Wasser- und Schifffahrtsamt Emden

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1 Wasser- und Schifffahrtsamt Emden UVU zur geplanten Vertiefung Erfassung der schiffserzeugten Wellen- und Strömungsbelastungen Gutachten zur Erfassung des Ist-Zustandes schiffserzeugter Wellen- und Strömungsbelastungen in der Außenems Bericht Nr Hamburg, 3. April 21 INGENIEURGESELLSCHAFT MBH

2 Inhalt Seite 1 Veranlassung Aufgabenstellung Projektorganisation Vorgehensweise und Arbeitsschritte Abzuliefernde Unterlagen 2 1. Projektbeteiligte Anmerkungen zum Gutachten 3 2 Beschreibung ablaufender Prozesse um ein fahrendes Schiff und Definition maßgebender Parameter Allgemeines Beschreibung der hydraulischen Prozesse um ein fahrendes Schiff Definition der kennzeichnenden Parameter 2.4 Anmerkungen zur Fahrdynamik von Schiffen 6 2. Überlagerung von Schiffswellen und Seegangswellen 7 3 Messkampagne in der Außenems Revierübersicht und Lage der Messlokationen Revierbedingungen Hydrologie Seegang Wind Schiffsverkehr Messkonzept und Instrumentierung Projektablauf und Übersicht verfügbarer Messdaten 1 3. Dokumentation und Darstellung der Messdaten Allgemeine Hinweise Hydrologische Messdaten Meteorologische Messdaten Schiffspassagen Wasserspiegelauslenkungen Tideströmungen Dauerstrommessungen des WSA Emden ADCP-Messungen der Strömungen im Querprofil Datenformate Datenablage 26 4 Auswertung der Schiffswellenereignisse Auswertungskonzept Postprocessing 28 Bericht Nr I Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

3 Darstellung der Ergebnisse 29.1 Allgemeines 29.2 Messlokation A Emder Fahrwasser Allgemeines Schiffstatistik Seegang Darstellung der Schiffswellenereignisse Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse 3.3 Messlokation B Paapsand Allgemeines Schiffstatistik Seegang Darstellung der Schiffswellenereignisse 4.3. Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse 46.4 Messlokation C Borkum Allgemeines Schiffstatistik Seegang.4.4 Darstellung der Schiffswellenereignisse 6.4. Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse alle Ereignisse Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse See-Verkehr Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse Borkum-Verkehr 74. Vergleichende Betrachtung der schiffserzeugten Wellen und Strömungen über die drei Messlokationen A, B und C 81 6 Zusammenfassung 8 Bericht Nr II Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

4 Seite Tabellen Tabelle 3-1: Tidekennwerte der maßgebenden Pegel in der Außenems 11 Tabelle -1: Schiffsstatistik an der Messlokation A 32 Tabelle -2: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation A 3 Tabelle -3: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation A 37 Tabelle -4: Schiffsstatistik an der Messlokation B 43 Tabelle -: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation B 46 Tabelle -6: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation B 48 Tabelle -7: Schiffsstatistik an der Messlokation C 4 Tabelle -8: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation C 9 Tabelle -9: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation C 61 Tabelle -1: Anzahl analysierter Schiffswellenereignisse an der Messlokation C unter Berücksichtigung des relativen Wellenhöhenkriteriums H s / H 1/3 66 Tabelle -11: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation C sortiert für den See-Verkehr 68 Tabelle -12: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation C (See-Verkehr) 7 Tabelle -13: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation C sortiert für den Borkum-Verkehr 74 Tabelle -14: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation C (Borkum-Verkehr) 76 Bericht Nr III Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

5 Abbildungen Abbildung 2-1 Seite Schiffswellen in seitlich begrenztem Fahrwasser als Aufsicht (links) und Ansicht der Schiffswellensysteme (rechts) (BAW) 4 Abbildung 2-2: Definition maßgebender Kenngrößen schiffserzeugter Wellen (oben) und Strömungen (unten) für einen ortsfesten Betrachter nach BAW 6 Abbildung 2-3: Wellenausbreitung bei unterkritischer, kritischer und überkritischer Fahrt nach Erikson (2) 7 Abbildung 2-4: Interaktion von Schiffs- und Windwellen in Abhängigkeit des Seeganges (schematisch) 8 Abbildung 3-1: Revierübersicht mit den Messlokationen in der Außenems 9 Abbildung 3-2: Querprofile an und mit den Messlokationen A, B und C [14] 1 Abbildung 3-3: Wellenhöhen in der Außenems bei Winden aus NW [11] 11 Abbildung 3-4: Grobdarstellung der Windverhältnisse im Ems-Ästuar [12] 12 Abbildung 3-: Windstatistik für die Station Borkum ( 13 Abbildung 3-6: Windstatistik für die Station Emden/Flugplatz ( 13 Abbildung 3-7: Exemplarische Darstellung der Schiffsbewegungen auf der Ems für das Jahr 2 als Verkehrsflussgrafik (WSA Emden/WSD NW) 14 Abbildung 3-8: Messkonzept mit Darstellung der eingesetzten Messgeräte (Anlage 2) 1 Abbildung 3-9: Übersicht der hydrologischen Messdaten der Pegel in der Außenems 17 Abbildung 3-1: Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten während der Messkampagne 18 Abbildung 3-11: Exemplarische Darstellung der meteorologischen Messdaten der Stationen Borkum und Emden 18 Abbildung 3-12: Registrierte Schiffspassagen an der Messlokation A 19 Abbildung 3-13: Übersicht der aufgezeichneten Wasserspiegelauslenkungen an den drei Messlokationen in der Außenems 2 Abbildung 3-14: Übersicht der aufgezeichneten Wasserspiegelauslenkungen an den drei Messlokationen in der Außenems (exemplarisch für ruhige Seegangsbedingungen) (vgl. auch Anlage 6) 21 Abbildung 3-1: Exemplarische Zeitreihe der gemessenen Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen zusammen mit registrierten Schiffspassagen an der Messlokation A 22 Abbildung 3-16: Anordnung eines Messstranges mit einem wasserspiegelnahen und sohlnahen Dauerstrommessgerät 23 Abbildung 3-17: Dauerstrommessungen des WSA Emden an der Messlokation A 23 Abbildung 3-18: Auszug der Dauerstrommessungen 1,6 m unter Wasserspiegel an der Messlokation A 24 Abbildung 3-19: Auszug der Dauerstrommessungen 4, m über der Sohle an der Messlokation C 2 Abbildung 4-1: Auswertungskonzept zur Erkennung und Analyse der Schiffswellenereignisse und zugehöriger Parameter 27 Abbildung -1: Messlokationen mit Kennzeichnung der möglichen Wellenangriffsrichtungen 3 Abbildung -2: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation A 32 Bericht Nr IV Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

6 Abbildung -3: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation A in der 4. KW 29 (Anlage 14) 33 Abbildung -4: Schiffswellenereignis an der Messlokation A (Beispiel) 34 Abbildung -: Foto des Schiffes DORIS (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung -4 3 Abbildung -6: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation A 36 Abbildung -7: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A 38 Abbildung -8: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A 39 Abbildung -9: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A 41 Abbildung -1: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation B 43 Abbildung -11: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation B in der 4. KW 29 (Anlage 14) 44 Abbildung -12: Schiffswellenereignis an der Messlokation B (Beispiel für maximalen Absunk und maximale Primärwellenhöhe vgl. Anlage 1) 4 Abbildung -13: Foto des Schiffes Autosky (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung Abbildung -14: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation B 47 Abbildung -1: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B 49 Abbildung -16: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B Abbildung -17: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B 2 Abbildung -18: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation C 4 Abbildung -19: Schiffspassagen an der Messlokation C Borkum (vgl. Anlage 14) Abbildung -2: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation C in der 4. KW 29 (Anlage 11) 6 Abbildung -21: Schiffswellenereignis an der Messlokation C (Beispiel für den See- Verkehr mit der Frisia Wismar vgl. Anlage 11) 7 Abbildung -22: Foto des Schiffes Frisia Wismar (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung Abbildung -23: Schiffswellenereignis an der Messlokation C (Beispiel für den Borkum-Verkehr mit dem Katamaran Nordlicht vgl. Anlage 11) 8 Abbildung -24: Foto des Katamarans Nordlicht (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung Bericht Nr V Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

7 Abbildung -2: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation C 6 Abbildung -26: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C 62 Abbildung -27: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C 63 Abbildung -28: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C 6 Abbildung -29: Unterschreitungshäufigkeiten der Sekundärwellenhöhe H s unter Berücksichtigung des Kriterium H s /H 1/3 67 Abbildung -3: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation C für den See-Verkehr 69 Abbildung -31: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (See-Verkehr) 71 Abbildung -32: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (See-Verkehr) 72 Abbildung -33: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (See-Verkehr) 73 Abbildung -34: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation C für den Borkum-Verkehr 7 Abbildung -3: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (Borkum-Verkehr) 77 Abbildung -36: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (Borkum-Verkehr) 78 Abbildung -37: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation C (Borkum-Verkehr) 8 Abbildung -38: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für den Schiffswellenparameter Absunk z A an den Messlokationen A, B und C 81 Abbildung -39: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für den Schiffswellenparameter Primärwellenhöhe H p an den Messlokationen A, B und C 82 Abbildung -4: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für den Schiffswellenparameter Sekundärwellenhöhe H s an den Messlokationen A, B und C 83 Bericht Nr VI Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

8 Unterlagen [1] WSA Emden: Vertiefung Unterlage zum Scoping-Termin nach UVPG [2] BAW (1996) Anpassung der Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt Ausbaubedingte Änderungen der schiffserzeugten Belastung der Unterelbe. BAW-Nr /23 [3] BAW (26) Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe Ausbaubedingte Änderungen der schiffserzeugten Belastungen. BAW-Nr [4] BAW (29) Leistungsbeschreibung zur Ausschreibung: Naturmessungen zur schiffserzeugten Belastung des Emder Fahrwassers. Entwurf, Stand: April 29 [] Erikson (2) Swash Processes and Dune Erosion: Emphasis on vessel-generated waves. Department of Water Resources Engineering, Report No. 133, Lund Institute of Technology, Lund University, Schweden [6] Führböter, Dette, Jensen (1984) Untersuchungen über schiffserzeugte Wellen an der Unterelbe, Leichtweiss-Institut für Wasserbau, Bericht Nr. 66, Technische Universität Braunschweig [7] Leichtweiss-Institut für Wasserbau der TU Braunschweig, Institut für Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, erprobte Wellenanalysesoftware L~DAVIS, ohne Dokumentation, [8] (26) Naturmessungen zur schiffserzeugten Belastung der Unterweser, Gutachten zur Erfassung des Ist-Zustandes schiffserzeugter Belastungen der Unterweser, Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau, Bericht-Nr a, Dezember 26 [9] (29) Memo b, Schiffswellenmessungen, [1] (21) UVU zur geplanten Vertiefung, Erfassung der schiffserzeugten Wellen- und Strömungsbelastungen, Bereitstellung von Seegangsparametern für die Bundesanstalt für Wasserbau, Auftraggeber: Wasser- und Schifffahrtsamt Emden, Bericht , 8. April 21 [11] Mai, Paesler, Zimmermann (24) Seegangsatlas der deutschen Nordseeküste, Wellen und Seegang an Küsten und Küstenschutzwerken, Mitteilungen des Franzius-Instituts, Heft 9a [12] Umweltatlas Wattenmeer (1999) Herausgeber: Nationalparkverwaltung Niedersächsisches Wattenmeer, Umweltbundesamt, Band 2 - Wattenmeer zwischen Elb- und Emsmündung, Ulmer-Verlag [13] EAU (24) Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen, Häfen und Wasserstraßen. 1. Auflage, Ernst & Sohn. [14] BAW (21), Querprofile an den Messlokationen A, B und C auf Basis der Topografie 2, DGM KODIBA 2 Bericht Nr VII Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

9 Anlagen Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Anlage 4 Anlage Anlage 6 Anlage 7 Anlage 8 Revierübersicht und Messlokationen, Plan 9141-S-1 Übersicht, Fotodokumentation und Einbauskizzen der Messlokationen Morphologie an den Messlokationen A, B und C Kennblätter der eingesetzten Messgeräte (Wellendraht und Nortek-Sonde) mit Kalibrierprotokollen Projektprotokoll zur Messkampagne in der Außenems Übersicht der Messkampagne und verfügbarer Daten Memo zu den Schiffspassagen an den Messlokationen A, B und C im Zeitraum der Messkampagne ( bis ) und Schiffsstatistiken für die einzelnen Emsabschnitte zwischen Borkum und Emden für die Jahre 28, 27, 26 und 2 Memo und zugehörige Präsentationen zur Schiffswellenanalyse Anlage zur Darstellung der Ergebnisse Anlage 9 Ergebnisse der Schiffswellenanalyse an der Messlokation A Emder Fahrwasser Anlage 1 Ergebnisse der Schiffswellenanalyse an der Messlokation B Paapsand Anlage 11 Ergebnisse der Schiffswellenanalyse an der Messlokation C Borkum (alle Ereignisse) Anlage 12 Ergebnisse der Schiffswellenanalyse an der Messlokation C Borkum (See-Verkehr) Anlage 13 Ergebnisse der Schiffswellenanalyse an der Messlokation C Borkum (Borkum-Verkehr) Anlage der Messdaten und Auswertungen Anlage 14 DVD Daten und Auswertungen Anlage 1 DVD Messdaten der Messlokationen A, B und C Bericht Nr VIII Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

