BAW-Nr.: A

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1 Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen von Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen (am Beispiel des Hamburger Yachthafens) BAW-Nr.: A

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3 Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen von Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen (am Beispiel des Hamburger Yachthafens) BAW-Nr.: A

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5 Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen von Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen (am Beispiel des Hamburger Yachthafens) Auftrag: FuE-Projekt Auftrags-Nr.: BAW-Nr. A Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau Küstenbereich Referat: Ästuarsysteme I (K2) Bearbeiter: Dr.-Ing. K. Uliczka Hamburg, im November 2010 Das Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentlichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW. Bundesanstalt für Wasserbau Wedeler Landstraße Hamburg Tel.: (0 40)

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7 Zusammenfassung Die BAW hatte im Rahmen des Planfeststellungsverfahrens zur weiteren Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe vom Planungsbüro des Wasser- und Schifffahrtsamts (WSA) Hamburg und der Hamburg Port Authority (HPA) den Auftrag u.a. die ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen infolge der weiteren Fahrrinnenanpassung unter Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung der Schiffsgrößen zu ermitteln und zu begutachten. Die Bewertung der prognostizierten Belastungsänderungen für das untersuchte Referenzgebiet (Elbeabschnitt Hamburger Yachthafen) infolge der zukünftig größeren und tiefer gehenden Containerschiffe und deren Begegnungen kam zu folgender Feststellung: Die zukünftig längeren und breiteren Schiffe verursachen bei gleicher Schiffsgeschwindigkeit in den Yachthafenzufahrten eine Zunahme der resultierenden Strömung, da sich - u.a. aufgrund der längeren Absunkzeit - eine stärkere Gefälleströmung zwischen dem Absunk am Schiff und dem Hafenwasserstand einstellen wird (BAW, 2006). Aus der Bewertung der zu erwartenden schiffserzeugten Belastung von Yachthafeneinfahrten wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens (FuE) der BAW Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße (WSS) die ingenieurwissenschaftliche Fragestellung abgeleitet, inwieweit diese langperiodischen Strömungsvorgänge durch bauliche Maßnahmen beeinflusst werden können. In dem FuE-Teilprojekt Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, an Seeschifffahrtsstraßen des FuE- Vorhabens WSS war zu prüfen, ob durch zusätzliche Molenbauwerke entweder eine Verlängerung des Strömungswegs zwischen Einfahrt und Wasserstraße zu einer Reduzierung der Strömungsamplitude oder ob eher eine Überlagerung der langperiodischen Schiffswellensysteme zu einer Reduzierung der Strömungsamplituden in den Yachthafeneinfahrten führen kann. Der Einsatz eines Linienbauwerks vor einem Hafen zur Reduzierung der schiffserzeugten Gefälleströmung in der Einfahrt unter Ausnutzung der Überlagerung schiffserzeugter langperiodischer Wellen ist prinzipiell möglich. Der Anteil der Verlängerung des Strömungswegs an der Verringerung der Ein- und Ausstromamplitude in der Einfahrt wurde nicht explizit ermittelt, wird aber aufgrund der hohen potentiellen und kinetischen schiffserzeugten Wellenenergie nur gering sein. Am Beispiel des Hamburger Yachthafens wurde durch die Linienmole eine deutliche Reduzierung der Strömung in der Hafeneinfahrt um ca. -60 %, eine Dämpfung der Wellenhöhe vor und in der Hafeneinfahrt um ca. -50 % und eine Verringerung der der hafeninternen Wellenunruhe um ca. -50 % erreicht. Zur optimierten Anwendung eines Linienbauwerks für andere Hafenanlagen an Wasserstraßen werden zusätzliche fachwissenschaftliche Untersuchungen empfohlen.

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9 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Veranlassung und Aufgabenstellung 1 2 Unterlagen 2 3 Untersuchungskonzept 3 4 Grundlagen Langperiodische, schiffserzeugte Belastung Schrifttumsrecherche Methodisches Vorgehen Untersuchungsgebiet 10 5 Untersuchungsobjekt Hamburger Yachthafen Ausbau und Entwicklung der Zufahrt Rückblick Diskussion neuer Konzepte Folgerung aus bisheriger Fachdiskussion Physikalisches Maßstabsmodell der BAW Untersuchungsvarianten Variante 0 - Referenzzustand Variante I Westeinfahrt geschlossen Variante II Bogenmole ohne Buhne Variante II 2 Bogenmole mit Buhne Variante III Linienmole mit Buhnen Variante IV Linienmole ohne Buhnen Variante V Linienmole mit Vertiefung Ergebnisdiskussion Variantenvergleich für schiffserzeugte Strömung Variantenvergleich für schiffserzeugte, langperiodische Wellen Fahrzeugabhängige, schiffserzeugte Belastungen bei Variante II Schiffserzeugte, langperiodische Wellenunruhe im Hafenbecken Ausbreitung kurzperiodischer Wellen am Beispiel der Variante V Zusammenfassende vergleichende Bewertung der Varianten Hinweise für andere Hafenanlagen 54 6 Schlussfolgerung und Empfehlungen 55 7 Literaturverzeichnis 56 - I -

10 Bildverzeichnis Seite Bild 1: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme in tiefen- und seitlich begrenztem Flachwasser 5 Bild 2: Resultierende schiffserzeugte Verdrängungsströmung (schematisch) in tiefen- und seitlich begrenztem Flachwasser 5 Bild 3: Schiffserzeugte Sogströmung in einer Yachthafeneinfahrt bei Vorbeifahrt eines großen PPM-Containerschiffs bei Blick von der Steuerbordnock (Foto: BAW 2003) 6 Bild 4: Untersuchte Grundsatzmodelle von Hafenbecken an Schifffahrtsstraßen und Pegelpositionen (KUNZ, 1977) 7 Bild 5: Abschnitt der Unterelbe bei Wedel (Schleswig-Holstein) vor (links) und während des Baus (rechts) des Hamburger Yachthafens (aus [U1], Elbeatlas 1958, 1968) 11 Bild 6: Ausgangszustand sowie Ausbauzustand 4 der Modellversuche für den Jachthafen Wedel (nach [U2]) 12 Bild 7: Rammplan der Schwellschutzwand für den Jachthafen bei Wedel (nach [U3]) 13 Bild 8: Untersuchungsvarianten der BAW zu einem Jachthafen in der Hahnöfer Nebenelbe bei Neuenschleuse (nach [U4]) 14 Bild 9: Zusammenstellung der Variation von Hafeneinfahrts- und /oder Buhnenanordnungen bei den Modelluntersuchungen für den Jachthafen bei Wedel (Auszug aus [U5]) 15 Bild 10: Entwurf zur Umgestaltung der Hafeneinfahrten des Hamburger Yachthafens (nach [U6]) 17 Bild 11: Variante 1 der Konzeptstudie zur Umgestaltung der Hafeneinfahrt des Hamburger Yachthafens (nach [U7]) 18 Bild 12: Varianten 2 bis 4 der Konzeptstudie zur Umgestaltung der Hafeneinfahrt des Hamburger Yachthafens (nach [U7]) 19 Bild 13: Georeferenziertes Luftbild des Untersuchungsbereichs mit Versuchsbecken (gelb) und maßstäblichen Modellgebiet (rot) mit Messquerschnitt sowie heutige Kursachsen (blau) 21 Bild 14: Einfahrten des Hamburger Yachthafens in der Natur und im Modell der BAW 22 Bild 15: Modellschiff PPM55 bei der Passage der Osteinfahrt des Hamburger Yachthafens mit Messkonfiguration zur Erfassung von schiffserzeugten Wasserspiegel- und Strömungsänderungen 24 Bild 16: Variante 0 als Referenzzustand für die Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen (Draufsicht) 25 Bild 17: Variante 0 als Referenzzustand für die Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration 26 Bild 18: Variante I der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Westeinfahrt geschlossen (Draufsicht, schematisch) 27 Bild 19: Variante I der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Westeinfahrt geschlossen 27 - II -

11 Bild 20: Variante II der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Bogenmole ohne Buhne (Draufsicht, schematisch) 28 Bild 21: Variante II der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Bogenmole ohne Buhne 29 Bild 22: Variante II 2 der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Bogenmole mit Buhne (Draufsicht, schematisch) 30 Bild 23: Variante II 2 der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Bogenmole mit Buhne 31 Bild 24: Variante III der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Buhnen (Draufsicht, schematisch) 32 Bild 25: Variante III der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Buhnen 33 Bild 26: Variante IV der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole ohne Buhnen (Draufsicht, schematisch) 34 Bild 27: Variante IV der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole ohne Buhnen 34 Bild 28: Variante V der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Vertiefung (Draufsicht, schematisch) 35 Bild 29: Varianten und Messkonfiguration (Wasserstands- und Strömungsmessung) im Nahbereich der Hafenzufahrt (schematisch) 36 Bild 30: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Elbe (oben), Hafenzufahrt (mittig) und Hafeneinfahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw) 38 Bild 31: Geschwindigkeitsabhängiger schiffserzeugter Absunk im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Elbe (oben) und Hafenzufahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw) 39 Bild 32: Geschwindigkeitsabhängiger schiffserzeugter Absunk im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Hafeneinfahrt (oben) und innere Einfahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw) 40 Bild 33: Wellenüberlagerung in der Hafenzufahrt (Ost, Mitte, West) und in der Hafeneinfahrt bei Passage eines großen Containerschiffs (PPM46 bei v S = 11,7 kn) bei Var. IV 41 Bild 34: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei Variante II (Bogenmole ohne Buhne) an den Positionen Elbe, Zufahrt Ost, Zufahrt Mitte (PPM55: Orange/rot; PPM46: Hellgrün/grün; PPM40: Hellbau/blau) 44 Bild 35: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei Variante II (Bogenmole ohne Buhne) an den Positionen Elbe, Hafeneinfahrt, innere Einfahrt (PPM55: Orange/rot; PPM46: Hellgrün/grün; PPM40: Hellbau/blau) 45 Bild 36: Variante II: Wasserspiegelauslenkung in der Hafeneinfahrt bei Passage des PPM55 (v S 11 kn) bei den Varianten 0 und II 47 - III -

12 Bild 37: Variantenvergleich der Standardabweichung der langperiodischen Wasserspiegelauslenkung als Maß der schiffserzeugten Wellenunruhe im Hafenbecken am Beispiel der NW-Ecke des Hamburger Yachthafens (PPM55, v S 11 kn, Tnw) 49 Bild 38: Räumliche Verteilung sowie Vergleich der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkungen vor und in dem Hafenbecken beispielhaft für Variante V bei Passagen des PPM46 bei Thw (oben) und Tnw (unten) mittels Standardabweichung in [m] (Koordinatenachsen verzerrt) 50 Bild 39: Wellenausbreitung kurzperiodischer Sekundärwellen 1 s < T S < 8 s bei Variante V in der Fahrrinne, am Fahrrinnenrand, Zufahrt Mitte, Hafeneinfahrt, innerer Einfahrt und Hafenbecken 52 Tabellenverzeichnis Seite Tabelle 1: Hauptdaten der im physikalischen Modell eingesetzten Schiffseinheiten (Naturwerte; Tiefgang bei örtl. Tnw) 23 Anlagenverzeichnis Anlage Datenträger mit MS-Powerpoint-Präsentation von u.a. Kameraaufnahmen ausgewählter Varianten (*.pps, *.ppt, *.pdf) und IWF Kurzfilm (IWF2010). (nur für gedruckte Exemplare) - IV -

13 1 Veranlassung und Aufgabenstellung Die BAW hatte im Rahmen des Planfeststellungsverfahrens zur weiteren Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe vom Planungsbüro des Wasser- und Schifffahrtsamts (WSA) Hamburg und der Hamburg Port Authority (HPA) den Auftrag u.a. die ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen infolge der weiteren Fahrrinnenanpassung unter Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung der Schiffsgrößen zu ermitteln und zu begutachten. Die Bewertung der prognostizierten Belastungsänderungen für das untersuchte Referenzgebiet (Elbeabschnitt Hamburger Yachthafen) infolge der zukünftig größeren und tiefer gehenden Containerschiffe und deren Begegnungen kam zu folgender Feststellung: Die zukünftig längeren und breiteren Schiffe verursachen bei gleicher Schiffsgeschwindigkeit in den Yachthafenzufahrten eine Zunahme der resultierenden Strömung, da sich - u.a. aufgrund der längeren Absunkzeit - eine stärkere Gefälleströmung zwischen dem Absunk am Schiff und dem Hafenwasserstand einstellen wird (BAW, 2006). Aus dieser Bewertung der zu erwartenden schiffserzeugten Belastung von Yachthafeneinfahrten wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens (FuE) der BAW Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße (WSS) die ingenieurwissenschaftliche Fragestellung abgeleitet, inwieweit diese langperiodischen Strömungsvorgänge durch bauliche Maßnahmen beeinflusst werden können. Für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) lag die Bedeutung dieses FuE-Teilprojekts darin, dass innerhalb der Ausbauverfahren die BAW u.a. die Aufgabe hat, den Trägern der Vorhaben Vorschläge zur Minimierung des Eingriffs, hier: Vorschläge zur Reduzierung der schiffserzeugten Belastungen von Anliegern wie z.b. Sportboothäfen, zu unterbreiten. Zur Aufarbeitung und zur Erweiterung des bisher bei der BAW im Rahmen von Projekten erarbeiteten Expertenwissens war in dem Teilprojekt Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, an Seeschifffahrtsstraßen des FuE-Vorhabens WSS zu prüfen, ob durch zusätzliche Molenbauwerke eine Verlängerung des Strömungswegs zwischen Einfahrt und Wasserstraße zu einer Reduzierung der Strömungsamplitude oder ob eher eine Überlagerung der langperiodischen Schiffswellensysteme zu einer Reduzierung der Strömungsamplituden in vorhandenen Yachthafeneinfahrten führen kann

