Einfluss lokaler Querverbuschungen im Deichvorland auf das Fließverhalten der Elbe bei Hochwasser (Langfassung)

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1 Einfluss lokaler Querverbuschungen im Deichvorland auf das Fließverhalten der Elbe bei Hochwasser (Langfassung) Rudolf Adolf Dietrich* Zusammenfassung Bei der Diskussion über die Verbuschung im Deichvorland der Elbe im Elbeabschnitt zwischen Schnackenburg und Hohnstorf tritt immer wieder die Frage auf, welchen Einfluss einzelne Querverbuschungen im Deichvorland auf den Wasserstand bei einem Hochwasser haben. Ergänzend zu der in [1, 2] beschriebenen Untersuchung wurde daher eine Parameteruntersuchung durchgeführt, bei der lokale Querverbuschungen im rechten und linken Deichvorland angenommen wurden. Die Parameteruntersuchung wurde für das Referenzsystem der Elbe bei Neu Darchau [1, 2], wie es durch den Fall A in [2] definiert wurde, durchgeführt. Die Berechnungen erfolgten auf der Basis einer zweidimensionalen nichtlinearen Finite-Element-Analyse bei tiefenintegrierter Strömung [1]. 1. Einleitung Die Gewährleistung der Sicherheit für Mensch und Natur im Elbetal zwischen Schnackenburg und Hohnstorf erfordert einen ungehinderten Abfluss der Elbe bei Hochwasser. Hierzu muss der Abflussbereich des Hochwassers grundlegend und nachhaltig frei von Verbuschungen sein, da sonst aufgrund der hohen Rauigkeit der Verbuschung, verbunden mit der geringen mittleren Sohlneigung von 0,0125 %, das Wasser zu stark aufgestaut wird. Dies führt zu einem unzulässig hohen Wasserstand und damit zu einer Gefährdung der Deiche. Der notwendige Rückschnitt von Gehölzen im Abflussbereich des Hochwassers muss daher dringend in Angriff genommen werden. Da dies unter Berücksichtigung der naturwissenschaftlichen Belange zu erfolgen hat, ist in der Diskussion die Frage aufgetreten, welchen Einfluss einzelne Querverbuschungen im Deichvorland auf den Wasserstand bei einem Hochwasser haben. Um dieser Frage nachzugehen, wurde eine Parameteranalyse durchgeführt, bei der lokale Querverbuschungen im rechten und linken Deichvorland angenommen wurden. 2. Problembeschreibung Da der Rückschnitt der Verbuschungen nach Möglichkeit auf den Stand von 1981 [1, 2] erfolgen muss, um bei dem zurzeit geltenden Bemessungsabfluss von 4000 * Copyright Februar 2008 IBSNM, Ingenieur Büro für Systemanalyse und Numerische Modellierung, Hohnstorf/Elbe. Als Manuskript erstellt. Für dieses Manuskript V02 behält sich der Verfasser alle Rechte vor. Anschrift des Verfassers: Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Rudolf Adolf Dietrich, Neues Land 26, Hohnstorf/Elbe, Tel.: , Rudolf-Adolf.Dietrich@t-online.de

2 -2- m3/s einen ausreichenden Hochwasserschutz zu haben, wird der Zustand der Deichvorländer zu diesem Zeitpunkt als Grundlage für die Parameteranalyse gewählt [1, 2]. Im Bild 1 sind das FiniteElement-Netz des Referenzsystems und die Anordnung der Querverbuschungen dargestellt. Da für dieses Referenzsystem die Froude-Zahl im Bereich des Flussschlauches und der Deichvorländer kleiner als 1 ist, liegt eine unterkritische Strömung vor, so dass alle Störungen sich flussaufwärts auswirken. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass der Wasserstand am Austritt des Referenzsystems von den Querverbuschungen nicht mehr beeinflusst wird. Bei der Parameteranalyse wurden vier Fälle betrachtet: Fall A01: Der Fall A01 wird durch die Hochwassersituation im Januar 1981 beschrieben. Der Abfluss betrug Q = 3570 m3/s und die Wasserstände waren am Eintritt 12,57 m+nn und am Austritt 12,31 m+nn. Durch diesen Abfluss und durch diese Wasserstände sind die Rauigkeiten des Flussschlauches und der Deichvorländer festgelegt [1, 2]. Fall A02: Ausgehend von Fall A01 wurde auf der halben Länge des Referenzsystems auf dem rechten Deichvorland eine in Fließrichtung 100 m lange Querverbuschung mit einem 1/3 Manning-Faktor von n = 0,20 s/m angenommen. Fall A03: Ausgehend von Fall A01 wurde auf der halben Länge des Referenzsystems auf dem linken Deichvorland eine in Fließrichtung 100 m lange Querverbuschung mit einem Manning-Faktor 1/3 von n = 0,20 s/m genommen. an- Fall A04: Ausgehend von Fall A01 wurde auf der halben Länge des Referenzsystems auf dem rechten und linken Deichvorland eine in Fließrichtung 100 m lange Querverbuschung mit einem Manning-Faktor von n = 1/3 0,20 s/m men. angenom- Ein Manning-Faktor von n = 0,20 s/ 1/3 m wird durch ein Mischgehölz verursacht, wie es in Bild 2 dargestellt ist [3]. Bild 3 zeigt das Aufstauen und Verwirbeln des Wassers am Wasserstandsanzeiger Hohnstorf/Elbe beim Hochwasser im April Die gleichen hier deutlich erkennbaren hydraulischen Effekten treten an jedem umströmten Stamm oder