10 Danksagung Die bedankt sich ausdrücklich für die gute Zusammenarbeit mit allen Projektbeteiligten. Stellvertretend möchten wir an dieser Stelle unseren besonderen Dank an die Schiffsmannschaften der Lütjeoog und Lütje Hörn vom WSA Emden sowie Delphin von NPorts Emden richten, die uns bei der Ausrüstung der Messstationen, Installation und Demontage der Messgeräte unterstützt haben. Ein besonderer Dank sei auch an die Bundesanstalt für Wasserbau für die exzellente Zusammenarbeit und die Leihgabe der zum Einsatz gekommenen Nortek- Strömungssonden gerichtet. Die gesamte Messtechnik incl. Datenerfassung und übertragung für die Messkampagne Außenems 29 wurde von der Fa. ARGUS Gesellschaft für Umweltmesstechnik mbh, Ritterhude konzipiert, installiert und betrieben. Die bedankt sich für die hervorragende Zusammenarbeit. Bearbeitung Dr.-Ing. Karsten Peters Dr.-Ing. Tillmann Baur Bericht Nr IX Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

11 1 Veranlassung Im Rahmen der Arbeiten zur UVU für die geplante Vertiefung der Außenems bis Emden ist gemäß Scoping-Unterlage [1] und Bezug nehmend auf das Schutzgut Wasser / Hydrologie die Erfassung der heute auftretenden schiffserzeugten Wellen- und Strömungsbelastungen an exponiert liegenden Positionen im Emder Fahrwasser und in der Außenems durch Messungen in der Natur für einen repräsentativen Zeitabschnitt durchzuführen. Aus diesem Grunde wurden an drei exponierten Messlokationen in der Außenems Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen über den Zeitraum von mehr als 8 Wochen gemessen, um den Ist-Zustand schiffserzeugter Wellen und Strömungen zu erfassen. Dieser vorliegende Bericht umfasst die Beschreibung der durchgeführten Messkampagne, die Dokumentation der Messdaten und die Analyse der schiffserzeugten Wellen- und Strömungsbelastungen an den Messlokationen in der Außenems. 1.1 Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung besteht konkret darin, die aufgezeichneten Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkungen und Strömungsgeschwindigkeiten an den drei Messlokationen Emder Fahrwasser (A), Paapsand (B) und Borkum (C) zu analysieren, die ermittelten Schiffswellenereignisse statistisch aufzubereiten und zu dokumentieren. Im Vorwege der durchgeführten Messungen wurden entsprechende Abstimmungen mit den Projektbeteiligten über die Durchführung der Messkampagne vorgenommen [9]. Dabei wurde auf entsprechende Erfahrungen bei der Durchführung von Naturmessungen und Auswertung von Schiffswellenereignissen an der Unterweser zurückgegriffen [8]. 1.2 Projektorganisation Die führte die gesamten Leistungen als Hauptauftragnehmer aus. Als Nachunternehmer wurde die ARGUS Gesellschaft für Umweltmesstechnik mbh, Ritterhude (ARGUS) eingesetzt. Die interne Aufgabenverteilung sah die Leistungen der Projektleitung sowie der Datenauswertung, Analyse, Dokumentation und Präsentation durch vor, während die Planung, die Installation, der Betrieb und der Service der gesamten Messtechnik bei ARGUS lag. Bei der Durchführung der Naturmessungen wurde ARGUS durch unterstützt. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

12 1.3 Vorgehensweise und Arbeitsschritte In Anlehnung an die durchgeführten Schiffswellenmessungen an der Unterweser [8] und in nachträglicher Anerkennung der Leistungsbeschreibung der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) [4] wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt: Planung der Messkampagne und Durchführung der Naturmessungen ( bis ) zusammen mit der Fa. ARGUS Zusammenstellung von Messdaten und weiteren Daten (Winddaten, Wasserstandsdaten, Schiffspassagen, Strömungsmessungen) für die Auswertung Auswertung der Messdaten (Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen) nach Schiffswellenereignissen Prüfung der Schiffswellenereignisse und Kombination mit zugehörigen Daten Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse Berichtslegung und Dokumentation der Daten. 1.4 Abzuliefernde Unterlagen Die Dokumentation der analysierten schiffserzeugten Wellen und Strömungen an den drei Messlokationen in der Außenems für den Zeitraum der Messkampagne erfolgt mit dem vorliegenden Bericht. Darin sind u. a. enthalten: Dokumentation der Messkampagne in 29 Dokumentation sämtlicher verfügbarer Messdaten Zeitreihendarstellungen der meteorologischen und hydrologischen Messdaten Zeitreihendarstellungen der ausgewerteten Seegangsparameter an den einzelnen Messlokationen Zeitreihendarstellungen der aufgezeichneten Messdaten Dokumentation des Auswertekonzeptes und der Datenanalyse Statistische Auswertungen der analysierten schiffserzeugten Wellen und Strömungen Bereitstellung der Messdaten und ausgewerteten Daten auf Datenträger. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

13 1. Projektbeteiligte Das WSA Emden als Auftraggeber hat die erforderlichen hydrologischen und meteorologischen Daten, Daten der registrierten Schiffspassagen sowie Daten der Strömungsmessungen an den Messlokationen zur Verfügung gestellt. Die BAW hat die Messkampagne sowohl mit der Leihgabe der Nortek-Sonden zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten unterstützt als auch fachlich begleitet. Für die Phasen der Installation und Demontage der Messgeräte an den drei Messlokationen wurden und ARGUS durch Schiffseinheiten des WSA Emden und von NPorts unterstützt. Auf eine detaillierte Liste der Projektbeteiligten wird an dieser Stelle verzichtet. 1.6 Anmerkungen zum Gutachten Das vorliegende Gutachten erfasst den Ist-Zustand der schiffserzeugten Wellenund Strömungsbelastungen in der Außenems. In dem folgenden Abschnitt 2 werden zunächst in allgemeiner Form die hydraulischen Prozesse, die bei Schiffspassagen auftreten, beschrieben und deren maßgebende Kenngrößen definiert. Der Abschnitt 3 befasst sich anschließend mit der durchgeführten Messkampagne in der Außenems. Dabei wird sowohl auf die Details zur Messtechnik als auch auf die vorherrschenden Revierbedingungen eingegangen. Die Analyse der Schiffswellenereignisse wird in Abschnitt 4 erläutert. Im Abschnitt werden die Ergebnisse der Schiffswellenanalyse und der weiteren statistischen Auswertung lokationsweise vorgestellt. U. a. werden dort die maximalen Ereignisse und die Häufigkeitsverteilungen der kennzeichnenden Schiffswellenparameter vorgestellt. Es folgt eine vergleichende Betrachtung der drei Messlokationen im Hinblick auf die erfassten und analysierten Daten und Ereignisse. Die Zusammenfassung erfolgt im Abschnitt 6. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

14 2 Beschreibung ablaufender Prozesse um ein fahrendes Schiff und Definition maßgebender Parameter 2.1 Allgemeines Grundlegende physikalische Zusammenhänge der Wellen- und Strömungsverhältnisse um ein fahrendes Schiff wurden seit Ende des 19. Jahrhunderts in zahlreichen Veröffentlichungen behandelt. Erste Untersuchungen zu Schiffswellen und deren hydraulischen Prozessen gehen auf Froude (1877), Kelvin (1887) und Havelock (198) zurück [2]. Detaillierte Beschreibungen der ablaufenden Prozesse finden sich u. a. in der EAU (24) sowie in BAW (1996), BAW (26), Erikson (2) oder (26), auf die bei der nachfolgenden Beschreibung zurückgegriffen wird. 2.2 Beschreibung der hydraulischen Prozesse um ein fahrendes Schiff Ein fahrendes Schiff verdrängt ein dem Auftrieb entsprechendes Wasservolumen und verursacht neben der sogenannten Verdrängungsströmung (Bernoulli- Strömung) variierende Druck- und Wasserspiegeländerungen um den Schiffskörper. Hinsichtlich der Ausprägung der ablaufenden Prozesse zwischen Schiff und Wasserstraße wird zwischen unbegrenztem und seitlich begrenztem Fahrwasser unterschieden. Vom fahrenden Schiff gehen an Bug, Heck und Schiffslängsseite Wellensysteme unterschiedlicher Charakteristik und Periode aus, die je nach den örtlichen Gegebenheiten zu unterschiedlichen Beanspruchungen der Ufer bzw. deren Sicherungen führen. Das Wellenbild in einem seitlich begrenzten Fahrwasser ist als Aufsicht in Abbildung 2-1 (links) dargestellt. Abbildung 2-1 (rechts) zeigt eine Seitenansicht des Wellenbildes im tiefen- und seitenbegrenzten Fahrwasser sowie ausgewählte Einflussgrößen. Abbildung 2-1 Schiffswellen in seitlich begrenztem Fahrwasser als Aufsicht (links) und Ansicht der Schiffswellensysteme (rechts) (BAW) Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

15 Das fahrende Schiff bewirkt vor dem Bug eine Wasserspiegelanspannung, die dem Schiff als Schwallwelle vorausläuft. Direkt am Schiffskörper tritt ein weiterer lokaler Aufstau, der Bugstau s B, auf. Im Bereich des Schiffes wird der bisher ungestörte Gewässerquerschnitt um den Schiffsquerschnitt reduziert und die Strömung muss in einem verminderten Abflussquerschnitt stattfinden (Verdrängungströmung). Durch die daraus resultierende Beschleunigung des Abflusses erhöht sich die Umströmungsgeschwindigkeit gegenüber der Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser. Aus energetischen Gründen entsteht eine Absenkung des Wasserspiegels neben dem Schiff. Der Absunk z A ist definiert als die Differenz von Bugstau und maximalem Wasserspiegelabfall. Am Heck des Schiffes findet wieder ein Ausgleich der Abflussverhältnisse statt, was durch eine Wasserspiegelanhebung, die Heckwelle H p, gekennzeichnet ist. Die Heckwelle ist Teil des durch den Absunk angeregten langperiodischen Primärwellensystems. Am Bug und Heck des Schiffes entstehen gleichzeitig kurzperiodische Wellen, die Sekundärwellen H s, die sich aus Schrägwellen und Heckquerwellen zusammen setzen. Sie sind besonders von der Schiffsgeschwindigkeit und der Schiffsform abhängig und überlagern das Wellensystem der ausschwingenden Primärwelle. Die Einflussgrößen auf die Wasserspiegelschwankungen und induzierten Strömungen sind u. a. die Schiffsgeschwindigkeit v s durchs Wasser, der Passierabstand L, die Schiffsabmessungen mit der Länge l, der Breite b sowie dem Tiefgang t, die Wassertiefe d, die Rückströmung v R sowie die Größe des seitlich verfügbaren Wasserkörpers. 2.3 Definition der kennzeichnenden Parameter Die Schiffswellenbelastung setzt sich grundsätzlich zusammen aus langperiodischen Wellen (Absunk und Primärwelle) mit einer Wellenperiode von etwa 8 s bis 3 s und überlagernden kurzperiodischen Wellen (Sekundärwellen) mit einer Wellenperiode zwischen 2 s und 6 s. In Abbildung 2-2 wird eine Definition der kennzeichnenden Wellen- und Strömungsparameter auf Grundlage der Ausschreibungsunterlagen der BAW [4] sowie BAW (1996 und 26) vorgenommen. Für einen ortsfesten Betrachter werden folgende Änderungen des Ruhewasserspiegels nacheinander sichtbar: Bugstau, Absunk, Primärwelle und das Sekundärwellensystem. Je nach Schiffstyp, Geschwindigkeit, Tiefgang und morphologischen Gegebenheiten fallen diese Änderungen des Wasserspiegels unterschiedlich aus. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

16 Auf die Analyse dieser kennzeichnenden Parameter schiffserzeugter Wellen- und Strömungsbelastungen wird detailliert in Abschnitt 4 eingegangen. Schiffswellen Strömungen Beobachter Abbildung 2-2: Definition maßgebender Kenngrößen schiffserzeugter Wellen (oben) und Strömungen (unten) für einen ortsfesten Betrachter nach BAW 2.4 Anmerkungen zur Fahrdynamik von Schiffen Die Ausbreitung des schiffsinduzierten Wellenfeldes ist neben der Verdrängung (Tiefgang, Schiffslänge und breite) vor allem eine Funktion der Schiffsgeschwindigkeit und der topografischen Gegebenheiten des Fahrwassers. Unter Verwendung der Froudeschen Tiefenzahl Fr, v Fr = Schiff g h mit Fr [1] Froudesche Tiefenzahl v Schiff [m/s] Schiffsgeschwindigkeit h [m] Wassertiefe des Fahrwassers, die das Verhältnis aus Schiffsgeschwindigkeit zur Wellenausbreitung beschreibt, kann die Ausbreitung des Wellenfeldes (insbesondere die Sekundärwellen) in die drei Kategorien unterkritisch (v Schiff < v krit ), kritisch (v Schiff ~ v krit ) und überkritisch (v Schiff > v krit ) unterteilt werden. Die resultierenden Wellenfelder werden in ihrer Ausbreitung in der folgenden Abbildung 2-3 schematisch dargestellt. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

