Darstellung des Standes der wasserbaulichen Analysen (Szenarien A)

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1 Perspektive Lebendige Unterems : Darstellung des Standes der wasserbaulichen Analysen (Szenarien A) 2. Workshop Naturschutz: Leer Dipl.-Ing. Monika Donner Dipl.-Ing. Florian Ladage Dr.-Ing. Oliver Stoschek Hydrodynamik und Küsteningenieurwesen, DHI-WASY, NL Syke

2 Problematik in der Unterems Hintergrund: Ökologische Situation infolge anthropogener Eingriffe massiv verschlechtert Hohe Schwebstoffkonzentrationen verstärken die Unterhaltungsmaßnahmen Unterems heute erheblich verändert und stark verschmutzt (Gewässergüteklasse III, NLKWN) Ems verliert im Sommer durch extrem niedrige Sauerstoffwerte Funktion als Fischlebensraum Dringender Sanierungsbedarf der Ems Vorrangiges Ziel im Gesamtprojekt: Lösung des Sauerstoff- und Schlickproblems + Finden geeigneter Sanierungsmaßnahmen

3 Wasserbauliche Analysen Zielstellung: Reduktion der Schwebstoffkonzentrationen Treibende Kräfte für die Schwebstofffracht Hydrodynamik: Strömungen, Tide- und Abflussgeschehen Sediment an der Sohle (Schlick) Morphologie: Gestalt des Ästuars Schlickige Sohle eines Tidegewässers

4 Defizite aus wasserbaulicher Sicht Tidezeitreihen am Pegel Terborg Strömung Hydrodynamik Zunahme des Tidehubs Abnahme des Tideniedrigwassers Zunahme der Flutstromdominanz Erhöhte Tideaysmmetrie Strömungsgeschwindigkeit [m/s] Flutstrom Flutstromdauer 5 h Thw Ebbstromdauer 7,4 h Ebbstrom Tnw Wasserstand Wasserstand [m NN] Schwebstofftransport Stark erhöhte Schwebstofffrachten flussaufwärts Verschieben des Trübungsmaximums Fluid Mud an der Sohle Flussauftransport: Tidal pumping Herbrum Leerort Zeitachse [h] Emden Schuttelaars et al Mittlere jährliche Schwebstoffkonzentration (gemessen)

5 Vorgehensweise Das Modell Abbildung der Ems in einem numerischen Modell (Ausgangszustand) Kalibrierung der Hydrodynamik & Salinität Kalibrierung des Schwebstofftransports Geeichtes numerisches Modell zur Ems Die Szenarien Modellanpassung für die Sanierungsmaßnahmen (Szenarien) Hydrodynamische Berechnungen Schwebstofftransport-Berechnungen Die Bewertung Vergleich mit dem Ausgangszustand Beurteilung mittels hydrodynamischer und sedimentologischer Kennwerte Veränderungen im Systemverhalten (z.b. Tideaysmmetrie, Tidal pumping) Gesamtbewertung Finite Volumen Modell zur Ems Längsschnitte durch die Schwebstofffracht in der Ems (Modell)

6 3D-Modell Unterems Besonderheiten: Leda-Jümme-Gebiet (als Tidespeicher) Wehr bei Herbrum Geiseleitdamm Dollart Tide Borkum Aufsicht auf das modellierte Gebiet der Ems Eemshaven Abschnitt: Fließlänge: ca. 113 km Außenems, Unterems und mittlere Ems Delfzijl Sperrwerk Offene Modellränder: Bollingerfähr (Zufluss, Salz & Schwebstoff) Borkum (Tide, Salz & Schwebstoff) Außenems: ab Pogum seewärts Unterems: Pogum Papenburg Mittlere Ems: ab Papenburg flussauf Zufluss

7 3D-Modell Unterems Software: MIKE 3D FV mit den Modulen HD = Hydrodynamik MT = Mud Transport EcoLab = Flokkulation Unstrukturiertes FV-Modell: Diskretisierung der Topographie 2008 mit ca Elementen Aufsicht auf das 3D Finite Volumen Modell der Ems (oben) Schnitt durch das 3D Finite Volumen Modell der Ems (unten) Vertikale Schichtung: 10 Layer (Sigmamodell) quasi 3D-Modell

8 Kalibrierung Hydrodynamik & Sediment Vergleich gemessene und simulierte Größen: Wasserspiegellagen Strömungen Salinität Schwebstoffe Messstationen WSA 3 Simulationszeiträume: Feb - Juni 2008: 110 ~ 40 m³/s Salz Borkum: 30 PSU Salz OW: 0,2 0,8 PSU Gemessene Daten: WSA Emden (Strömung & Wasserstand) NLWKN Aurich (Salz & Schwebstoff) BAW Hamburg (Sediment)

