Ermittlung des Überschwemmungsgebietes des Eschbaches im Landkreis Diepholz von km bis km 7+400

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1 Königsberger Str Burgwedel / OT Wettmar fon: / fax: / mobil: +49 / kontakt@matheja-consult.de Ermittlung des Überschwemmungsgebietes des Eschbaches im Landkreis Diepholz von km bis km Auftraggeber: Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten-, und Naturschutz - Betriebsstelle Sulingen Am Bahnhof 1, Sulingen Bericht Nr. 2010/9 Wettmar, April 2010

2 Seite 2 / 14 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Allgemeines Gebietsbeschreibung Grundlagen der hydraulischen Berechnung Allgemeines Theoretische Grundlagen des hydrodynamischen Modells Digitales Geländemodell Beschreibung der Modellgeometrie Kalibrierung des hydrodynamischen Modells Bemessungsabflüsse Ermittlung des Überschwemmungsgebietes Allgemeines Plausibilitätskontrolle Beschreibung des Überschwemmungsgebietes Zusammenfassung und Empfehlungen Verwendete Unterlagen... 14

3 Seite 3 / 14 Abbildungen und Tabellen Seite Abbildung 4-1: Ausdehnung des Untersuchungsgebietes 5 Tabelle 1: Rauhigkeitsparameter für die hydraulische Berechnung 10 Tabelle 2: Bemessungsabflüsse für das HQ 100 -Ereignis 10

4 Seite 4 / 14 1 Allgemeines Hochwasserereignisse mit Überschwemmungen sind seit jeher Teil des natürlichen Abflussgeschehens der oberirdischen Fließgewässer. Durch intensive Landnutzung, Ausbau der Gewässer und Reduzierung der Retentionsflächen sind die Hochwasserwellen in unterschiedlichem Maße verstärkt worden. Intensive Nutzungsformen und hochwertige Bebauungen in den überschwemmungsgefährdeten Gebieten haben das Schadenspotential deutlich erhöht. Eine der prioritären Aufgaben von Wasserwirtschaft und Raumplanung ist daher die Erhaltung vorhandener und die Reaktivierung verloren gegangener Retentionsräume. Die Ausweisung von gesetzlich festgesetzten Überschwemmungsflächen stellt dabei ein wesentliches Instrument des vorbeugenden Hochwasserschutzes dar. Durch entsprechende Regelungen im Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und Niedersächsischen Wassergesetz (NWG) kann eine Sicherung der Retentionsräume gegenüber konkurrierenden Nutzungen erfolgen und eine Erhöhung des Schadenspotentials vermieden werden. Weiterhin ist der Schutz der natürlichen Überschwemmungsräume ein Beitrag zur Erhaltung und Förderung naturnaher Flussauen als Bestandteil eines ökologisch intakten Fließgewässersystems. Zur Ausweisung der Überschwemmungsgebiete sind Informationen über die maßgeblichen Wasserstände bei einem 100-jährlichen Hochwasserereignis (HQ 100 ) und die sich dadurch ergebenden Grenzen der Überschwemmungsflächen zu ermitteln. Vor diesem Hintergrund erhielten wir durch den NIEDERSÄCHSISCHEN LANDESBETRIEB FÜR WASSERWIRTSCHAFT, KÜSTEN- UND NATURSCHUTZ BETRIEBSSTELLE SULINGEN am den Auftrag das Überschwemmungsgebiet für den Eschbach im Landkreis Diepholz im Bereich von km bis km (Brake-Nordhop) zu ermitteln. Die Ergebnisse der Untersuchung werden hiermit vorgelegt.

5 Seite 5 / 14 2 Gebietsbeschreibung Der Eschbach ist ein rechtsseitiges Nebengewässer der Siede. Die Quelle des Eschbachs befindet sich südlich von Affinghausen (Samtgemeinde Schwaförden). Von dort fließt er in südlicher Richtung, nimmt den Sudwalder Graben und den Hingstbach auf, fließt durch Mellinghausen (Samtgemeinde Siedenburg) und mündet bei Sieden direkt an der Bundesstraße in die Siede. Auf der hier betrachteten 7,4 km langen Strecke zwischen Mündung und Brake-Nordhop ist ein mittleres Gefälle von rund 1,03 bei einer Höhendifferenz von 41,91 mnn auf 34,27 mnn vorhanden. Als Nutzungsform des Umlandes überwiegen Acker, Feuchtwiesen und extensiv genutztes Grünland (Abbildung 2-1). Abbildung 2-1: Ausdehnung des Untersuchungsgebietes Der Eschbach hat an der Mündung in die Siede ein Einzugsgebiet von A E0 = 45,12 km 2.

