasserstraße in einer stark überhöhten Skizze (Abbildung 5) zusammengestellt. In ihrer zeitlichen Abfolge werden für einen am Ort stehenden Betrachter folgende Änderungen des Ruhewasserspiegels (RWS) deutlich: Bugstau, Absunk als Differenz von Bugstau

22 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 3: Schiffswellen in unbeschränktem Fahrwasser (Draufsicht) (oder Schwallwelle) und maximalem Wasserspiegelabfall, Primärwelle (als Heckwelle) sowie das die ausschwingende Primärwelle überlagernde Sekundärwellensystem. Die kurzperiodischen Sekundärwellen entstehen - in Abhängigkeit von Schiffsgeschwindigkeit und besonders der Schiffsform - durch die unterschiedlichen Druckverteilungen an Bug, vorderer und hinterer Schulter sowie Heck; eine detaillierte Beschreibung und graphische Darstellung der verschiedenen Komponenten der Schiffswellen, der Einfluß der Schiffsform und ihre Überlagerungen sind bei SCHNEEKLUTH (1988) zu finden. Die Größen der von fahrenden Schiffen erzeugten Wasserspiegelschwankungen und Strömungen sind eine Funktion von Schiffsgeschwindigkeit vs und Passierabstand L

23 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 4: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme (stark überhöht) und Einflußgrößen der Schiffsabmessungen (Länge l, Breite b, Tiefgang t, eingetauchter Hauptspantquerschnitt AS) vom Gesamtwiderstand des Schiffes (Schiffsform) im Kanal RT,K der Fahrwasserverhältnisse (Wasserspiegel- B und Sohlbreite BS, Wassertiefe d, Querprofilform und -fläche A sowie Teilquerschnitt AT, Uferform und Böschungsneigung 1:m) der Strömungsverhältnisse in der Wasserstraße v0 (z.b. ve oder vf) sonstiger Einflüsse, wie z.b. Krümmungradius D, Driftwinkel ß, Antriebsart, Dichte des Wassers.

24 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 5: Darstellung des Querschnitts einer Wasserstraße mit Einflußgrößen auf schiffserzeugte Belastungen Anhand von Veröffentlichungen und eigener Untersuchungen haben sich als wesentliche Parameter für die schiffserzeugten Belastungen in inhomogenen Seewasserstraßen die Schiffsgeschwindigkeit (vs), der Passierabstand vom Ufer (L), (der den hydraulisch wirksamen Teilquerschnitt AT bestimmt) herausgestellt. das Verhältnis von Tauchtiefe zur Gesamtwassertiefe (t/d) (neben dem Verhältnis n = A /AS)

25 BAW-Nr /23 - Oktober Traditionelle Berechnungsverfahren Die Wechselwirkung von Schiff und Wasserstraße kann u.a. nach P.I.A.N.C. (1987), vergl. SÖHNGEN/ZÖLLNER (1992) oder LANKENAU und BARTNIK (1992), in eng begrenzten, geometrisch einfachen Querschnitten, z.b. für eine Anzahl von einfachen Kanalprofilen, und für nahezu einheitliche Schiffsformen auf Binnenwasserstraßen, physikalisch hinreichend beschrieben werden. Seit etwa 1913 liegen mindestens 19 Ansätze zur Beschreibung der physikalischen Vorgänge von Absunk, Rückstromgeschwindigkeit und Wellensystemen während einer Schiffspassage vor. Auf eine Auflistung und detaillierte Erläuterung dieser bekannten ingenieurwissenschaftlichen Berechnungsverfahren wurde verzichtet. Im Folgenden wird auf die mathematische Verknüpfung der maßgeblichen physikalischen Parameter bei den traditionellen Berechnungsverfahren näher eingegangen. Kritische Schiffsgeschwindigkeit Der für ein fahrendes Schiff erforderliche Energieeintrag ins Wasser nimmt überproportional mit der Geschwindigkeit zu und erreicht bei einer bestimmten Geschwindigkeit, der kritischen Geschwindigkeit vl, ein Maximum. Der Übergang von der reinen Verdrängerfahrt im unterkritischen Geschwindigkeitsbereich (v < vl) zur Fahrt mit kritischer Geschwindigkeit, auch Grenzgeschwindigkeit genannt, ist gekennzeichnet durch einen starken Anstieg des Schiffswiderstandes und damit der schiffserzeugten Wellensysteme. Diese stehen in direktem Zusammenhang mit der Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c und dem Querschnittsverhältnis n. Bei Überwinden der Grenzgeschwindigkeit schiebt sich das Schiff auf seine eigene Welle, kommt ins Gleiten und läuft somit schneller als die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit. Die Einflußgrößen sind in verschiedener Form in den Berechnungsansätzen berücksichtigt.

