Mittel- und langfristiges Strombaukonzept für die Tideelbe Systemstudie zur Auswirkung der Schaffung von Flutraum im Bereich der Alten Süderelbe

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1 Mittel- und langfristiges Strombaukonzept für die Tideelbe Systemstudie zur Auswirkung der Schaffung von Flutraum im Bereich der Alten Süderelbe BAW Nr. A

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3 Mittel und langfristiges Strombaukonzept für die Tideelbe Systemstudie zur Auswirkung der Schaffung von Flutraum im Bereich der Alte Süderelbe Auftraggeber: Wasser- und Schifffahrtsdirektion Nord Wasser- und Schifffahrtsamt Hamburg Hamburg Port Authority Auftrag vom:, Az.: A; Auftrags-Nr.: BAW-Nr. A Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich Referat: Ästuarsysteme II (K3) Bearbeiter: Dr. G. Seiß Dipl.-Ing. (FH) F. Böker Dipl. Ozeanogr. M. J. Boehlich Hamburg, Das Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentlichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW. Bundesanstalt für Wasserbau Wedeler Landstr Hamburg ( 4)

4 Zusammenfassung Die Tideelbe hat in den vergangenen 1 Jahren erhebliche antropogene Veränderungen erfahren, deren Auswirkungen sich in gegenüber früher erhöhten Wasserständen, Strömungsgeschwindigkeiten, Salzgehalten und Feststofftransporten manifestieren. Die Projektgruppe Strombau befasst sich mit einer mittel- und langfristigen Strombaukonzeption an der Elbe, die vor allem die Verbesserung der Unterhaltung des Ästuars zum Ziel hat. Hierzu wurde ein Auftrag an die BAW erteilt, verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Nachdem zuerst diverse Maßnahmen gemeinsam mit Hilfe des 3D-Elbe-Simulationsmodells untersucht wurden, sollen die erfolgversprechendsten davon einzeln untersucht werden. Als erstes wird in dieser Studie der Wiederanschluss einer aufgeweiteten Alten Süderelbe an die Tideelbe über den Finkenwerder Vorhafen untersucht. Diese Maßnahme wurde im dreidimensionalen hydronumerischen Modell unter Berücksichtigung von Salz- und Sedimentdynamik untersucht. Die Maßnahme bewirkt, dass der Tidehub in der Unterelbe großräumig auf über 1 (Brunsbüttel bis Geesthacht) um bis zu 1 cm gesenkt wird. Die Salzgehaltsverteilung und die Lage der Brackwassergrenze werden nicht nachteilig beeinflusst. In der Sedimentdynamik des suspendierten Materials ergibt sich eine positive Entwicklung in der Unterelbe. Die Maßnahme wird als gut geeignet eingestuft, um eine dauerhafte Verbesserung der hydrologischen Bedingungen in der Tideelbe zu gewährleisten. Es ist davon auszugehen, dass die Maßnahme auch zur Verbesserung der Unterhaltung der Hamburger Häfen beitragen kann. Vertiefte Untersuchungen zur Optimierung von Rauhigkeit, Tiefe und Anschlussquerschnitt werden als Grundlage bei einer konkreten Planung empfohlen. Seite I

5 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Veranlassung und Aufgabenstellung 1 2 Unterlagen und Daten Systemgeometrie der zu betrachtenden Maßnahme Alte Süderelbe 2 3 Bearbeitungskonzept Mathematische Simulationsverfahren Analyse und Bewertung 5 4 Ergebnisse Veränderungen des Wasserstandes Veränderung der Strömungsverhältnisse Veränderung der Salzgehaltsverhältnisse Veränderungen in der Schwebstoffdynamik 9 5 Bewertung der Maßnahme 26 6 Literaturverzeichnis 28 Seite II