17 unterkritischer Bereich kritischer Bereich überkritischer Bereich Abbildung 2-3: Wellenausbreitung bei unterkritischer, kritischer und überkritischer Fahrt nach Erikson (2) Für die im Rahmen dieses Projektes auf der Außenems zu messenden Schiffswellen ist davon auszugehen, dass sie für den Bereich der Berufsschifffahrt (ausgenommen Katamarane) vornehmlich im unterkritischen Bereich liegen. Die Katamarane der AG Ems zwischen Emden und Borkum verkehren dagegen im überkritischen Bereich. 2. Überlagerung von Schiffswellen und Seegangswellen Der Seegang spielt bei der durchgeführten Messkampagne in der Außenems hinsichtlich der Analyse der Schiffswellen eine besondere Bedeutung. Aus diesem Grunde werden nachfolgend einige Erläuterungen zur Überlagerung von Schiffsund Seegangswellen gegeben. Die Interaktion von Seegang und Schiffswellen stellt für den Bereich der Seeschifffahrtsstraße oder die offene See einen Prozess dar, der bislang noch nicht in ausreichendem Maße wissenschaftlich untersucht wurde. Vor diesem Hintergrund kann an dieser Stelle das Phänomen an sich beschrieben, aber nicht hinreichend quantifiziert werden. Auf wissenschaftliche Arbeiten oder Veröffentlichungen kann aus demselben Grund nicht zurückgegriffen werden. Generell kann hinsichtlich der Interaktion von Schiff, Schiffswellen und Windwellen zwischen dem unmittelbaren Nahbereich um das Schiff, der von der Interaktion unmittelbar beeinflusst wird, und dem umgebenden Fernbereich (je nach Art der Interaktion beträgt die Entfernung vom Schiff mehrere Schiffslängen) unterschieden werden. Die Abbildung 2-4 stellt dies schematisch dar. Beobachtungen zeigen grundsätzlich, dass das fahrende Schiff im unmittelbaren Nahfeld um den Schiffskörper das winderzeugte Wellenfeld, bestehend aus gebundenen Wellen, nachhaltig stört. An der Schiffshaut treten Diffraktions- und Reflexionseffekte der Windwellen auf. Gleichzeitig erzeugt das fahrende Schiff durch die Verdrängung des Wassers in der Wasserstraße ein eigenes Wellenfeld, bestehend aus Primär- und Sekundärwellen, die sich mit dem gestörten Windwellenfeld überlagern (vgl. vorangegangene Abschnitte). Das resultierende, überlagerte Wellenfeld ist dabei abhängig vom fahrenden Schiff (Größe, Geschwindigkeit, Verdrängung) und dem erzeugten Schiffswellenfeld, vom Windwellenfeld mit den Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

18 zugehörigen Wellenparametern (Wellenhöhe und -länge) sowie dem Grad der Störung (Interaktion Schiff mit Seegang). Schwacher Seegang Starker Seegang Abbildung 2-4: Interaktion von Schiffs- und Windwellen in Abhängigkeit des Seeganges (schematisch) Theoretisch und energetisch betrachtet kommt es zu einer zufälligen aber vollständigen Überlagerung von Wind- und Schiffswellen. Praktisch gesehen treten jedoch energieverzehrende Prozesse auf, wie z.b. das Wellenbrechen erhöhter überlagerter Wellen, so dass nicht von einer vollständigen, sondern von einer deutlich reduzierten Überlagerung der Wellen ausgegangen werden muss. Als erste Anhaltswerte können folgende Annahmen für die praktische Bearbeitung getroffen werden: Für Windwellen bis zur gleichen Größenordnung wie Sekundärwellen (Windwellen Sekundärwellen) kann angenommen werden, dass das schiffsinduzierte Sekundärwellenfeld gegenüber den Windwellen dominiert. Dabei kann es unter bestimmten Umständen auch zu entsprechenden, dem Zufall unterliegenden Überlagerungen von Schiffs- und Windwellen kommen, so dass ein neues, verändertes Wellenfeld entsteht und auf die Ufer zuläuft, wo es den bekannten Umformungsprozessen unterliegt. Für höhere Seegänge (Windwellen > Sekundärwellen) kann das Schiff diesen nicht mehr so nachhaltig stören, so dass mehr und mehr das Windwellenfeld dominiert. Die im Nahfeld erzeugten Schiffswellen können sich nicht weiter ausbreiten und werden vom dominierenden Seegang geschluckt (vgl. Abbildung 2-4, rechte Darstellung). Aus Naturmessungen ist bekannt, dass bei Schiffswellenmessungen an offenen Küsten mit erhöhtem Windwelleneinfluss die Analyse der Sekundärwellen nur sehr eingeschränkt möglich ist (vgl. Arbeiten von FÜHRBÖTER [6]). Eine Schiffspassage wird in diesen Fällen im Wesentlichen nur durch die Primärwelle detektiert und beschrieben. Die Sekundärwellen können signaltechnisch von den umgebenden Windwellen nicht mehr richtig unterschieden werden, was insbesondere auf die ähnlichen Wellenperioden zurückzuführen ist. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

19 3 Messkampagne in der Außenems 3.1 Revierübersicht und Lage der Messlokationen Einen Gesamtüberblick des Reviers und der vom Auftraggeber definierten Messlokationen [9] zeigt die folgende Abbildung 3-1. C B Emden A Abbildung 3-1: Revierübersicht mit den Messlokationen in der Außenems Die Messlokationen Emder Fahrwasser (A), Paapsand (B) und Borkum (C) liegen in den charakteristischen Bereichen der Außenems. Eine detaillierte Darstellung des Reviers und der Messlokationen zusammen mit den zugehörigen Koordinaten wird in dem Plan Nr S-1 in Anlage 1 gezeigt. Für weitere Details zu den Messlokationen wird auf die Dokumentation in Anlage 2 sowie die Darstellungen der Morphologie in Anlage 3 (vgl. Anlage zu [9]) verwiesen. Die drei Messlokationen befinden sich etwa in einer Wassertiefe zwischen NN -8 m und NN 1 m. In der folgenden Abbildung 3-2 werden die Querprofile der Ems und des Emsfahrwassers an und mit den einzelnen Messlokationen A, B und C dargestellt: Die Messlokation A am nördlichen Rand des Emder Fahrwassers zeigt ein durch Deich und Geiseleitdamm räumlich begrenztes Fahrwasser. Die Messlokation B Paapsand befindet sich unmittelbar am Rand des Emsfahrwassers an der Ostseite des Paapsand, der das westliche Emsfahrwasser räumlich begrenzt. Die Messlokation B zeichnet sich durch eine relativ steil zum Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

20 Fahrwasser hin abfallende Unterwasserböschung aus (vgl. Anlage 1). Die östliche Seite des Emsfahrwassers kann als räumlich nahezu unbegrenztes Fahrwasser angenommen werden. Die Messlokation C Borkum befindet sich am östlichen Rand des Emsfahrwassers (Randzelgat). Richtung Osten ist das Fahrwasser als begrenzt und Richtung Westen als nahezu unbegrenzt anzusehen. Gewässersohle im Quersprofil [mnn] Gewässersohle im Quersprofil [mnn] Gewässersohle im Quersprofil [mnn] A O O MThw MTnw S Dollart Geiseleitdamm Messlokation A: Emder Fahrwasser C MThw MTnw MThw MTnw Randzelgat B W Paapsand Messlokation B: Paapsand W Alte Ems Messlokation C: Borkum Profillänge [m] Abbildung 3-2: Querprofile an und mit den Messlokationen A, B und C [14] (Blickrichtung von See kommend) 3.2 Revierbedingungen Hydrologie Die Tidedynamik in der Ems ist maßgeblich von den morphologischen Gegebenheiten abhängig. Während in Borkum eine nahezu unverformte Tidekurve aufläuft, verformt sich diese zunehmend nach oberstrom. Die Tidekennwerte der maßgebenden Pegel der Außenems werden in der folgenden Tabelle 3-1 zusammengestellt. Die einzelnen Pegelstandorte werden in dem Plan Nr S-1 der Anlage 1 dargestellt. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

21 Tabelle 3-1: Tidekennwerte der maßgebenden Pegel in der Außenems Pegel Borkum Südstrand Emshörn Dukegat Knock Neue Seeschleuse Tidekennwerte in [mnn] Ems-km 89,23 Ems-km 74,32 Ems-km 6,96 Ems-km 1,2 Ems-km 4,4 HHThw mit Datum 3, , , , , MThw (99/8) 1,8 1,23 1,29 1,39 1, MTnw (99/8) -1,19-1,3-1,4-1,8-1,7 NNTnw mit Datum -3, , , , , Seegang Grundsätzlich kommt es in der Außenems zu einer Interaktion des Seeganges mit dem tidedynamischen Strömungsregime, d.h. je nach Lokation, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Wasserstand und Tideströmung bzw. Tidephase prägen sich die Wellensysteme des Seeganges unterschiedlich aus. So kann der Ebbstrom beispielsweise den aus der Nordsee einlaufenden Seegang deutlich dämpfen bzw. die Wellen aufsteilen (Wind gegen Strom). Laufen Seegang und Tideströmung parallel, können sich die Wellen deutlicher ausprägen. Maximale Wellenhöhen treten in der Außenems bei starken Winden aus Nordwest (NW) verbunden mit einem hohen Wasserstand auf. Abbildung 3-3 zeigt beispielhaft die Wellenhöhen bei Winden aus NW mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s und einem Wasserstand von NN +3 m. Abbildung 3-3: Wellenhöhen in der Außenems bei Winden aus NW [11] Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

22 Die an den einzelnen Messlokationen zu erwartenden Wellenhöhen und Wellenperioden wurden anhand des Seegangsatlas [11] für verschiedene Wellen- und Windrichtungen sowie Wasserstände ermittelt. Diese werden zusammen mit den analysierten Seegangsverhältnissen während der Messkampagne separat mit dem -Bericht [1] dokumentiert. Auf die Seegangsbedingungen während der einzelnen analysierten Schiffswellenereignisse wird im Rahmen der Abschnitte 3.., 4 und weiter eingegangen Wind Die Außenems befindet sich aus meteorologischer Sicht in dem Bereich des Westwindgürtels der Nordhalbkugel. In der Abbildung 3-4 wird die mittlere jährliche Verteilung der Windrichtungen für Emden sowie der mittlere Jahresgang und der mittlere jährliche Tagesgang der Windgeschwindigkeiten für Borkumriff dargestellt. Aus der Häufigkeitsverteilung wird erkennbar, dass Winde aus Nordwest (überwiegend im Sommer) bzw. Südwest (überwiegend im Winter) am häufigsten auftreten. Der mittlere Jahresgang der Windgeschwindigkeiten zeigt die saisonale Abhängigkeit auf. Abbildung 3-4: Grobdarstellung der Windverhältnisse im Ems-Ästuar [12] Nachfolgend wird eine detaillierte Windstatistik der Messstationen Borkum (Abbildung 3-) und Emden (Abbildung 3-6) dargestellt u. a. mit Angabe der saisonal zu erwartenden Windrichtungen und -stärken. Daraus wird ersichtlich, dass für den Zeitraum der Messkampagne von September bis Dezember 29 überwiegend mit Winden aus Süd bis Südwest zu rechnen ist. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

23 Abbildung 3-: Windstatistik für die Station Borkum ( Abbildung 3-6: Windstatistik für die Station Emden/Flugplatz ( Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

24 3.2.4 Schiffsverkehr Der Schiffsverkehr auf der Ems wird von der Verkehrszentrale Ems (WSA Emden) kontinuierlich erfasst. Aus den aufbereiteten Statistiken der registrierten Schiffspassagen der Jahre 2 bis 28 in Anlage 7 kann differenziert entnommen werden, welche Schiffstypen in welcher Anzahl in den einzelnen Revierabschnitten der Ems gefahren sind. So wird die Außenems maßgeblich von Mehrzweckschiffen, Autotransportern und Fahrgastschiffen befahren. Diese Verkehrsdaten werden auch als Verkehrsflussgrafik aufbereitet, wie nachfolgend in Abbildung 3-7 exemplarisch dargestellt. Auf den Schiffsverkehr während der Messkampagne 29 wird in Abschnitt 3..4 weiter eingegangen. Abbildung 3-7: Exemplarische Darstellung der Schiffsbewegungen auf der Ems für das Jahr 2 als Verkehrsflussgrafik (WSA Emden/WSD NW) 3.3 Messkonzept und Instrumentierung Das Messkonzept wurde von der Fa. ARGUS erarbeitet. Unter Verweis auf Abbildung 3-8 und Anlage 2 wird nachfolgend das Messkonzept und die Instrumentierung kurz erläutert. Die drei Messlokationen wurden als autarke Stationen mit eigener Stromversorgung (Solarpanel) und einem Pufferakku konzipiert. Folgende Messgeräte (Gerätedetails siehe Anlage 4) kamen bei jeder der drei Messlokationen zum Einsatz (Einbauskizzen siehe Anlage 4): Wellendraht (AWG IV) zur Erfassung der Wasserspiegelauslenkungen Strömungssonde (Nortek-Sonde, Leihgabe der BAW) zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

25 Messgeräte Wellendraht mit Nortek-Sonde Autarke Messstation Solarpanel zur Stromversorgung Messschrank mit - Pufferakku - Datalogger (Abtastrate 2 Hz) - GPRS-Modem Mobilfunkantenne Fernüberwachung und Datentransfer via Internet auf den Datenserver von ARGUS Nortek-Sonde Datentransfer via Internet auf den Datenserver von zur weiteren Auswertung Abbildung 3-8: Messkonzept mit Darstellung der eingesetzten Messgeräte (Anlage 2) Die Messdaten wurden von einem Datalogger mit der Abtastrate von 2 Hz aufgezeichnet und mittels Modem online zur Fa. ARGUS auf einen Server übertragen und tageweise abgelegt. Von dort erfolgte die Datenübertragung zum FTP-Server von. Aufgrund der eingesetzten Messtechnik stehen zeitsynchrone Messdaten der Messlokationen A, B und C zur Verfügung. Die Kalibrierung der Messgeräte erfolgte im Vorwege. Die Wellendrähte wurden vor Beginn der Messkampagne an der Ems kalibriert. Die zugehörigen Kalibrierprotokolle sind in Anlage 4 zu finden. Bei den Nortek-Sonden wurden die Messbereiche der Geschwindigkeiten im Vorwege voreingestellt. Eine Kalibrierung war nicht erforderlich. 3.4 Projektablauf und Übersicht verfügbarer Messdaten Die Installation der Messgeräte an den drei Messlokationen in der Außenems wurde Anfang September 29 durchgeführt. Bis zum offiziellen Ende der Messkampagne am wurden für die Messlokation A Emder Fahrwasser Daten über 62 Messtage die Messlokation B Paapsand Daten über 61 Messtage die Messlokation C Borkum Daten über 6 Messtage Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