26 BAW-Nr /23 - Oktober Es gilt: Kritische Geschwindigkeit in beschränktem Fahrwasser vl c = (g d) 1/2 vl n ( = proportional) Aus wirtschaftlichen Gründen wird in der Handelsschiffahrt im unterkritischen Bereich gefahren. In Kanälen wird eine Bemessungsgeschwindigkeit unterhalb der kritischen Geschwindigkeit vs < 0,9 vl (u.a. P.I.A.N.C., 1987) empfohlen. Für die UNTERELBE gilt nach Seeschiffahrtsstraßen-Ordnung (WSD Nord, 1992) keine Geschwindigkeitsbegrenzung, die kritische Geschwindigkeit (über Grund) ergibt sich in Abhängigkeit von Tide (Wasserstand und Strömung) und örtlichen Querschnittsverhältnissen. Zur Abschätzung der kritischen Geschwindigkeit für das voll abgeladene Containerschiff der IV. Generation wurden für die Unterelbe die minimalen und maximalen Werte nach RÖMISCH (1990) zu vlmin = 7,3 m/s = 14,2 Kn (Schulau-Hafen, km 641, etwa Tnw, n 17) und zu vlmax = 10,8 m/s = 21,0 Kn (Cuxhaven-Süd, km 724, etwa Thw, n 141) für Stauwasserbedingungen berechnet. Schiffswellen Die Berechnungsansätze für das Schiffswellensystem (Absunk, Primärwellen incl. Sekundärwellen) wurden hier nur hinsichtlich ihres Geltungsbereiches für den unterkritischen Geschwindigkeitsbereich ausgewertet. Während zur Berechnung des Absunks im wesentlichen theoretische Herleitungen herangezogen werden können (u. a. KREY, 1913; CONSTANTINE, 1960; BOUWMEESTER et al., 1977; FÜHRBÖTER, 1982), sind die Rechenverfahren zur Ermittlung der Wellenhöhe anhand von Modell- und/oder Naturmessungen empirisch abgeleitet (u.a. GLAZIK, 1962; RÖMISCH, 1969).