6 Bildverzeichnis Seite Bild 1: Bereich der Maßnahme "Alte Süderelbe" 2 Bild 2: Tidehochwasser für den Vergleichszustand (AZS_ASE). 1 Bild 3: Differenz des Tidehochwassers (AZS_ASE AZS_all). 1 Bild 4: Tideniedrigwasser für den Vergleichszustand (AZS_all). 11 Bild 5: Differenz des Tideniedrigwassers (AZS_ASE AZS_all). 11 Bild 6: Tidehub für den Vergleichszustand (AZS_all). 12 Bild 7: Differenz des Tidehubes (AZS_ASE AZS_all). 12 Bild 8: Mittlere Ebbestromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). 13 Bild 9: Differenz der mittleren Ebbestromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). 13 Bild 1: Mittlere Flutstromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). 14 Bild 11: Differenz der mittleren Flutstromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). 14 Bild 12: Maximale Ebbestromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). 15 Bild 13: Differenz der maximalen Ebbestromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). 15 Bild 14: Maximale Flutstromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). 16 Bild 15: Differenz der maximalen Flutstromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). 16 Bild 16: Maximaler Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 17 Bild 17: Differenz des maximalen Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 17 Bild 18: Minimaler Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 18 Bild 19: Differenz des minimalen Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 18 Bild 2: Mittlere Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 19 Bild 21: Differenz des mittleren Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 19 Bild 22: Salzgehaltsvariation für den Vergleichszustand (AZS_all). 2 Bild 23: Differenz der Salzgehaltsvariation (AZS_ASE AZS_all). 2 Bild 24: Maximaler Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 21 Bild 25: Differenz des maximalen Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 21 Bild 26: Minimaler Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 22 Bild 27: Differenz des minimalen Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 22 Bild 28: Mittlerer Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). 23 Bild 29: Differenz des mittleren Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). 23 Bild 3: Schwebstoffgehaltsvariation für den Vergleichszustand (AZS_all). 24 Bild 31: Differenz der Schwebstoffgehaltsvariation (AZS_ASE AZS_all). 24 Bild 32: Verhältnis der advektiven Schwebstofftransporte für den Vergleichszustand (AZS_all). 25 Bild 33: Differenz des Verhältnisses der advektiven Schwebstofftransporte (AZS_ASE AZS_all). 25 Seite III

7 1 Veranlassung und Aufgabenstellung Das mittel- bis langfristige Strombaukonzept verfolgt das Ziel, Unterhaltungsmaßnahmen zu reduzieren, ohne die Nutzung der Wasserstrasse zu beeinträchtigen. Einen Unterhaltungsschwerpunkt bildet hier die Unterelbe stromauf von Brunsbüttel, wo die Tidewelle zu einem stromauf gerichteten (Flutstrom-dominanten) Transport führt. Insbesondere Feinsedimente werden so in den Hafen eingetragen und müssen dort gebaggert und abtransportiert werden. Diese Feinsedimente sind teilweise mit Schwermetallen aus Industrieabwässern und Schiffsanstrichen sowie organischen Giften belastet. Für diese Sedimente ist eine besonders aufwändige Behandlung an Land erforderlich. Ziel muss es daher sein, die Sedimentumlagerungen zu reduzieren und dadurch die Baggereinsätze auf ein nicht vermeidbares Minimum zu beschränken. Sedimente werden durch Strömungen bewegt, die ihre Ursache in der Tidebewegung haben, und / oder durch Wellen (Windsee, Dünung, Schiffswellen) induziert werden. Im Laufe der Entwicklung der Wasserstraße hat sich insbesondere die tidebedingte Grundströmung aufgrund des vergrößerten Tidehubes verstärkt. Außerdem hat die Schiffswellenbelastung erheblich zugenommen. Die Richtung der Transporte der Sedimente ist maßgeblich durch das Verhältnis von Flutstrom zu Ebbestrom bestimmt. Der Anschluss der Alten Süderelbe war schon häufiger als Ausgleichsmaßnahme im Rahmen von Planfeststellungsverfahren im Gespräch. Diese Planungen umfassten jedoch nur den Anschluss des bestehenden Gewässers ohne eine Erweiterung der Wasserfläche. Auch im Rahmen von früheren Systemstudien wurde bereits eine solche Systemveränderung betrachtet (BAW, 23). Ziel der vorgestellten Maßnahme ist die Reduktion der Sedimentation stromauf von Wedel. In den vergangenen Jahren ist der Tidehub angestiegen und parallel dazu der Sedimentanfall im Bereich des Hamburger Hafens. Die Projektgruppe Strombau ist bei Ihrer Suche nach diese Sedimentation verringernden Maßnahmen davon ausgegangen, dass dies solche Maßnahmen sein könnten, die den Tidehub wieder verringern. Im oberen Teil eines Ästuars lässt sich der Tidehub durch Vergrößerung des Tidevolumens reduzieren. Die Maßnahme Alte Süderelbe wirkt wie erwartet: der Tidehub und die Flutstromdominanz werden reduziert. Seite 1