26 aufgezeichnet, d.h. zeitsynchrone Messdaten der Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen in einem Messtakt von 2 Hz. Die Messlokationen B und C wurden noch bis Anfang Dezember 29 jedoch mit energiebedingten Ausfällen betrieben. Weitere Details und zwischenzeitliche Ereignisse (z.b. Sturmflut infolge Sturmtief Sören) können dem Projektprotokoll in Anlage entnommen werden. Folgende Messdaten wurden vom WSA Emden zur Verfügung gestellt: Hydrologische Messdaten der Pegel Borkum Südstrand, Emshörn, Dukegat, Knock und Neue Seeschleuse Emden als Minutenwerte Daten der Dauerstrommessungen an den Messlokationen A und C Daten der durchgeführten ADCP-Messungen an den Messlokationen A und C Meteorologische Messdaten des DWD (Windgeschwindigkeit und richtung sowie Luftdruck) der Stationen Borkum und Emden als 1-Minutenwerte Schiffspassagedaten für die drei Messlokationen A, B und C Die Anlage 6 zeigt eine komprimierte Zusammenstellung aller verfügbaren Messdaten und die Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkungen mit Darstellung der registrierten Schiffspassagen an den Messlokationen A, B und C als Tagesplots für den Zeitraum der Messkampagne. 3. Dokumentation und Darstellung der Messdaten 3..1 Allgemeine Hinweise Nachfolgend wird die Dokumentation der Messdaten vorgenommen. Ein grafische Darstellung der Messdaten erfolgt aufgrund des Datenumfanges nur auszugsweise. Auf die Übersicht der Messdaten in der Anlage 6 wird verwiesen. Die an den Messlokationen A, B und C erfassten Messdaten (Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen) sind als ASCII-Datensätze in der Anlage 1 DVD Messdaten A-B-C tageweise und für jede Messlokation abgelegt. Alle weitere Messdaten (Wasserstände, meteorologische Daten, Schiffspassagen, etc.) sind entweder im ASCII-Format oder als EXCEL-Dateien in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen/2 Messdaten abgelegt. Die grafische Darstellung aller Messdaten erfolgt thematisch geordnet in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen/3 Bilder-Zeitreihen. Nachfolgend wird exemplarisch auf die einzelnen Messdaten eingegangen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

27 3..2 Hydrologische Messdaten Die hydrologischen Messdaten der Pegel Borkum Südstrand, Emshörn, Dukegat, Knock und Neue Seeschleuse Emden sind als ASCII-Datensätze auf der beiliegenden DVD - Daten und Auswertungen (Anlage 14) abgelegt. Diese hydrologischen Messdaten wurden weiterhin grafisch aufbereitet. Die zugehörigen Zeitreihen wurden als Bilddateien auf der DVD - Daten und Auswertungen (Anlage 14) gesichert. Die folgende Abbildung 3-9 gibt exemplarisch einen Überblick der hydrologischen Messdaten der Pegel der Außenems für den Zeitraum zwischen der 37. KW und der 4. KW 29. Aus dieser Übersicht lässt sich beispielsweise der 14-tägige Spring- Nipptide-Zyklus sowie Einzelereignisse wie die Sturmflut am 3./4. Oktober 29 erkennen. Zusätzlich werden die Wasserstandsdaten in Anlage 14 auch wochenweise sowie tageweise zusammen mit den erfassten Messdaten an den Messlokationen A, B und C dargestellt. Wasserstand [mnn] Wasserstand [mnn] Wasserstand [mnn] Wasserstand [mnn] MTnw MThw Pegel Borkum Südstrand Pegel Dukegat Pegel Knock Pegel Emden / Grosse Seeschleuse KW 29 Abbildung 3-9: Übersicht der hydrologischen Messdaten der Pegel in der Außenems (exemplarisch für den Zeitraum 37. bis 4. KW 29) Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

28 UVU zur geplanten Vertiefung 3..3 Meteorologische Messdaten Die meteorologischen Messdaten des DWD für die Stationen Borkum und Emden sind in Anlage 14 als Rohdaten enthalten. Für den Zeitraum der Messkampagne Außenems zeigt die folgende Abbildung 3-1 die Differenzen in der Häufigkeitsverteilung der gemessenen Windgeschwindigkeiten auf Borkum und in Emden. Stellvertretend für die grafische Aufbereitung der meteorologischen Daten (s. Anlage 14) stellt die folgende Abbildung 3-11 den Zeitraum der 37. KW bis zur 4. KW 29 dar. 2 während der Messkampagne 29 Station Borkum Station Emden Windgeschwindigkeit [m/s] Abbildung 3-1: Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten während der Messkampagne 1 min Mittelwerte Windgeschwindigkeit [m/s] Windrichtung [o] Luftdruck [mbar] Station Borkum Station Emden KW 29 Abbildung 3-11: Exemplarische Darstellung der meteorologischen Messdaten der Stationen Borkum und Emden Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

29 3..4 Schiffspassagen Vom WSA Emden wurden die von der Verkehrszentrale Ems erfassten Schiffspassagen für jede der drei Messlokationen zur Verfügung gestellt. Das Memo in Anlage 7 fasst die Informationen zu den Schiffspassagen an den Messlokationen A, B und C für den offiziellen Zeitraum der Messkampagne Außenems ( bis ) zusammen. Diese Passagedaten sind auf der beiliegenden DVD - Daten und Auswertungen (Anlage 14) als Rohdaten und als aufbereitete Daten abgelegt. Die Abbildung 3-12 zeigt beispielhaft die registrierten Passagen an der Messlokation A Emder Fahrwasser. Bis auf wenige Ausnahmen wurden die Schiffspassagen im Emder Fahrwasser senkrecht zur Messlokation in einer Punktwolke liegend erfasst. Abbildung 3-12: Registrierte Schiffspassagen an der Messlokation A Die zugehörigen Abbildungen für die Messlokationen B und C sind in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen / 3 Bilder-Zeitreihen / Schiffspassagen abgelegt. Für weitere Informationen wird auf die Messdaten der Schiffspassagen (s. EXCEL- Dateien in Anlage 14, DVD - Daten und Auswertungen / 2 Messdaten / Schiffspassagen) und deren Aufbereitung in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen / 4 Auswertung / Schiffspassagen verwiesen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

30 3.. Wasserspiegelauslenkungen Die erfassten Messdaten an den Messlokationen A, B und C (Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen) sind in Form von Tagesdatensätzen als Rohdaten im ASCII-Format in Anlage 1 abgelegt. In grafisch aufbereiteter Form sind die Messdaten der Wasserspiegelauslenkungen zusammen mit den erfassten Schiffspassagen als Bilddateien im wmf-format aufbereitet (s. Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen / 3 Bilder-Zeitreihen). Abbildung 3-13 zeigt nachfolgend ein Beispiel für den (Sturmtief Sören). Die roten Punkte in Abbildung 3-13 stellen die an der jeweiligen Messlokation registrierten Schiffspassagen dar. Für weitere Darstellungen wird auf in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen / 3 Bilder-Zeitreihen / SeegangTagesplots verwiesen. Wasserstand [m] Wasserstand [m] Wasserstand [m] Messlokation C: Borkum Südstrand Messlokation B: Paapsand Messlokation A: Emder Fahrwasser Abbildung 3-13: Übersicht der aufgezeichneten Wasserspiegelauslenkungen an den drei Messlokationen in der Außenems (exemplarisch für die Sturmflut am ) Die von den Wasserspiegelauslenkungen gebildete Umhüllende stellt einen ersten Indikator für den auftretenden Seegang dar. So zeigt Abbildung 3-13 für den unterschiedliche Verläufe. Bei dem am vorherrschen Westwind treten an der Messlokation C vor Borkum die größten Wellen in der Größenordnung von 1 m bis 2 m auf, während Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

31 an der Messlokation B aufgrund der geschützteren Lage deutlich geringere Wellen auftreten. Der Einfluss des schützenden Paapsand zeigt sich insbesondere vor und nach dem Nachmittagsniedrigwasser. Aus Abbildung 3-13 wird weiterhin erkennbar, dass bei entsprechendem Seegang die optische Erkennung von Schiffswellenereignissen kaum bis gar nicht mehr möglich ist. Zum Vergleich werden die erfassten Messdaten bei relativ ruhigen Seegangsbedingungen in der nachfolgenden Abbildung 3-14 dargestellt. Deutlich sind dort insbesondere an den Messlokationen A und B Schiffswellenereignisse als Ausschläge in der Zeitreihe zum Zeitpunkt der Schiffspassage zu erkennen. Wasserstand [m] Wasserstand [m] Wasserstand [m] Messlokation C: Borkum Südstrand Messlokation B: Paapsand Messlokation A: Emder Fahrwasser Abbildung 3-14: Übersicht der aufgezeichneten Wasserspiegelauslenkungen an den drei Messlokationen in der Außenems (exemplarisch für ruhige Seegangsbedingungen) (vgl. auch Anlage 6) Neben diesen vergleichenden Darstellungen der Wasserspiegelauslenkungen wurden tageweise und für jede Messlokation die gemessenen Daten (Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen) zusammen mit den Daten des nächstliegenden Pegels und den registrierten Schiffspassagen aufgetragen. Auf die zugehörige Abbildung 3-1 wird an dieser Stelle verwiesen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

32 3..6 Tideströmungen Die erfassten Messdaten der Tideströmungen an den Messlokationen A, B und C wurden zeitsynchron mit den Wasserspiegelauslenkungen erfasst und sind in Form von Tagesdatensätzen als Rohdaten im ASCII-Format in Anlage 1 abgelegt. In grafisch aufbereiteter Form sind die Messdaten der Tideströmungen zusammen mit den Wasserspiegelauslenkungen und den erfassten Schiffspassagen als Bilddateien im wmf-format aufbereitet (s. Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen / 3 Bilder-Zeitreihen/A, /B und /C). Die folgende Abbildung 3-1 zeigt exemplarisch den Tagesgang der Wasserspiegelauslenkungen und der Tideströmungen. Die roten Punkte markieren den Zeitpunkt der Schiffspassage und geben gleichzeitig eine Information zur Schiffslänge (rechte y-achse des obersten Diagramms in Abbildung 3-1). Mit Hilfe dieser Tagesplots erfolgt eine erste Plausibilitätskontrolle der Messdaten. So ist in Abbildung 3-1 deutlich zu erkennen, dass gemessene Schiffswellenereignisse ( Ausschläge der Wasserspiegelauslenkungen) mit den registrierten Schiffspassagen zeitlich übereinstimmen. Darüber hinaus ist markant, wie sich die Strömung um den Ebbstromkenterpunkt ändert. Innerhalb einer Stunde findet der Tidestromwechsel von -1 m/s (Ebbstrom) auf +1 m/s (Flutstrom) statt. Wasserstand [m] Strömungsgeschwindigkeit Vx, Vy [m/s] Wasserstand [m] Messposition A: Emder Fahrwasser Schiffslänge [m] Vx Vy Pegel Emden Abbildung 3-1: Exemplarische Zeitreihe der gemessenen Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen zusammen mit registrierten Schiffspassagen an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

33 3..7 Dauerstrommessungen des WSA Emden Parallel zu den Messungen der Wasserspiegelauslenkungen und Strömungen an der Messlokation A, B und C wurden am Fahrwasserrand an den Lokationen A und C Dauerstrommessungen vom WSA Emden durchgeführt, um daraus zusammen mit den ADCP-Messungen (vgl. Abschnitt 3..8) eine Übertragung der am Messpfahl gemessenen Strömungen außerhalb des Fahrwassers auf die Tideströmungen innerhalb des Fahrwassers zu ermöglichen. Die Dauerstrommessungen wurden mit Hilfe von Annderaa-Geräten über der Sohle (1,2 m bei A; 4, m bei C) und 1,6 m unter dem Wasserspiegel in Anlehnung an die Messkonfiguration in Abbildung 3-16 gemessen. Abbildung 3-17 zeigt exemplarisch die ausgebrachte Markierungs- und Schwimmerblase an der Messlokation A. Abbildung 3-16: Anordnung eines Messstranges mit einem wasserspiegelnahen und sohlnahen Dauerstrommessgerät Messlokation A Dauerstrommessungen WSA Emden Abbildung 3-17: Dauerstrommessungen des WSA Emden an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

34 Die zugehörigen Messdaten sind in Anlage 14 als EXCEL-Dateien abgelegt. Nachfolgend werden einige Hinweise zu den Messungen gegeben. Messlokation A Die Dauerstrommessungen an der Messlokation A wurden in der Höhe von 1,2 m über der Sohle vom bis und in der Höhe von 1,6 m unter dem Wasserspiegel vom bis durchgeführt. Nachfolgende Abbildung 3-18 zeigt auszugsweise und exemplarisch die aufgezeichneten Messdaten. Strömungsdaten Emden Meßpfahl oben (1,6 m unter Wasserspiegel) , 3, 3, v (cm/s) - R (MgN ) 2, 2, 1, 1,,, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo,.1.29 Mo, Mo, Datum/Uhrzeit (MEZ) V (cm/s) R ( MGN) Abbildung 3-18: Auszug der Dauerstrommessungen 1,6 m unter Wasserspiegel an der Messlokation A (hier ) (WSA Emden) Messlokation B Für die Messlokation B Paapsand wurde in Abstimmung mit der BAW davon ausgegangen, dass der Messpfahl ausreichend dicht am Emsfahrwasser steht und dass somit die gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten mit den Strömungsgeschwindigkeiten in Fahrwassermitte gleichgesetzt werden können. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