14 2 Unterlagen Während der Bearbeitung des FuE-Projekts wurde im Rahmen der Aufarbeitung der historischen Bauzustände des Yachthafens und der Bewertung neuer Konzepte u.a. auf die folgenden Unterlagen, Grafiken und Kartenmaterialien zurückgegriffen: [U1] Elbeatlas: Die Elbe, diverse Ausgaben: 1958, 1968, 1971 Carl Griese Verlag / Peschke Verlag, Hamburg, [U2] Modellversuche für den Jachthafen Wedel, Schlussbericht Franzius-Institut für Grund- und Wasserbau der Technischen Hochschule Hannover, Hannover 1964 [U3] Schwellschutz für den Jachthafen bei Wedel Rammplan Strom- und Hafenbau, Hafenbauabteilung, Hamburg 1967 [U4] Jachthafen Neuenschleuse, Modellversuche Bundesanstalt für Wasserbau - Außenstelle Küste, Auftrags-Nr.: 74500, Hamburg 1973 [U5] Modelluntersuchungen für den Jachthafen Wedel Leichtweiß-Institut für Wasserbau der technischen Universität Braunschweig, Bericht Nr. 424, Braunschweig 1979 [U6] Umgestaltung der vorhandenen Hafeneinfahrten des Hamburger Yachthafens Hamburger Yachthafen-Gemeinschaft e.v. Stefan Knabe + Peter Knabe, Beratende Ingenieure, Wedel 2000 [U7] Umgestaltung Hafeneinfahrt - Konzeptstudie Hamburger Yachthafen-Gemeinschaft e.v. Knabe Beratende Ingenieure, Wedel

15 3 Untersuchungskonzept Das Konzept der Grundsatzuntersuchungen beinhaltete folgende Unterpunkte: 1. Aufarbeitung vorhandenen Expertenwissens der BAW 2. Schrifttumsrecherche zu bisher umgesetzten Maßnahmen zur Reduktion langperiodischer Belastungen in Hafenanlagen 3. Bewertung bisher umgesetzter Maßnahmen hinsichtlich langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen in Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen 4. Entwicklung wirksamer Maßnahmen auf Basis des vorhandenen Expertenwissens der BAW zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugten Belastungen an Seeschifffahrtsstraßen 5. Voruntersuchungen zur Wirksamkeit von Baumaßnahmen anhand hydrodynamischnumerischer (HN) Modellierungen von parametrisierten langperiodischen Belastungen aus Modellversuchen, z.b. mit dem bei der BAW eingesetzten Verfahren UnTRIM (nicht umgesetzt) 6. Bewertung der Voruntersuchungen Auswahl von Maßnahmen für tiefer gehende Untersuchungen anhand der Modellierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen und deren Ausbreitung (nicht umgesetzt) 7. Überprüfung ausgewählter Maßnahmen für komplexe Strukturen am Beispiel des Hamburger Yachthafens an der Unterelbe (Stand der Technik: Physikalisches Modell Maßstab 1:40) 8. Bewertung der Maßnahmen für eine Auswahl anderer komplexer Hafenstrukturen an Seeschifffahrtsstraßen 9. Erstellung eines Berichts über die Wirksamkeit von ausgewählten Maßnahmen 10. Veröffentlichung der Ergebnisse der Untersuchungen in Fachzeitschriften und auf Kongressen und/oder Fachtagungen Aufgrund der Bindung der Bearbeiter in WSV-Projekten konnte das FuE-Konzept bisher nur bedingt umgesetzt werden. Der hier zusammengestellte FuE-Bericht enthält die Bewertung der Wirksamkeit ausgewählter Maßnahmen auf der Basis des aufgestellten Untersuchungskonzepts ohne den Einsatz von HN-Modellierungen

16 4 Grundlagen Hydrodynamische, instationäre Belastungen in Wasserstraßen, seien es schiffbare Flüsse oder Kanäle, ergeben sich aus Wellen- und Strömungsbelastungen. Unter einer Wellenbelastung sind die Auswirkungen von kurzperiodischen Wind- und kurz- sowie langperiodischen Schiffswellen zu verstehen. Die kurzperiodischen Schiffswellen liegen im Frequenzbereich von winderzeugten Wellen. Die langperiodischen Schiffswellen sind abhängig von der Schiffslänge und ortsbezogen - von der Schiffsgeschwindigkeit und liegen mit ihrer Periode deutlich über denen der winderzeugten Wellen. Einhergehend mit den beschriebenen windund schiffserzeugten Wellensystemen wirken in einer Wasserstraße entsprechende instationäre oszillierende Strömungen. Des Weiteren treten in flachen Uferzonen, Wattgebieten oder Buhnenfeldern sowie in Hafeneinfahrten instationäre Gefälleströmungen infolge des schiffserzeugten, langperiodischen Wellensystems auf (u.a. BAW, 1996). Die grundsätzlichen physikalischen Zusammenhänge der Wellen- und Strömungsverhältnisse um ein fahrendes Schiff im Flachwasser wurden seit Anfang des letzten Jahrhunderts in verschiedensten Veröffentlichungen behandelt und mit Stand etwa 2006 im Gutachten der BAW zur weiteren Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe aufgearbeitet (BAW, 2006). Im Folgenden werden nochmals die physikalischen Grundlagen zusammengefasst. 4.1 Langperiodische, schiffserzeugte Belastung Die langperiodischen Schiffswellen- und Strömungssysteme sind gekennzeichnet durch die vorauslaufende Schwallwelle (aus dem Impuls des Bugstaus), den Bugstau s B direkt am Schiffskörper, den Absunk z A seitlich am Schiff, die Heckwelle als Teil des durch den Absunk angeregten langperiodischen Primärwellensystems H P, Periode des Primärwellensystems T Hp (wenn analysierbar) Sunkzeit T SU (Bugstau bis max. Absunk) Stiegzeit T ST (Max. Absunk bis Primärwelle) sowie die Rückströmung v R, mit ihren Komponenten in Abhängigkeit von Bugstau, Absunk und Heckwelle. Die Wasserspiegeländerungen in tiefen- und seitenbegrenztem Fahrwasser, wie sich das Wellenbild für einen Betrachter am Ufer darstellt, sind als Seitenansicht schematisch in Bild 1 erläutert. In ihrer zeitlichen Abfolge werden für einen am Ort stehenden Betrachter folgende - 4 -

17 Änderungen des Ruhewasserspiegels deutlich: Bugstau, Absunk als Differenz von Bugstau (oder Schwallwelle) und maximalem Wasserspiegelabfall, Primärwelle (als Heckwelle) sowie das die ausschwingende Primärwelle überlagernde Sekundärwellensystem. Bild 1: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme in tiefen- und seitlich begrenztem Flachwasser Die resultierende schiffserzeugte Verdrängungs-(Rück-)strömung in Schiffsnähe ist mit ihren Einzelkomponenten schematisch in Bild 2 dargestellt. Im ufernahen Flachwasserbereich können die schiffserzeugten Wasserspiegeländerungen und Strömungen entsprechend den lokalen geometrischen Bedingungen zu Sog- und Schwallerscheinungen annähernd rechtwinklig zum Uferstreifen führen. Bild 2: Resultierende schiffserzeugte Verdrängungsströmung (schematisch) in tiefen- und seitlich begrenztem Flachwasser - 5 -

18 Die kurzperiodischen Anteile der schiffserzeugten Belastung (vergl. Bild 1) sind definiert als die kurzperiodischen Sekundärwellen H S Periode der Sekundärwellen T Hs mit den welleninduzierten kurzperiodischen oszillierenden Strömungen, die die langperiodischen Belastungen je nach Wellenlaufgeschwindigkeit zeitlich und räumlich überlagern. Die Wirkung untersuchter Baumaßnahmen auf die kurzperiodischen schiffserzeugten Belastungen wird in einem gesonderten Kapitel behandelt. Die Auswirkungen von langperiodischen, schiffserzeugten Belastungen auf Sportboothäfen entlang einer Seeschifffahrtsstraße verdeutlicht die Fotoaufnahme einer Hafeneinfahrt bei Passage eines PostPanMax-(PPM)-Containerschiffs (Foto von der Steuerbordnock, Bild 3): Das schiffsinduzierte Wasserspiegelgefälle zwischen Hafen und Wasserstraße (hier mit Maximum etwa auf Höhe der Nock) bewirkt ein Ausstrom aus der Yachthafeneinfahrt. Die schiffsinduzierte Rückströmung verformt den Ausstrom zu einer Walzenströmung direkt vor der Hafeneinfahrt. Bild 3: Schiffserzeugte Sogströmung in einer Yachthafeneinfahrt bei Vorbeifahrt eines großen PPM-Containerschiffs bei Blick von der Steuerbordnock (Foto: BAW 2003) Der direkt nach der Vorbeifahrt eintretende schiffsinduzierte Schwell (auch Heck- oder Primärwelle) führt anschließend zu einem zum Ufer gerichteten Wasserspiegelgefälle mit entsprechend hohen Einstromgeschwindigkeiten in der Hafeneinfahrt

19 4.2 Schrifttumsrecherche Langperiodische, schiffserzeugte Wellen- und Strömungsbelastungen treten in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit in der Natur mit einer Periode von etwa einer Minute und größer auf, so dass eine Bewertung des recherchierten Schrifttums zu baulichen Maßnahmen grundsätzlich auf die Reduzierung langperiodischer Ereignisse ausgerichtet war. Dass mit derartigen Wellen- und Strömungsbelastungen schon seit über 40 Jahren zu rechnen ist, belegen Aussagen in [U2] zur Wassergeschwindigkeit in den Einfahrten durch Schwell- und Sogerscheinungen, deren Auftreten als lästiger als die Wellenunruhe im Hafen aufgrund extremer Windverhältnisse bewertet wird. Die grundsätzliche physikalische Wechselwirkung in einer Wasserstraße und in angeschlossenen Hafenbecken bei der Vorbeifahrt eines Schiffs beschreibt KUNZ (1977) auf der Basis von Messungen an der Unterweser und umfangreichen, kleinmaßstäblichen Modellversuchen (Maßstab 1 : 50; Bild 4). KUNZ stellt fest: In welchem Maße die im Kanal erzeugten primären Schiffswellen sich auf ein seitlich der Wasserstraße angeordnetes Becken auswirken, ist weitgehend abhängig von der Größe und Form der Becken sowie der Art und Größe der Verbindungsöffnung zwischen Becken und Kanal.. Bild 4: Untersuchte Grundsatzmodelle von Hafenbecken an Schifffahrtsstraßen und Pegelpositionen (KUNZ, 1977) - 7 -

20 Im Einzelnen werden bei KUNZ (1977) die Abhängigkeiten der Wellenbelastung (Primärwelle = Schwall und Sunk) in den untersuchten Hafenbecken von verschiedenen Parametern angegeben: Zunahme der Wellenbelastung bei geringerem Querschnittsverhältnis von Wasserstraße / Schiff und Erhöhung der Schiffsgeschwindigkeit. Abminderung der Wellenbelastung durch Vergrößerung der Hafenbecken. Verkleinerung der Wellenhöhen durch starke Minderung der Öffnungsbreite (abhängig von der Schiffsgeschwindigkeit). Größere Wellenunruhe bei langgestreckten Becken als bei breiten Becken, aber Mindestabstand zwischen Beckenöffnung und gegenüberliegender Beckenwand Keine Vorteile von hintereinander liegenden Doppelbecken gegenüber flächengleichen Einzelbecken. Größere Wellenhöhen als in der Wasserstraße in ungünstig geformten und zu kleinen Becken bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten. Da sich im allgemeinen Lage, Größe und Beckenform bestehender Hafenanlagen an Seeschifffahrtsstraßen nicht ohne größeren Aufwand verändern lassen, konzentrierten sich die Recherchen im Wesentlichen auf mögliche Baumaßnahmen im Einfahrtsbereich der Hafenbecken (z.b. Wände, Molen). Baumaßnahmen zur Reduzierung von seegangsinduzierter (kurzperiodischer) Wellenbelastung wie z.b. Schwimmende Wellenbrecher (u.a. MURALI / MANI, 1997; HABI / KRANAWETTREISER, 1998) scheiden aufgrund des Nachteils aus, dass relativ viel Wellenenergie den schwimmenden Wellenbrecher passieren kann (GRAW, 1999). Dies betrifft vor allem die langperiodischen Anteile der Wellenenergie, was weitere Untersuchungen bestätigten. Eine ungenügende Dämpfung von langperiodischen Wellenanteilen wurde auch bei Modelluntersuchungen und Messungen in der Natur sowohl für Seegang als auch für schiffsinduzierte Wellen festgestellt (ERANTI et al., 1996). Während kurzperiodischer Seegang und schiffserzeugte, kurzperiodische, divergierende Wellen (T Hs 3 s) deutlich gedämpft wurden, zeigte die untersuchte, schwimmende Wellenbrecherkonstruktion nur teilweisen Erfolg schon bei längeren, schiffserzeugten transversen Wellen (T Hs 5 s). Damit kamen für die Reduzierung von langperiodischen, schiffserzeugten Belastungen nur feste Bauwerke in Betracht. Fest installierte Tauchwände (EGGERT, 1983) reduzieren selbst bei hohen Verbauungsgraden nur in sehr geringem Maß einen langperiodischen Energietransport, wie auch Baumaßnahmen an Schifffahrtstraßen in der Kieler Förde zeigten. Durchgeführte Baumaßnahmen oder theoretische Betrachtungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen in Hafenanlagen konnten nicht recherchiert werden und wurden auch nicht in jüngerem Schrifttum behandelt (u.a. BRINKMANN, 2005). Im Folgenden wurde der Einsatz von fest gegründeten Bauwerken, Wellenbrechern und Buhnen untersucht