8 2 Unterlagen und Daten 2.1 Systemgeometrie der zu betrachtenden Maßnahme Alte Süderelbe Zur besseren Verständlichkeit dieses Gutachtens werden die geplanten baulichen Maßnahmen in kurzer Form beschrieben. Die Alte Süderelbe ist ein von der Tide abgeschnittener Nebenarm der Elbe, der früher die Süderelbe bei Harburg mit dem Mühlenberger Loch verband. Durch die Abtrennung ist die Alte Süderelbe zu einem Binnengewässer umgebildet worden. Um die Wirkung der Maßnahme auf den Tidehub zu maximieren, sollen die umgebenden tiefliegenden Flächen bis zum Deich auf NN -2m abgetragen werden um so ein großes Flachwassergebiet entstehen zu lassen. Die künstlich aufgehöhten Flächen Blumensand/Pflugsand sollen als Insel erhalten bleiben. Das Gewässer wird über den Finkenwerder Vorhafen an die Tideelbe angeschlossen. Das modellierte Gewässer hat eine gleichmäßige Tiefe von NN -2m(siehe Bild 1). NN -2. m Insel Alte Süderelbe Bild 1: Bereich der Maßnahme "Alte Süderelbe" Die Abweichungen gegenüber einer bereits früher untersuchten Maßnahme betreffen zum einen die Größe der Fläche, zweitens die Breite des Anschlussquerschnitts sowie drittens die Wassertiefe. Seite 2

9 Zur Optimierung der Wirkung ist bei einer konkreten Planung der Einfluss verschiedener Wassertiefen, die Wirkung der Form und die Wirkung verschiedener Anschlussquerschnitte näher zu untersuchen. Die Maßnahme wird in den Vergleichszustand eingebaut. Dieser entspricht der Variante AZ385S der Untersuchungen zur Fahrrinnenanpassung inklusive Ausgleichsmaßnahmen (AZS_all) der Untersuchungen zur Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe (BAW 26a). 3 Bearbeitungskonzept 3.1 Mathematische Simulationsverfahren In der vorliegenden Studie waren die Wirkungen der Maßnahme Alte Süderelbe als Teilmaßnahme im Rahmen des mittel- und langfristigen Strombaus auf die Tidedynamik, den Salz- und Schwebstofftransport zu ermitteln und zu beschreiben, um damit eine weitere Grundlage für eine Diskussion zu schaffen. Durch die Maßnahme wird infolge der Vergrößerung des Tidevolumens im Bereich Hamburgs bei sonst gleichbleibender Geometrie eine Wirkung auf die Amplitude der von der Nordsee her einschwingenden Tide erwartet, so dass es zu Veränderungen der Tidekennwerte (z.b. Tidehoch-, Tideniedrigwasser, Flut- und Ebbeströmungen) in der Unterelbe kommt. Die Prognose solcher Auswirkungen ist nach Stand von Technik und Wissenschaft mit wasserbaulichen Systemanalysen unter zu Hilfenahme einer dreidimensionalen hydrodynamisch numerischen Modellierung möglich. Das verwendete 3D HN-Modell bildet die physikalischen Prozesse im Elbe-Ästuar mit Hilfe des numerischen Verfahrens UnTrim dreidimensional ab. Bei dem mathematischen Verfahren UnTRIM handelt es sich um eine Entwicklung, die von Prof. Vincenzo Casulli (Universität Trient, Italien) durchgeführt wurde. UnTRIM ist ein semiimplizites Finite - Differenzen (-Volumen) Verfahren zur numerischen Lösung der dreidimensionalen Flachwassergleichungen sowie der dreidimensionalen Transportgleichung für Salz, Wärme, Schwebstoffe sowie suspendierte Sedimente. UnTRIM arbeitet auf einem unstrukturierten, orthogonalen Gitter (UOG). Hierbei wird das Lösungsgebiet von einer endlichen Anzahl konvexer Polygone (Dreiecke, Vierecke) überlappungsfrei überdeckt. Ein Gitter entspricht genau dann einem UOG, wenn innerhalb eines jeden Polygons ein Punkt (Zentrum) bestimmt werden kann, so dass jede Verbindungslinie zu einem Zentrum eines Nachbarpolygons die gemeinsame Seite der Polygone senkrecht schneidet. Physikalische Prozesse Die folgenden physikalischen Prozesse werden in dem mathematischen Modell zur Berechnung der Hydrodynamik und des Transports gelöster Stoffe berücksichtigt: reynoldsgemittelte Navier - Stokes - Gleichung (RANS) Seite 3