3 - 3 - Zweig einer Verbuschung auf, wodurch potentielle Energie aus dem Wasserstand und kinetische Energie aus der Fließgeschwindigkeit für das Aufstauen und das Verwirbeln benötigt werden. Um diese Energien aufzubringen, muss sich der Wasserstand vor dem umströmten Hindernis erhöhen. Bei einer großflächigen Verbuschung führen diese scheinbar geringfügigen lokalen Effekte durch das Aufsummieren der vielen Einzeleffekte flussaufwärts zu einer Erhöhung des Wasserstandes. An Hand der beschriebenen Querverbuschungen soll gezeigt werden, welche hydromechanischen Effekte im einzelnen Auftreten. Die Berechnungen erfolgten auf der Basis einer zweidimensionalen nichtlinearen Finite-Element-Analyse bei tiefenintegrierter Strömung [1]. 3. Diskussion der Ergebnisse In den Bildern 4 bis 7 sind die Wasserstände entlang der Pfade 1, 2 und 3 (siehe Bild 1) für die einzelnen Fälle A01 bis A04 dargestellt. Im Bild 4 ist der Wasserstand entlang des Referenzsystems ohne eine Querverbuschung zu sehen. Er ändert sich linear von 12,57 m auf 12,31 m. Es zeigt sich, dass der Wasserstand im Bereich des Flussschlauches (Pfad 2) etwas höher ist als im rechten Deichvorland (Pfad 1), der Innenkurve des Referenzsystems. Im Bereich des linken Deichvorlandes, an der Außenkurve des Referenzsystems (Pfad 3), ist der Wasserstand noch etwas höher als im Bereich des Flussschlauches. Dieses Verhalten resultiert aus der Querströmung und stimmt mit den

4 - 4 - Beobachtungen in der Natur überein. Es zeigt gleichzeitig, dass die Genauigkeit der numerischen Analyse höher ist, als der Einfluss des Effekts, über den die numerische Analyse etwas aussagt. Im Bild 5 ist der Verlauf der Wasserstände entlang der Pfade 1, 2 und 3 bei einer Querverbuschung im rechten Deichvorland dargestellt. Der Wasserstand sinkt im rechten Deichvorland hinter der Querverbuschung um ca. 3 cm ab, vor der Verbuschung steigt er jedoch um ca. 3 cm an. Zur Überwindung der erhöhten Rauigkeit im Bereich der Querverbuschung ist eine höhere potentielle Energie erforderlich, die durch ein Gefälle von ca. 7 cm bereitgestellt wird. Dies führt dazu, dass auch im Bereich des Flussschlauches und des linken Deichvorlandes sowie im gesamten Abflussbereich oberhalb der Querverbuschung der Wasserstand ansteigt. Am Eintritt des Referenzsystems beträgt der Anstieg des Wasserstandes noch ca. 1 cm Im Bild 6 ist der Verlauf der Wasserstände entlang der Pfade 1, 2 und 3 bei einer Querverbuschung im linken Deichvorland dargestellt. Im linken Deichvorland sinkt der Wasserstand hinter der Querverbuschung um ca. 4 cm ab und vor der Verbuschung steigt er um ca. 5 cm an. Zur Überwindung der erhöhten Rauigkeit im Bereich der Querverbuschung ist eine höhere potentielle Energie erforderlich, die durch ein Gefälle von ca. 10 cm bereitgestellt wird. Dies führt dazu, dass auch im Bereich des Flussschlauches und des rechten Deichvorlandes sowie im gesamten Abflussbereich oberhalb