27 BAW-Nr /23 - Oktober Die kurzperiodischen Sekundärwellen sind zwar in einigen empirischen Ansätzen mit berücksichtigt (z.b. RÖMISCH, 1969), als Funktion der beschriebenen physikalischen Einflußgrößen jedoch nicht im Detail bekannt; hier ist vorwiegend die Ausbildung von Bug, Schiffsrumpf und Heck (die Krümmungsverhältnisse) entscheidend (SCHNEEKLUTH, 1988). Für die UNTERELBE ergeben sich in Abhängigheit der Tide besonders bei den inhomogenen Querschnitten dieser Seewasserstraße neben der unterschiedlichen Wellenanregung direkt am Schiff auch örtlich und zeitlich verschiedene Wellenumformungsprozesse infolge instationärer Strömungs- und Wasserstandsverhältnisse (Strömungsrefraktion, Shoaling) sowie deren Überlagerungen. Zusammenfassend kann festgestellt werden (vergl. JENSEN, 1993), daß die Abhängigkeiten im unterkritischen Geschwindigkeitsbereich wie folgt vereinfacht veranschaulicht werden können: Absunk und Wellenhöhe za vs p mit 2 < p < 3,5 za n p mit -1,5 < p < -1. ( = proportional) Rückstromgeschwindigkeit Im Tiefwasser und im Übergangsbereich vom Tief- ins Flachwasser ist die Wechselwirkung von Schiffspassage und Wasserstraße als Belastungsgröße zu vernachlässigen; hier führt die Stromlinieneinengung lediglich im Nahbereich des Schiffskörpers zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit zwischen den Stromfäden (SCHNEEKLUTH, 1988). In tiefenbeschränktem und seitlich begrenztem Fahrwasser (für die Primärwelle liegen hier Flachwasserbedingungen vor) ist nicht nur die wellenerzeugte Orbitalströmung im Nachlauf der Passage wirksam, sondern in erster Linie die Rückstromgeschwindigkeit (Verdrängungs-

28 BAW-Nr /23 - Oktober strömung infolge Querschnittseinengung durch den Schiffskörper) als entscheidende Strömungsgröße für Sohl- und Uferbefestigungen sowie für den schiffsinduzierten Sedimenttransport zu berücksichtigen. In Tideströmen wie der UNTERELBE überlagert die schiffserzeugte Verdrängungsströmung die natürlichen Gezeitenströmungen, so daß im hier zu untersuchenden Stromgebiet bei Passage ein und derselben Schiffseinheit deutlich unterschiedliche Belastungen in Abhängigkeit der örtlichen und zeitlichen Tideverhältnisse auftreten. Der Einfluß von Schiffspassagen auf die Sohlbelastung hinsichtlich der Sedimenttransportprozesse in Tideästuaren infolge Verdrängungsströmung und Schraubenstrahl ist bisher nicht eingehender erforscht worden. Diese Thematik wird in den nächsten Jahren als Forschungsprojekt in der BAW bearbeitet. Die Rückstromgeschwindigkeit, rechnerisch vereinfacht als flächenintegrierte Größe zwischen benetzter Wasserstraße und Schiffskörper angenommen, ist proportional der Schiffsgeschwindigkeit und reziprok proportional zum Querschnittsverhältnis n von Wasserstraße und Schiff (vgl. KREY, 1913; CONSTANTINE, 1960; BOUWMEESTER et al., 1977; FÜHRER, 1985; P.I.A.N.C., 1987). Es gilt: Rückstromgeschwindigkeit vr vs vr n -1 ( = proportional)

29 BAW-Nr /23 - Oktober Schlußfolgerungen für traditionelle Berechnungsverfahren Theoretisch hergeleitete oder empirisch entwickelte Berechnungsansätze können aufgrund der begrenzten Anzahl von gewählten physikalischen Parametern die Wechselwirkung zwischen Wasserstraße und Schiffspassage für zusammengesetzte unregelmäßige Profile nur unzureichend beschreiben. Um die Spannbreite möglicher Berechnungsergebnisse für die Randbedingungen im Meß- Querschnitt km 645 zu verdeutlichen, wurde der nach verschiedenen Ansätzen berechnete geschwindigkeitsabhängige Absunk za für den Lühe-Anleger am Süddufer des Elbe-Querschnitts in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit aufgetragen (Abbildung 6). Dargestellt sind zum einen die anhand der angegebenen Berechnungsansätze ermittelten Kurven, zum anderen die für dieselben Randbedingungen gemessenen Absunkwerte an der Position LP2 aus den Untersuchungen im hydraulischen Modell der BAW (Containerschiff IV. Gen., IST-Zustand, t = 12,8 m, Aufkommer, Thw-1h = NN+1,5 m, L = 220 m). Der rechnerische Absunk bei einer Schiffsgeschwindigkeit von vs = 11 Kn ergibt für den Lühe- Anleger Werte zwischen za = 0,1 m (FÜHRBÖTER, 1982; DAND/WHITE, 1977) und etwa za = 1,1 m (PIANC, 1987); die hierfür berechnete maximale Abweichung zu einem fiktiven Mittelwert (zamitt 0,6 m ; ca. BALANIN, 1977) beträgt etwa ± 80 %. Die maximale Differenz zum entsprechenden Wert aus den Modelluntersuchungen beträgt etwa 1 m (zu PIANC, 1977). Die Ansätze von KREY (1913) und CONSTANTINE (1960) zeigen - allerdings nur für das gewählte Beispiel (vs = 11 Kn) - eine zufällige Übereinstimmung. Der Einfluß von Strömungsrefraktion, Shoaling und inhomogener Unterwassertopographie kann, wie in den vorigen Abschnitten beschrieben, mit den bekannten Ansätzen nicht nachvollzogen werden.