35 Messlokation C Die Dauerstrommessungen an der Messlokation C wurden in der Höhe von 4, m über der Sohle vom 2.8. bis und in der Höhe von 1,6 m unter dem Wasserspiegel vom 2.8. bis (Messausfälle vorhanden) durchgeführt. Bei den Messungen unter dem Wasserspiegel sind Messausfälle aufgetreten. Nachfolgende Abbildung 3-19 zeigt auszugsweise und exemplarisch die aufgezeichneten Messdaten. Strömungsdaten Borkum Meßpfahl unten (4, m über Sohle) , 3, 3, v (cm/s) - R (MgN ) 2, 2, 1, 1,,, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo, Mo, Datum/Uhrzeit (MEZ) Mo,.1.29 Mo, Mo, Mo, V (cm/s) R ( MGN) Abbildung 3-19: Auszug der Dauerstrommessungen 4, m über der Sohle an der Messlokation C (hier ) (WSA Emden) 3..8 ADCP-Messungen der Strömungen im Querprofil Zur Übertragung der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten am Messpfahl auf die Strömungsbedingungen in Fahrwassermitte wurden hinsichtlich der Ermittlung der Schiffsgeschwindigkeiten durchs Wasser ergänzende ADCP-Messungen an den Messlokationen A und C vom WSA Emden bei mittleren Tideverhältnissen durchgeführt. Zusammen mit den durchgeführten Dauerstrommessungen (vgl. Abschnitt 3..7) wurden vom WSA Emden Übertragungsfaktoren für die Messlokationen A und C Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

36 ermittelt, die in der weiteren Analyse der Schiffswellenereignisse entsprechend berücksichtigt wurden. Auf die Herleitung dieses Übertragungsfaktors soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden. Die zugehörigen Daten sind in Anlage 14 als EXCEL-Dateien abgelegt. 3.6 Datenformate Sämtliche Messdaten liegen im ASCII-Format vor. Aufbereitete Daten werden u.a. im EXCEL-Format abgelegt. Zeitreihendarstellungen sind als Bildformate (wmf oder jpg) abgespeichert. 3.7 Datenablage Sämtliche Messdaten, aufbereitete Daten und Ergebnisse sind auf den beiliegenden Datenträgern der Anlage 14 (aufbereite Daten) und Anlage 1 (Messdaten als Rohdaten) gesichert. Nachfolgend werden einige Hinweise zur Struktur der Datenablage gegeben. Anlage 14 - DVD Daten und Auswertungen (1 DVD) 1 Pläne Plan Nr S-1 2 Messdaten Messdaten zu Hydrologie, Meteorologie, Schiffspassagen, Dauerstrommessungen, ADCP-Messungen 3 Bilder-Zeitreihen Zeitreihen zu Hydrologie, Meteorologie, Messdaten als Tagesplots und Auswertefenster für Seegangsanalyse 4 Auswertung Datensätze zu Schiffspassagen, Schiffsstatistik und zum Seegang Auswertung-Zeitreihen Zeitreihen von Wind, Wasserstand und analysiertem Seegang 6 Fotos zur Messkampagne Anlage 1 DVD Messdaten der Messlokationen A, B und C (6 DVD) ASCII-Datensätze der Messdaten (Rohdaten), tageweise abgelegt nach Messlokation A, B und C A Emder Fahrwasser B Paapsand C Borkum. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

37 4 Auswertung der Schiffswellenereignisse 4.1 Auswertungskonzept Über die Dauer der Messkampagne wurde ein gesondertes Auswertungskonzept für die Erkennung und Analyse der Schiffswellenereignisse aufgestellt und durchgeführt, welches in Abbildung 4-1 dargestellt und nachfolgend kurz erläutert wird. Für detaillierte Erläuterungen wird auf die Unterlagen in Anlage 8 verwiesen. 7. Wasserstand [m] Messlokation C - Borkum registrierte Schiffspassage Wasserspiegelauslenkung [m] Schiffspassagen Gefilterte Daten Festlegung des Auswertefensters Erkennung/Analyse des Schiffswellenereignisses relativer Wasserstand [m] relativer Wasserstand [m] Geschwindigkeit Betrag [m/s] Geschwindigkeit Richtung [ ] Schiffswellenereignis 8:1:4, Passage MOSTRAUM, Messstelle A: Emder Fahrwasser, Datum: Zeit nach Messbeginn [min] 36 Primärwellenströmung 27 Grundströmung Detektierte Maxima 18 Wellenereignisse 9 Zeit nach Messbeginn [min] Zeit nach Messbeginn [min] Zeit nach Messbeginn [min] Rohdaten Sekundärwelle (T < 1s) Primärwelle (T > 1s) Detektierte Wellenpunkte Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Berechnung der Schiffswellenparameter Zuordnung weiterer Parameter Zusammenstellung der Daten in Ereignislisten Abbildung 4-1: Auswertungskonzept zur Erkennung und Analyse der Schiffswellenereignisse und zugehöriger Parameter Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

38 Folgende Arbeitschritte wurden durchgeführt: Plausibilitätskontrolle der Messdaten einschließlich Schiffspassagen Aufbereitung weiterer Daten (Hydrologie, Schiffspassagen etc.) Filterung des Messdatentagessatzes, um den langperiodischen Tideanteil und den kurzperiodischen Anteil herauszufiltern. Auf Grundlage der registrierten Schiffspassagen an den einzelnen Messlokationen wird in dem zeitlich aufgespannten Passagefenster nach einem zugehörigen Schiffswellenereignis gesucht. Es handelt sich um ein Schiffswellenereignis, wenn ein Absunk z A, m oder eine Primärwellenhöhe H p,1 m erkannt wird. Aus der Zeitreihe können dann die definierten Schiffswellenparameter analysiert werden. Die Analysesoftware speichert jedes Schiffswellenereignis als separate Bilddatei. Zugehörige Parameter zu Hydrologie und Schiffspassage werden zugeordnet und gemeinsam in einer Gesamtliste der analysierten Schiffswellenereignisse gesammelt. Im Nachgang werden die analysierten Schiffswellenereignisse noch einmal im Rahmen des Postprocessings geprüft. Die höchsten 2 Ereignisse werden noch einmal gesondert geprüft und ggf. die analysierten Schiffswellenparameter manuell modifiziert. Im weiteren Verlauf werden die analysierten Schiffswellenereignisse statistisch verarbeitet zu entsprechenden Häufigkeitsverteilungen. 4.2 Postprocessing Das Postprocessing dient der nachträglichen Kontrolle der analysierten Schiffswellenereignisse, d.h. für Messlokation A Schiffswellenereignisse Messlokation B 1.84 Schiffswellenereignisse und Messlokation C Schiffswellenereignisse davon entfallen 1.44 Passagen auf den Ems-Verkehr (2/3) und 76 auf den Borkum-Verkehr (1/3). Im Einzelnen wurde dabei die Erkennung des Schiffswellenereignisses und die Ermittlung der charakteristischen Schiffswellenparameter überprüft. Sofern die Überprüfung ergab, dass die Lage der Auswertepunkte nicht korrekt definiert wurde, erfolgte eine manuelle Korrektur dieser Punkte und eine Neuberechnung der charakteristischen Schiffswellenparameter. Für detaillierte Erläuterungen wird auf die Unterlagen in Anlage 8 verwiesen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

39 Darstellung der Ergebnisse.1 Allgemeines Nachfolgend werden die analysierten und aufbereiteten Schiffswellenereignisse, Statistiken und Analysen lokationsweise für die Messlokation A (Abschnitt.2), B (Abschnitt.3) und C (Abschnitt.4) vorgestellt. In jedem Abschnitt wird auf die Schiffsstatistik, den Seegang, die Schiffswellenereignisse und deren Statistiken eingegangen. Abschnitt. beinhaltet eine vergleichende Betrachtung der Schiffswellenereignisse an den drei Messlokationen A, B und C. Hinweise zu revierspezifischen Phänomenen sind in der Ausarbeitung zum Seegang [1] zu finden. Nachfolgend werden einige für die kommenden Abschnitte gültigen Hinweise zu den Schiffswellenereignissen, dem Seegang sowie den Schiffspassagedaten gegeben. Schiffswellenereignisse Die Schiffswellenereignisse wurden lokationsweise mit Hilfe einer eigenen - Software (MATLAB-Anwendung) analysiert sowie in separaten EXCEL-Dateien zusammengefasst und weiter aufbereitet. Auf dieser Grundlage wurden weitere statistische Auswertungen der Schiffswellen vorgenommen, auf die in diesem Abschnitt lokationsweise Bezug genommen wird. Zu jedem Schiffswellenereignis gehören der Zeitpunkt des Schiffsereignisses (= Zeitpunkt des maximalen Absunks), die analysierten Parameter der schiffserzeugten Wellen, die analysierten Parameter der schiffserzeugten Strömungen, die zugeordnete Schiffspassage mit allen zugehörigen Parametern, die zugeordneten analysierten Seegangsparameter signifikante Wellenhöhe H s und mittlere Periode T m2, der zugehörige Tidewasserstand des maßgebenden Pegels sowie die jeweilige Tidephase und die ermittelte Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser (Fahrt durch Wasser). Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

40 Seegang Die Seegangsparameter an den drei Messlokationen A, B und C sind mehr oder minder geprägt von den maßgebenden hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen. Während an der Messlokation A der Einfluss des Tideregimes auf den Seegang am deutlichsten wird, nimmt dieser Einfluss an der Messlokation B bereits ab und ist an der Messlokation C vor Borkum nur noch bedingt sichtbar (vgl. weitere Erläuterungen dazu in [1]), da die Messlokation C maßgeblich von dem vorherrschenden Seegang geprägt wird. Im Hinblick auf die Schiffswellenanalyse stellt der Seegang eine deutliche Beeinflussung dar. Insbesondere bei einem vorhandenen hohen Seegang bzw. wenn Sekundärwellen und Seegang näherungsweise gleich groß sind und sich beide Wellensysteme nicht mehr voneinander unterscheiden lassen, können die schiffsinduzierten Sekundärwellen nicht mehr verlässlich analysiert und dem Schiffswellenereignis zugeordnet werden. Die folgende Abbildung -1 stellt mögliche Wellenangriffsrichtungen an den drei Messlokationen schematisch dar. Auf die Interaktion von Seegang und Schiffswellen wurde bereits in Abschnitt 2. eingegangen. Weitere Informationen zu der Schiffswellenanalyse und den damit verbundenen Erkenntnissen werden in den zugehörigen Abschnitten gegeben. C Lokation C: Borkum Südstrand Lokation B: Paapsand Loaktion A: Emder Fahrwasser B Emden A Abbildung -1: Messlokationen mit Kennzeichnung der möglichen Wellenangriffsrichtungen Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

41 Schiffspassagen Die Daten der Schiffspassagen wurden vom WSA Emden zur Verfügung gestellt. Die einzelnen Datensätze enthalten jedoch nur auszugsweise die Informationen zum Schiffstyp. Aus diesem Grunde wurde in den durchgeführten Analysen der Schiffswellenereignisse auf eine Zuordnung zu den einzelnen Schiffstypen verzichtet. Übertragbarkeit der Strömungsmessungen zur Ermittlung der Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser Mit Hilfe der Dauerstrom- und ADCP-Messungen wurde die Übertragbarkeit der Strömungsmessungen am Messpfahl auf die Strömungsverhältnisse in Fahrwassermitte untersucht. Diese Übertragbarkeit ist tidephasenabhängig. Für die Messlokationen A und C wurde dementsprechend ein tidephasenabhägiger Übertragungsfaktor bei der Ermittlung der Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser berücksichtigt. Der bei einer mittleren Tidephase ermittelte Übertragungsfaktor wurde anschließend auf die gesamte Messkampagne angewendet. Auf diese Weise kann aus der am Messpfahl gemessenen Strömungsgeschwindigkeit und der Fahrt des Schiffes über Grund (SOG) die Geschwindigkeit des Schiffes durchs Wasser ermittelt werden. Da die Messlokation B besonders nah an der Emsfahrrinne positioniert war, wurde auf eine zusätzliche Messung der Strömungsgeschwindigkeit per Dauerstrom- oder ADCP-Messungen verzichtet. Für die Messlokation wird die Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser direkt ohne Berücksichtigung eines Übertragungsfaktors (= 1) ermittelt. Statistische Auswertung der Schiffswellenereignisse Die statistische Auswertung der analysierten Schiffswellenereignisse orientiert sich sowohl an der Leistungsbeschreibung [4] als auch an den analysierten Ergebnissen und Erfahrungen [8]. So werden im Folgenden differenzierte Statistiken für jede Messlokation durchgeführt sowohl für alle analysierten Schiffswellenereignisse als auch für die höchsten Ereignisse eines Kollektivs. Für die Darstellung der höchsten Schiffswellenereignisse wurde daher im Vorwege und unter Berücksichtigung der analysierten Ereignisse untersucht und anschließend festgelegt, dass die Darstellung der 2 höchsten Schiffswellenereignisse für die Kriterien maximaler Absunk, maximale Primär- und Sekundärwelle ausreichend ist. Dies lässt sich damit begründen, dass die höchsten 2 Ereignisse die Parameter im oberen Bereich soweit abbilden, so dass nach dem 2. Rang keine signifikanten Änderungen des jeweiligen Parameters zwischen den einzelnen der Größe nach geordneten Schiffswellenereignissen erfolgen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

