Analyse von Windstau, Wasserstand und Niederschlag für problematische Entwässerungssituationen des Nord-Ostsee-Kanals

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Tristan Voss
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1 Analyse von Windstau, Wasserstand und Niederschlag für problematische Entwässerungssituationen des Nord-Ostsee-Kanals - Beobachtungszeitraum N.H. Schade 1, A. Ganske 1, S. Hüttl-Kabus 1, J. Möller 1, H. Heinrich 1, B. Tinz 2 1 BSH, 2 DWD 1

2 Fokusgebiete Küsten (SP-108) Gefährdung der Seeschifffahrt und von Offshore-Bauwerken Entwässerung von Fließgewässern und Landflächen Sicherung von Transportwegen Landnutzungsänderungen Starkwindereignisse außergewöhnliche Niederschlagsereignisse Extremwasserstände Meeresspiegelanstieg Morphologische Veränderungen Sozio-ökonomische Veränderungen 2

3 Problematik NOK Vorfluter für die Eider und verschiedene kleinere Zuflüsse (geschätzt: ca. 600 Mio m 3 /J.) Ist-Zustand: Entwässerung bis auf wenige Ausnahmen durchgängig möglich Entwässerung hauptsächlich über die Elbe (Brunsbüttel) Zukünftige Probleme: Ansteigen des Meeresspiegels, Landsenkung verkürzte Entwässerungszeiten Änderung der Niederschlags- und Feuchteverhältnisse, erhöhter Grundwasserspiegel, etc. erhöhter Zufluss [Quelle: wsa-kiel.wsv.de] 3

Problematik NOK Schiffsverkehr muss reduziert oder sogar eingestellt werden, wenn der Wasserspiegel des NOKs über kritische Werte hinaus steigt starke

4 Problematik NOK Schiffsverkehr muss reduziert oder sogar eingestellt werden, wenn der Wasserspiegel des NOKs über kritische Werte hinaus steigt starke auflandige Winde erhöhen Tideniedrigwasser (> 4 Tidezyklen) nach starken Niederschlägen und erhöhtem Tideniedrigwasser Foto NOK: Wikipedia, UlrichAAB 4

5 Problematik NOK Grenzen der Wasserhöhe des NOK für das Eintreten von Alarmstufen (Meldeplan Entwässerung, Sothmann, 2013) Alarmstufe Bezeichnung Höhe (PN) 1 Beginn Sonderfall Wasserspiegel NOK 5.25 m 2 Einsatz Krisenstab Wasserspiegel NOK 5.40 m 3 Einsatz Krisenstab Wasserspiegel NOK 5.50 m 4 Einsatz Krisenstab Wasserspiegel NOK 5.60 m Ab einer Wasserhöhe von 5.25 m über PN muss die Geschwindigkeit der durchfahrenden Schiffe beschränkt werden. Der Fährverkehr kann aus technischen Gründen nur bei Wasserständen zwischen 4.80 m und 5.30 m über PN stattfinden 5

6 Gliederung Ziele der Arbeiten Identifikation der Ereignisse Durchgeführte Analysen 1. Niederschlagsindizes 2. Kombination mit Windstau Ergebnis Ausblick 6

7 Ziele der Arbeiten Rekonstruktion vergangener problematischer Ereignisse auf Basis meteorologischer und ozeanographischer Daten Identifikation möglicher zukünftiger problematischer Ereignisse in Klimaprojektionen 7

8 Ziele der Arbeiten Bestimmt mit Kanalmodell (BfG) aus Messdaten/Modellergebnissen abgeleitet (BSH) aus Messdaten/Modellergebnissen abgeleitet (BSH) 8

9 Identifikation der Ereignisse Erstellung eines Indikatorensets Ix auf Basis der gefundenen Zusammenhänge, z.b.: 9

10 Durchgeführte Analysen Verwendete Daten (Beobachtungszeitraum ) Niederschlagsfelder (REGNIE, 1km x 1km, Tagessummen) o Abschätzung von Bodenvorfeuchte und direktem Zufluss in den NOK Wasserstandsdaten Kiel und Brunsbüttel Liste mit 20 Terminen ab 1979 (WSV), an denen der Wasserstand des NOK eine problematische Höhe überschritten hatte Validation Quantitativ nicht möglich, da es keine Zu- und Abflussdaten gibt 10