30 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 6: Vergleich des berechneten geschwindigkeitsabhängigen Absunks z A für den Lühe-Anleger mit Meßwerten aus dem hydraulischen Modell der BAW-AK Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit traditionellen empirischen und analytischen Ansätzen die schiffserzeugte Belastung durch die seegängige Großschiffahrt auf den großen inhomogenen Seeschiffahrtsstraßen und besonders im Tidegebiet quantitativ nur sehr unzureichend abzuschätzen ist. Eine rechnerische Ermittlung ausbaubedingter Änderungen der Belastung kann folgedessen mit diesen Ansätzen nicht erfolgen.

31 BAW-Nr /23 - Oktober Die Entwicklung numerischer Lösungsansätze Im Jahr 1993 veröffentlichte NWOGU eine neue Form der Tiefwasser-BOUSSINESQ- Gleichungen zur Ausbreitung windgenerierter Wellen in Flachwasser. Auf dieser Basis wurde am NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF CANADA (NRC) das numerische Modell WAKE2D zur Simulation von Schiffswellen in tiefenbegrenztem Wasser mit den Wellenausbreitungsprozessen Shoaling, Refraktion, Diffraktion und Reflexion entwickelt. Die BAW beauftragte im Februar 1996 das NRC mit der Simulation von Schiffspassagen in einem ausgewählten Querschnitt der Unterelbe mit dem Ziel, die Anwendungsreife des Modells für Fragestellungen der WSV, hier im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung, zu ermitteln. Berechnet wurden schiffserzeugte Belastungen bei der Passage eines Containerschiffes IV. Gen. PANMAX als Aufkommer im Unterelbe-Querschnitt Lühe / Wedel für Schiffsgeschwindigkeiten von vs = 15 Kn und 17 Kn (t = 13,8 m; Wasserstand NN+1,5 m). Geringere Schiffsgeschwindigkeiten konnten nicht vorgegeben werden, da das numerische Modell mit einer Tiefenrestriktion für eine FROUDE-Zahl von Fr(d) > 0,6 rechnet. Bei einer vorgegebenen Wassertiefe von d = 18 m lag die gewählte Geschwindigkeit von vs = 15 Kn schon an der Grenze zum kritischen Bereich. Das notwendige Gitternetz zur zweidimensionalen Berechnung der Schiffswellen betrug 1,8 km mal 3 km mit einer Auflösung von 4 m x 4 m ( Gitterelemente). Die Auswertung der numerischen Berechnung erfolgte zu Vergleichszwecken an den Positionen, für die im hydraulischen Modell der BAW-AK Meßwerte von Versuchen im Maßstab 1:40 vorlagen. Die Ergebnisse der numerischen Berechnung schiffserzeugter Belastung (NCR, 1996) sind mit Daten aus dem hydraulischen Modell der BAW-AK beispielhaft für den süd-westlichen Fahrrinnenrand vor dem Elbeanleger Lühe in Abbildung 7 aufgetragen. Anhand der Zeitreihen aus dem numerischen und hydraulischen Modell für eine Schiffsgeschwindigkeit von vs = 15 Kn wird deutlich, daß