21 Der von der BAW seit etwa 10 Jahren diskutierte Ansatz, mit Hilfe von beidseitig offenen Molenbauwerken vor einer Hafeneinfahrt (z.b. Linienmole) eine Überlagerung der langperiodischen Schiffswellensysteme von sehr großen Containerschiffen (Bugstau Absunk Primärwelle) eine Reduzierung der schiffserzeugten Wellenhöhen vor und der Strömungsamplituden in anliegenden Hafeneinfahrten zu bewirken, war bisher nicht veröffentlicht worden. 4.3 Methodisches Vorgehen Zur Bearbeitung der Aufgabenstellung wurden folgende Bearbeitungsmethoden geprüft: Empirische und analytische Berechnungsmethoden Numerische Berechnungsverfahren Prognose auf Basis von Messungen in der Natur Versuche im physikalischen Maßstabsmodell Die aufgeführten Bearbeitungsmethoden wurden von der BAW (BAW, 2006) in ihrer Anwendbarkeit hinsichtlich der Prognose schiffserzeugter Belastungen in einer Seeschifffahrtsstraße nach dem heutigen Stand von Technik und Wissenschaft detailliert analysiert und bewertet. Diese Ergebnisse sowie die Bewertung jüngerer Veröffentlichungen sind im Folgenden zusammengefasst: Für eine quantitative Abschätzung der schiffserzeugten Belastung durch die seegängige Großschifffahrt auf den großen inhomogenen Seeschifffahrtsstraßen und besonders im Tidegebiet sind die bekannten empirischen und analytischen Berechnungsansätze nicht anwendbar. Eine abgesicherte rechnerische Ermittlung der schiffserzeugten Belastungen in einer Seeschifffahrtstraße sowie deren Wechselwirkung mit angrenzenden Hafenanlagen kann deswegen mit diesen Ansätzen nicht erfolgen Für Fragestellungen hinsichtlich der Prognose schiffserzeugter Belastungen in Seeschifffahrtsstraßen und deren Wechselwirkung mit Hafenanlagen, besonders für typische Schiffsgeschwindigkeiten tiefgehender Containerschiffe bei tideabhängiger Revierfahrt, ist eine geschlossene numerische Bearbeitung auch heutzutage noch nicht als wissenschaftliche Methode gemäß anerkanntem Stand der Technik einzustufen. Messungen in der Natur können nur den tatsächlichen Istzustand erfassen. Prognosen der Wirkung von Baumaßnahmen z.b. zur Reduzierung schiffserzeugter Belastungen in Hafeneinfahrten sind auf der Basis dieser Messungen nicht möglich. Eine kombinierte Bearbeitung (Messung der schiffserzeugten Belastung in der Natur oder im Modell Wellenausbreitung an baulichen Anlagen mittels numerischer Bearbeitung) wurde von MATHEJA et al. (2008) vorgestellt, wobei dabei eine Änderung der Ausgangswellenhöhe - 9 -

22 durch die Baumaßnahme selbst ausgeschlossen werden muss. Diese Methode war im Untersuchungskonzept für Vorversuche unter Nutzung bei der BAW verfügbarer HN-Verfahren (u.a. UnTrim) als weitere FuE-Komponente angedacht, konnte aber aus Kapazitätsgründen nicht umgesetzt werden. Abgesicherte, quantitative Prognosen der schiffserzeugten Belastungen im extremen Flachwasser von inhomogenen Wasserstraßen und deren periodenunabhängige Ausbreitung und Überlagerung an und hinter Bauwerken sowie in unregelmäßigen Hafenbecken sind derzeit nur mit der Methode des physikalischen Modellversuchs in einem fachlich hinreichenden Modellmaßstab gewährleistet. Da bei der BAW für die Untersuchungen der BAW im Rahmen der weiteren Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe für die Ermittlung und Bewertung der ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen (BAW, 2006) ein Maßstabsmodell der Unterelbeabschnitts Hamburger Yachthafen erstellt worden war, konnte für das FuE-Projekt auf dieses physikalische Modell (Maßstab 1 : 40) zurückgegriffen werden. 4.4 Untersuchungsgebiet Das Untersuchungsgebiet umfasst die Seeschifffahrtsstraßen im Tidegebiet der deutschen Bucht, wobei die Ergebnisse auch für Hafenanlagen an tidefreien Küsten (Ostsee) Anwendung finden sollen. Aus dem großräumigen Untersuchungsgebiet wurde der Unterelbeabschnitt vor dem Hamburger Yachthafen (Elbe-km 641,6 bis km 643,2) für die vorgesehene FuE-Projektstudie ausgewählt, da hier: sehr breite und lange Containerschiffe verkehren, enge Querschnittsverhältnisse für diese Schiffs vorliegen, u.a. Begegnungsverkehr großer Schiffseinheiten möglich ist, eine Modelltopografie vorhanden war (Ausbautopografie 385m-Trasse als physikalisches Modell 1:40), eine detaillierte Datenbasis ggf. zum Aufbau eines HN-Modellgitters bestand, Erfahrungen aus vorangegangenen Modellversuchen und Studien vorlagen

23 5 Untersuchungsobjekt Hamburger Yachthafen 5.1 Ausbau und Entwicklung der Zufahrt Rückblick Der Hamburger Yachthafen, ehemalige Bezeichnung Jachthafen Wedel, wurde ab 1961 im Mündungsbereich der Wedeler Au an der Unterelbe von der FREIEN UND HANSESTADT HAMBURG gebaut. Einen direkten Vergleich der dortigen topografischen und bathymetrischen Gegebenheiten sind den Kartenausschnitten in Bild 5 zu entnehmen ([U1]; Elbeatlas, 1958 und 1968). Im Jahr 1968 war der Yachthafen noch in Bau und nur im östlichen Teil fertig gestellt. Bild 5: Abschnitt der Unterelbe bei Wedel (Schleswig-Holstein) vor (links) und während des Baus (rechts) des Hamburger Yachthafens (aus [U1], Elbeatlas 1958, 1968) Schon während der ersten Bauabschnitte beauftragte STROM- UND HAFENBAU HAMBURG in 1963 das FRANZIUS-INSTITUT, Hannover (nach [U2]), in Modellversuchen (Maßstab 1:500 und 1:100) die Wellenunruhe bei verschiedenen Ausbauvarianten des Hafens aufgrund wind- und schiffserzeugter Wellen zu untersuchen. Der damals bestehende Ausbauzustand mit ersten Wellenschutzmaßnahmen sowie der Ausbauzustand 4, der etwa den heutigen Gegebenheiten ohne die besonderen Wellenschutzwände entsprach, sind in Bild 6 dargestellt. Insgesamt wurden in 11 Ausbauvarianten untersucht (z.b.: nur eine Zufahrt, nach außen und innen versetzte Mittelmolen verschiedener Längen sowie verschiedene Einfahrtsbreiten)

24 Die Gutachter kamen nach [U2] zu folgender Schussfolgerung: Die Ergebnisse der Versuche über den Schwell und Sog sowie über die Wellenunruhe haben erkennen lassen, daß es keinen Ausbauvorschlag gibt, der für die Schwell- und Sogerscheinung und gleichzeitig für die Wellenunruhe der günstigste ist. Die Versuche über den Schwell und Sog haben gezeigt, daß die Anordnung einer Mittelmole mit jeweils zwei Einfahrten am besten geeignet ist, die Wirkung dieser Erscheinungen auf ein Mindestmaß zu beschränken. Bild 6: Ausgangszustand sowie Ausbauzustand 4 der Modellversuche für den Jachthafen Wedel (nach [U2])

25 Aufgrund der weiterhin hohen Wellenbelastung des Yachthafens durch Schiffs- und Windwellen, wurde noch während des Endausbaus des Yachthafens von STROM- UND HAFENBAU HAMBURG für jede Einfahrt ein Wellenabweiser konzipiert [U3], der die Einfahrt einengte und damit den Energieeintrag durch Windwellen von Unterstrom und durch Schiffswellen von Oberstrom reduzieren sollte (pers. Kommunikation R. WAGNER, 2007; ehemals Hafenbauabteilung, Strom & Erdbau, Dradenau-Hafen). Der Entwurf des Rammplans des Ingenieurbüros PETER P. KÖRTING, Hamburg von 1967 für die westliche Einfahrt ist im Auszug in Bild 7 dargestellt (nach [U3). Die Schwellschutzwände wurden in 1968 gerammt. Bild 7: Rammplan der Schwellschutzwand für den Jachthafen bei Wedel (nach [U3]) Etwa 5 Jahre später, 1973, bearbeitete die damalige BAW Außenstelle Küste, Wasserbauliches Versuchswesen einen Auftrag der BAUREGIE H-P. RÜSTER KG mit Variantenuntersuchungen zu einem Jachthafen an der Hahnöfer Nebenelbe, der hinsichtlich der langperiodischen äußeren Belastungen annähernd denen des Hamburger Yachthafens entsprach, allerdings Fragestellungen zu den tidebedingten Strömungsverhältnissen u.a. im Hafen selbst zu beantworten hatte (nach [U4]). Die verschiedenen Varianten, die in einem physikalischen Tidemodell der Elbe im Maßstab 1:500/1:100 untersucht wurden, sind in Bild 8 für den auf das Jahr 1971 aktualisierten Abschnitt Hahnöfer Nebenelbe dargestellt. Auch hier wurden verschiedenste Anordnungen der Mittelmole untersucht. Das Ergebnis kann wie folgt zusammengefasst werden ((aus [U4]): daß durch die für einen reibungslosen Verkehr der Sportboote notwendigen zwei Einfahrten im Hafenbecken instabile Strömungsverhältnisse auftreten, Es wird deshalb empfohlen, eine Mündungsbreite von mindestens 30 m ohne zurückgesetztes Mittelteil ( ) vorzusehen

26 Bild 8: Untersuchungsvarianten der BAW zu einem Jachthafen in der Hahnöfer Nebenelbe bei Neuenschleuse (nach [U4]) Auf Basis dieser Versuche wurde von der BAW hinsichtlich der tidebedingten Strömungen und den daraus folgenden Walzenbildungen im Hafen, hinsichtlich der Schwall- und Sunkereignisse durch vorbeifahrende Schiffe und hinsichtlich der unerwünschten Sedimentation in der Hafenmündung auf die negativen Wirkung von zwei Einfahrten verwiesen und nur eine Einfahrt empfohlen. Im Hamburger Yachthafen, jetzt Hamburgischer Jachthafen bei Wedel, traten für das AMT FÜR STROM- UND HAFENBAU neben den Schwall- und Sunkerscheinungen, die im Wesentlichen die Anordnung der Spundwandkonstruktionen in den Einfahrten bestimmt hatten, vordringlich die hohen Kosten durch starke Verschlickungen im Hafen in den Vordergrund. Aufgrund dessen wurde 1978 das LEICHTWEISS-INSTITUT FÜR WASSERBAU der TU Braunschweig mit Untersuchungen beauftragt, den Feststoffeintrag in den Yachthafen zu vermindern, ohne die Schwall- und Sunkerscheinungen zu verschlechtern (nach [U5]). Auf der Grundlage von Strömungsmessungen in der Natur und anhand von Modellversuchen im Maßstab 1:50 (Unterelbeabschnitt Wedeler Au / Yachthafen / Tonnenhof des WSA) wurden die tideabhängigen Strömungsverhältnisse und schiffserzeugten Belastungen in den Hafeneinfahrten sowie im Hafen selbst untersucht. Durch verschiedenste bauliche Veränderungen in den Zufahrten und sonstige Einbauten im Modell (z.b. Buhnen) wurde die Minimierung der Strömungseffekte auf die Sedimentation angestrebt. Beispielhaft sind einige der untersuchten 46 Varianten zur Gestaltung der Einfahrten mit verschiedensten Buhnenvarianten in Bild 9 aufgeführt (aus [U5])

27 Bild 9: Zusammenstellung der Variation von Hafeneinfahrts- und /oder Buhnenanordnungen bei den Modelluntersuchungen für den Jachthafen bei Wedel (Auszug aus [U5]) Hinsichtlich einer wirksamen Verminderung des Feststoffeintrags bei Ebbestrom wurde der Bau einer zusätzlichen Buhne im Bereich der derzeitigen Osteinfahrt empfohlen. Bezogen auf die Wellenunruhe infolge Schwall und Sunk durch den Schiffsverkehr wurde festgestellt (aus [U5]): Für die angegebenen Umbaumaßnahmen ergeben sich keine grundlegenden Veränderungen in der Wellenunruhe. Weitere Versuche zum Strömungs- und Wellenverhalten bei einer Zusammenlegung der beiden Einfahrten führten zu der Schlussfolgerung, dass aus hydraulischer Sicht keine entscheidende Verbesserung aufgezeigt wurde (nach [U5])

28 5.2 Diskussion neuer Konzepte Ein im Jahr 2000 verfasstes Schreiben der HAMBURGER YACHTHAFENGEMEINSCHAFT e.v., jetzt Träger des Hamburger Yachthafens, an das WSA Hamburg zu den Auswirkungen der Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt verwies auf die Aspekte der Zunahme der tidebedingten Strömungsgeschwindigkeiten in der westlichen Einfahrt, der vermehrten Sedimentation im Yachthafen sowie auf die schiffserzeugten Belastungen in den Hafeneinfahrten und den direkt dahinter liegenden Bereichen. Eine fachliche Stellungnahme der BAW (BAW, 2000) zu diesem Schreiben bestätigte den fachlichen Zusammenhang zwischen den Auswirkungen des Fahrrinnenausbaus und den erhöhten, tidebedingten Strömungsgeschwindigkeiten in der westlichen Einfahrt und dem zusätzlichen, aber nicht exakt quantifizierbaren Feststoffeintrag in den Hafen. Ein physikalischer Zusammenhang zwischen den tiefer gehenden, damaligen Bemessungsschiffen, dem Ausbau der Fahrrinne und einer höheren schiffserzeugten Belastung in den Yachthafeneinfahrten und im Yachthafen wurde ausgeschlossen, wobei ein nicht ausbaubedingter, aber geschwindigkeitsabhängiger Zusammenhang zwischen teilabgeladenen Großcontainerschiffen und einer erhöhten Schwell- und Sunkbelastung in Betracht gezogen wurde. Eine Beurteilung von neuen Konzepten zur Umgestaltung der Hafeneinfahrten durch die BAW erfolgte nicht, da vom Entwurfsverfasser keine hydraulischen Berechnungen und/oder detaillierte Strömungsuntersuchungen vorgelegt wurden (BAW, 2000). Im Dezember 2000 wurde im Auftrag der HAMBURGER YACHTHAFEN GEMEINSCHAFT e.v. von den Beratenden Ingenieuren STEFAN KNABE + PETER KNABE, Wedel [U6] ein Konzept zur Umgestaltung der Hafeneinfahrten vorgelegt (Bild 10). Ziel des Konzepts war, den Eintrag von Sediment ins Hafenbecken zu reduzieren, die Hafenunruhe durch Sunk- und Schwallwellen zu reduzieren und eine ausreichende Öffnungsbreite der Hafeneinfahrt zu gewährleisten. Dazu wurde in [U6] vorgeschlagen (vergl. Bild 10), die Osteinfahrt bis auf eine 10 m breite, unterbrochene Teilöffnung zu schließen, die Westeinfahrt auf 35 m zu verbreitern und durch eine kombinierte Umlenk- und Schöpfwand sowie durch eine trapezförmige Buhne den Sedimenteintrag in das Hafenbecken und die Hafenunruhe minimieren