42 .2 Messlokation A Emder Fahrwasser.2.1 Allgemeines Die Analyse an der Messlokation A zeichnete sich dadurch aus, dass die Schiffswellenereignisse vor dem Hintergrund des vergleichsweise geringen Seegangs relativ gut analysiert werden konnten..2.2 Schiffstatistik Das Memo in Anlage 7 fasst die Informationen zur Schiffsstatistik für den Zeitraum der Messkampagne Außenems ( bis ) zusammen. An der Messlokation A wurden in dem o. g. Messzeitraum insgesamt 1.66 Schiffspassagen (ohne AIS-Ausfallzeit) registriert. Die weiteren statistischen Werte zu Schiffslänge, Schiffsbreite, Tiefgang, Geschwindigkeit SOG und Passierabstand können der nachfolgenden Tabelle -1 entnommen werden. Tabelle -1: Schiffsstatistik an der Messlokation A Gesamtanzahl Schiffspassagen im Zeitraum 1.66 Anzahl Schiffspassagen im Zeitraum mit zugeordnetem Schiffstyp 847 Statistik über alle Passagen Schiffslänge Schiffsbreite Tiefgang SOG Passierabstand [m] [m] [m] [m] [m] [m] [kn] [kn] [m] [m] Kz Anzahl % Aufk Abg Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Schiffspassagen gesamt ,6,1 34, Detaillierte statistische Analysen zu den einzelnen Schiffstypen konnten mangels Daten nicht vorgenommen werden. Die statistische Verteilung der Tiefgänge der registrierten Schiffspassagen zeigt Abbildung -2. Insgesamt wurden 47 Schiffe (= ) mit einem Tiefgang größer 8 m an der Messlokation A registriert. Es wurde ein maximaler Schiffstiefgang von 9,6 m registriert Schiffsanzahl , 2, 3, 4,,, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 1, 11, 12, 13, Tiefgang [m] Abbildung -2: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

43 .2.3 Seegang Die Ergebnisse der Seegangsanalyse werden in einem separaten Bericht [1] dokumentiert. Auf detaillierte Ausführungen wird verwiesen. Die Zeitreihen der analysierten Wellenparameter werden für den Zeitraum 37. KW bis 46. KW 29 in der Anlage 14 dokumentiert. Die Seegangsparameter (Wellenhöhe und -periode) zeigen einen deutlichen Tideeinfluss auf, d.h. die Seegangsparameter verändern sich mit der Tidephase. Dieser Effekt wird am deutlichsten bei Windlagen aus West bzw. Ost, also genau dann, wenn der Wind parallel zum Verlauf des Emder Fahrwassers bläst. Ausgeprägte Windlagen sind in der 4. KW (Westwindlage, vgl. Abbildung -3) und 43. KW (Ostwindlage) zu finden. Sobald der Tidestrom gegen den Wind läuft, nehmen die Wellenhöhe (größere Wellensteilheit) und Wellenperiode stärker zu; verlaufen sie wieder richtungsgleich nehmen die Parameter wieder etwas ab. Maximale signifikante Wellenhöhen traten während der Sturmflut am 3./ (4. KW 29) mit H 1/3 =, m auf (vgl. Abbildung -3). Windgeschwindigkeit [m/s] N Windrichtung [ o ] Wellenhöhe H 1/3 [m] Wellenperiode T m2 [s] W S O N Messlokation A: Emder Fahrwasser Station Emden Mo, Di, Mi, Do, Fr, Sa, So, KW Pegel Neue Seeschleuse Wasserstand [mnn} Abbildung -3: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation A in der 4. KW 29 (Anlage 14) Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

44 .2.4 Darstellung der Schiffswellenereignisse An der Messlokation A wurden während der Messkampagne 29 insgesamt Schiffswellenereignisse registriert und analysiert, d.h. bei etwa 279 Schiffspassagen (1.66 Schiffspassagen abzüglich analysierte Schiffswellenereignisse) wurde kein Schiffswellenereignis erkannt. Das gesamte Datenkollektiv sämtlicher analysierten Schiffswellenereignisse ist in der EXCEL-Datei in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\4 Auswertung\ Schiffswellenereignisse zu finden. Die zugehörigen Abbildungen eines jeden Schiffswellenereignisses finden sich in dem Verzeichnis Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\ Auswertung-Zeitreihen\A Emder Fahrwasser. Die folgende Abbildung -4 stellt beispielhaft die Zeitreihen der Schiffswellenanalyse für ein Schiffswellenereignis bei Ebbstrom und einem Wasserstand von NN,66 m am Pegel Neue Seeschleuse Emden dar. Geschwindigkeit Richtung [ ] Geschwindigkeit Betrag [m/s] relativer Wasserstand [m] relativer Wasserstand [m] Schiffswellenereignis 17:3:, Passage DORIS, Messstelle A: Emder Fahrwasser, Datum: Zeit nach Messbeginn [min] Zeit nach Messbeginn [min] Rohdaten Sekundärwelle (T < 1s) Primärwelle (T > 1s) Detektierte Wellenpunkte Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Abbildung -4: Schiffswellenereignis an der Messlokation A (Beispiel) Gleichzeitig wird in Abbildung -4 die zugeordnete Schiffspassage dokumentiert. Über das Internetportal kann mit Hilfe der weiteren AIS- Daten das zugehörige Schiff recherchiert werden. Nachfolgendes Foto zeigt das zum Schiffswellenereignis in Abbildung -4 zugeordnete Schiff. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

45 Abbildung -: Foto des Schiffes DORIS (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse.2..1 Gesamtstatistik Die nachfolgende Gesamtstatistik berücksichtigt alle analysierten Schiffswellenereignisse an der Messlokation A. Statistische Kenngrößen Das Kollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation A wurde tageweise über den gesamten Zeitraum der Messkampagne analysiert (vgl. Leistungsbeschreibung [4]). Tagesmittelwerte und Tagesmaximalwerte werden in Anlage 9 dokumentiert. Die folgende Tabelle -2 fasst die ermittelbaren statistischen Kenngrößen (Minimum, Mittelwert, Maximum) über die tageweise analysierten mittleren und maximalen Schiffswellenereignisse zusammen. Tabelle -2: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation A Messlokation A Emder Fahrwasser Analyse der Schiffswellen Mittlere Parameter Analyse schiffserzeugter Strömungen Mittlere Parameter Seegang Mittlere Parameter Zeitraum Anzahl Schiffswellenereignisse za HP HS T Hp T Su T St T Hs v θv vrs θrs v Hp θvhp v Hs θvhs Hs Tm2 KW Datum [1] [m] [m] [m] [s] [s] [s] [s] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m] [s] Minimum 1,3,2,2 19,2 32, 32,9 1,4, 81,6 126,1 6,9 117,4,2 Mittelwert 21,6,,33 4,6 47,9 48,6 1,8,78 17,16 187,8 116,4 184,12 1,4 Maxmum 33,12,12,6 96,3 7,6 79,1 2,4 1,4 214,76 26, ,78 224,38 2,31 Summe der Schiffspassagen Minimum 1,6,6,42 117,3 81,6 8,6 2,,8 196,14 274,6 22,13 268,7,7 Mittelwert 21,27,24,68 197,9 89,7 119, 3,3 1,26 273,8 342, ,73 342,22 1,77 Maxmum 33,64,7 1,4 29,1 9, 13,,1 1,7 38 8, , ,94 39,6 3,13 Summe der Schiffspassagen Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

46 Häufigkeitsverteilungen Die nachfolgende Abbildung -6 stellt die Unterschreitungshäufigkeiten und relativen Häufigkeiten für die Schiffswellenparameter dar. Daraus sind folgende Aussagen für die Messlokation A Emder Fahrwasser ableitbar: Die Kurve der Unterschreitungshäufigkeit des Absunks verläuft sehr steil. 9 % der Ereignisse zeigen einen Absunk z A kleiner,1 m Die Kurve der Unterschreitungshäufigkeit der Primärwellenhöhe verläuft analog zum Absunk ebenfalls sehr steil. 9 % der Schiffswellenereignisse zeigen eine Primärwellenhöhe H p kleiner,1 m Die Sekundärwellenhöhe zeigt eine relativ breite Verteilung und entsprechend einen flacheren Verlauf der Unterschreitungshäufigkeit. Am häufigsten treten Sekundärwellen in der Höhe von,2 m auf. 1 8 Unterschreitungshäufigkeit [%] A - Emder Fahrwasser 1,,2,4,6,8 1, 1,2 Absunk z A [m] A - Emder Fahrwasser,,,1,1,2,2,3,3,4,4,,,6,6,7 Absunk z A [m] 1 8 Unterschreitungshäufigkeit [%] A - Emder Fahrwasser,,2,4,6,8 1, 1, A - Emder Fahrwasser,,,1,1,2,2,3,3,4,4,,,6,6,7 Wellenhöhe Hp [m] Wellenhöhe Hp [m] Unterschreitungshäufigkeit [%] A - Emder Fahrwasser,,2,4,6,8 1, 1,2 Wellenhöhe Hs [m] 16 A - Emder Fahrwasser ,,1,2,3,4,,6,7,8,9 1, 1,1 1,2 Wellenhöhe Hs [m] Abbildung -6: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

47 .2..2 Einzelauswertung Die nachfolgenden Ergebnisse der Einzelauswertung beziehen sich auf die 2 höchsten Schiffswellenereignisse bezogen auf die Parameter Absunk z A, Primärwellenhöhe H p und Sekundärwellenhöhe H s. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Einzelauswertung für die maximalen Schiffswellenereignisse an der Messlokation A unter Berücksichtigung der Anforderungen der Leistungsbeschreibung [4] liefert die folgende Tabelle -3. Die dort in Rot hinterlegten Zellen deuten daraufhin, dass diese dem jeweiligen Maximum zugeordnet sind, d.h. zu demselben Ereignis gehören. Tabelle -3: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation A Parameter Analyse Schiffswelle Parameter schiffserz. Strömung Kriterium z A H P H S T Hp T Su T St T Hs v θv vrs θrs v Hp θvhp v Hs θvhs [m] [m] [m] [s] [s] [s] [s] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] max z A min,31,26,1 3,1 3, 2,2 1,2,18 4,7 6,1 4,7 4 A mittel,44,4,4 112,2 66,1 7, 2,6, ,3 19, , 186 max,64,7,93 194,2,6 22,,1,7 197,2 36,6 31 7,32 33 max Hp min,27,29,1 46,8 3, 2,2 1,2,8 4,7 6,4 4,7 4 A mittel,43,4,6 19,6 6, 4,1 2,6, ,28 163,23 2 1, max,64,7,93 1,2 9, 13,,1, ,11 36,28 4 7,32 33 max Hs min,1,1,76 48,8 16, 1,8 1,,18 4,4 8,3 4,1 13 A mittel,22,18,8 17,1 4,1 7,6 2,7,87 21,41 139,11 229, max,64,7 1,4 196,3 9, 12,8 2,3, ,92 36,4 31, Nachfolgend wird detaillierter auf die Ergebnisse der Einzelauswertung eingegangen. Dabei werden die Zusammenhänge zwischen den maximalen Schiffswellenparametern und den maßgebenden schiffsdynamischen Parametern dargestellt. Maximaler Absunk max z A Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation A wurde hinsichtlich des Kriteriums maximaler Absunks z A sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximalem Absunk z A können in tabellarischer Form der Anlage 9 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -7 dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass für das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse der maximale Absunk zwischen,3 m und,64 m liegt und mit Ausnahme eines Ereignisses die zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 8 kn und 1 kn liegen, der maximale Absunk sein Maximum für die Tiefgänge von 6 m bis 7 m zeigt, d.h. konkret von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang verursacht wird, Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

48 die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt, und Schiffe mit einem Tiefgang größer 8 m aufgrund der verringerten Schiffsgeschwindigkeit einen vergleichsweise geringeren Absunk verursachen als Schiffe mit einem Tiefgang kleiner 8 m A - Emder Fahrwasser Tiefgang [m] max za [m] Fahrt durchs Wasser [kn],7,6,,4,3,2,1, Tiefgang [m] Tiefgang [m],7,6,,4,3,2,1, Abbildung -7: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

49 Maximale Primärwellenhöhe max H p Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation A wurde hinsichtlich des Kriteriums maximale Primärwellenhöhe H p sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximaler Primärwellenhöhe können in tabellarischer Form der Anlage 9 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -7 dargestellt A - Emder Fahrwasser Tiefgang [m] max Hp [m],7,6,,4,3,2,1,7,6,,4,3,2,1, Tiefgang [m], Fahrt durchs Wasser [kn] Tiefgang [m] Abbildung -8: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

50 Hieraus wird deutlich, dass das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse Ergebnisse für die maximale Primärwellenhöhe zwischen,3 m und,64 m zeigt bei zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 9 kn und 16 kn, die maximale Primärwellenhöhe von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang verursacht wird, bezogen auf den Tiefgang des absoluten Maximums bei 6,6 m die maximale Primärwellenhöhe bei Schiffen mit kleinerem und größerem Tiefgang deutlich abnimmt, für die 2 Maximalereignisse die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt, Schiffe mit einem Tiefgang größer 8 m aufgrund der verringerten Schiffsgeschwindigkeit vergleichsweise geringere Primärwellenhöhen verursachen und Schiffe mit einem Tiefgang kleiner 6 m aufgrund der verringerten Verdrängung vergleichsweise geringere Primärwellenhöhen verursachen. Maximale Sekundärwellenhöhe max H s Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation A wurde hinsichtlich des Kriteriums maximale Sekundärwellenhöhe H s sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximaler Sekundärwellenhöhe können in tabellarischer Form der Anlage 9 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -7 dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse Ergebnisse für die maximale Sekundärwellenhöhe zwischen,8 m und 1, m zeigt bei zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 11 kn und 18 kn, die maximale Sekundärwellenhöhe von einem Schiff mit 4,7 m Tiefgang verursacht wird, bezogen auf den Tiefgang des absoluten Maximums bei 4,7 m die maximale Sekundärwellenhöhe bei Schiffen mit kleinerem und größerem Tiefgang deutlich abnehmen, innerhalb des Kollektivs der 2 höchsten Sekundärwellenereignisse keine Schiffe mit Tiefgängen größer 7 m auftreten (deutlicher Unterschied zu den Parametern Absunk und Primärwellenhöhe), Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