10 lokale Beschleunigung (Massenträgheit) advektive Beschleunigung Coriolisbeschleunigung barotroper Druckgradient barokliner Druckgradient hydrostatische oder nicht-hydrostatische Druckverteilung horizontale turbulente Viskosität (lokal isotrop, zeit- und ortsvariabel) turbulente Viskosität in Vertikalrichtung unter Berücksichtigung der vertikalen Dichteschichtung Bodenreibung Impulseintrag durch den Wind Quellen und Senken (Zu- und Abflüsse) Transport konservativer Tracer advektiver Transport durch die Strömung optionaler flux limiter : Minmod, van Leer oder Superbee horizontale turbulente Diffusivität (lokal isotrop, zeit- und ortsvariabel) turbulente Diffusivität in Vertikalrichtung unter Berücksichtigung der vertikalen Dichteschichtung Berechnungsergebnisse Folgende Berechnungsergebnisse werden durch das mathematische Modell an den diskreten Berechnungspunkten geliefert: Wasserspiegelauslenkung der freien Oberfläche Strömungsgeschwindigkeit Tracerkonzentration (z.b. Salzgehalt, Schwebstoff) hydrodynamischer Druck Dabei liegen die skalaren Größen (Wasserstand, Konzentration usw.) in den Zentrumspunkten und die vektoriellen Größen (Geschwindigkeit) in den Mitten der Polygonränder vor. Den Veröffentlichungen Casulli (1998 bis 24) können Details zu dem mathematischen Modellverfahren UnTrim entnommen werden. Validierungsdokument Das vorliegende Validierungsdokument (BAW, 24) enthält neben einer allgemeinen Einführung in das Simulationsverfahren detaillierte Informationen zu folgenden Themen: 1. Physikalisches System, 2. Modellfunktionalität, 3. konzeptionelles Modell, 4. algorithmische Implementierung, 5. Software-Implementierung, 6. Validierungsstudien und 7. Literatur. Seite 4

11 Die örtliche Auflösung des Rechengitters und die zeitliche Auflösung der Simulation sind so gewählt worden, dass alle charakteristischen, d.h. das Gewässer prägenden physikalischen Prozesse berücksichtigt und die durch die Maßnahme Alte Süderelbe vorzunehmenden Änderungen der Topographie aufgelöst werden. Das Modell ist zunächst an Naturmessungen (Wasserstands-, Strömungs- und Salzgehaltsmessungen) kalibriert und validiert (siehe Anlage 8 von BAW 26a) worden, so dass es den Ist-Zustand der Gewässer- und Tideverhältnisse beschreibt. Die durch die Maßnahme bedingten Änderungen werden auf den Vergleichs-Zustand bezogen. Dieser unterscheidet sich vom Ist-Zustand dadurch, dass alle baulichen Maßnahmen, die zum Zeitpunkt der Ausführung der zu untersuchenden Maßnahme mit hoher Wahrscheinlichkeit realisiert sein werden, berücksichtigt worden sind. Dabei bleiben die Kalibrierungseinstellungen unverändert. In die Modelltopographie des Vergleichszustandes (AZS_all) wird schließlich die Maßnahme Alte Süderelbe eingebaut, so dass ein HN-Modell der Variante Alte Süderelbe (AZS_ASE) entsteht. Die mit dem HN-Modell unter Verwendung identischer Modellparameter und seeseitiger Steuerung sowie Oberwasser-Steuerung ermittelten Wasserstände, Strömungsgeschwindigkeiten und Salzgehaltsverteilungen ergeben die Rechenwerte für die Variante Alte Süderelbe. Durch Differenzbildung der berechneten Tide-, Strömungs- und Transportkennwerte für die Variante Alte Süderelbe und Vergleichszustand werden für das gesamte Modellgebiet die durch die Maßnahme bedingte Änderungen der Kennwerte ermittelt. Durch diese Vorgehensweise können Änderungen eindeutig der Maßnahme zugeordnet werden. 3.2 Analyse und Bewertung Aus den Ergebnissen der Simulationsrechnungen werden die Tidekennwerte der Wasserstände, der Strömung und des Salzgehaltes errechnet, um die Wirkungen der Maßnahme zu quantifizieren. Die Analyseverfahren und parameter (Stand 25) sind ausführlich auf den Internetseiten der BAW dokumentiert (BAW, 27). Die Rechenwerte aus der Modellsimulation und analyse bedürfen der fachwissenschaftlichen Interpretation ( wasserbauliches Expertenwissen ), um fundierte Prognosen über die Ausbauwirkungen abzugeben. Die Berechnungsergebnisse sind somit nicht die alleinige Grundlage der gutachterlichen Aussagen, weil sowohl die gewässerkundlichen Erkenntnisse über das Untersuchungsgebiet als auch die revier- und methodenspezifischen Erfahrungen des Gutachters in der wasserbaulichen Systemanalyse mit in die Bewertung einfließen müssen. Seite 5