9 Sanierungsmaßnahmen Abbildung des Ausgangszustandes: Modell zur Außen- und Unterems für Strömung, Salz- und Sedimenttransport (inkl. Kalibrierung und Gütenachweis, Datenbasis 2008) Wasserbauliche Analyse: Untersuchung von Sanierungsmaßnahme (Szenarien) im Vergleich zum Ausgangszustand und Bewertung hinsichtlich Zielerfüllung

10 Szenarien im Überblick Szenario A: Sohlverflachung der Ems von Leer bis Papenburg (14 km) Szenario B: Wehrrückbau bei Herbrum und Anschluss von 2 Tidepoldern im Unterwasser Szenario C: Renaturierung durch Einrichtung von Tidepoldern und Anbindung von Altarmen Alle Szenarien: mit MQ = 88,11 m³/s und einem Nipp-Springzyklus aus dem Mai 2008

11 Szenario A1 Modellanpassungen: Sohlanpassung im Bereich zwischen Leer und Papenburg: Verflachung auf -3,00 mnn Neigung < 1:20 mittlere Sohlanhebung der Fahrrinne ca. 2,3 m Sandige Sohle (A1s) und schluffige Sohle (A1) Szenario A1: Längsschnitt durch die Ems mit Schwebstoffkonzentration Emden Leeort Papenburg Herbrum

12 Szenario A2 Modellanpassungen: Verflachung zwischen Leer und Papenburg (Szenario A1) Szenario A2: Verflachung inkl. Tidepolder im Oberwasser Einbindung von 3 Poldern Sohle auf MTnw Systemstudie mit Poldervolumen 29 Mio m³ Sandige Sohle (A2s) und schluffige Sohle (A2) Szenario A2: Längsschnitt durch die Ems mit Schwebstoffkonzentration Emden Leeort Papenburg Herbrum

13 Analyseparameter (Hydrodynamik) Zielrichtung für Tidewasserstände und Tideströmungen: Reduktion des Tidehochwassers und Tidehubs Anstieg des Tideniedrigwassers Schwächung der maximalen und mittleren Flutströmung Stärkung der maximalen und mittleren Ebbströmung Zielrichtung für die Verhältniswerte: Abnahme der Flutstromdominaz (unter 1) Abbau des maximalen Flut-/Ebbgradienten (~auf 1) Reduktion der Tideaysmmetrie Flutstrommaximum Ebbstromgradient Flutstromgradient Ebbstrommaximum

14 Analyseparameter (Sediment) Zielrichtung für die sedimentologischen Kennwerte: Reduktion der mittleren Schwebstoffkonzentration unter 100 mg/l Abnahme des flussaufgerichteten Netto-Sedimenttransports Abnahme Flussauftransport bzw. des Tidal Pumpings Gemittelte Schwebstoffkonzentrationen gemessen im Längsschnitt Schwebstoffkonzentration [g/l] gemessen, De Jonge (2009) 1975 gemessen, De Jonge (2009) 2004 gemessen, BfG (2008) 2005 gemessen, De Jonge (2009) 2008/09 gemessen, NLWKN Aurich 0.10 Zielwert: 100 mg/l Fließkilometer [km] Herbrum Papenb. Leerort Terborg Emden Knock

15 Tidehub (Szenarien im Vergleich) 4.00 Mittlerer Tidehub im Längsschnitt 3.50 Ausgangszustand Tidehub [m] Verflachung Thb_AZ Thb_A Thb_A2 Thb_A1s 1.50 Thb_A2s 1.00 Verflachung & Polder 0.50 Polder Verflachung Fließkilometer [km] Herbrum Papenb. Leerort Terborg Emden Knock Abnahme ab Leerort bis Herbrum

16 Tidehub (historisch & heute) 4.00 Mittlerer Tidehub im Längsschnitt 3.50 Ausgangszustand Tidehub [m] Thb 1998 (NQ) Thb 1981 (NQ) Historischer Tidehub 2.00 MThb 1937 Thb_AZ 1.50 Abnahme Tidehub Thb_A1 Thb_A Thb_A1s Thb_A2s 0.50 Polder Verflachung Fließkilometer [km] Herbrum Papenb. Leerort Terborg Emden Knock Reduktion des Tidehubs, aber nicht großräumig

17 Mittlere Schwebstofffracht Querschnitts- und Tidegemittelte Schwebstoffkonzentration im Längsschnitt Schwebstoffkonzentration [g/l] Ausgangszustand Zielwert: 100 mg/l SSC_mean AZ SSC_mean A1 SSC_mean A2 SSC_mean A1s SSC_mean A2s Polder Verflachung Fließkilometer [km] Herbrum Papenb. Leerort Terborg Emden Knock Verschiebung des Trübungsmaximums ins Unterwasser