29 Bild 10: Entwurf zur Umgestaltung der Hafeneinfahrten des Hamburger Yachthafens (nach [U6]) In einem u.a durch die HAMBURGER YACHHAFEN GEMEINSCHAFT e.v. angeregten Fachgespräch des Ingenieurbüros mit der BAW-DH im August 2005 wurde das Umgestaltungskonzept der Einfahrten diskutiert und von der BAW-DH u.a. auf der Grundlage der Erkenntnisse aus den Modelluntersuchungen Begegnungsstrecke Wedel (BAW, 2006) bewertet. Folgende Ergebnisse des Fachgesprächs wurden von der BAW-DH festgehalten (aus BAW, 2005a): 1.) Die Sedimentationsprozesse im Yachthafen werden nachrangig betrachtet, da sohlnaher, hochkonzentrierter Sedimenttransport am Rand der Tideelbe von der Physik nicht wahrscheinlich und bisher auch nicht nachgewiesen ist. Der Sedimenteintrieb ist eher den Tidefüllprozessen mit hoher Schwebstoffkonzentration in der Wassersäule zuzuordnen. Dieses Problem lässt sich nur im Zusammenhang mit der Schwebstoffdynamik Tideelbe lösen. 2.) Der Schwerpunkt der Betrachtungen ist auf die Belastung der Yachthafeneinfahrten aus schiffserzeugten langperiodischen Wellen und den damit zusammenhängenden Strömungen zu legen. Anhand der Ergebnisse der Modelluntersuchungen der BAW wurde gezeigt, dass die Strömungsbelastung in den Yachthafeneinfahrten auch bei größeren Passierabständen eher zunehmen wird. Der Grund liegt in der Längenzunahme der großen Schiffe, da - gleiche Schiffsgeschwindigkeit vorausgesetzt - die entsprechend längere Absunkwelle einer Gefälleströmung zwischen Yachthafen und Schiff mehr Zeit zur Entwicklung gibt. 3.) Eine Lösung zur Reduzierung der hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserspiegelschwankungen vor, in der Einfahrt und im Yachthafen wird zum einen in der Verlängerung des Strömungswegs gesehen. Bei einem längeren Fließweg sind die lokalen Wasserspiegeldifferenzen und somit auch die Strömungsgeschwindigkeiten geringer. Zur Verlängerung des Strömungswegs für eine Gefälleströmung Yachthafen / Schiffsabsunk

30 wird zum anderen von der BAW eine Längsmole vor der Westeinfahrt bei geschlossener Osteinfahrt ins Gespräch gebracht, durch die sich zudem Überlagerungseffekte zwischen Bug-, Sunk- und Heckwelle positiv auswirken könnten. 4.) In o.g. Sinne werden verschiedene Varianten vom Büro KNABE BERATENDE INGENIEURE konstruktiv entworfen und der Yachthafengemeinschaft als Ergebnis des Fachgesprächs vorgestellt. Es bestand Übereinstimmung in der Einschätzung der Notwendigkeit von Modelluntersuchungen, um die diskutierten Varianten in ihrer Wirkung zu untersuchen und ggf. zu optimieren. Wie im Fachgespräch vereinbart, wurden vom Büro KNABE INGENIEURE, Wedel verschiedene Varianten grafisch ausgearbeitet (siehe [U7]), Variante 1 ist in Bild 11 dargestellt. Bild 11: Variante 1 der Konzeptstudie zur Umgestaltung der Hafeneinfahrt des Hamburger Yachthafens (nach [U7]) Die Varianten wurden von der BAW hinsichtlich Ihrer Einbindung in ein von der BAW vorgesehenes FuE-Projekt diskutiert und bewertet (nach BAW, 2005b): Ausgewählte Varianten - neben der theoretischen Bewertung sind in ihrer komplexen hydrodynamischen Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße / Hafeneinfahrt / Hafenbecken in dem bei der BAW vorhandenen und für derartige Versuche vorgehaltenen physikalischen Modell zu untersuchen und ggf. zu optimieren. Die BAW bewertete aufgrund theoretischer Betrachtungen die Varianten wie folgt (Variante 1 nach [U7] in Bild 11, Varianten 2 bis 4 in Bild 12):

31 Variante 1: Die stromauf abgeknickte Bogenmole verlängert den Strömungsweg während des Absunks über eine Seite und bietet Schutz gegen Seegang und kurze Wellen aus westlichen Richtungen. Aus östlichen Richtungen einlaufende kurzperiodische Wellen werden in ihrer Energie durch Refraktion an den flachen Innenböschungen der Bogenmole und der mittleren Hafenmole reduziert. Bei Ebbe wird ein verzögerter Ausstrom (Stau) aus dem Hafenbecken bewirkt, der die Stauzeit im Hafen verlängern und eine verstärkte Sedimentation der Schwebstoffe zur Folge haben wird. Bild 12: Varianten 2 bis 4 der Konzeptstudie zur Umgestaltung der Hafeneinfahrt des Hamburger Yachthafens (nach [U7])

32 Variante 2: Die vorgesetzte Linienmole verlängert den Strömungsweg während des Absunks beidseitig und ermöglicht Überlagerungseffekte zwischen schiffserzeugten Bug-, Sunk- und Heckwellen zur Reduzierung des Wasserspiegelgefälles vor der Einfahrt. Seegang und kurzperiodische Schiffswellen aus westlichen und aus östlichen Richtungen werden in ihrer Energie durch Refraktion an den flachen Innenböschungen der Linienmole und der Hafenmolen reduziert. Bei Ebbe wird die Stauzeit im Hafenbecken gegenüber heutigen Verhältnissen nicht verändert. Variante 3: Die vorgesetzte überlange Linienmole verlängert den Strömungsweg während der langperiodischen schiffserzeugten Belastung, reduziert aber aufgrund der Länge (>> 500 m) die Möglichkeit von Überlagerungseffekten zwischen schiffserzeugten Bug-, Sunk- und Heckwellen zur Reduzierung des Wasserspiegelgefälles vor der Einfahrt. Seegang und kurzperiodische Schiffswellen aus westlichen und aus östlichen Richtungen werden in ihrer Energie durch Refraktion an den flachen Innenböschungen der Linienmole und der Hafenmolen reduziert. Bei Ebbe wird die Stauzeit im Hafenbecken gegenüber heutigen Verhältnissen nicht verändert. Variante 4: Durch die innen liegende Linienmole werden die Strömungsverhältnisse in der vorhandenen Hafeneinfahrt nicht maßgeblich verändert, aber zwischen der neuen Mole und den vorhandenen Molen gegenüber heutigen Verhältnissen erhöht. Aus fachwissenschaftlicher Sicht wurde die Variante 2 als Basis einer möglichen Zielvariante angesehen, wobei eine Optimierung der Linienmole in Länge und Form weitere Untersuchungen erforderten. Variante 1 wurde in leicht veränderter Form zusätzlich in das Versuchsprogramm aufgenommen (nach BAW, 2005b). 5.3 Folgerung aus bisheriger Fachdiskussion Auf Grundlage der Erkenntnisse der umfangreichen Untersuchungen verschiedenster wissenschaftlicher Institute und Fachleute zur Reduzierung schiffserzeugter Belastungen in Hafenanlagen an Seeschifffahrtsstraßen wurde im Jahr 2006 bei der BAW-DH im Forschungsbereich K1, Grundsatzuntersuchungen Wasserbau Küste im Rahmen des FuE- Vorhabens 8149 Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße das Teilprojekt Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen von Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen (am Beispiel des Hamburger Yachthafens) beantragt. Die physikalischen Modellversuche wurden in dem Zeitraum vom Juni 2006 bis August 2007 konzipiert und abgearbeitet. Die ersten Ergebnisse wurden im Rahmen des Moderationsverfahren zur geplanten weiteren Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe im Januar 2007 Vertretern der Hamburger Yachthafen Gemeinschaft, des Projektbüros Fahrrinnenanpassung beim WSA Hamburg,

33 der Hamburg Port Authority und dem Moderator der Freien und Hansestadt Hamburg vorgestellt sowie im Juli 2007 weiteren Vertretern des WSA Hamburg und des Projektbüros Fahrrinnenanpassung präsentiert. Der vorliegende Forschungsbericht fasst die Ergebnisse der Untersuchungen des inzwischen abgeschlossenen Teilprojekts in schriftlicher Form zusammen. 5.4 Physikalisches Maßstabsmodell der BAW Der in der BAW als physikalisches Modell im Maßstab 1 : 40 erstellte Untersuchungsabschnitt der Unterelbe im Nahbereich des Hamburger Yachthafens von etwa Elbe-km 641,6 bis Elbe-km 643,2 ist mit Teilen der Infrastruktur der Versuchshalle der BAW-DH in ein georeferenziertes Luftbild eingezeichnet (Bild 13). Der Messquerschnitt wurde in das Querprofil der Einfahrt Ost des Yachthafens gelegt, da aufgrund der kleineren Fläche des östlichen Hafenquerschnitts in diesem Hafenteil mit den höheren Auswirkungen durch passierende Schiffe zu rechnen war (vergl. KUNZ, 1977). Die Abmessungen des Versuchsbeckens betrugen ca. 100 m x 35 m bei einer maximal möglichen Wassertiefe von etwa 0,75 m. Das Versuchsbecken beinhaltete eine maßstäblich modellierte Fläche von etwa 40 m x 35 m mit Übergangsbereichen von beidseitig jeweils etwa 14 m, in denen der Fahrrinnenquerschnitt vereinfacht abgebildet wurde. Bild 13: Georeferenziertes Luftbild des Untersuchungsbereichs mit Versuchsbecken (gelb) und maßstäblichen Modellgebiet (rot) mit Messquerschnitt sowie heutige Kursachsen (blau)

34 Die Hafenbereiche, Flachwasserbereiche und die Unterwasserböschungen wurden im Modell in einem Flächenraster von im Mittel etwa 1 m x 1 m maßstäblich abgesteckt. Die Fahrrinnensohle wurde zur Nachbildung von Sohlstrukturen in Längsrichtung detailliert auf Profilblechen mit Tiefenpunkten in 0,625 m Abständen (Querdistanz 0,8 m) abgesteckt. Die Einfahrtsbereiche des Yachthafens wurden desgleichen mit Querprofilen im Abstand der Bleche von etwa 0,5 m modelliert, um den naturähnlichen Energieeintrag in das Hafenbecken zu gewährleisten (Maße jeweils Naturwerte). Auf die Nachbildung von Befestigungsdalben, Schwimmstegen und Sport- sowie Behördenschiffe wurde verzichtet, da sie als Dämpfungselemente die schiffserzeugte Belastung reduzieren. Die Versuche im physikalischen Modell wurden ohne Tideströmung vorgenommen; alle Geschwindigkeitsangaben (Schiffsgeschwindigkeit und schiffserzeugte Strömungsgeschwindigkeit) sind auf diesen Zustand bezogen. Zum Einfluss der Strömung auf die schiffserzeugten Belastungen wird auf die Ergebnisse der Untersuchungen zur letzten Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe verwiesen (BAW, 1996). Zum visuellen Vergleich sind Fotoaufnahmen der Hafeneinfahrten des Yachthafens in der Natur und im Modell (Maßstab 1 : 40; ohne Wasser) in Bild 14 zusammengestellt. Bild 14: Einfahrten des Hamburger Yachthafens in der Natur und im Modell der BAW

35 Folgende Messsysteme wurden für die Erfassung der schiffserzeugten Belastung sowie der Schiffsgeschwindigkeit eingesetzt: Wasserspiegelauslenkung (24 Sonden): - Wave Meter DHI 102E mit Wave Gauge DHI 202/60 Danish Hydraulic Institut, DK Messbereich: ± 12,5 cm Modell ± 5 m Natur Strömung (7 Sonden): - Electromagnetic Flow Meter 2D-Type "E", Deltares (ehem. Delft Hydraulics), NL Messbereich: ± 1,0 m/s Modell ± 6,3 m/s Natur Schiffsgeschwindigkeit (redundante Systeme): - Lasergeometrisches System Punktmessung im Messquerschnitt Genauigkeit des Systems: < 0,008 m/s Modell < 0,1 kn Natur - Laserentfernungsmessgerät ELD P 10 LASE Industrielle Lasertechnik Ableitung des Entfernungsmesssignals nach der Zeit Genauigkeit < 0,5 %, hier < 0,008 m/s Modell < 0,1 kn Natur Die Hauptdaten der eingesetzten Modellschiffe sind Tabelle 1 zu entnehmen (Naturwerte). Name Typ Länge Breite Tiefgang c B = f(t,...) * - m m m - PPM40 Containerschiff ,8 0,732 PPM46 Containerschiff ,8 0,575 PPM55 Containerschiff ,8 0,682 * c B = tiefgangsabhängiger Blockfaktor = Verdrängungsvolumen / Länge x Breite x Tiefgang Tabelle 1: Hauptdaten der im physikalischen Modell eingesetzten Schiffseinheiten (Naturwerte; Tiefgang bei örtl. Tnw) Die Modellschiffe fuhren als funkferngeschaltete Selbstfahrer (Propellerantrieb), deren seitlicher Freiheitsgrad durch ein Führungsseil eingeschränkt, dessen vertikale Bewegung aber ermöglicht wurde. Die Auswirkungen der dynamischen Stabilität (hier: Krängung) sind zu vernachlässigen, da im Modell ein "harter" Trimm zur Minimierung von zufallsabhängigen äußeren Einflüssen auf die Schiffsbewegung, dementsprechend auch auf die schiffserzeugte