12 4 Ergebnisse Die in Kapitel 2 dargestellte Maßnahme hat unterschiedliche Auswirkungen auf die Tidedynamik, die hier zunächst einmal grundsätzlich dargestellt werden. Der Anschluss des Beckens der Maßnahme Alte Süderelbe vergrößert bei annähernd gleichbleibendem in die Unterelbe einschwingendem Tidevolumen die bereitstehende Wasserfläche. Dadurch wird der Tidehub gedämpft. Wellentheoretisch betrachtet wird ein Teil der Tideenergie in dem Becken reflektiert, ein anderer Teil bei Füllen und Leeren des Beckens dissipiert. Das Becken verändert ähnlich einer Kombination aus Kapazität und Widerstand in einem elektrischen Schwingkreis die Resonanzkurve des Systems. Neben der Absenkung des Tidehubes ergeben sich Phasenänderungen, d.h. die Eintrittszeiten der Maxima und der Kenterpunkte verschieben sich. Lokal passen sich die Strömungen den veränderten Bedingungen an. Die Analysen der Tidekennwerte werden entlang der Mitte der Fahrrinne der Elbe an dicht aufeinander folgenden Positionen (Abstand = 1 m) für den Vergleichszustand (AZS_all) und die Variante Alte Süderelbe (AZS_ASE) durchgeführt. Die durch die Maßnahme bedingten Änderungen ergeben sich durch Differenzbildung AZS_ASE AZS_all. Erhöhungen infolge der Maßnahme ergeben sich so zu positiven Werten. Die 3D-Simulationsergebnisse des dreidimensionalen Elbemodells werden vertikal integriert und dann auf einem Linienprofil dargestellt. Im Folgenden werden ausgewählte Tidekennwerte zwischen dem Wehr bei Geesthacht und Elbe- 748 als Liniengrafiken für den Vergleichszustand (AZS_all) und die Differenzen (AZS_ASe AZS_all) zwischen der Variante und dem Vergleichszustand bei niedrigem, häufigsten Oberwasser (Q=35m3/s) dargestellt. Die Profile verlaufen entlang der Mitte der Fahrwassertrasse. Seewärts von Elbe- 748 treten durch die Variante Alte Süderelbe keine Änderungen der Tidekennwerte auf. 4.1 Veränderungen des Wasserstandes Tidehochwasser: Das Tidehochwasser (Bild 2) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen knapp unter 1, m NN und ca. 2,8 m NN. Der Mittelwert bewegt sich zwischen ca. 1,4 m NN und knapp über 2,5 m NN. Das mittlere Tidehochwasser sinkt durch die Maßnahme Alte Süderelbe (Bild 3) zwischen Elbe- 68 und dem Wehr bei Geesthacht um bis zu 7,5 cm. Die maximale Veränderung liegt ca. bei Elbe Unterhalb Elbe- 68 beobachtet man eine geringe Erhöhung des Tidehochwassers. Das Verän- Seite 6