32 BAW-Nr /23 - Oktober * der Absunk bei beiden Modellen in der gleichen Größenordnung liegt, * die Primärwellen im numerischen Modell tendenziell geringer ermittelt werden, * die kurzperiodischen Sekundärwellen im numerischen Modell mit einem Faktor größer 2 überbestimmt werden, * die Rückstromgeschwindigkeiten im numerischen Modell unterbestimmt sind. Die Ursache der Unterschiede zwischen numerischen und hydraulischen Modell bei den kurzperiodischen Sekundärwellen sieht der Bearbeiter des numerischen Modells am NRC an der noch zu groben Gitterpunktauflösung (NWOGU, 1996, pers. Komunikation). Weitere Berechnungen mit einem Gittepunktabstand von 2 m x 2 m (1,35 x 10 6 Punkte für 1,8 km x 3 km) sind vorgesehen. Eine Weiterentwicklung des numerischen Programms mit der Einbindung theoretischer Ansätze höherer Ordnung und Dispersionstermen für Fn,d < 0.6 in den numerischen Code von WAKE2D ist von Seiten des NRC angestrebt. Der neue Ansatz von NWOGU (1993) für BOUSSINESQ-Gleichungen in tiefenbegrenztem Wasser wird derzeit von anderen Wisenschaftlern (z.b. SCHÄFFER / MADSEN, 1995) zur Weiterentwicklung von Wellenausbreitungsmodellen aufgegriffen. Für Fragestellungen hinsichtlich der Ermittlung ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen der Unterelbe, besonders für typische Schiffsgeschwindigkeiten tiefgehender Containerschiffe bei tideabhängiger Revierfahrt, ist die numerische Bearbeitung (z.b. mit WAKE2D) noch nicht als wissenschaftliche Methode gemäß anerkanntem Stand der Technik einzustufen.

33 BAW-Nr /23 - Oktober Bild 7: Numerische Berechnungen schiffserzeugter Belastungen (NRC, 1996) und Ergebnisse aus Untersuchungen im hydraulischen Modell der BAW-AK

34 BAW-Nr /23 - Oktober Erfassung des IST-Zustandes der schiffserzeugten Belastungen 5.1 Bisherige Naturmeßprogramme Ab Anfang der 80er Jahre wurden u.a. im Auftrag der Wasser- und Schiffahrtsverwaltung umfangreiche Naturmeßprogramme zur Erfassung schiffserzeugter Belastungen der Unterelbe durchgeführt. Die Meßprogramme sind im folgenden nicht in ihrer zeitlichen Abfolge, sondern gemäß der neuen Strom-Kilometrierung, beginnend mit km 641, zusammengefaßt: Die BAW-AK führte von Oktober bis November 1989 im Rahmen eines F&E-Projektes Naturmessungen schiffserzeugter Belastungen am Schulauer Ufer durch (BAW, 1990). Als maximale Wellenbelastung wurden unterhalb des Steilufers (ca. km 641) maximale Absunkwerte von za = 0,8 m, Primärwellenhöhen bis zu HP = 1,4 m und Sekundärwellen bis zu HS = 1,1 m gemessen; die maximale schiffserzeugte Rückstromgeschwindigkeit betrug etwa vr = 1,2 m/s. Im Auftrag des WSA Hamburg und der Freien und Hansestadt Hamburg zur Erfassung der schiffserzeugten Wellen wurden Naturuntersuchungen von der BAW-AK im Zusammenhang mit der Einrichtung eines Tidefensters für das Auslaufen von 12,8 m tiefgehenden Containerschiffen in dem an der Elbe bei km 641 gelegenen Hafen Schulau vorgenommen (BAW, 1992). Zusammenfassend wurde u.a. festgestellt: Während des rd. 10wöchigen Untersuchungszeitraumes wurden Größtwerte des Absunks bis zu etwa za = 0,4 m, Primärwellenhöhen bis zu HP = 0,5 m und Sekundärwellen bis zu HS = 1,0 m gemessen. Der Absunk und die langperiodischen Primärwellen breiten sich mit nahezu gleichbleibender Höhe im Hafeninneren aus; die einlaufenden kurzperiodischen Sekundärwellen werden im Hafeninneren durch Einbauten deutlich gedämpft. Die Untersuchungen zeigten, daß der maßgebliche Einflußparameter für die Höhe der Schiffswellen im Bereich des Schulauer Hafens die Passiergeschwindigkeit der Schiffe ist, die über Grund gemessen bis zu rd. vs = 20 Kn erreichte. Die Größtwerte der Belastung wurden von