5 - 5 - der Querverbuschung der Wasserstand ansteigt. Am Eintritt des Referenzsystems beträgt der Anstieg des Wasserstandes noch ca. 1,5 cm. Im Bild 7 ist der Verlauf der Wasserstände entlang der Pfade 1, 2 und 3 bei einer Querverbuschung im rechten und linken Deichvorland dargestellt. Im rechten Deichvorland sinkt der Wasserstand hinter der Querverbuschung um ca. 6 cm ab und vor der Verbuschung steigt er um ca. 3 cm an. Zur Überwindung der erhöhten Rauigkeit im Bereich der Querverbuschung ist eine höhere potentielle Energie erforderlich, die durch ein Gefälle von ca. 9 cm bereitgestellt wird. Im linken Deichvorland sinkt der Wasserstand hinter der Querverbuschung um ca. 6 cm ab und vor der Verbuschung steigt er um ca. 6 cm an. Zur Überwindung der erhöhten Rauigkeit im Bereich dieser Querverbuschungen ist eine höhere potentielle Energie erforderlich, die durch ein Gefälle von ca. 12 cm bereitgestellt wird. Dies führt dazu, dass auch im Bereich des Flussschlauches und des linken Deichvorlandes sowie im gesamten Abflussbereich rückwirkend oberhalb der Querverbuschung der Wasserstand ansteigt. Am Eintritt des Referenzsystems beträgt der Anstieg des Wasserstandes noch ca. 3 cm. In den Bildern 8 bis 10 werden die Wasserstände entlang der Pfade 1, 2 bzw. 3 jeweils für die Fälle A01 bis A04 dargestellt, um zu zeigen, welchen Einfluss die einzelnen Querverbuschungen in den Deichvorländern auf das gesamte Flusssystem haben. Diese Darstellung zeigt, wie die Wasserstände entlang der Pfade

6 - 6-1, 2 bzw. 3 bei den Fällen A02 bis A04 mit Querverbuschungen von dem Wasserstand des Falles A01 ohne Querverbuschung abweichen. Hierbei zeigt sich noch deutlicher, dass eine Verbuschung, unabhängig von der Lage, sich stets auf das hydromechanische Verhalten des gesamten Referenzsystems auswirkt. Diese Darstellungen verdeutlichen auch das Ansteigen bzw. Absinken des Wasserstandes vor bzw. hinter der jeweiligen Verbuschung. In den Bildern 11 bis 14 ist die Wassergeschwindigkeit in Fließrichtung entlang der Pfade 1, 2 und 3 für die Fälle A01 bis A04 dargestellt. Für den Fall A01 ohne Querverbuschung in den Deichvorländern (Bild 11) zeigt die Wassergeschwindigkeit jeweils im Bereich des Flussschlauches und der Deichvorländer einen nahezu gleichmäßigen Verlauf. Die geringfügigen Veränderungen resultieren aus dem Einfluss der Krümmung des Referenzsystems. Der Wert für die Wassergeschwindigkeit liegt für die Deichvorländer bei ca. 0,6 m/s und für den Flussschlauch bei ca. 1,8 m/s. Bei einer Querverbuschung im rechten Deichvorland (Bild 12) wird die Wassergeschwindigkeit im Bereich dieser Verbuschung von 0,6 m/s auf 0,2 m/s reduziert. Dies führt dazu, dass die Wassergeschwindigkeit im Bereich des linken Deichvorlandes um 0,02 m/s und des Flussschlauches um 0,1 m/s ansteigt. Bei einer Querverbuschung im linken Deichvorland (Bild 13) wird die Wassergeschwindigkeit im Bereich dieser Verbuschung von 0,6 m/s auf 0,28 m/s reduziert. Dies führt dazu, dass die Wassergeschwindigkeit im Bereich des rechten Deichvorlandes um 0,1 m/s und des Flussschlauches