6 Seite 6 / 14 3 Grundlagen der hydraulischen Berechnung 3.1 Allgemeines Für den Aufbau des hydrodynamischen Modells wurden zunächst aktuelle Querprofile des Gewässers und der durchflossenen Bauwerke mittels hochgenauem DGPS bzw. Tachymeter aufgenommen. Die Genauigkeiten der aufgenommenen Punkte in der Lage betragen hierbei ca. +/- 1 cm. Die Genauigkeit in der Höhe beträgt +/- 2 cm. Mit Hilfe der hochgenau aufgenommenen Gewässerprofile und Bauwerksdaten wurde unter Zuhilfenahme des landesweit vorhandenen Digitalen Geländemodells der LGN 1 (Qualitätsstufe 1 mit Raster- und Liniendaten) ein Digitales Geländemodell entlang des zu betrachtenden Gewässerabschnittes aufgebaut. Aufbauend auf diesem DGM wurde für die Berechnungen ein eindimensionales hydronumerisches Modell auf der Grundlage des Programmsystems MIKE11 des DANISH HYDRAULIC INSTITUTE aufgebaut. Das Modell beinhaltet in seiner Bathymetrie detailgetreu Ufer- und Sohllagen sowie sämtliche Bauwerke. Für die Berechnung des Überschwemmungsgebietes wurde ein Hochwasser mit einer hundertjährigen Auftretenswahrscheinlichkeit (HQ 100 ) ausgewählt und die hierbei anzusetzenden Abflüsse in das hydrodynamische Modell eingesteuert. Abschließend wurde die berechnete Wasserspiegellage (Wasserstände an den o.g. Gewässerprofilen) mit dem Digitalen Geländemodell verschnitten und die sich hieraus ergebenden Überschwemmungsgrenzen bestimmt. 3.2 Theoretische Grundlagen des hydrodynamischen Modells Zur Ermittlung der Wasserspiegellagen wurde das eindimensionale hydrodynamische Modell MIKE11 des DANISH HYDRAULIC INSTITUTE (2009a, 2009b, 2009c) eingesetzt. Die Topographie wird im eindimensionalen Modell durch repräsentative Querprofile des Flussschlauchs abgebildet. Die Querschnittsmittelung der hydraulischen Parameter erfordert die Ausrichtung der Querprofile rechtwinklig zur angenommenen Strömungsrichtung. Querschnittsveränderungen wie Sohlgleiten- und Brückenquerschnitte können einen Aufstau nach oberstrom der jeweiligen Struktur verursachen. Sie wurden daher in das hydrodynamische Modell integriert. Der Rechenkern des Programmsystems MIKE11 löst iterativ die Energiebilanzgleichung für die miteinander verbundenen Querprofile des Modellgebietes. Hierfür sind am unterstromigen Modellrand Randbedingungen in Form von Wasserständen über den gesamten Simulationszeitraum zu spezifizieren. Idealerweise wird der unterstromige Modellrand nahe eines Pegels mit entsprechenden Aufzeichnungen gewählt. An den oberstromigen Modellrändern sind als Randbedingungen die Abflüsse über den gesamten Simulationszeitraum 1 LGN: Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen

7 Seite 7 / 14 vorzugeben. Sind diese nicht verfügbar, können alternativ Wasserspiegellagen vorgegeben werden. Im Verlauf der Modellkalibrierung erfolgt eine Anpassung der Rauhigkeitsbeiwerte. Innerhalb eines Querschnittsprofils können die Rauhigkeitsbeiwerte in verschiedenen Höhenlagen variiert werden. Sowohl die Höhenlage der Rauhigkeitszone als auch die Rauhigkeitsbeiwerte selbst können für jeden Querschnitt individuell gewählt werden. MIKE11 ist ein hydronumerisches Programmsystem, das speziell für die eindimensionale Modellierung von Abflussvorgängen in ausgedehnten Flusssystemen entwickelt wurde. Das hydrodynamische Modell (HD-Modul) löst die vollständigen Saint Venant schen Bewegungsgleichungen mit Hilfe eines impliziten Finite Differenzen - Schemas. Dies ermöglicht die Betrachtung verzweigter und gekoppelter Netzwerke mit instationärem, unter- und überkritischem Strömungszustand, was für die naturähnliche Abbildung von Strömungsvorgängen in ausgedehnten Talauen von Flusssystemen notwendig ist. Q A + = q x t Gl. 3-1 Q t + 2 ( β Q A) h g Q Q + ga + = 0 x x C 2 A r hy Gl C = K st r hy Gl. 3-3 mit: Q Abfluss [m³/s] A durchströmte Querschnittsfläche [m 2 ] x r hy Längskoordinate in Fließrichtung [m] hydraulischer Radius [m] β dimensionsloser Korrekturbeiwert [-] q g gleichmäßig angenommene Zu- und Abflüsse pro Längeneinheit [m³/(sm)] Gravitationskonstante = 9,81 m/s² C CHEZY-Koeffizient [m 1 2 /s] k st Rauheitsbeiwert nach MANNING-STRICKLER [m 1 3 /s] Die Berechnungsmethodik setzt ein vertikal stetiges Strömungsverhalten über den Querschnitt voraus. Zwischen zwei benachbarten Querschnitten wird ein linearer Verlauf des Rauhigkeitsbeiwertes angenommen. Der Unterschied zwischen der CHEZY und MANNING-Beschreibung des Rauhigkeitsbeiwertes ist der Einfluss von r hy. Der Beiwert von MANNING kann so als unabhängig von der Wassertiefe verstanden werden, während der CHEZY-Beiwert mit der Wassertiefe variiert. Um das Differentialgleichungssystem zu lösen, müssen alle Rand- und Anfangsbedingungen und die Systemgeometrie bekannt sein. Randbedingungen setzen sich aus Angaben über

8 Seite 8 / 14 zeitliche Zuflüsse Q(t) am oberen Modellrand, Zuflüsse im Verlauf des Fließgewässers sowie von Wasserständen h(t) an der unteren Modellgrenze zusammen. Das Gleichungssystem wird für den in Teilabschnitte unterteilten Abflussquerschnitt vertikal integriert. Es erfolgt eine getrennte Integration für jeden dieser Streifen. Durch Addition über die Abflussstreifen werden die querschnittsgemittelten Werte bestimmt. Die Auflösung des Lösungsgitters wird durch die Vorgabe von Orts- und Zeitschritten bestimmt. 3.3 Digitales Geländemodell Für die Darstellung der Überschwemmungsgebietsgrenzen aus den errechneten Wasserständen wurde ein digitales Geländemodell (DGM) eingesetzt. Gegenüber terrestrischen Vermessungen von Talprofilen und der manuellen, meist qualitativen Übertragung der errechneten HQ 100 Wasserstände in analoge Höhenkarten, ermöglicht die Verwendung eines DGM sowohl die Reduzierung des Aufwandes als auch eine verbesserte Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeit. Die Grundlage des DGM bildeten die Rasterpunktdaten (DGM 5 - Daten) und Geländestrukturdatensätze (KTB - Daten) der Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen (LGN). Die Basis-Höhendaten zur Berechnung von ATKIS-DGM 5 Modellen werden gewonnen durch: Photogrammetrische, punktweise-digitale Höhenauswertung von Luftbildern sowie durch zusätzliche terrestrische Messungen in nicht einsehbaren Gebieten (z. B. Wald), Digitalisierung der analogen Höheninformationen (Höhenlinien/Höhenpunkte) vorhandener Deutscher Grundkarten 1:5 000 (DGK 5N) und Laserscanner-Verfahren. Aus den Basis-Höhendaten wird unter Berücksichtigung geomorphologisch prägnanter Informationen wie Geripplinien und Geländekanten (Bruchkanten) das DGM 5 in einer standardmäßigen Gitterweite von 5 m x 5 m interpoliert. Die DGM 5-Punkte sind im Gauß-Krüger- Koordinatensystem bestimmt und beziehen sich auf Normal Null (NN). Das DGM 5 approximiert die Geländeoberfläche in zwei Genauigkeitsstufen: Qualitätsstufe 1 DGM 5 (1): Durch die ausschließliche Verwendung hochqualitativer Basis-Höhendaten (entsprechend genau, zuverlässig und genügend dicht) beträgt der durchschnittliche Abstand der Gitterpunkte zur Geländeoberfläche weniger als 0,5 m. Qualitätsstufe 2 DGM 5 (2): In Gebieten, in denen die Erfassung hochqualitativer Basis-Höhendaten weder topographisch noch wirtschaftlich sinnvoll ist (kleinförmiges natürliches Gelände, wie z. B. Dünen; künstliche Geländeformen), beträgt der durchschnittliche Abstand der Gitterpunkte zur Geländeoberfläche 1,5 m. Im vorliegenden Datensatz des Überschwemmungsgebietes sind ausschließlich Höhenpunkte der Qualitätsstufe 1 vorhanden.