36 Belastung, vorgenommen wurde. Zur Redundanz der Ergebnisse wurden die wasserstands-, schiffs- und tiefgangsabhängigen Fahrkurven im untersuchten Geschwindigkeitsbereich von rund v S 0,4 m/s (ca. 5 kn Natur) bis etwa v S 1,1 m/s (ca. 13,5 kn Natur) zweifach, die schiffstechnisch und querschnittsabhängig möglichen Maximalgeschwindigkeiten dreimal durchfahren. Das Modellschiff PPM55 vor der Osteinfahrt des Hamburger Yachthafens mit der Messkonfiguration zeigt Bild 15. Bild 15: Modellschiff PPM55 bei der Passage der Osteinfahrt des Hamburger Yachthafens mit Messkonfiguration zur Erfassung von schiffserzeugten Wasserspiegel- und Strömungsänderungen Der Wasserstand für die Versuchsserien wurde auf das örtl. mittlere Tnw am Pegel Schulau (-1,62 mnn) festgelegt, da bei Tideniedrigwasser die höchsten schiffserzeugten Belastungen in der Unterelbe und in der Hafeneinfahrt zu erwarten waren (nach BAW, 2006). Für ausgewählte Varianten wurden ebenso Versuchsserien bei einem Wasserstand von +1,28 mnn (ca. 1,5 h vor örtl. mittlerem Thw) gefahren, da bei diesem Wasserstand die tideabhängig verkehrenden großen Containerschiffe am häufigsten den Yachthafen passieren (vergl. BAW, 2006). Weitere Versuche wurden bei Thw = +1,9 mnn vorgenommen. Der gewählte Kurs der auslaufenden Containerschiffe (Abgänger) betrug etwa eine Schiffsbreite vom Fahrrinnenrand, so dass bei dem sehr geringen Kursabstand vom nördlichen Ufer die höchsten schiffserzeugten Belastungen im Bereich des Yachthafens zu erwarten waren. Der Kursabstand war für alle Versuchsvarianten konstant. Damit lagen die Ergebnisse auf der ungünstigen, somit hinsichtlich ihrer Aussagekraft auf der sicheren Seite

37 5.5 Untersuchungsvarianten In den folgenden Kapiteln werden die vorgenommenen baulichen Veränderungen der verschiedenen Untersuchungsvarianten beschrieben und anhand von Fotos visualisiert. Auf außergewöhnliche Wirkungen der Baumaßnahmen auf die schiffserzeugten Wellen- und Strömungsprozesse wird hingewiesen. Ein Vergleich der Einzelergebnisse erfolgt in dem Kapitel Ergebnisdiskussion (Kapitel 5.6). Im Folgenden werden grundsätzlich nur Naturwerte angegeben Variante 0 - Referenzzustand Die Unterwassertopografie des Referenzzustands (Variante 0) basierte auf den Peildaten von 2002, die durch Angaben aus der Digitalen Bundeswasserstraßenkarte (DBWK) der WSV ergänzt sowie anhand gezielter örtlicher Begehungen aktualisiert wurden. Zusätzlich wurden Tiefen- und Breitenangaben zum Ausbauvariante 385m-Trasse mit Ablagerungsfläche in das physikalische Modell eingearbeitet (vergl. BAW, 2006). Bild 16 zeigt die Fahrrinnenkanten (rot), die heutigen Kursachsen (blau), den zukünftigen Kurs der Abgänger (weiß; Bezug 385m-Trasse) und den Kursabstand der Modellschiffe zur Hafeneinfahrt Ost (L KURS = 282 m) für die Variante 0, den Referenzzustand, auf einer Luftaufnahme des Untersuchungsgebiets. Bild 16: Variante 0 als Referenzzustand für die Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen (Draufsicht)

38 Bild 17: Variante 0 als Referenzzustand für die Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Zur Visualisierung sind in Bild 17 Fotoaufnahmen aus dem physikalischen Maßstabsmodell der Variante 0 mit Blick vom Yachthafen aus über Einfahrt West auf die Unterelbe sowie mit Blick entlang der äußeren Molensysteme stromab auf die Einfahrt Ost zusammengestellt. Erkennbar sind auf den Fotos neben den Molensystemen und Wellenschutzwänden in den Einfahrten desgleichen die Wasserstandspegel und Strömungssonden in der Unterelbe, der Hafeneinfahrt sowie im Hafenbecken selbst. Eine detaillierte Beschreibung der Variante 0 (Referenzzustand) ist im Gutachten der BAW zu den ausbaubedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen durch eine Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt unter der Bezeichnung Ausbauvariante 385m-Trasse mit Ablagerungsfläche nachzulesen (BAW, 2006; Kapitel ) Variante I Westeinfahrt geschlossen Als einfache bauliche Maßnahme wurde als Variante I im physikalischen Modell eine Einfahrt zum Yachthafen geschlossen, um den Energieeintrag in den Hafen zu reduzieren. Aus messtechnischen Gründen wurde im physikalischen Modell die westliche Einfahrt geschlossen (Bild 18). Alle anderen Randbedingungen wurden unverändert gelassen

39 Bild 18: Variante I der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Westeinfahrt geschlossen (Draufsicht, schematisch) Das Foto der geschlossenen Einfahrt West in Bild 19 zeigt die bauliche Veränderung im physikalischen Modell weiß eingefärbt. Die Einfahrt wurde den beidseits vorhandenen Molenquerschnitten mit der anstehenden Böschungsneigung angepasst. Bild 19: Variante I der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Westeinfahrt geschlossen

40 Offensichtliche Änderungen der schiffserzeugten Belastungen waren nicht festzustellen. Im Yachthafen selbst waren jedoch die internen Walzen- und Strömungsverhältnisse deutlich verändert, da z.b. eine schiffserzeugte Durchströmung des Hafenbeckens, die bei zwei Einfahrten registriert wurde, nicht mehr stattfinden konnte. Im östlichen Hafenbecken, hinter der jetzt geschlossenen Einfahrt, war erwartungsgemäß eine deutlich geringere Strömung festzustellen. Die in der Anlage beigefügten Kameraaufnahmen verdeutlichen zum Teil diese Effekte. Für alle weiteren Varianten II bis V blieb die Westeinfahrt weiterhin geschlossen, um nur den Einfluss der zusätzlichen baulichen Maßnahmen zu bewerten Variante II Bogenmole ohne Buhne Mit der Variante II wurde der Entwurf einer Bogenmole nach [U6] aufgegriffen und vor die Osteinfahrt gesetzt (Draufsicht Bild 20). Bild 20: Variante II der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Bogenmole ohne Buhne (Draufsicht, schematisch) Die Westeinfahrt blieb geschlossen, die Wellenschutzwände in der Einfahrt wurden demontiert und die kurze Buhne östlich der Osteinfahrt wurde bis auf das seitliche Höhenniveau entfernt. Der Radius der Bogenmole ergab sich aus der oberen Öffnungsweite der Hafeneinfahrt zu r = 110 m. Die Überlappung zur vorhandenen Hafenmole wurde zu r/2 = 55 m gewählt, um das direkte Einlaufen der schiffserzeugten kurzperiodischen Sekundärwellen

41 (KELVINscher Winkel 20 ) zu verhindern (siehe Bild 20). Die Einfahrtsbreite zwischen Bogenmole und alter Mole betrug auf Tnw-Niveau etwa 50 m. Die Neigung der Außenböschung der Bogenmole wurde zu 1:2 gewählt, um nicht übermäßig in die Wasserstraße einzugreifen, die Binnenböschung erhielt eine Neigung von 1:4, um eine Energiedissipation der kurzperiodischen Wellensysteme durch Refraktionsprozesse zu ermöglichen. Die Höhe der Mole wurde auf ein Niveau von +2,2 mnn festgelegt, um zum einen auch bei leicht erhöhten Wasserständen noch eine Sicht auf das Wellenschutzbauwerk zu ermöglichen, aber zum anderen gleichzeitig für die Sportschifffahrt ein Sichtfeld auf die Seeschifffahrtsstraße zu gewährleisten. Bei höheren Wasserständen wie z.b. Sturmfluten wirkt die überstaute Mole als Unterwasserwellenbrecher vor der Hafeneinfahrt. Bei mittlerem Tnw (ca. -1,6 mnn) wird die Sicht über die Bogenmole erst ab einer Augenhöhe von ca. 4 m über Wasserniveau ermöglicht. Bild 21: Variante II der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Bogenmole ohne Buhne Die Fotos aus dem physikalischen Modell zeigen die Einbauten (weiß angelegt) und die Messkonfiguration mit dem Blick stromauf und stromab (Bild 21)

42 5.5.4 Variante II 2 Bogenmole mit Buhne Zur Ablenkung der bei Variante II in den inneren Bereich der Bogenmole einlaufenden Primärwelle, die durch die Bogenmole in den Yachthafen umgelenkt wurde, erfolgte bei der Variante II 2 zusätzlich zu den Maßnahmen der Variante II der Einbau einer Buhne in Verlängerung der Trennmole zwischen Yachthafen und WSV-Tonnenhof mit der Länge von l = 50 m, einer Höhe von +2,2 mnn und einer Böschungsneigung 1:3 (Bild 22). Die Einfahrtsbreite zu dem Vorhafen betrug aufgrund der Böschungsneigungen bei Tnw etwa 50 m und entsprach somit etwa der vorhandenen Hafeneinfahrt (ohne Wellenschutzwände). Bild 22: Variante II 2 der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Bogenmole mit Buhne (Draufsicht, schematisch) Fotos aus dem physikalischen Modell zeigen die Einbauten Bogenmole und Buhne (weiß angelegt) sowie die Messkonfiguration mit dem Blick stromauf und stromab (Bild 23)

43 Bild 23: Variante II 2 der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen mit Messkonfiguration Bogenmole mit Buhne Variante III Linienmole mit Buhnen Der grundsätzliche Ansatz der BAW, mittels einer Linienmole vor der Hafeneinfahrt durch Überlagerung der von zwei Seiten einlaufenden schiffsinduzierten, langperiodischen Wellen großer Containerschiffe eine Reduzierung der Strömungsbedingungen in der Hafeneinfahrt zu erreichen, wurde im ersten Schritt im physikalischen Modell als Variante III umgesetzt. Die Westeinfahrt blieb wie in Variante I geschlossen, die Spundwände sowie die Stummelmole der Osteinfahrt waren rückgebaut. Die Linienmole wurde im Abstand der Einfahrtsbreite r = 110 m mit einer Länge von 2 r = 220 m, beidseitig um r/2 = 55 m überlappend der Hafeneinfahrt vorgebaut (kein direkter Welleneinlauf in die Einfahrt; vergl. Variante II, Kapitel 5.5.3). Die Neigung der Außenböschung betrug 1:2, um nicht übermäßig in die Wasserstraße einzugreifen, die Binnenböschung erhielt eine Neigung von 1:4, um eine Energiedissipation der kurzperiodischen Wellensysteme durch Refraktionsprozesse zu ermöglichen. Die Stirnseiten wurden wie auf der Außenseite mit einer Neigung von 1 : 2 ausgeführt und ab dem Molenstrich an die Binnenneigung angepasst. Die Höhe der Linienmole sowie der beidseitig an die bestehenden Hafenmolen angeschlossenen Ablenkbuhnen wurde bis auf ein

44 Niveau von +2,2 mnn ausgebildet (Buhnenlängen l = 50 m, Böschungsneigungen 1:3; Bild 24). Bild 24: Variante III der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Buhnen (Draufsicht, schematisch) Damit wurde zum einen auch bei leicht erhöhten Wasserständen noch eine Sicht direkt auf das Wellenschutzbauwerk ermöglicht, zum anderen für die Sportschifffahrt die Sicht auf die Seeschifffahrtsstraße gewährleistet. Bei höheren Wasserständen wie z.b. Sturmfluten werden die überstaute Linienmole sowie die Seitenbuhnen als Unterwasserwellenbrecher vor der Hafeneinfahrt wirken (vergl. Variante II). Der durch die Linienmole und die seitlichen Buhnen entstehende Vorhafen wurde zusammen mit der Messkonfiguration (Wellen- und Strömungssonden) in Bild 25 fotographisch festgehalten. Die Zufahrtsbreite zwischen den Buhnenköpfen und der Linienmole betrug aufgrund der flachen Böschungsneigungen bei Tnw etwa 50 m

45 Bild 25: Variante III der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Buhnen Der angestrebte Überlagerungseffekt der schiffserzeugten langperiodischen Wellenanteile wurde bei Variante III im Ansatz erreicht, andererseits waren desgleichen hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Vorhafen -Zufahrten festzustellen, so dass in einer weiteren Variante die seitlichen Ablenkbuhnen wieder entfernt wurden Variante IV Linienmole ohne Buhnen Die Variante IV entsprach den Gegebenheiten der Variante III mit geschlossener Westeinfahrt und Rückbau der Spundwände in der Westeinfahrt sowie Rückbau sämtlicher Buhnen auf das vorherige Sohlniveau. Die Linienmole entsprach in Position und Abmessungen der vorherigen Variante III. Bild 26 zeigt die Draufsicht auf die Variante IV (schematisch), während Bild 27 einen Eindruck der Unterwassersohle zwischen Yachthafenmole und vorgesetzter Linienmole sowie der eingesetzten Messkonfiguration vermittelt. Die Variante IV erfüllte in ihrer Funktion die theoretischen Vorbetrachtungen und führte in sehr anschaulicher Weise zu den geplanten Überlagerungseffekten des langperiodischen schiffserzeugten Primärwellensystems (Bugstau, Absunk, Primärwelle) und dementsprechend zu einer Reduzierung der Strömungsbelastung in der Yachthafeneinfahrt (siehe Kapitel 5.6). Die in der Anlage beigefügten Kameraaufnahmen verdeutlichen diese Effekte

46 Bild 26: Variante IV der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole ohne Buhnen (Draufsicht, schematisch) Bild 27: Variante IV der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole ohne Buhnen Da bei extremer Absunkbelastung durch außermittig und tideunabhängig verkehrende große Containerschiffe (z.b. PPM46 bei Tnw) die hafenmolennahen Uferbereiche teilweise trocken fielen, so dass die Primärwelle ufernah als Rollbrecher am Deckwerk entlanglief, wurde in