11 1.) Niederschlagsindizes Klare Definition meteorologischer Auslöser nach Schröter et al. (2015) (1) Maximaler auslösender Niederschlag Ereignisniederschlag 3-Tagessumme: R3d (2) Bodenfeuchte vor dem R3d Antecedent Precipitation Index Summe des täglichen Niederschlags R m gewichtet mit der Zeitspanne (m = 30 Tage) vor dem R3d an jedem Gitterpunkt (i, j): API API i,j = 30 m=1 k m R m(i,j), 11

12 1.) Niederschlagsindizes Schwereindex Niederschlag und Feuchte als aggregierte Maßgröße: Sx_API k = 100 Γ i,j k API i,j 5yrRP API i,j API k i,j 5yrRP API i,j, Sx_R3d k = 100 Γ i,j k R3d i,j 5yrRP R3d i,j R3d k i,j 5yrRP R3d i,j, 5yrRP bezeichnet die 5-jährige Wiederkehrperiode, k das jeweilige Ereignis und Γ die Gesamtanzahl von Gitterpunkten (i,j) im Untersuchungsgebiet. Wiederkehrperioden bestimmt über Gumbelverteilung mit Hilfe des Matlab Tools WAFO 12

13 1.) Niederschlagsindizes Vorfeuchte: Sx_API Ereignisniederschlag: Sx_R3d Annahme: 25./ Wenn mindestens einer der beiden Schwereindizes Sx_API oder Sx_R3d größer als 0 wird, liegt ein verstärkter Zufluss in den NOK vor. Derzeit laufen Analysen zur Vorhersage von Abflüssen mithilfe des API (Projekt StucK) 13

14 Ergebnis 20 Ereignisse von 1979 bis 2012 rekonstruiert Vorfeuchte Ereignisniederschlag 14

15 2.) Kombination mit Windstau Suchkriterien für problematische Wasserstände Tag mit Schwereindex > 0 legt Zeitraum von ± 5 Tagen fest Wasserstand Brunsbüttel > 5.30 m für mindestens 8 Stunden Dauert länger als ein Tidehochwasser, d.h. auch Tideniedrigwasser ist über 5.30 m erhöht Ausgabe: Dauer der längsten Phase, zugehörender Vorfeuchteindex 15

16 Ergebnis Kombinierte Ereignisse Vorfeuchte Ereignisniederschlag 16

17 Ergebnis Die Mehrzahl der Ereignisse (16/20) mit problematischen Wasserständen im NOK kann über Windstau bzw. Außenwasserstand und Niederschlagsindizes erklärt werden. Allerdings werden deutlich mehr potentielle Ereignisse berechnet, als tatsächlich beobachtet wurden. Diese zusätzlichen Ereignisse wurden vermutlich durch vorausschauende Entwässerung des NOK verhindert. 17

18 Ausblick 1. Berechnung der Indizes aus Klimamodelldaten Falls keine Ergebnisse für Wasserstand Cuxhaven vorhanden, dann a) Berechnung des Windstaus in Cuxhaven aus dem Wind über der Nordsee mit Hilfe multipler Regression (Jensen et al., 2013) b) Bestimmung des Windstaus in Brunsbüttel h B (t) aus dem Windstau in Cuxhaven h C (t- 1h) durch lineare Interpolation (hohe Korrelation: 0,98): h B (t) = 1.05 * h C (t- 1h) cm c) Berechnung des Wasserstands in Brunsbüttel aus astronomischer Tide + Windstau in Brunsbüttel h B (t) 18

19 Ausblick 1. Berechnung der Indizes aus Klimamodelldaten 2. Untersuchung der möglichen zukünftigen Änderungen der Häufigkeiten potentieller Ereignisse und ihrer Gründe: Niederschlag Wasserstand Elbe / Windstau 3. Einfluss des Meeresspiegelanstiegs Anstieg des Niedrigwassers in der Elbe Verkürzte Entwässerungszeiten Vernässung des Bodens durch Anstieg des Grundwassers? 19

20 Vielen Dank! 20

21 Expertennetzwerk 21

22 Expertennetzwerk Szenarienbildung (SP-101) (DWD) Fokusgebiete Küsten (SP-108) Hochwassergefahren (SP-103) Sturmgefahren (SP-104 ) Hangrutschungen (SP-105) Schiffbarkeit / Wasserbeschaf fenheit (SP-106) Fokusgebiete Binnen (SP-109) (BSH) (DWD) (EBA) (BASt) (BfG) (BASt) M. Krüttgen/ panthermedia.net E. Wodicka/ panthermedia.net JCB Prod/ panthermedia.net BMVBS E. Nilson / BfG H. Esser/ panthermedia.net Risikoanalyse (SP-102) (BASt) Anpassungsoptionen (SP-107) (EBA) (BAW) 22

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