9 Seite 9 / 14 Weiterhin wurden die Kotendaten (KTB) der LGN in das Geländemodell integriert. Diese stellen zusätzliche Geländeinformationen wie z.b. Abbruchkanten, Straßendämme und Wälle in Form von unregelmäßigen Punktdaten als Ergänzung zum DGM 5 dar. Die Erstellung des DGM erfolgte abschließend nach Konvertierung der jeweiligen Datenformate mit den Geoinformationssystem ArcView und der Erweiterung 3-D Analyst der Firma ESRI. Der Modellaufbau beinhaltete im Wesentlichen folgende Arbeitsschritte: Entfernung redundanter Datenpunkte (doppelte bzw. dicht beieinanderliegende Höhenpunke, Abstand < 5 m). Hierbei wurden Prioritäten bei der Berücksichtigung der Daten aus unterschiedlichen Datenquellen erstellt: Vermessungsdaten haben Vorrang vor KTB - Daten sowie vor DGM 5 - Rasterdaten. Übernahme der vorliegenden Bruchlinien aus den KTB-Datensätzen. Diese Bruchlinien werden bei der anschließenden Vermaschung der Einzelpunkte als 3-D-Linie und nicht als Punktdaten berücksichtigt, so dass die Bruchkanten tatsächlich im Modell erhalten bleiben. Vermaschen der überarbeiteten Datensätze zu einem triangulierten, unregelmäßigen Netzwerk (TIN). Hierbei werden aus den Punktdaten geneigte Dreieckflächen mit eindeutiger Höhen und Gefälleinformation gebildet. 3.4 Beschreibung der Modellgeometrie Die Grundlage der Modellgeometrie bilden Querprofile, welche im September und November 2009 aufgenommen wurden. Der mittlere Profilabstand beträgt ca. 250m. An den Bauwerken sind jeweils 3 Profile (ober-, inner- und unterhalb) berücksichtigt worden. Die Querprofile reichen ca. 25 m über die höchsten Punkte der Böschungskanten in die Vorländer hinein. Die Anbindung der Vorlandhöhen zur Erzeugung der für die hydraulische Berechnung benötigten Profile erfolgte durch die Verschneidung mit den Geländehöhen des digitalen Geländemodells. Die Rauhigkeiten der Gewässer wurden aus in der Literatur angegebenen Werten und aus vorliegenden Erfahrungswerten von Berechnungen anderer, vergleichbarer Gewässer übernommen. Hierbei wurden für die Acker- und Grünlandnutzungen pauschale Rauhigkeitswerte angenommen, da auch auf einzelnen Flächen je nach Bewirtschaftungssituation und saisonalen Aspekten sehr unterschiedliche Rauhigkeiten vorhanden sein können. Ebenso ist im Gerinne die Rauhigkeit von der jeweiligen Unterhaltungssituation abhängig, wobei in der durchgeführten Berechnung von einem tendenziell ungünstigen Wert bei einem verkrauteten Gewässer ausgegangen wurde. Hierbei wurde keine Unterscheidung der Rauhigkeiten im Sohlbereich und an den Böschungen des Gewässers vorgenommen, da die Annahme einer Gesamtrauheit für die Betrachtung vollständig ausufernder Abflusszustände ausreichend ist. Für die Berechnung der Wasserspiegellage des Bemessungsereignisses wurden die in Tabelle 1 beschriebenen Rauhigkeitsparameter angesetzt.