47 einer weiteren Variante die Zufahrt zwischen bestehender Yachthafenmole und Linienmole vertieft Variante V Linienmole mit Vertiefung Gegenüber der Variante IV wurden aufgrund der flachen Uferbereiche die Zufahrt zum Yachthafen auf ein Höhenniveau von -5 mnn zwischen der vorhandenen Hafenmole und der Linienmole bei einer Länge von rund 330 m auf der Fläche von ca m 2 vertieft und annähernd übergangslos an die seitlich vorhandene Sohle und an die Tiefenlage der Hafeneinfahrt angepasst (Bild 28). Somit war zwar sichergestellt, dass in der Zufahrt zur Yachthafeneinfahrt in voller Breite auch bei Tideniedrigwasserbedingungen noch Wassertiefen bis zu annähernd h = 3,4 m zur Verfügung standen, allerdings ermöglichte die größere Wassertiefe in der Zufahrt einen höheren Energieeintrag bis zur Hafeneinfahrt. Bild 28: Variante V der Untersuchungen zur Reduzierung langperiodischer Belastungen von Sportboothäfen Linienmole mit Vertiefung (Draufsicht, schematisch)

48 5.6 Ergebnisdiskussion Zur übersichtlichen Präsentation der Ergebnisse der untersuchten Varianten wurden deren Linienführungen sowie die wichtigsten Messpositionen in einer schematischen Zeichnung dargestellt (Bild 29). Diese schematische Darstellung wird in verschiedenen Versionen in den jeweiligen Ergebnisdarstellungen zur Orientierung der Variante und der dargestellten Messposition verwendet. Bild 29: Varianten und Messkonfiguration (Wasserstands- und Strömungsmessung) im Nahbereich der Hafenzufahrt (schematisch) In den folgenden Grafiken der geschwindigkeitsabhängigen Strömungs- und Absunkkurven sind die verschiedenen Varianten farblich einheitlich dargestellt: Variante 0 (Referenzzustand): schwarz (gestrichelt) Variante I (Westeinfahrt geschlossen): blau Variante II (Var. I + Bogenmole ohne Buhne): rot Variante III (Var. I + Linienmole mit Buhnen): blaugrün Variante IV (Var. I + Linienmole ohne Buhnen): grün Variante V (Var. I + Linienmole mit Vertiefung): hellgrün Die Variante II 2 wurde in der folgenden Ergebnisbewertung nicht weiter verfolgt, da die zusätzliche Buhne keine abweisende Wirkung der langperiodischen Belastung zeigte, eher die Strömungs- und Wellenenergie auf die verengte Zufahrt Ost konzentrierte und gegenüber Variante II ein noch stärkeres Aufsteilen der Heckwelle in der Hafeneinfahrt bewirkte

49 Die für ausgewählte Varianten bei Hochwasserbedingungen (Thw = +1,9 mnn) mit größerem Schiffstiefgang (t = 14,8 m) gefahrenen Versuchsserien wurden aufgrund der geringeren äußeren Belastung nur beispielhaft für Vergleichsbetrachtungen zur hafeninternen Wellenunruhe analysiert (Kapitel 5.6.4) Variantenvergleich für schiffserzeugte Strömung Die Wirkung der verschiedenen Varianten hinsichtlich der geschwindigkeitsabhängigen schiffserzeugten Strömung wurde anhand der Positionen Elbe (Bild 30, oben), Zufahrt Mitte (Bild 30, mittig) und Hafeneinfahrt (Bild 29, unten) beispielhaft für Passagen des Containerschiffs PPM46 bewertet. Die Grafiken der geschwindigkeitsabhängigen lokalen maximalen resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten in Bild 30 verdeutlichen: Am Fahrrinnenrand (Bild 30, oben) zeigt die Schließung der westlichen Zufahrt zum Yachthafen keine Wirkung. Durch die Einbauten der Bogen- und Linienmole wird der Fließquerschnitt der Wasserstraße verringert und die Rückstromgeschwindigkeiten erhöhen sich um etwa +20 % auf Werte von z.b. v R 0,9 m/s bei v S = 10 kn. In der Zufahrt (Bild 30, mittig) ist eine deutliche Reduzierung der Strömungsbelastung etwa in gleicher Größenordnung bei den Varianten II, III und IV von z.b. ca % bei v S = 10 kn auf Werte von v R 0,4 m/s festzustellen. Eine gleichmäßige Vertiefung der Zufahrt (Variante V) führte vor allem bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten zu einem höheren Energietransport in der Zufahrt und somit zu einer verminderten Strömungsreduzierung (Vergleich zu Varianten III, IV). Dies ergab z.b. bei v S = 12 kn die gleiche Wirkung wie das Schließen der Westeinfahrt (ca %; Variante I). Noch deutlicher wird die Wirkung der Aufweitung (Demontage der Spundwände) und der Bogen- und Linienmolen (Varianten II V) in der Hafenzufahrt (Bild 30, unten). Durch diese Maßnahmen wurde eine geschwindigkeitsabhängige Reduzierung der Strömung auf Werte von etwa v 0,3 m/s bei v S = 10 kn und v 0,5 m/s bei v S = 12 kn erreicht (ca. -60 %). Schon die Schließung der Westzufahrt führte hier zu einem Rückgang der maximalen Strömungsgeschwindigkeit in der Hafeneinfahrt von über -10 %. Zusammenfassend lässt sich am Beispiel von Passagen des PPM46 feststellen, dass durch einige untersuchte Varianten eine Halbierung der schiffserzeugten Strömung in der geplanten Zufahrt im Vergleich zu den heutigen Bedingungen in der Hafeneinfahrt möglich ist. In der Hafeneinfahrt selbst ist eine schiffserzeugte Strömungsreduzierung um etwa -60 % möglich

50 v Res [m/s] 2.0 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III 1.5 PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQH v S [kn] 14 v Res [m/s] 2.0 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II 1.5 PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQW v S [kn] 14 v Res [m/s] 2.0 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II 1.5 PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQW v 14 S [kn] Bild 30: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Elbe (oben), Hafenzufahrt (mittig) und Hafeneinfahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw)

51 5.6.2 Variantenvergleich für schiffserzeugte, langperiodische Wellen Die Wirkung der verschiedenen Varianten hinsichtlich der geschwindigkeitsabhängigen schiffserzeugten, langperiodischen Wellen wurde zunächst anhand der Positionen Elbe und Zufahrt Mitte beispielhaft für Passagen des Containerschiffs PPM46 bewertet (Bild 31): Die langperiodische Wellenbelastung am Fahrrinnenrand der Elbe ändert sich aufgrund der Einbauten der Varianten II bis V nur gering (Bild 31, oben). Mittig der Zufahrt wird der erhebliche Einfluss der Abschirmung durch die Varianten II bis V deutlich (Bild 31, unten). Die Linienmole führt zu einer erheblichen Reduzierung um etwa -50 % bei v S = 10 kn, die Bogenmole (Var. II) erreicht nur geringere Werte. Die Vertiefung der Zufahrt (Variante V) wirkt dieser Tendenz entgegen (höherer Energieeintrag). Absunk [z A ] 1.4 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I 1.2 PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV 1.0 PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V v S [kn] 14 Absunk [z A ] 1.4 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I 1.2 PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III 1.0 PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQW v S [kn] 14 Bild 31: Geschwindigkeitsabhängiger schiffserzeugter Absunk im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Elbe (oben) und Hafenzufahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw)

52 Weiterhin wurde die Wirkung der verschiedenen Varianten hinsichtlich der geschwindigkeitsabhängigen schiffserzeugten, langperiodischen Wellen beispielhaft für Passagen des Containerschiffs PPM46 an den Positionen Hafeneinfahrt und innere Einfahrt bewertet: In der Hafeneinfahrt (Bild 32, oben) zeigt sich die gleiche Tendenz zur Wellenreduzierung durch die Varianten II und V wie in der Zufahrt mit Werten von etwa bei -40 %. Die Varianten III und IV erreichen wiederum ca. -50 %. Im Hafen selbst (innere Einfahrt; Bild 32, unten) sind bei moderater Passagegeschwindigkeit keine wesentlichen Änderungen der Wellenbelastung festzustellen. Erst ab Schiffsgeschwindigkeiten über v S > 10 kn wird eine leichte Wirkung der baulichen Varianten in gleicher Tendenz wie in der Hafeneinfahrt deutlich. Absunk [z A ] 1.4 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrtt geschlossen, Var. I 1.2 PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III 1.0 PPM46, Var. I + Linienmole ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQW v S [kn] 14 Absunk [z A ] 1.4 PPM46, Referenzzustand PPM46, Westeinfahrt geschlossen, Var. I 1.2 PPM46, Var. I + Bogenmole ohne Buhne, Var. II PPM46, Var. I + Linienmole mit Buhnen, Var. III 1.0 PPM46, Var. I + Linienmole Ohne Buhnen, Var. IV PPM46, Var. I + Linienmole mit Vertiefung, Var. V MQW v S [kn] 14 Bild 32: Geschwindigkeitsabhängiger schiffserzeugter Absunk im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei allen Varianten an den Positionen Hafeneinfahrt (oben) und innere Einfahrt (unten; PPM46, örtl. Tnw)

53 Der Ablauf der Wellenüberlagerung von Bugstau, Absunk und Primärwelle beim Bau einer Linienmole (Var. IV) wird beispielhaft anhand der Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkung in der Hafenzufahrt Ost, Mitte und West (Bild 32, v.l.n.r.) sowie in der Hafeneinfahrt bei einer Passage des PPM46 zu den Zeitpunkten t 1, t 2 und t 3 mit einer Schiffsgeschwindigkeit von v S = 11,7 kn diskutiert. Zum Zeitpunkt t 1 fährt das Containerschiff mit dem Bug auf Höhe der Zufahrt Ost, bei t 2 befindet es sich mittig hinter der Linienmole und bei t 3 hat das Schiff die Linienmole passiert (vergl. Skizze in Bild 33). Die Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkung sind nach ihren Messpositionen farblich gekennzeichnet mit rot: Zufahrt Ost, orange: Zufahrt Mitte, blau: Zufahrt West und hellgrün: Hafeneinfahrt (Bild 33). t 1 t 2 t 3 t 1 t 2 t 3 Bild 33: Wellenüberlagerung in der Hafenzufahrt (Ost, Mitte, West) und in der Hafeneinfahrt bei Passage eines großen Containerschiffs (PPM46 bei v S = 11,7 kn) bei Var. IV Die Überlagerung des schiffserzeugten langperiodischen Wellensystems nach Bau der Linienmole lässt sich anhand des Bilds 32 wie folgt herleiten: Zum Zeitpunkt t 1 wird im Bereich der Zufahrt Ost der Bugstau des Containerschiffs deutlich erfasst (rote Kurve), während wegen der längeren Wellenlaufzeit in der Zufahrt Mitte und West sowie der Hafeneinfahrt (orange, grüne und blaue Kurve) erst ein geringer Wasserspiegelanstieg festzustellen ist. Während zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 2 an der Zufahrt Ost schon der Absunk einsetzt, tritt das Bugstaumaximum in Fahrtrichtung sowohl gedämpft als auch phasenverschoben auf. Das längs der Linienmole entstehende Wasserspiegelgefälle

54 wird durch den Bugstau der Zufahrt West überlagert ( Der Absunk wird durch den Bugstau gefüllt. ), so dass das geringere Gefälle zwischen Hafeneinfahrt und Zufahrt infolgedessen zu einem reduzierten Ausstrom aus dem Hafen führt. Zum Zeitpunkt t 2 wird in der Zufahrt Ost der Absunk schon deutlich sichtbar (rote Kurve), während in der Zufahrt West (blaue Kurve) das Maximum des Bugstaus erfasst wird, der am westlichen Ende der Linienmole einläuft, aber geringer als in der Zufahrt Ost ausfällt, da die Bugwelle durch die Diffraktionsprozesse am Westende der Linienmole gedämpft ist. Zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 3 tritt in der Zufahrt Ost eine Umkehr von Absunk zur Primärwelle ein (rote Kurve), in der Zufahrt Mitte und Hafeneinfahrt (orange und grüne Kurve) wird annähernd zeitgleich das stark gedämpfte Absunkmaximum infolge des Füllprozesses von Westen und aus dem Hafenbecken registriert. Da das Containerschiff sich jetzt im westlichen Bereich der Linienmole befindet, setzt der Absunk in der Zufahrt West zeitversetzt ein (blaue Kurve). Durch den zum Zeitpunkt t 3 wirkenden Absunk in der Zufahrt West wird im ganzen Zufahrtsbereich ein westlich geneigtes Längsgefälle entlang der Linienmole erzeugt (rote, orange und grüne zu blauer Kurve), so dass die Primärwelle stark gedämpft vor der Hafeneinfahrt entlang läuft und somit wiederum nur ein reduzierter, gefällebedingter Einstrom in das Hafenbecken erfolgt. Nach dem Zeitpunkt t 3 wirken die phasenverschobenen Wasserspiegelschwankungen an Zufahrt Ost und West dämpfend auf das Wellensystem vor der Hafeneinfahrt, so dass das geringere Gefälle zwischen Hafen und Zufahrt (orange und grüne Kurven) wiederum zu reduzierten Strömungen in der Hafeneinfahrt führt. Fährt ein großes Containerschiff als Aufkommer von West nach Ost am Sportboothafen vorbei, läuft der Überlagerungsprozess in gleicher Weise - nur in entgegen gesetzter Richtung - ab, wobei die Wasserspiegelauslenkungen bei gleicher Passiergeschwindigkeit wegen des dann größeren Passierabstands zur Linienmole geringer sein werden