51 für die 2 höchsten Ereignisse die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt; die Tendenz ist jedoch schwächer ausgeprägt als bei den Parametern Absunk und Primärwellenhöhe, Schiffe mit einem Tiefgang kleiner 4 m aufgrund der verringerten Verdrängung vergleichsweise geringere Sekundärwellenhöhen verursachen A - Emder Fahrwasser Tiefgang [m] max Hs [m] 1,2 1,,8,6,4 1,2 1,,8,6,4,2,2, Tiefgang [m], Fahrt durchs Wasser [kn] Tiefgang [m] Abbildung -9: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation A Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

52 Resümee der Einzelauswertung für die Messlokation A Aus der Einzelauswertung können folgende Ergebnisse abgeleitet werden: Der maximale Absunk z A wird von Schiffen mit einem Tiefgang zwischen 6 m und 8 m verursacht. Die maximale Primärwellenhöhe wird von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang und einer Geschwindigkeit (Fahrt durchs Wasser) von rund 11 kn verursacht; Schiffe mit vergleichsweise kleinerem und größerem Tiefgang verursachen trotz gleicher Schiffsgeschwindigkeiten eine verringerte Primärwellenhöhe. Die maximalen Sekundärwellen sind etwa 6 % höher als die maximalen Primärwellenhöhen. Das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse zeigt maximale Sekundärwellenhöhen zwischen,8 m und 1, m bei zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 11 kn und 18 kn; die maximale Sekundärwellenhöhe wird von einem Schiff mit 4,7 m Tiefgang verursacht. Die Einzelauswertung zeigt, dass die maximalen Primär- und Sekundärwellen von Schiffen mit unterschiedlichen Tiefgängen verursacht werden. Ein Schiff mit 6,6 m Tiefgang generiert ein maximales Absunk- und Primärwellenereignis. Maximale Sekundärwellen werden von einem Schiff mit 4,7 m Tiefgang erzeugt. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

53 .3 Messlokation B Paapsand.3.1 Allgemeines Die Analyse an der Messlokation B zeichnete sich dadurch aus, dass die Schiffswellenereignisse vor dem Hintergrund des vergleichsweise noch moderaten Seegangs noch relativ gut analysiert werden konnten..3.2 Schiffstatistik Das Memo in Anlage 7 fasst die Informationen zur Schiffsstatistik für den Zeitraum der Messkampagne Außenems ( bis ) zusammen. An der Messlokation B wurden in dem o. g. Messzeitraum insgesamt 2.27 Schiffspassagen registriert. Die weiteren statistischen Werte zu den Schiffspassagen können der nachfolgenden Tabelle -4 entnommen werden. Tabelle -4: Schiffsstatistik an der Messlokation B Gesamtanzahl Schiffspassagen im Zeitraum 2.27 Anzahl Schiffspassagen im Zeitraum mit zugeordnetem Schiffstyp 17 Statistik über alle Passagen Schiffslänge Schiffsbreite Tiefgang SOG Passierabstand [m] [m] [m] [m] [m] [m] [kn] [kn] [m] [m] Kz Anzahl % Aufk Abg Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Schiffspassagen gesamt ,6,1 3, 1 88 Die statistische Verteilung der Tiefgänge zeigt Abbildung -2. Es wurden 49 Schiffe (= ) mit einem Tiefgang größer 8 m an der Messlokation B registriert. Diese Passagen sind dem Tiefgang nach sortiert in der Abbildung -1 dargestellt. Der maximale Schiffstiefgang betrug (wie bei A) 9,6 m. Schiffsanzahl , 2, 3, 4,,, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 1, 11, 12, 13, Tiefgang [m] Abbildung -1: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation B Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

54 .3.3 Seegang Die Zeitreihen der analysierten Wellenparameter werden für den Zeitraum 37. KW bis 4. KW 29 kontinuierlich und bis zur. KW mit Lücken in der Anlage 14 dokumentiert. Die Seegangsparameter spiegeln den Tideeinfluss ebenso wie an der Messlokation A wider, allerdings in einer reduzierten Intensität bei der Wellenhöhe. Zusätzlich wirkt sich der wellendämpfende Effekt des Paapsand westlich der Messlokation B aus, d.h. der Paapsand reduziert deutlich die Seegänge aus westlichen Richtungen. Windgeschwindigkeit [m/s] N Windrichtung [ o ] Wellenhöhe H 1/3 [m] Wellenperiode T m2 [s] W S O N Messlokation B: Paapsand Station Borkum Station Emden Mo, Di, Mi, Do, Fr, Sa, So, KW Pegel Dukegat Wasserstand [mnn} Abbildung -11: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation B in der 4. KW 29 (Anlage 14) Die maximale signifikante Wellenhöhe trat nicht bei der Sturmflut am sondern bei einem Windereignis aus Nord am (42. KW) mit H 1/3 = 1,2 m auf. Hier zeigt sich, wie schnell die Wellenhöhe mit der Windgeschwindigkeit ansteigen kann. Dieser Effekt liegt darin begründet, dass der Wind während des Sturmflutereignisses auf Westen drehte, so dass die Messlokation B relativ geschützt liegend (vgl. Abbildung -1) lediglich vergleichsweise geringe Wellenhöhen registrierte. Der Seegang am konnte dagegen aus Nord kommend nahezu ungehindert in das Emsästuar einlaufen. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

55 .3.4 Darstellung der Schiffswellenereignisse An der Messlokation B wurden während der Messkampagne 29 insgesamt 1.84 Schiffswellenereignisse registriert und analysiert, d.h. bei etwa 43 Schiffspassagen (2.27 Schiffspassagen abzüglich 1.84 analysierte Schiffswellenereignisse) wurde kein Schiffswellenereignis erkannt. Das gesamte Datenkollektiv sämtlicher analysierten Schiffswellenereignisse ist in der EXCEL-Datei in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\4 Auswertung\ Schiffswellenereignisse zu finden. Die zugehörigen Abbildungen eines jeden Schiffswellenereignisses finden sich in dem Verzeichnis Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\ Auswertung-Zeitreihen\B Paapsand. Die folgende Abbildung -12 stellt beispielhaft die Zeitreihen der Schiffswellenanalyse für ein Schiffswellenereignis bei Flutstrom und einem Wasserstand von NN 1,4 m am Pegel Emshörn bei Stromkenterung dar. Geschwindigkeit Richtung [ ] Geschwindigkeit Betrag [m/s] relativer Wasserstand [m] relativer Wasserstand [m] Schiffswellenereignis 1::4, Passage AUTOSKY, Messstelle B: Paapsand, Datum: Zeit nach Messbeginn [min] Zeit nach Messbeginn [min] Rohdaten Sekundärwelle (T < 1s) Primärwelle (T > 1s) Detektierte Wellenpunkte Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Abbildung -12: Schiffswellenereignis an der Messlokation B (Beispiel für maximalen Absunk und maximale Primärwellenhöhe vgl. Anlage 1) Nachfolgendes Foto zeigt das zum Schiffswellenereignis in Abbildung -12 zugeordnete Schiff. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

56 Abbildung -13: Foto des Schiffes Autosky (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung Statistische Analyse der Schiffswellenereignisse.3..1 Gesamtstatistik Die nachfolgende Gesamtstatistik berücksichtigt alle analysierten Schiffswellenereignisse an der Messlokation B. Statistische Kenngrößen Das Kollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation B wurde tageweise über den gesamten Zeitraum der Messkampagne analysiert (vgl. Leistungsbeschreibung [4]). Tagesmittelwerte und Tagesmaximalwerte werden in Anlage 1 dokumentiert. Die folgende Tabelle - fasst die ermittelbaren statistischen Kenngrößen (Minimum, Mittelwert, Maximum) über die tageweise analysierten mittleren und maximalen Schiffswellenereignisse zusammen. Tabelle -: Zusammenstellung der statistischen Kennwerte Minimum, Mittelwert und Maximum für die analysierten mittleren (oben) und maximalen (unten) Schiffswellenparameter an der Messlokation B Analyse der Schiffswellen Analyse schiffserzeugter Strömungen Seegang Messlokation B Paapsand Mittlere Parameter Mittlere Parameter Mittlere Parameter Zeitraum Anzahl Schiffswellenereignisse za HP HS T Hp T Su T St T Hs v θv vrs θrs v Hp θvhp v Hs θvhs Hs Tm2 KW Datum [1] [m] [m] [m] [s] [s] [s] [s] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m] [s] Minimum 3,2,2,2 37,7 3,3 26,2 1,,4 11,3 133,2 126,11 117,4 1,2 Mittelwert 29,4,4,38 74,2 46, 43,3 2,1,7 231,8 186, 174,23 174,19 1, Maxmum 6,11,11 1,2 12,8 67,4 63,1 2,9 1,3 312,17 27,14 228,97 282,8 2,39 Summe der Schiffspassagen 1.84 Minimum 3,,,3 16,8 7,8 8, 2,8,74 112,7 37,6 274,17 22,7 1,47 Mittelwert 29,16,16,7 194,8 8,9 14,4 3,8 1,27 338,36 348, ,7 341,32 2,2 Maxmum 6,38,4 1,72 273, 9, 13,, 2, , , , ,12 3,12 Summe der Schiffspassagen 1.84 Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

57 Häufigkeitsverteilungen Die nachfolgende Abbildung -14 stellt die Unterschreitungshäufigkeiten und relativen Häufigkeiten für die Schiffswellenparameter dar. Daraus sind folgende Aussagen für die Messlokation B Paapsand ableitbar: Die Kurve der Unterschreitungshäufigkeit des Absunks verläuft sehr steil. 9 % der Ereignisse zeigen einen Absunk z A kleiner,1 m Die Kurve der Unterschreitungshäufigkeit der Primärwellenhöhe verläuft analog zum Absunk ebenfalls sehr steil. 9 % der Schiffswellenereignisse zeigen eine Primärwellenhöhe H p kleiner,1 m Die Sekundärwellenhöhe zeigt eine relativ breite Verteilung und entsprechend einen flacheren Verlauf der Unterschreitungshäufigkeit. Am häufigsten treten Sekundärwellen in der Höhe von,3 m auf. 1 9 Unterschreitungshäufigkeit [%] B - Paapsand 1,,2,4,6,8 1, 1,2 Absunk z A [m] B - Paapsand,,,1,1,2,2,3,3,4,4,,,6,6,7,7 Absunk z A [m] Unterschreitungshäufigkeit [%] B - Paapsand,,2,4,6,8 1, 1, B - Paapsand,,,1,1,2,2,3,3,4,4,,,6,6,7,7 Wellenhöhe Hp [m] Wellenhöhe Hp [m] 1 3 Unterschreitungshäufigkeit [%] B - Paapsand B - Paapsand,,2,4,6,8 1, 1,2 Wellenhöhe Hs [m],,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 1,8 2, Wellenhöhe Hs [m] Abbildung -14: Unterschreitungshäufigkeiten (links) und Einzelhäufigkeiten (rechts) für die Schiffswellenparameter Absunk z A (oben), Primärwellenhöhe H p (Mitte) und Sekundärwellenhöhe H s (unten) an der Messlokation B Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

58 .3..2 Einzelauswertung Die nachfolgenden Ergebnisse der Einzelauswertung beziehen sich auf die 2 höchsten Schiffswellenereignisse bezogen auf die Parameter Absunk z A, Primärwellenhöhe H p und Sekundärwellenhöhe H s. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Einzelauswertung für die maximalen Schiffswellenereignisse an der Messlokation B unter Berücksichtigung der Anforderungen der Leistungsbeschreibung [4] liefert die folgende Tabelle -6. Tabelle -6: Ergebnisse der Einzelauswertung für schiffserzeugte Wellen und Strömungen für die Messlokation B Parameter Analyse Schiffswelle Parameter schiffserz. Strömung Kriterium z A H P H S T Hp T Su T St T Hs v θv vrs θrs v Hp θvhp v Hs θvhs [m] [m] [m] [s] [s] [s] [s] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] [m/s] [Grad] max z A min,18,1,27 42,9 17,2 19,9 1,1, 76,,3 12,9 7 A mittel,26,26,6 94,9 38, 43, 2,7,62 274,29 147,11 226, max,38,4 1,23 213,8 2,8 39,,4,8 3,39 92,42 3,77 37 max Hp min,14,18,27 42,9 17,2 19,9 1,1, 76,3,2 121,9 7 A mittel,26,27,61 94,9 39,6 43,4 2,8,6 279,29 147,13 226, max,38,4 1,23 68,7 83,6 68,,,8 3,47 37, , max Hs min,1,2,86 44,9 19,9 6, 1,2,4 19,2 6,1 12,9 23 A mittel,7,7 1, 19,4 6, 3,7 2,8,74 26,12 248,6 24, max,28,32 1,72 213,4 8,8 118,6 2,9,4 288,42 36,9 36, Nachfolgend wird detaillierter auf die Ergebnisse der Einzelauswertung eingegangen. Dabei werden die Zusammenhänge zwischen den maximalen Schiffswellenparametern und den maßgebenden schiffsdynamischen Parametern dargestellt. Maximaler Absunk max z A Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation B wurde hinsichtlich des Kriteriums maximaler Absunks z A sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximalem Absunk z A können in tabellarischer Form der Anlage 1 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -1 dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass für das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse der maximale Absunk zwischen,18 m und,38 m (halb so groß wie an der Messlokation A) liegt und die zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 13 kn und 19 kn liegen, der maximale Absunk sein Maximum für die Tiefgänge von 6 m bis 7 m zeigt, d.h. konkret von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang verursacht wird; größere und kleine Tiefgänge verursachen einen vergleichsweise geringeren Absunk, Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