10 Seite 10 / 14 Tabelle 1: Rauhigkeitsparameter für die hydraulische Berechnung Ausprägung der Gewässersohle / Nutzung äquivalente Sohlrauhigkeit [mm] äquivalente Sohlrauhigkeit [m 1/3 /s] Gewässer Vorland/Acker Vorland/Grünland Vorland/Wald Bauwerke/Spundwand Bauwerke/Betonwand Kalibrierung des hydrodynamischen Modells Da keine Wasserspiegelaufnahmen bei Hochwasser verfügbar waren, konnte eine Kalibrierung des hydraulischen Modells nicht durchgeführt werden. 3.6 Bemessungsabflüsse und Wasserstand am unteren Modellrand Für die Berechnung der Wasserspiegellage wurden die in Tabelle 2 dargestellten Abflüsse verwendet. Diese wurden in den angegebenen Gewässerabschnitten linear auf die jeweilige Fließlänge verteilt. Tabelle 2: Bemessungsabflüsse für das HQ 100 -Ereignis Station [km] Gewässerabschnitt A E0 [km 2 ] Hq 100 [l/s*km 2 ] HQ 100 [m 3 /s] Mündung bis Hingstbach 9, , EZG Hingstbach 8, , Mündung Hingstbach bis obere Modellgrenze EZG oberstrom der oberen Modellgrenze 7, ,946 18, ,564 Summe 45,115 11,053 An der Einmündung in die Siede wurde ein Wasserstand von 36,48 mnn (HQ 100 in der Siede) angesetzt. Die Hochwasserbemessungswerte (Abflussspende für das HQ 100 -Ereignis und der an der Mündung in die Hunte anzusetzende Wasserstand) wurden vom NLÖ (2003) ermittelt und mit dem NLWKN (2010) abgestimmt.

11 Seite 11 / 14 4 Ermittlung des Überschwemmungsgebietes 4.1 Allgemeines Die Darstellung der Berechnungsergebnisse erfolgt in einem Lageplan (Anlage 2), durch eine Darstellung der sich einstellenden Wassertiefen (Anlage 3) und in einem Wasserspiegellängsschnitt (Anlage 4). Die verwendeten Gewässerprofile finden sich im Lageplan in Anlage 5 und sind in Anlage 6 detailliert dargestellt. Neben der Ermittlung der Vorlandhöhen dient das DGM 5 (Raster 5 m x 5m) in Verbindung mit der AK5 zur abschließenden Darstellung der überfluteten Flächen und der Ableitung des Überschwemmungsgebietes. Aus den berechneten Wasserständen an den jeweiligen Querprofilen des Gewässers und deren Verschneidung mit dem DGM ergeben sich die überfluteten Flächen. Hier werden nur die Flächen dargestellt, deren Wasserspiegel über dem Geländeniveau liegt. Außerdem wurden die so erzeugten Überflutungsflächen nachbearbeitet, indem isolierte Flächen, die nicht mit dem Gewässer in hydraulischem Kontakt stehen (z.b. abflusslose Senken) und Insellagen innerhalb der ÜSG-Fläche mit einer Fläche von weniger als 25 m² entfernt wurden, um das tatsächlich vom Gewässer ausgehende Überschwemmungsgebiet darzustellen. Textlich werden im Folgenden die ermittelten Überschwemmungsgebiete beschrieben und auf Besonderheiten in den Ergebnissen hingewiesen, sofern diese vorliegen. 4.2 Beschreibung des Überschwemmungsgebietes Der Eschbach ufert im zwischen km und km nahezu durchgängig auf einer Breite von 20 m beidseits des Flußlaufes aus (Anlage 2). Zwischen km und km ufert das Gewässer nur in zwei Bereichen aus. Die Breite der hier überfluteten Flächen ab der Böschungsoberkante des Gewässers ist hier im Maximum nicht größer als ca. 30 m. Zwischen km und km ist der überschwemmte Bereich mit bis zu 75 m etwas breiter. Im gesamten Überschwemmungsgebiet sind keine Wohngebäude bzw. landwirtschaftliche Wirtschaftsgebäude betroffen. Bei einem HQ 100 sind am Eschbach nur landwirtschaftlich genutzte Flächen betroffen. 4.3 Plausibilitätskontrolle Da keine Wasserspiegelaufnahmen bei Hochwasser verfügbar waren, konnte eine Kalibrierung des hydraulischen Modells nicht durchgeführt werden. Für den Vertrauensbereich wurde der Wasserstand um 20 cm erhöht bzw. um 20 cm abgesenkt (Anlage 2).