7 -7- ebenfalls um 0,1 m/s ansteigt. Bei einer Querverbuschung im rechten und linken Deichvorland (Bild 14) wird die Wassergeschwindigkeit im Bereich dieser beiden Verbuschungen auf 0,2 m/ s bzw. auf 0,3 m/s reduziert. Dies führt dazu, dass die Wassergeschwindigkeit im Bereich des Flussschlauches von ca. 1,8 m/s auf 2,1 m/s ansteigt. Durch diesen Anstieg wird die Erosion im Bereich der Flusssohle entsprechend erhöht. In den Bildern 15 bis 18 ist die Verteilung der Wassergeschwindigkeit in Fließrichtung für die Fälle A01 bis A04 dargestellt, wobei die Farbe als Informationsträger verwendet wird. Für den Fall A01 ohne Querverbuschung in den Deichvorländern (Bild 15) liegt in den einzelnen Regionen eine gleichmäßige Verteilung des Geschwindigkeitsfeldes vor. Die Abgrenzung zwischen den Deichvorländern und dem Flussschlauch ist durch die höhere Geschwindigkeit im Flussschlauch deutlich zu erkennen. Im Bild 16 ist die Geschwindigkeitsverteilung bei einer Querverbuschung im rechten Deichvorland dargestellt. Es zeigt sich, dass die Reduzierung der Geschwindigkeit im Bereich der rechten Querverbuschung sich auf den Flussschlauch und auf das linke Deichvorland auswirkt. Im Bild 17 ist die Geschwindigkeitsverteilung bei einer Querverbuschung im linken Deichvorland dargestellt. Es zeigt sich analog, dass die Reduzierung der Geschwindigkeit im Bereich der linken Querverbuschung sich auf den Flussschlauch und auf das rechte Deichvorland auswirkt. Im Bild 18 ist die Erhöhung der Geschwindigkeit im Flussschlauch durch die Querverbuschung

8 - 8 - im rechten und linken Deichvorland deutlich zu erkennen. Durch diese beiden Querverbuschungen wird das abfließende Wasser stark eingeengt, wodurch es im Bereich des Flussschlauches zur deutlichen Erhöhung der Geschwindigkeit des Wassers kommt. 4. Schlussbetrachtung Mit der vorliegenden Parameteranalyse wird deutlich, welche hydromechanischen Auswirkungen bereits nur eine lokale Querverbuschung hat. Es zeigt sich, dass nicht nur im unmittelbaren Bereich der Verbuschung der Wasserstand und die Wassergeschwindigkeit beeinflusst werden, sondern dass auch flussaufwärts Auswirkungen erkennbar sind. Selbst wenn diese auf einer Strecke von ca. 1 km nur in einer Größenordnung von maximal 3 cm liegen, so ist doch zu berücksichtigen, dass bei mehrfachem Auftreten großflächiger, lokaler Verbuschungen ein Aufaddieren der einzelnen hydromechanischen Effekte erfolgt, so dass es über mehrere Elbe km zu einem unzulässig hohen Wasserstand kommen kann, der zu einer Gefährdung der Deiche führt. Es sollte daher stets das Ziel verfolgt werden, den Abflussbereich des Hochwassers der Elbe frei von meterhohem Gehölz zu halten. Auch ein niedriger Bewuchs in den Deichvorländern hat in der Regel bereits eine Rauigkeit, die größer ist als die im Bereich des Flussschlauches, so dass auch hierdurch ein Aufaddieren der einzelnen hydromechanischen Effekte zum Tragen kommt. Es muss stets bedacht werden, dass eine Querverbuschung bei einem extremen Hochwasser mit oder ohne Eisgang kurzfristig zu einem Stau von Treibsel ohne oder mit Eis und somit zu einem sehr steilen Anstieg des Wasserstandes führen kann. Langfristig sollte berücksichtigt werden, dass in den Deichvorländern nach jedem Hochwasser besonders im Bereich der Verbuschungen Ablagerungen erfolgen, wodurch im Laufe von Jahrzehnten die geodätischen Höhen der Deichvorländer ansteigen, so dass der Abflussquerschnitt zwischen den Deichen langsam aber stetig geringer wird, was wiederum im Laufe der Zeit zu einer Erhöhung des Wasserstandes führt. Dies erfordert wiederum eine Erhöhung der Deiche. Um diesen Effekt so gering wie möglich zu halten, sollte dafür Sorge getragen werden, dass die Fließgeschwindigkeit der Elbe auch im Bereich der Deichvorländer möglichst hoch ist, um eine Sedimentation weitestgehend zu vermeiden. Hierzu muss die Verbuschung im Abflussbereich des Hochwassers der Elbe grundlegend und nachhaltig entfernt werden. Literatur [1] Dietrich, R. A. : Zweidimensionale nichtlineare Finite-Element-Analysen bei tiefenintegrierter Strömung zur Beurteilung des Fließverhaltens der Elbe bei Hochwasser unter Berücksichtigung der Verbuschung in den Deichvorländern. Basis der Analysen ist der Elbeabschnitt von Elbekm 536,240 (Neu Darchau) bis Elbe-km 538,240. IBSNM-Bericht 05/V/B03.3, Stand: Dezember [2] Dietrich, R. A.: Fließverhalten der Elbe bei Hochwasser unter Berücksichtigung der Verbuschung, Wasser und Abfall, Heft 12, 2007, Seite [3] Arcement, G. J; Schneider, Jr. V. R.: Guide for Selecting Manning's Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains, United States Geological Survey Water-supply Paper 2339