13 derungssignal erstreckt sich über einen großen Abschitt des Ästuars im und unterhalb des Hamburger Hafens. Tideniedrigwasser: Das Tideniedrigwasser (Bild 4) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen ca. -2,8 m NN und ca. -,25 m NN. Der Mittelwert bewegt sich zwischen ca. -1,8 m NN und -,25 m NN. Das mittlere Tideniedrigwasser steigt durch die Maßnahme Alte Süderelbe (Bild 5) zwischen ca. Elbe- 71 und dem Wehr Geesthacht an. Das Maximum dieses Anstiegs tritt bei Elbe- 63 auf und beträgt 7,5 cm. Das Veränderungssignal erstreckt sich über einen großen Abschitt des Ästuars im und unterhalb des Hamburger Hafens. Tidehub: Der Tidehub (Bild 6) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen ca. 2,4 m und ca. 4,25 m. Der Mittelwert bewegt sich zwischen ca. 2,9 m und 4, m. Für den mittleren Tidehub ergibt sich durch die Maßnahme Alte Süderelbe (Bild 7) eine Reduktion im Bereich zwischen Elbe- 69 und Wehr Geesthacht um bis zu 13 cm mit einem Maximum bei ca. Elbe Das Veränderungssignal erstreckt sich über einen großen Abschitt des Ästuars im und unterhalb des Hamburger Hafens. 4.2 Veränderung der Strömungsverhältnisse Mittlere Ebbestromgeschwindigkeit: Die mittlere Ebbestromgeschwindigkeit (Bild 8) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen ca.,4 m/s und knapp 1,6 m/s. Der Mittelwert bewegt sich zwischen ca.,4 m/s und ca. 1,4 m/s. Die Maßnahme Alte Süderelbe bewirkt eine Änderung der mittleren Ebbestromgeschwindigkeit um ca. +1 cm/s direkt unterhalb der Anschlussstelle des Beckens bei Elbe- 63. Das Änderungssignal klingt bis Elbe- 68 auf cm/s ab. Stromauf der Anschlussstelle wird die mittlere Ebbestromgeschwindigkeit geringfügig reduziert (Bild 9). Mittlere Flutstromgeschwindigkeit: Die mittlere Flutstromgeschwindigkeit (Bild 1) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen, m/s (an der Flutstromgrenze) und ca. 1,2 m/s. Der Mittelwert bewegt sich zwischen, m/s und ca. 1,15 m/s. Die Maßnahme Alte Süderelbe bewirkt eine Änderung der mittleren Flutstromgeschwindigkeit um ca. +1 cm/s direkt unterhalb der Anschlussstelle des Beckens bei Elbe- 63. Das Änderungssignal klingt bis Elbe- 66 auf cm/s ab. Stromauf der Anschlussstelle wird die mittlere Flutstromgeschwindigkeit bis zu -2 cm/s reduziert (Bild 11). Maximale Ebbestromgeschwindigkeit: Die maximale Ebbestromgeschwindigkeit (Bild 12) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen ca.,5 m/s und ca. 2,2 m/s. Der Mittelwert bewegt sich zwischen ca.,55 m/s und ca. 2,5 m/s. Die Maßnahme Alte Süderelbe bewirkt eine Änderung der maximalen Ebbestromgeschwindigkeit um ca. +11 cm/s direkt unterhalb der Anschlussstelle des Beckens bei Elbe- 63. Das Änderungssignal Seite 7

14 klingt bis Elbe- 7 auf cm/s ab. Stromauf der Anschlussstelle wird die mittlere Flutstromgeschwindigkeit bis zu -1 cm/s reduziert (Bild 13). Maximale Flutstromgeschwindigkeit: Die maximale Flutstromgeschwindigkeit (Bild 14) schwankt zwischen Elbe- 75 und dem Wehr bei Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen, m/s (an der Flutstromgrenze) und ca. 1,9 m/s. Der Mittelwert bewegt sich zwischen, m/s und ca. 1,8 m/s. Die Maßnahme Alte Süderelbe bewirkt eine Änderung der mittleren Flutstromgeschwindigkeit um ca. +8 cm/s direkt unterhalb der Anschlussstelle des Beckens bei Elbe- 63. Das Änderungssignal klingt bis Elbe- 66 auf cm/s ab. Stromauf der Anschlussstelle wird die mittlere Flutstromgeschwindigkeit bis zu -8 cm/s reduziert (Bild 15). 4.3 Veränderung der Salzgehaltsverhältnisse Maximaler Salzgehalt: Der maximale Salzgehalt (Bild 16) schwankt zwischen Elbe- 75 und ca. 655 während des Analysezeitraumes zwischen 3 PSU und PSU. Der Mittelwert bewegt sich ebenfalls zwischen 3 PSU und PSU. Der mittlere maximale Salzgehalt nimmt bedingt durch die Maßnahme zwischen den Elbe- 66 und 745 größtenteils zu, zwischen Elbe- 675 und 7 etwas ab. Dabei beträgt die maximale Zunahme etwa +,35 PSU, die maximale Abnahme unter,1 PSU (Bild 17). Minimaler Salzgehalt: Der minimale Salzgehalt (Bild 18) schwankt zwischen den Elbe- 75 und ca. 677 während des Analysezeitraumes zwischen ca. 26 PSU und PSU. Der Mittelwert bewegt sich zwischen 25 PSU und PSU. Der mittlere minimale Salzgehalt nimmt bedingt durch die Maßnahme zwischen den Elbe- 68 und 748 zu. Die maximale Zunahme wird bei Elbe- 733 mit bis zu knapp +1, PSU festgestellt, in den anderen Gebieten des genannten Bereiches bleibt die Zunahme deutlich darunter (Bild 19). Mittlerer Salzgehalt: Der mittlere Salzgehalt (Bild 2) schwankt zwischen den Elbe- 75 und ca. 66 während des Analysezeitraumes zwischen ca. 28 PSU und PSU. Der Mittelwert bewegt sich zwischen 27,5 PSU und PSU. Der mittlere minimale Salzgehalt nimmt bedingt durch die Maßnahme zwischen den Elbe- 67 und 748 zu, die Zunahme bleibt jedoch im gesamten Bereich unter +,3 PSU (Bild 21). Salzgehaltsvariation: Die Salzgehaltsvariation (Bild 22) schwankt zwischen den Elbe- 75 und ca. 655 während des Analysezeitraumes zwischen fast 14 PSU und PSU. Der Mittelwert bewegt sich zwischen 12 PSU und PSU. Die mittlere Salzgehaltsvariation erfährt bedingt durch die Maßnahme zwischen den Elbe- 735 und 748 eine Abnahme bis zu -,8 PSU, zwischen Elbe- 66 und 735 eine Zunahme bis zu +,4 PSU (Bild 23). Seite 8