18 Schwebstofffracht (historisch & heute) Gemittelte Schwebstoffkonzentration gemessen und simuliert im Längsschnitt Schwebstoffkonzentration [g/l] Historische Schwebstofffracht Zielwert: 100 mg/l 1954 gemessen, De Jonge (2009) 1975 gemessen, De Jonge (2009) 2005 gemessen, De Jonge (2009) 2008/09 gemessen, NLWKN Aurich SSC_mean AZ SSC_mean A1 SSC_mean A2 SSC_mean A1s SSC_mean A2s 0.01 Polder Verflachung Fließkilometer [km] Herbrum Papenb. Leerort Terborg Emden Knock Reduktion der Trübung, aber nicht in ausreichender Intensität

19 Ergebnisse Verflachung (AZ und A1s) Emden Leerort Papenburg Herbrum

20 Fazit zur Verflachung (A1 & A1s) Hydrodynamisches Fazit: Verbesserung im Wesentlichen im Maßnahmenbereich Positive Wirkung im Oberwasser von Papenburg: Abnahme Tidehub und Flutstrommaxima Leicht negative Auswirkung im Unterwasser von Terborg: Zunahme Tidehub und Flutstrommaxima Keine Verschiebung oder nachteilige Verformung der Salinität Fazit für den Schwebstoffhaushalt: Verschiebung Trübungsmaximum um 17 km stromab Reduzierte Schwebstoffkonzentration für die gesamte Ems Tidal Pumping Fazit: Reduktion des Tidal Pumpings zwischen Papenburg und Herbrum Lokale Verschlechterung zwischen Terborg und Emden Im Mittel exportierendes System

21 Fazit zur Verflachung (A1 & A1s) Vorteile allgemein: Deutliche Verbesserung im Maßnahmenbereich Verbesserung hin im Systemverhalten ab Leerort bis Herbrum Nachteile allgemein: Steigerung der Tideasymmetrie im Unterwasser Morphologische Instabilität am unteren Rand der Verflachung Verbesserungsoptionen: Verflachung in Kombination mit Tidespeicherung im Unterwasser von Leer Kombination der Verflachung mit Verbreiterung des benetzten Bereiches (Flachwasserzonen)

22 Fazit zur Verflachung + Polder (A2 & A2s) Hydrodynamisches Fazit: Auswirkungen: Vergrößerung des Tidevolumens durch 29 Mio m³ Retentionsvolumen keine Strömungskenterung mehr ab Rhede Verbesserung im Maßnahmenbereich (besser als in A1 & A1s) Lokale, negative Wirkung zwischen Papenburg bis Tunxdorf: Leicht negative Auswirkung im Unterwasser: Verschiebung der Salinität stromauf Fazit für den Schwebstoffhaushalt: Verschiebung Trübungsmaximum um 16 km stromab Reduzierte Schwebstoffkonzentration in der gesamten Ems Tidal Pumping Fazit (alle Fakten für A2s stärker ausgeprägt): Reduktion des Tidal Pumpings zwischen Papenburg und Herbrum Lokale Verschlechterung zwischen Terborg und Emden Im Mittel exportierendes System

23 Fazit zur Verflachung + Polder (A2 & A2s) Vorteile allgemein: Deutliche Verbesserung im Maßnahmenbereich Verbesserung hin im Systemverhalten ab Leerort bis Herbrum Nachteile allgemein: Steigerung der Tideasymmetrie im Unterwasser Reduktion des Wasserstandes ab Herbrum um 80cm (Ökologische und wasserwirtschaftliche Folgen) Verbesserungsoptionen: Übergangsbereich zwischen Verflachungsstrecke und Tidepoldern anpassen Reduzierte Dimension der Tidepolder (Reduktion des Sogeffektes )

24 Herbrum Papenburg Leerort Emden Ergebnisse Verflachung+Polder (AZ & A2s)

25 Gesamtfazit Die Verflachung dämpft die Tideaysmmetrie reduziert den Tidehub reduziert die Schwebstofffrachten in der Ems führt temporär zum Sedimentexport Aber reicht nicht alleinig zur Sanierung der Ems erzielt nicht die 100 mg/l Marke Zusätzliche Erkenntnisse: sandiges Sohlsubstrat führt zur deutlichen Dämpfung im System sensitive Systemwirkung je nach Lage und Größe der Retentionsräume (zeigten bereits Untersuchungen der BAW) Umkehr eines Eingriffes saniert nicht die Ems

26 Nur ein kombiniertes Maßnahmenpaket könnte eine Sanierung der Ems ermöglichen