35 BAW-Nr /23 - Oktober schnellfahrenden Schiffen mit einem Tiefgang im Bereich von etwa t = 7 m bis t = 11 m verursacht. Die Geschwindigkeiten tiefergehender Schiffe waren während des Meßzeitraumes so gering, daß keine extremen Wellenhöhen (Belastungszustände) ermittelt wurden. Die Untersuchungen des LEICHTWEISS-INSTITUTS FÜR WASSERBAU (LWI) von 1980 bis 1983 (FÜHRBÖTER et al., 1984) über schiffserzeugte Wellen bei Lühe (km 645,3) und Krautsand (km 671,9) u.a. im Auftrag der Wasser- und Schiffahrtsdirektion Nord ergaben auf Basis von 140 Einzelanalysen Wellenbelastungen am Lühe-Sperrwerk bis zu Absunk za = 0,55 m, Primärwelle HP = 0,58 m und Sekundärwelle HS = 0,90 m (20 n 40). Für das Westufer bei Krautsand wurden Werte von maximal za = 0,26 m, HP = 0,24 m und HS = 0,66 m gemessen (20 n 100). Aus der Zeitreihenanalyse dieser Messungen des LWI für die Standorte Lühe und Krautsand bei ULICZKA (1983) sei hier beispielhaft die Passage des TS CONTAINER III KOWLOON BAY (l = 290 m, b = 32,2 m, t = 10,5 m, ca dwt, d = 17 m) vom als Aufkommer bei Lühe (n = 28) mit etwa vs = 15 Kn bei einem Passierabstand von etwa L 480 m erwähnt. Gemessen wurde ein Absunk von za = 0,25 m, eine Primärwelle von HP = 0,34 m und eine maximale Sekundärwelle von HS = 0,9 m (siehe IST-Zustand, Abbildung 9). Das gleiche Schiff verursachte bei gleicher Geschwindigkeit durchs Wasser etwa eine Stunde früher am Meßpunkt Krautsand (d = 15,9 m, n = 42, L = 795 m) Wellenereignisse von za = 0,18 m, HP = 0,20 m und HS = 0,59 m. Die unterschiedlichen Werte verdeutlichen den Einfluß von Unterwassertopographie und Passierabstand auf die schiffserzeugte Belastung. Zur Ergänzung der Messungen bei Lühe und Krautsand führte das LWI in der Zeit von Dezember 1983 bis Juni 1984 im Auftrag des WSA Cuxhaven Wellenmessungen an der Unterelbe im Bereich der Schleuse Brunsbüttel/Mole IV bei Elbe-km 697,9 durch (FÜHR- BÖTER et al., 1985). Die geringe Schiffswellenbelastung an der Meßstation Brunsbüttel wird mit dem etwa 20 % größere Unterwasserquerschnitt im Vergleich zum Profil Krautsand und einer geringeren durchschnittlichen Schiffsgeschwindigkeit, bedingt durch Lotsenübernahme und Einfahrt zum Nord-Ostsee-Kanal, erklärt. Desweiteren war durch die Grundlast der hohen