15 4.4 Veränderungen in der Schwebstoffdynamik Hinsichtlich der Veränderungen in der Schwebstoffdynamik ist darauf hinzuweisen, dass die natürlichen Verhältnisse aufgrund von Beobachtungen bisher nur qualitativ bekannt sind, und nur wenig brauchbares Datenmaterial für eine quantitative Beurteilung existiert. Modelle können daher hinsichtlich der Schwebstoffdynamik nur qualitative Aussagen mit hinreichender Sicherheit prognostizieren. Die in Modellen berechneten Werte und Differenzen werden daher hier wieder gegeben, jedoch in der Bewertung der Maßnahme nur qualitativ erfasst. Maximaler Schwebstoffgehalt: Der maximale Schwebstoffgehalt (Bild 24) schwankt zwischen Elbe- 75 und Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen kg/m 3 und,4 kg/m 3. Der Mittelwert bewegt sich zwischen kg/m 3 und,24 kg/m 3. Das Maximum liegt zwischen Elbe- 665 und Elbe Der maximale Schwebstoffgehalt nimmt zwischen Elbe- 75 und 75, Elbe- 635 bis 655 sowie Elbe- 6 bis 625 ab. Zwische Elbe- 655 und Elbe- 75 nimmt er zum Teil deutlich zu (Bild 25). Minimaler Schwebstoffgehalt: Der minimale Schwebstoffgehalt (Bild 26) schwankt zwischen den Elbe- 74 und Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen kg/m 3 und,16 kg/m 3. Der Mittelwert bewegt sich zwischen kg/m 3 und,1 kg/m 3. Das Maximum liegt zwischen Elbe- 67 und Elbe- 68. Der minimale Schwebstoffgehalt nimmt in den Abschnitten Elbe- 66 bis Elbe 7 sowie Elbe- 6 bis Elbe- 64 tendenziell ab, zwischen Elbe- 64 und Elbe- 66 tendenziell zu. Die Größenordnung der Änderung liegt deutlich unter den absoluten Werten (Bild 27). Mittlerer Schwebstoffgehalt: Der mittlere Schwebstoffgehalt (Bild 28) schwankt zwischen den Elbe- 75 und Geesthacht während des Analysezeitraumes zwischen kg/m 3 und,26 kg/m 3. Der Mittelwert bewegt sich zwischen kg/m 3 und,16 kg/m 3. Der mittlere Schwebstoffgehalt nimmt zwischen Elbe- 595 und 665 ab, ebenso zwischen Elbe- 7 und 74. Zwischen Elbe- 665 und 7 nimmt er zu (Bild 29). Schwebstoffgehaltsvariation: Die Schwebstoffgehaltsgehaltsvariation (Bild 3) schwankt zwischen den Elbe- 75 und ca. 655 während des Analysezeitraumes zwischen fast 14 PSU und PSU. Der Mittelwert bewegt sich zwischen 12 PSU und PSU. Die Schwebstoffgehaltsvariation nimmt zwischen Elbe- 75 und 75, Elbe- 635 bis 655 sowie Elbe- 6 bis 625 ab. Zwischen Elbe- 655 und Elbe- 75 nimmt sie zum Teil deutlich zu (Bild 31). Verhältnis der advektiven Schwebstofftransporte: Das Verhältnis der advektiven Schwebstofftransporte Flut/Ebbe schwankt im Außenelbebereich zwischen,4 und 1,9. In der Unterelbe liegen die Werte zwischen,8 und 1,7. Ab Elbe- 62 nehmen die Werte bis auf fast ab (Bild 32). Das Verhältnis der advektive Schwebstofftransporte verringert sich zwischen Elbe- 59 und 615, zwischen Elbe- 63 und 665 sowie zwischen Elbe- 69 und 75. In den übrigen Abschnitten vergrößert es sich (Bild 33). Seite 9