55 5.6.3 Fahrzeugabhängige, schiffserzeugte Belastungen bei Variante II Im Folgenden wird die Variante II vertieft betrachtet, da die Bogenmole im Rahmen einer Konzeptstudie zur Umgestaltung der Hafeneinfahrt des Hamburger Yachthafens von Seiten des Büros KNABE INGENIEURE als mögliche Zielvariante in die Untersuchungen eingebracht worden war (vergl. Kapitel 5.2, Bild 11). Die folgenden Grafiken der Bilder 34 und 35 zeigen die Abhängigkeit der schiffserzeugten Strömungen von der Schiffsgröße (somit auch Länge) und des Tiefgangs am Beispiel der Variante II (Var. I + Bogenmole ohne Buhne) auf. Darüber hinaus sind die im Referenzzustand gemessenen Werte aufgetragen. Dabei sind die Schiffsgrößen durch eine bestimmte Farbgebung dargestellt (PPM55: rötlich, PPM46: grünlich, PPM40: bläulich) und die Vergleichswerte von Referenzzustand und Variante II in Farbabstufungen (hell und dunkel) gekennzeichnet. In beiden Bildern (Bild 34 und 35) stellt die obere Grafik jeweils den Zustand außerhalb der Bogenmole dar, um bei der Analyse für die Positionen der Zufahrt Ost und Zufahrt Mitte (Bild 34) sowie für die Hafeneinfahrt und innere Einfahrt (Bild 35) jeweils identische Vergleichswerte zu haben. Die Auswirkungen verschiedener Schiffsgrößen und Tiefgänge sowie der Variante II (Bogenmole ohne Buhne) im Vergleich zum Referenzzustand sind wie folgt zu beschreiben: Flussseitig der Bogenmole (Bild 34 und 35, jeweils oben) sind eindeutige Abhängigkeiten von der Schiffsgröße festzustellen: Je größer das Fahrzeug, desto höher die schiffserzeugte Strömung. Die Querschnittseinengung im Flusssystem durch den Einbau der Bogenmole wirkt sich bei dem breiteren Schiff (PPM55) deutlicher aus als beim schmaleren Fahrzeug (PPM40). In der Zufahrt Ost (Bild 34, mittig) wird die Abhängigkeit der Strömungswerte von der Schiffsgröße deutlich, wobei die schiffserzeugten Strömungen nach Einbau der Variante II bis zu Schiffsgeschwindigkeiten von etwa v S = 10 kn in der gleichen Größenordnung des Referenzzustands liegen. Bei höheren Geschwindigkeiten nimmt die Strömung in der Zufahrt deutlich zu, was auf eine Stromumlenkung durch die Bogenmole und dann wirkende lokale bathymetrische Randbedingungen zurückzuführen ist. An der Messposition Zufahrt Mitte (Bild 34, unten) zeigt sich wiederum die Abhängigkeit der Strömung von der Schiffsgröße, andererseits sind schon bei geringen Schiffsgeschwindigkeiten deutliche Abnahmen der geschwindigkeitsabhängigen resultierenden Strömungsmaxima festzustellen. Da der Durchflussquerschnitt der Einfahrt gegenüber dem Referenzzustand deutlich vergrößert wurde (Demontage der Spundwände in der Einfahrt), sind die Auswirkungen auch an dieser Position merkbar. Die lokale Strömung entwickelt sich nur durch das absunkbedingte Wasserspiegelgefälle, während die Bogenmole die im Referenzzustand zusätzlich wirkende schiffserzeugte Verdrängungsströmung abhält

56 3.0 v Res [m/s] MQW PPM55, t = 13,80 m 1.0 PPM55, t = 13,80 m, V II PPM46, t = 13,80 m 0.5 PPM46, t = 13,80 m, V II PPM40, t = 12,80 m PPM40, t = 12,80 m, V II v S [kn] 16.0 v Res [m/s] MQH PPM55, t = 13,80 m 1.0 PPM55, t = 13,80 m, V II PPM46, t = 13,80 m 0.5 PPM46, t = 13,80 m, V II PPM40, t = 12,80 m PPM40, t = 12,80 m, V II v S [kn] 16 v Res [m/s] MQW PPM55, t = 13,80 m PPM55, t = 13,80 m, V II PPM46, t = 13,80 m PPM46, t = 13,80 m, V II PPM40, t = 12,80 m PPM40, t = 12,80 m, V II v 16.0 S [kn] Bild 34: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei Variante II (Bogenmole ohne Buhne) an den Positionen Elbe, Zufahrt Ost, Zufahrt Mitte (PPM55: Orange/rot; PPM46: Hellgrün/grün; PPM40: Hellbau/blau)

57 3.0 v Res [m/s] MQW PPM55, t = 13,80 m PPM55, t = 13,80 m, V II PPM46, t = 13,80 m PPM46, t = 13,80 m, V II PPM40, t = 12,80 m PPM40, t = 12,80 m, V II v S [kn] 16.0 v Res [m/s] MQW PPM55, t = 13,80 m PPM55, t = 13,80 m, V II PPM46, t = 13,80 m PPM46, t = 13,80 m, V II PPM40, t = 12,80 m PPM40, t = 12,80 m, V II v S [kn] Bild 35: Geschwindigkeitsabhängige schiffserzeugte Strömung im Nahbereich der Hafeneinfahrt im Referenzzustand und bei Variante II (Bogenmole ohne Buhne) an den Positionen Elbe, Hafeneinfahrt, innere Einfahrt (PPM55: Orange/rot; PPM46: Hellgrün/grün; PPM40: Hellbau/blau) In der Hafeneinfahrt (Bild 35, mittig) wirken sich die Schiffsgrößen nicht mehr so deutlich aus wie außerhalb der Bogenmole. Die geschwindigkeitsabhängigen, schiffserzeugten Gefälleströmungen zwischen Fluss und Hafen sind im Vergleich zum Referenzzustand infolge der Querschnittsaufweitung durch die Demontage der Spundwände in der Einfahrt

58 mehr als halbiert und erreichen annähernd unabhängig von der Schiffsgröße - bis zu v S 11 kn nur noch Maximalwerte in einer Größenordnung von rund v R 0,5 m/s (Referenzzustand: v R 1,2 m/s bis 1,8 m/s). An der Position innere Einfahrt (Bild 35, unten) sind zwar die Abhängigkeiten von Schiffsgrößen und Varianten sichtbar, die Differenzen fallen u.a. aufgrund von hafeninternen Walzenströmungen und Schwingungen deutlich geringer als im äußeren Bereich aus. Die jeweiligen geschwindigkeitsabhängigen, schiffserzeugten Maximalwerte liegen nach Einbau der Variante II in etwa in der gleichen Größenordnung wie an der Position Hafeneinfahrt. Somit zeigt sich die Variante II bei alleiniger Betrachtung der schiffserzeugten Strömungsgeschwindigkeit in der Hafeneinfahrt aufgrund des größeren Durchflussquerschnitts als eine positiv zu bewertende Variante, was vor allem bei der Passage von Aufkommern und bei Flutstrom zum Tragen kommen würde. Neben der Wirkung auf die schiffserzeugte Strömung in der Hafeneinfahrt ist die Wirkung der Variante II (Bogenmole ohne Buhne) hinsichtlich weiterer Belastungsgröße zu betrachten: Seegang: Die Bogenmole wird die Hafeneinfahrt gegen den Seegang aus nordwestlichen bis südlichen Richtungen auf der Elbe wirksam schützen. Seegang aus östlichen Richtungen wird durch Refraktion an den flachen Molenböschungen deutlich reduziert werden. Schiffserzeugte, langperiodische Wellen in der Zufahrt: Beispielhaft sind in Bild 36 die Wasserspiegelauslenkungen von Modellversuchen mit dem PPM55 bei etwa v S 11 kn in der Hafeneinfahrt für den Referenzzustand (blaue Kurven) sowie für zwei Versuche der Variante II (Var. I + Bogenmole ohne Buhne, rote/orange Kurven) aufgetragen: o Variante II führt aufgrund der Querschnittsaufweitung im Vergleich zum Referenzzustand (Variante 0; Bild 36, blaue Kurven) zu einem geringeren Absunk in der Hafeneinfahrt des Yachthafens (Bild 36, rote/orange Kurven) mit einer daraus folgenden reduzierten Gefälleströmung (s.o.; vergl. Bild 35, Mitte). o Nachteilig wirkt sich aus, dass die nach Osten ausgerichtete Bogenmole zu einer Kanalisierung und Konzentration der durch Abgänger erzeugten, am Ufer entlang laufenden und sich aufsteilenden Primärwelle (Bild 36, rote/orange Kurven) führt, wobei eine direkte Umlenkung der Wellenenergie in die Yachthafeneinfahrt erfolgt. Die in der Anlage beigefügten Kameraaufnahmen verdeutlichen u.a. diese beschriebenen Effekte. Dieser nachteilige Effekt der Variante II wird bei Aufkommern in sehr viel geringem Maß nur infolge von Wellendiffraktion am Molenkopf auftreten

59 [m] Bogenmole Var. II [m] Referenzzustand Var. 0 Zeit [s] Bild 36: Variante II: Wasserspiegelauslenkung in der Hafeneinfahrt bei Passage des PPM55 (v S 11 kn) bei den Varianten 0 und II Sedimentation: Ein weiterer Nachteil der nach Oberstrom offenen Bogenmole ist die Verlängerung der Hochwasserstauzeit im Yachthafen und die daraus folgende stärkere Sedimentation von Schwebstoffen, da der in der Elbe ablaufende Ebbestrom in die Bogenmole und das Hafenbecken drückt. Der Staueffekt verzögert somit die Entleerung des Hafenbeckens und führt im Vergleich zum Referenzzustand erst ab einer deutlich größeren Wasserstandsdifferenz zwischen Yachthafen und Elbe zu einem Ausstrom (Verzögerter Aufbau eines Energiegefälles)

60 5.6.4 Schiffserzeugte, langperiodische Wellenunruhe im Hafenbecken Nach der Passage großer Schiffe vor dem Sportboothafen treten über einen Zeitraum bis zu etwa 40 Minuten langperiodische Wasserspiegelschwankungen im Hafenbecken auf. Als Maß zur Bewertung der untersuchten Varianten hinsichtlich der Dämpfung dieser hafeninternen Schwingungen wurde die Standardabweichung σ [m] der Wasserspiegelauslenkung in der am entferntesten von der Einfahrt gelegenen Nordwest-Ecke des Yachthafens nach Passage eines großen Containerschiffs mit erhöhter Schiffsgeschwindigkeit gewählt (PPM55, v S 11 kn). Zur Absicherung der Ergebnisse wurden jeweils mehrere Fahrten analysiert und in Form eines Balkendiagramms als Variantenvergleich der Standardabweichung aufgetragen (Bild 37). Die Werte der Standardabweichung wurden in Abhängigkeit der Varianten verschiedenfarbig hinterlegt: Variante 0 ( Heute = Referenzzustand): grau Variante I (Westeinfahrt geschlossen): blau Variante II (Var. I + Bogenmole ohne Buhne): rot Variante II 2 (Var. I + Bogenmole mit Buhne): orange Variante III (Var. I + Linienmole mit Buhnen): blaugrün Variante IV (Var. I + Linienmole ohne Buhnen): grün Variante V (Var. I + Linienmole mit Vertiefung): hellgrün Die Analyse der variantenabhängigen Standardabweichung der langperiodischen Wasserspiegelschwankungen im Hafenbecken anhand der Auftragungen in Bild 37 verdeutlicht: Durch Schließen der Westeinfahrt (Variante I) erfolgt eine Reduzierung der Wellenunruhe um rund -40 %, da die Schwingungen im Hafenbecken nur durch die Wellen einer Einfahrt (geringerer Energieeintrag) angeregt werden (Blaue Balken). Die stärkste Verringerung der Wellenunruhe bis zu rund -60 % wird durch Schließen der Westeinfahrt (Variante I), Aufweitung der Osteinfahrt und Bau der Bogenmole unabhängig von einer zusätzlichen Abweiserbuhne erreicht (Varianten II und II 2 ; rote und orange Balken). Die jeweiligen Varianten der Linienmole (inklusive Variante I und Aufweitung Osteinfahrt) ergeben durch die Überlagerung der Schiffswellensysteme eine Reduzierung des Energieeintrags in der Hafeneinfahrt und somit der hafeninternen Schwingungen bis zu rund -50 % (Grüne Balken). Der Einsatz von Abweiserbuhnen und die Vertiefung der Zufahrtsbereichs vermindern den positiven Überlagerungseffekt (Blaugrüne und hellgrüne Balken)

61 Var. 0 Var. I Var. II Var. II 2 Var. III Var. IV Var. V Bild 37: Variantenvergleich der Standardabweichung der langperiodischen Wasserspiegelauslenkung als Maß der schiffserzeugten Wellenunruhe im Hafenbecken am Beispiel der NW-Ecke des Hamburger Yachthafens (PPM55, v S 11 kn, Tnw) Die hier festgestellte positive Wirkung der Varianten II wird allerdings durch die Analysen der vorherigen Kapitel zur Wellenbelastung im Vorhafen und in der Hafeneinfahrt selbst relativiert (vergl. Kapitel und 5.6.3). Die räumliche Verteilung der durch Schiffspassagen in der Elbe angeregten Wasserspiegelauslenkung im Hafenbecken wird anhand der zwei Blasengrafiken in Bild 38 deutlich, die darüber hinaus annähernd einen Vergleich der hafeninternen Wellenunruhe bei Thw und Tnw zulassen. Als Maß der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkung wurde die Standardabweichung vom Mittelwert der gemessenen Zeitreihen jeweils nur eines Versuchs über einen Zeitraum von ca. 27,5 Minuten (Naturwert) an den jeweiligen Messpositionen gewählt. Die Blasenfläche ist in der jeweiligen Grafik proportional den jeweils nebenstehenden Werten der Standardabweichung σ in [m] und wurde für Passagen des PPM46 als Abgänger bei Thw (+1,9 mnn) mit einer Schiffsgeschwindigkeit von v S = 12,5 kn (Bild 38, obere Grafik) sowie bei Tnw (-1,62 mnn) mit v S = 11,9 kn (Bild 38, untere Grafik) ausgewertet und aufgetragen. Das Koordinatensystem wurde aus Darstellungsgründen leicht verzerrt, dargestellt sind beispielhaft zwei ausgewählte Versuche der Variante V