12 Seite 12 / 14 Auch diese wurden mit dem DGM verschnitten, wodurch sich zwei weitere Überschwemmungsgebietskarten und Tiefenkarten ergaben. Diese sind ebenfalls in den entsprechenden Anlagen dargestellt. Der Vertrauensbereich ergab für den Fall einer 20 cm höheren Wasserspiegellage zwischen km bis km ein durchgängiges Überschwemmungsgebiet mit einer Breite von bis zu 75 m. Zwischen km und km dehnt sich das Überschwemmungsgebiet um ca. 100 m in Längsrichtung aus. Die überschwemmte Fläche ist jetzt maximal 100 breit. Auch in diesem Fall sind keine Wohn- oder landwirtschaftlichen Wirtschaftsgebäude betroffen. Für den Fall einer um 20 cm erniedrigten Wasserspiegellage ergibt sich zwischen km und km eine deutliche Verkleinerung des Überschwemmungsgebietes. Zwischen km und km ist die Ausuferung kaum noch erkennbar.

13 Seite 13 / 14 5 Zusammenfassung Die Verschärfung der Hochwassersituation hat zu einer erhöhten Aufmerksamkeit im Umgang mit den Überflutungsräumen der Fließgewässer geführt. Der Sicherung dieser Retentionsräume bzw. von Wohn- und Wirtschaftsgebäuden und einer angepassten Nutzung der Auenbereiche für eine nachhaltige Entwicklung der Gewässer kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Hierfür sind Kenntnisse über die maßgeblichen Wasserstände im Hochwasserfall und die überfluteten Flächen unabdingbar. Für den Eschbach (Landkreis Diepholz) wurde daher zwischen km und km das Überschwemmungsgebiet für ein Hochwasserereignis mit einhundertjährlichem Wiederkehrintervall (HQ 100 -Ereignis) mit Hilfe eines hydrodynamischen 1D-Modells ermittelt. Grundlage des Modells bildeten hochgenau vermessene Gewässerquerschnitte des Eschbachs und der durchflossenen Bauwerke bzw. in Vorlandbereichen die Geländehöhen aus dem Digitalen Geländemodell der Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen (LGN). Die über die Abflussstrecke variable Abflussmenge des HQ 100 -Ereignisses wurde durch das NLWKN Betriebsstelle Sulingen aus vorhandenen Pegelaufzeichnungen und dem hydrologischen Atlas des Landes Niedersachsen abgeleitet und für die Berechnung vorgegeben. Die errechneten Wasserstände wurden mit dem Digitalen Geländemodell verschnitten. Der Vertrauensbereich wurde und mit Hilfe einer Erhöhung des Wasserstandes um 20 cm bzw. eine Erniedrigung um 20 cm ermittelt. Im gesamten Überschwemmungsgebiet sind keine Wohngebäude bzw. landwirtschaftliche Wirtschaftsgebäude betroffen. Bei einem HQ 100 sind am Eschbach nur landwirtschaftlich genutzte Flächen betroffen. Hannover, (Dr.-Ing. Andreas Matheja) (Dipl.-Ing. Benjamin Schmidt)

14 Seite 14 / 14 6 Verwendete Unterlagen DANISH HYDRAULIC INSTITUTE,DHI (2009A): MIKE11: A Modelling System for Rivers and Channels, User Guide. DANISH HYDRAULIC INSTITUTE (2009B): MIKE View: User Guide and Tutorial. DANISH HYDRAULIC INSTITUTE, DHI (2009C): MIKE11: A Modelling System for Rivers and Channels, Reference Manual. NLWKN (2010): Korrespondenz mit dem NLWKN, Betriebsstelle Sulingen, Frau Schmidt- Schweden vom