59 die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt, und Schiffe mit einem Tiefgang größer 8 m aufgrund der verringerten Schiffsgeschwindigkeit einen vergleichsweise geringeren Absunk verursachen als Schiffe mit einem Tiefgang kleiner 8 m. 3 3 B - Paapsand Tiefgang [m] max za [m],,4,4,3,3,2,2,1,1,, Tiefgang [m],,4,3,2,1, Fahrt durchs Wasser [kn] Tiefgang [m] Abbildung -1: Zusammenhänge des maximalen Absunks z A zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

60 Maximale Primärwellenhöhe max H p Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation A wurde hinsichtlich des Kriteriums maximale Primärwellenhöhe H p sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximaler Primärwellenhöhe können in tabellarischer Form der Anlage 1 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -16 dargestellt. 3 3 B - Paapsand Tiefgang [m] max Hp [m],,4,4,3,3,2,2,1,1,,4,3,2,1,, Tiefgang [m], Fahrt durchs Wasser [kn] Tiefgang [m] Abbildung -16: Zusammenhänge der maximalen Primärwellenhöhe H p zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

61 Hieraus wird deutlich, dass das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse Ergebnisse für die maximale Primärwellenhöhe zwischen,18 m und,4 m zeigt bei zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 12 kn und 2 kn, die maximale Primärwellenhöhe von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang verursacht wird, bezogen auf den Tiefgang des absoluten Maximums bei 6,6 m die maximale Primärwellenhöhe bei Schiffen mit kleinerem und größerem Tiefgang deutlich abnimmt, für die 2 Maximalereignisse die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt, Schiffe mit einem Tiefgang größer 8 m aufgrund der verringerten Schiffsgeschwindigkeit vergleichsweise geringere Primärwellenhöhen verursachen und Schiffe mit einem Tiefgang kleiner 6 m aufgrund der verringerten Verdrängung vergleichsweise geringere Primärwellenhöhen verursachen. Maximale Sekundärwellenhöhe max H s Das Datenkollektiv der Schiffswellenereignisse an der Messlokation B wurde hinsichtlich des Kriteriums maximale Sekundärwellenhöhe H s sortiert. Die 2 Schiffswellenereignisse mit maximaler Sekundärwellenhöhe können in tabellarischer Form der Anlage 1 entnommen werden. Die für diese sortierten 2 Schiffswellenereignisse resultierenden Zusammenhänge zu den maßgebenden schiffspezifischen Parametern Tiefgang und Fahrt durchs Wasser werden in der folgenden Abbildung -17 dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse Ergebnisse für die maximale Sekundärwellenhöhe zwischen,8 m und 1,23 m breit verteilt über Schiffstiefgänge zeigt bei zugeordneten Schiffsgeschwindigkeiten zwischen 8 kn und 21 kn, die maximale Sekundärwellenhöhe von einem Schiff mit 6,2 m Tiefgang verursacht wird, bezogen auf den Tiefgang des absoluten Maximums bei 6,2 m die maximale Sekundärwellenhöhe bei Schiffen mit kleinerem und größerem Tiefgang nur geringfügig abnimmt, innerhalb des Kollektivs der 2 höchsten Sekundärwellenereignisse Schiffe mit Tiefgängen von 7 m am häufigsten auftreten, Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

62 für die 2 höchsten Ereignisse die Schiffsgeschwindigkeit mit zunehmendem Tiefgang abnimmt; die Tendenz ist jedoch schwächer ausgeprägt als bei den Parametern Absunk und Primärwellenhöhe. 3 3 B - Paapsand Tiefgang [m] max Hs [m] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4, Tiefgang [m] 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Fahrt durchs Wasser [kn] Tiefgang [m] Abbildung -17: Zusammenhänge der maximalen Sekundärwellenhöhe H s zu den maßgebenden Parametern an der Messlokation B Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

63 Resümee der Einzelauswertung für die Messlokation B Aus der Einzelauswertung können folgende Ergebnisse abgeleitet werden: Der maximale Absunk z A wird von Schiffen mit einem Tiefgang zwischen 6 m und 8 m verursacht. Die maximale Primärwellenhöhe wird von einem Schiff mit 6,6 m Tiefgang verursacht; Schiffe mit vergleichsweise kleinerem und größerem Tiefgang verursachen trotz gleicher Schiffsgeschwindigkeiten eine verringerte Primärwellenhöhe. Die maximalen Sekundärwellen sind etwa dreimal höher als die maximalen Primärwellenhöhen. Das Kollektiv der 2 höchsten Schiffswellenereignisse zeigt maximale Sekundärwellenhöhen zwischen,8 m und 1,23 m; die maximale Sekundärwellenhöhe wird von einem Schiff mit 6,2 m Tiefgang verursacht. Die Einzelauswertung zeigt, dass die Messlokation B von den Sekundärwellenereignissen dominiert wird. Trotz eines erhöhten Geschwindigkeitsniveaus im Vergleich zur Messlokation A treten vergleichsweise verringerter maximaler Absunk und Primärwelle auf. Dasselbe Schiff (Autosky, vgl. Abbildung -13), welches bereits an der Messlokation A maximale Ereignisse für den Absunk und die Primärwelle erzeugte, ist auch an der Messlokation B für das Maximalereignis verantwortlich..4 Messlokation C Borkum.4.1 Allgemeines Die Analyse der Messdaten zeigt, dass die Messlokation Borkum vom Seegang dominiert wird. Die Analyse zeichnete sich dadurch aus, dass die Schiffswellenereignisse vor dem Hintergrund des vergleichsweise hohen Seegangs nur eingeschränkt analysiert werden können. Da die Perioden der Sekundär- und Seegangswellen relativ eng beieinander liegen, lassen sich diese bei ähnlichen Amplituden nicht mehr eindeutig aus den Zeitreihen analysieren. Aufgrund des relativ unbeschränkten Fahrwassers fallen Absunk und Primärwelle im Vergleich zu den Messlokationen am geringsten aus..4.2 Schiffstatistik Das Memo in Anlage 7 fasst die Informationen zur Schiffsstatistik für den Zeitraum der Messkampagne Außenems ( bis ) zusammen. An der Messlokation C wurden in dem o. g. Messzeitraum insgesamt Schiffspassagen registriert (vgl. Anlage 6). Die statistischen Werte zu den Schiffspassagen können der nachfolgenden Tabelle -7 entnommen werden. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

64 Tabelle -7: Schiffsstatistik an der Messlokation C Gesamtanzahl Schiffspassagen im Zeitraum Anzahl Schiffspassagen im Zeitraum mit zugeordnetem Schiffstyp 17 Statistik über alle Passagen Schiffslänge Schiffsbreite Tiefgang SOG Passierabstand [m] [m] [m] [m] [m] [m] [kn] [kn] [m] [m] Kz Anzahl % Aufk Abg Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Schiffspassagen gesamt ,4,4 31, Die statistische Verteilung der Tiefgänge zeigt Abbildung -18. Während der Messkampagne wurden 3 Schiffe (= ) mit einem Tiefgang größer 8 m an der Messlokation C registriert. Der maximale Schiffstiefgang betrug 1,4 m Schiffsanzahl , 2, 3, 4,,, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 1, 11, 12, 13, Tiefgang [m] Abbildung -18: Häufigkeitsverteilung der Schiffstiefgänge an der Messlokation C Der Schiffsverkehr, der an der Messlokation C - Borkum registriert werden konnte, setzt sich anteilig aus dem seegehenden Verkehr See-Borkum / Borkum-See (nachfolgende See- Verkehr genannt) und dem reinen Borkum-Verkehr, d.h. Schiffsverkehr von und nach Borkum, zusammen. Die nachfolgende Abbildung -19 visualisiert die an der Messlokation C registrierten Schiffspassagen und markiert jede dieser Passagen mit einem Punkt. Hieraus lässt sich deutlich erkennen, dass der See-Verkehr auf Höhe des Messpfahls (rotes Kreuz in Abbildung -19) senkrecht zur Fahrwasserachse registriert wurde. Der Borkum-Verkehr wurde zwischen der Fischerbalje und dem Emsfahrwasser registriert, so dass sich dort eine langgestreckte Punktwolke zeigt. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

65 Abbildung -19: Schiffspassagen an der Messlokation C Borkum (vgl. Anlage 14) Die Analysen der erkennbaren und auswertbaren Schiffswellenereignissen an der Messlokation C zeigen ein Verhältnis zwischen dem See-Verkehr und dem Borkum-Verkehr von 2:1 auf. Aus diesem Grunde wird in der nachfolgenden Darstellung der Schiffswellenereignisse zwischen folgenden Szenarien unterschieden: Analyse aller Schiffspassagen (See-Verkehr + Borkum-Verkehr) in Abschnitt.4. Analyse der Schiffspassagen aus dem See-Verkehr in Abschnitt.4.6 und Analyse der Schiffspassagen aus dem Borkum-Verkehr in Abschnitt Seegang Die Zeitreihen der analysierten Wellenparameter an der Messlokation C werden für den Zeitraum 37. KW bis 4. KW 29 kontinuierlich und bis zur. KW mit Lücken in der Anlage 11 dokumentiert. Die Seegangsparameter an der Messlokation C werden maßgeblich von dem aus der Nordsee einlaufenden Seegang geprägt. Die Wellenhöhe zeigt bei Windgeschwindigkeiten bis etwa 1 m/s überwiegend keinen direkten Tideeinfluss mehr, sondern einen gleichmäßigeren Verlauf. Bei Windgeschwindigkeiten über 1 m/s und korrespondierendem Seegang dringt der Tideeinfluss wieder deutlicher durch. Bei der Wellenperiode sind die tidebedingten Einflüsse weiterhin erkennbar (vgl. Abbildung -2), was sich insbesondere bei westlichen Winden durch die verringerten Wassertiefen westlich des Emsfahrwassers begründen lässt. Wellen aus nordwestlichen bis nördlichen Richtungen sind dementsprechend von der Morphologie und der Tide eher unbeeinflusst. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

66 Windgeschwindigkeit [m/s] N Windrichtung [ o ] Wellenhöhe H 1/3 [m] Wellenperiode T m2 [s] W S O N Messlokation C: Borkum Südstrand Station Borkum Mo, Di, Mi, Do, Fr, Sa, So, KW Pegel Borkum Wasserstand [mnn} Abbildung -2: Analysierte Seegangsparameter (H 1/3 und T m2 ) mit hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen an der Messlokation C in der 4. KW 29 (Anlage 11) Die maximale signifikante Wellenhöhe H 1/3 trat während der Sturmflut am in der 4. KW mit H 1/3 = 2, m auf (vgl. Abbildung -2). Die maximale Wellenhöhe H max an der Messlokation C wurde während dieses Sturmflutereignisses mit 3,2 m registriert. Für weitere Details wird auf die separate Ausarbeitung zum Seegang [1] verwiesen..4.4 Darstellung der Schiffswellenereignisse An der Messlokation C wurden während der Messkampagne 29 insgesamt Schiffswellenereignisse registriert und analysiert, d.h. bei etwa 9 Schiffspassagen (entsprechend 19 % der registrierten Schiffspassagen) wurde kein Schiffswellenereignis gem. Definition erkannt. Das gesamte Datenkollektiv sämtlicher analysierten Schiffswellenereignisse ist in der EXCEL-Datei in Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\4 Auswertung\ Schiffswellenereignisse zu finden. Die zugehörigen Abbildungen eines jeden Schiffswellenereignisses finden sich in dem Verzeichnis Anlage 14 DVD - Daten und Auswertungen\ Auswertung-Zeitreihen\C Borkum. Die folgende Abbildung -23 stellt beispielhaft für den See-Verkehr das Schiffswellenereignis des Seeschiffes Frisia Wismar (L/B/T = 27 m/29 m /,2 m, vgl. Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

67 Abbildung -24) mit 2 kn Fahrt durchs Wasser bei Flutstrom und einem Wasserstand von NN +,6 m am Pegel Borkum dar. Trotz hoher Geschwindigkeit zeigt sich nur ein geringer Absunk. Die Sekundärwelle setzt sich vor dem Hintergrund des niedrigen Seeganges deutlich ab. Geschwindigkeit Richtung [ ] Geschwindigkeit Betrag [m/s] relativer Wasserstand [m] relativer Wasserstand [m] Schiffswellenereignis 12:1:7, Passage FRISIA WISMAR, Messstelle C: Borkum, Datum: Zeit nach Messbeginn [min] Zeit nach Messbeginn [min] Rohdaten Sekundärwelle (T < 1s) Primärwelle (T > 1s) Detektierte Wellenpunkte Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Abbildung -21: Schiffswellenereignis an der Messlokation C (Beispiel für den See-Verkehr mit der Frisia Wismar vgl. Anlage 11) Abbildung -22: Foto des Schiffes Frisia Wismar (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung -21 Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc

68 Die folgende Abbildung -23 stellt beispielhaft die Zeitreihen der Schiffswellenanalyse für ein Schiffswellenereignis des Katamarans Nordlicht (vgl. Abbildung -24) bei überkritischer Fahrt im Borkum-Verkehr bei Flutstrom und einem Wasserstand von NN 1,9 m am Pegel Borkum dar. Geschwindigkeit Richtung [ ] Geschwindigkeit Betrag [m/s] relativer Wasserstand [m] relativer Wasserstand [m] Rohdaten Zeit nach Messbeginn [min] Sekundärwelle (T < 1s) Primärwelle (T > 1s) Detektierte Wellenpunkte Zeit nach Messbeginn [min] Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Primärwellenströmung Grundströmung Detektierte Maxima Wellenereignisse Zeit nach Messbeginn [min] Abbildung -23: Schiffswellenereignis an der Messlokation C (Beispiel für den Borkum-Verkehr mit dem Katamaran Nordlicht vgl. Anlage 11) Abbildung -24: Foto des Katamarans Nordlicht (Quelle: zur analysierten Schiffspassage in Abbildung -23 Bericht Nr / 86 Stand: G:\DAT\Prj\141_UVU_Außenems\8 Plan-Erg\83 Schiffswellenmessungen\Ber_ doc