62 Standardabweichung der Wasserspiegelauslenkung Vergleich Thw und Tnw für Variante V Zeitreihenauswertung über ca. 27,5 Minuten Variante V Abgänger PPM46 t = 14.8 m v S = 12,8 kn Thw = +1,9 mnn Variante V Abgänger PPM46 t = 13.8 m v S = 11,9 kn Thw = -1,62 mnn Bild 38: Räumliche Verteilung sowie Vergleich der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkungen vor und in dem Hafenbecken beispielhaft für Variante V bei Passagen des PPM46 bei Thw (oben) und Tnw (unten) mittels Standardabweichung in [m] (Koordinatenachsen verzerrt)

63 Diese räumliche Darstellungsart der schiffserzeugten Wellenunruhe im Hafenbecken beispielhaft für die Variante V veranschaulicht, dass infolge von Überlagerungseffekten eine deutliche Abnahme der Wellenunruhe im Hafen gegenüber den Eingangswerten vor der Linienmole und in der Zufahrt erfolgt, dass im diesem Hafenbecken die jeweils höchsten Belastungen u.a. in der NW-Ecke des Hafens (unten rechts) infolge Reflexion an den Beckenrändern zu erwarten sind, dass trotz deutlich geringerer Schiffsgeschwindigkeit bei Tnw (Bild 38, unten) außerhalb der Linienmole die σ-werte etwa in der gleichen Größenordnung wie bei Thw (höhere v S bei größerem Querschnittsverhältnis) ermittelt wurden, dass bei Thw wegen unterschiedlicher, wassertiefenabhängiger Wellenumformungsund Überlagerungseffekte in der Zufahrt geringere Werte als außerhalb der Linienmole erfasst wurden, dass bei Thw (Bild 38, oben) aber aufgrund eines anderen Schwingungsverhaltens im Hafenbecken selbst im Mittel eine intensivere Wellenunruhe (leicht höhere Werte) festgestellt wurde Ausbreitung kurzperiodischer Wellen am Beispiel der Variante V Hinsichtlich der Schutzwirkung der Linienmole gegen kurzperiodische Wellen, vergleichbar mit windgeneriertem Seegang auf der Unterelbe, waren zusätzliche Untersuchungen erforderlich. Ausgewählt für diese Systemversuche wurde die Variante V mit vertiefter Zufahrt inklusive Schließen der Westeinfahrt und Aufweitung der Osteinfahrt, da bei dieser Variante V ohne die zusätzlichen Abweiserbuhnen sowie bei der größeren Wassertiefe in der Zufahrt der geringste Schutz gegen kurze Wellen und somit auf der sicheren Seite liegend - ein maximaler kurzperiodischer Energieeintrag zu erwarten war. Dazu wurden durch sehr schnelle Passagen eines Feederschiffs (l = 189 m, b = 28 m, t = 8 m, 17 kn < v S < 19 kn) als Aufkommer kurzperiodische Sekundärwellen mit Perioden zwischen 1 s < T S > 8 s etwa aus Richtung Südwest generiert und deren Ausbreitung in der Fahrrinne, am Fahrrinnenrand seewärts der Linienmole sowie an den Positionen Zufahrt Mitte, Hafeneinfahrt und innere Einfahrt analysiert. Die Ergebnisse der Zeitreihenanalyse nach Herausfiltern der langperiodischen Anteile sind jeweils Mittelwerte der maximalen Sekundärwelle H S von drei Passagen und für die gewählten Positionen in Form eines Balkendiagramms in Bild 39 für Tidehochwasser- und Tideniedrigwasserbedingungen aufgetragen

64 Bild 39: Wellenausbreitung kurzperiodischer Sekundärwellen 1 s < T S < 8 s bei Variante V in der Fahrrinne, am Fahrrinnenrand, Zufahrt Mitte, Hafeneinfahrt, innerer Einfahrt und Hafenbecken Die Überprüfung der Linienmole Variante V hinsichtlich ihrer Wirkung gegen kurzperiodische Wellen ergab, dass infolge der flachen, inneren Böschungsneigung der Linienmole von 1:4 durch Wellenrefraktion vom Molenkopf bis zur Zufahrtsmitte und zur Einfahrt des Sportboothafens schon eine Energiedissipation auf 20 % der (Eingangs-) Wellenhöhe vor der Linienmole erreicht wird, dass bei Tideniedrigwasser trotz höherer Ausgangswelle in der Fahrrinne eine noch deutlich stärkere Abminderung als bei Thw stattfindet, dass somit eine hinreichende Schutzwirkung gegen kurzperiodische (schiffs- oder winderzeugte) Wellen gegeben ist

65 5.6.6 Zusammenfassende vergleichende Bewertung der Varianten Variante I (Var. I = Westeinfahrt geschlossen) Keine Wirkung auf Wellen und Strömung in der Hafeneinfahrt Ost Reduzierung der hafeninternen Wellenunruhe um ca. -40 % Variante II (Var. I + Bogenmole ohne Buhne) Deutliche Reduzierung der Strömung in der Hafeneinfahrt um ca. -60 % Deutlich Reduzierung der Wellenhöhe vor und in der Hafeneinfahrt um ca. -40 % Umlenkung und Eintrag von ufernaher Primärwellenenergie in die Hafeneinfahrt Verlängerung der Stauzeit bei Hochwasser durch Ebbestrom Zunahme der Sedimentation im Hafenbecken Reduzierung der hafeninternen Wellenunruhe um ca. -60 % Variante II 2 (Var. I + Bogenmole mit Buhne) Negative Wirkung der Buhnen im Verhältnis zu Variante II Variante III (Var. I + Linienmole mit Buhnen) Deutliche Reduzierung der Strömung in der Hafeneinfahrt um ca. -60 % Deutliche Reduzierung der Wellenhöhe vor und in der Hafeneinfahrt um ca. -50 % Reduzierung der hafeninternen Wellenunruhe um ca. -40 % Hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Vorhafen -Zufahrten Energiedissipation kurzer Wellen durch Refraktionseffekte an der Binnenböschung Variante IV (Var. I + Linienmole ohne Buhnen) Deutliche Reduzierung der Strömung in der Hafeneinfahrt um ca. -60 % Deutliche Reduzierung der Wellenhöhe vor und in der Hafeneinfahrt um ca. -50 % Reduzierung der hafeninternen Wellenunruhe um ca. -50 % Energiedissipation kurzer Wellen durch Refraktionseffekte an der Binnenböschung Variante V (Var. I + Linienmole mit Vertiefung) Negative Wirkung der Vertiefung im Verhältnis zu Variante IV Reduzierung der hafeninternen Wellenunruhe um -40 % Energiedissipation kurzer Wellen in Hafeneinfahrt auf 20 % des Eingangssignals Gemäß Aufgabenstellung wird Variante IV als zielführend hinsichtlich der Überlagerung des langperiodischen, schiffserzeugten Wellensystems und der daraus folgenden Reduzierung der schiffserzeugten Gefälleströmung in der Hafeneinfahrt bewertet

66 5.7 Hinweise für andere Hafenanlagen Die Grundsatzuntersuchungen zur Reduzierung langperiodischer, schiffserzeugter Belastungen von Sportboothäfen an Seeschifffahrtsstraßen am Beispiel des Hamburger Yachthafens haben gezeigt, dass prinzipiell bei Einbau einer Linienmole vor dem Hafen durch Ausnutzen von Überlagerungseffekten des Primärwellensystems mit Bugstau Absunk Primärwelle eine Verringerung des Wasserspiegelgefälles zwischen Hafenbecken und Wasserstraße und somit eine Abnahme der schiffserzeugten Gefälleströmung in der Hafeneinfahrt erreicht werden kann. Die Wirkungsweise der Linienmole (hier: Länge 220 m) wurde für große Fahrzeuge mit Schiffslängen zwischen 320 m < L < 360 m nachgewiesen. Für andere Wasserstraßen ist die Länge der Mole an den Verkehr mit z.b. vorwiegend kleineren Fahrzeugen wie beispielsweise Feeder- oder Binnenschiffen mit Fahrzeuglängen l < 200 m anzupassen. Der Abstand der Linienmole vor der Hafeneinfahrt ist allein durch die erforderliche Einfahrtsbreite für den ein- oder zweischiffigen Sportbootverkehr gegeben, wobei die ggf. erforderliche Schutzwirkung gegen kurzperiodische schiffs- oder winderzeugte Wellen dann wiederum auch die Länge der Mole in Abhängigkeit des Abstands bestimmt. Die vom äußeren Energieeintrag angeregte interne Wellenunruhe wird durch die Einfahrtsbreite sowie die Form des Hafenbeckens beeinflusst, wie von KUNZ (1977) durch umfangreiche Untersuchungen dokumentiert wurde. Eine Übertragung der Ergebnisse auf andere Anliegerhäfen an stark befahrenen Wasserstraßen ist nicht ohne weiteres zulässig und muss aufgrund möglicher lokaler Randbedingungen (z.b. durch örtliche Bathymetrie bedingte Wellenumformungsprozesse) im Detail nach Stand der Technik durch weitergehende Untersuchungen überprüft werden

67 6 Schlussfolgerung und Empfehlungen Das wissenschaftliche und methodische Vorgehen bei der Bearbeitung dieses Forschungsprojekts u.a. in enger Abstimmung mit der Praxis sowie betroffenen Anliegern an Seeschifffahrtsstraßen ermöglichte eine ganzheitliche Betrachtung der Problemstellung und eine zielführende Variantenentwicklung mit Hinweisen auch für andere Hafenanlagen. Der Einsatz eines Linienbauwerks vor einem Hafen zur Reduzierung der schiffserzeugten Gefälleströmung in der Einfahrt unter Ausnutzung der Überlagerung schiffserzeugter langperiodischer Wellen ist prinzipiell möglich. Der Anteil der Verlängerung des Strömungswegs an der Verringerung der Ein- und Ausstromamplitude in der Einfahrt wurde nicht explizit ermittelt, wird aber aufgrund der hohen potentiellen und kinetischen schiffserzeugten Wellenenergie nur gering sein. Zur optimierten Anwendung eines Linienbauwerks für andere Hafenanlagen an Wasserstraßen werden zusätzliche fachwissenschaftliche Untersuchungen empfohlen. Für einen weitergehenden Entwurf und die Bemessung des erforderlichen Bauwerks mit möglicherweise an örtliche Randbedingungen angepasste Konstruktionen (z.b. außen Spundwand, innen flache Böschung) ist auf das einschlägige Schrifttum zu verweisen (u.a. BRINKMANN, 2005; EAK, 2002; BERGMANN et al., 1999). Hamburg, 05. November 2010 Im Auftrag Bearbeiter gez. BDir Dipl.-Ing. H. Rahlf Referatsleiter gez. Dr.-Ing. K. Uliczka Wiss. Angestellter

68 7 Literaturverzeichnis BAW Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt, Ermittlung und Bewertung ausbaubedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastung Schiffswellen und Strömung, BAW-Nr /3423, Hamburg 1996 BAW Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt, Fachliche Stellungnahme zum Schreiben der Hamburger Yachthafengemeinschaft e.v. vom , K-Fl/ge vom an das WSA HH, SB4, Hamburg 2000 (unveröffentlicht) BAW Umgestaltung der Hafeneinfahrt - Fachgespräch BAW mit STEPHAN KNABE + PETER KNABE, Beratende Ingenieure, Wedel Vermerk vom , Hamburg 2005a (unveröffentlicht) BAW Neugestaltung von Yachthafen-Einfahrten an Seeschifffahrtsstraßen am Beispiel des Hamburger Yachthafens auf Basis der Erkenntnisse aus den Modellversuchen "Begegnungsstrecke Wedel" Vermerk vom , Hamburg 2005b (unveröffentlicht) BAW Anpassung der Fahrrinne von Unter- und Außenelbe an die Containerschifffahrt - Ausbaubedingte Änderungen der schiffserzeugten Belastungen BAW-Nr.: A H.1d, Hamburg Bergmann, H. Kortenhaus, A. Muttray, M. Größere Schiffe, größere Wassertiefen in den Häfen, größere Wellenschutzbauwerke - Aktueller Stand und Entwicklungen HANSA Schiffahrt Schiffbau Hafen, 136. Jhrg. Nr. 1, 1999 Brinkmann, B. Seehäfen Planung und Entwurf Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 ISBN X EAK Empfehlungen für die Ausführungen von Küstenschutzwerken Die Küste, Archiv für Forschung und Technik an der Nord- und Ostsee Heft 65,

69 Eggert, W.-D. Diffraktion und Wellentransmission an Tauchwänden endlicher Länge Ein Beitrag zur Bestimmung der Wellendämpfung teildurchlässiger Wellenbrecher Mitteilungen des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Universität Hannover, Heft 56, Hannover 1983 Eranti, E. Alasiutua, J. Kullaa, J. Silander, J. Structural continuity Key to improved performance of pontoon piers and breakwaters PIANC / AIPCN, Bulletin No. 89, Brüssel 1996 Graw, K.-U. Wellenenergie HANSA Schiffahrt Schiffbau Hafen, 136. Jhrg. Nr. 1, 1999 Habi, M. Kranawettreiser, J. Schwimmende Folientauchwand als durchbrochener Wellenbrecher Wasser & Boden, 50/12. S , Blackwell Wissenschaftsverlag, Berlin 1999 Kunz, H. Schiffsschwall und Sunk in seitlich einer Wasserstraße angeordneten Becken Mitteilungen des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Technischen Universität Hannover, Heft 46, Hannover 1977 Matheja, A. Schmidt, B. Sendzik, W. Milbradt, P. Schlurmann, T. Wave systems in a tidal river port induced by passing POSTPANMAXships, Part I: Numerical simulation of water level variations and currents Abstract 31 st International Conference on Coastal Engineering, Hamburg 2008 Murali, K. Mani, J.S. Performance of cage floating break water Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering July/August

70 Anlage: Datenträger mit MS-Powerpoint-Präsentation von u.a. Kameraaufnahmen ausgewählter Varianten (*.pps, *.ppt, *.pdf) und IWF Kurzfilm (IWF2010) (nur für gedruckte Exemplare)

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