16 4. mnn Bild 2: Tidehochwasser für den Vergleichszustand (AZS_ASE). In Rot das maximale, in Grün das minimale und in Schwarz das mittlere Tidehochwasser m Bild 3: Differenz des Tidehochwassers (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des maximalen, in Grün die Differenz des minimalen und in Schwarz die Differenz des mittleren Tidehochwassers. Seite 1

17 1. mnn Bild 4: Tideniedrigwasser für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das maximale, in Grün das minimale und in Schwarz das mittlere Tideniedrigwasser m Bild 5: Differenz des Tideniedrigwassers (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des maximalen, in Grün die Differenz des minimalen und in Schwarz die Differenz des mittleren Tideniedrigwassers. Seite 11

18 5. m Bild 6: Tidehub für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot der maximale, in Grün der minimale und in Schwarz der mittlere Tidehub m Bild 7: Differenz des Tidehubes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des maximalen, in Grün die Differenz des minimalen und in Schwarz die Differenz des mittleren Tidehubes. Seite 12

19 2.2 m/s Bild 8: Mittlere Ebbestromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der mittleren Ebbestromgeschwindigkeit m/s Bild 9: Differenz der mittleren Ebbestromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der mittleren Ebbestromgeschwindigkeit. Seite 13

20 2.2 m/s Bild 1: Mittlere Flutstromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der mittleren Flutstromgeschwindigkeit m/s Bild 11: Differenz der mittleren Flutstromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der mittleren Flutstromgeschwindigkeit. Seite 14

21 2.2 m/s Bild 12: Maximale Ebbestromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der maximalen Ebbestromgeschwindigkeit m/s Bild 13: Differenz der maximalen Ebbestromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der maximalen Ebbestromgeschwindigkeit. Seite 15

22 2.2 m/s Bild 14: Maximale Flutstromgeschwindigkeit für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der maximalen Flutstromgeschwindigkeit m/s Bild 15: Differenz der maximalen Flutstromgeschwindigkeit (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der maximalen Flutstromgeschwindigkeit. Seite 16

23 ** Bild 16: Maximaler Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert des maximalen Salzgehaltes. 1. 1** Bild 17: Differenz des maximalen Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes des maximalen Salzgehaltes. Seite 17

24 ** Bild 18: Minimaler Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert des minimalen Salzgehaltes. 1. 1** Bild 19: Differenz des minimalen Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes des minimalen Salzgehaltes. Seite 18

25 ** Bild 2: Mittlere Salzgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert des mittleren Salzgehaltes. 1. 1** Bild 21: Differenz des mittleren Salzgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes des mittleren Salzgehaltes. Seite 19

26 ** Bild 22: Salzgehaltsvariation für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Salzgehaltsvariation. 1. 1** Bild 23: Differenz der Salzgehaltsvariation (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Salzgehaltsvariation. Seite 2

27 kg/m** Bild 24: Maximaler Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Größe E-4 6E-4 4E-4 2E-4-2E-4-4E-4-6E-4-8E kg/m** Bild 25: Differenz des maximalen Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Größe. Seite 21

28 kg/m** Bild 26: Minimaler Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Größe E-4 6E-4 4E-4 2E-4-2E-4-4E-4-6E-4-8E kg/m** Bild 27: Differenz des minimalen Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Größe. Seite 22

29 kg/m** Bild 28: Mittlerer Schwebstoffgehalt für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Größe E-4 6E-4 4E-4 2E-4-2E-4-4E-4-6E-4-8E kg/m** Bild 29: Differenz des mittleren Schwebstoffgehaltes (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Größe. Seite 23

30 .2 kg/m** Bild 3: Schwebstoffgehaltsvariation für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Größe E-4 6E-4 4E-4 2E-4-2E-4-4E-4-6E-4-8E kg/m** Bild 31: Differenz der Schwebstoffgehaltsvariation (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Größe. Seite 24

31 Bild 32: Verhältnis der advektiven Schwebstofftransporte für den Vergleichszustand (AZS_all). In Rot das Maximum, in Grün das Minimum und in Schwarz der Mittelwert der Größe E Bild 33: Differenz des Verhältnisses der advektiven Schwebstofftransporte (AZS_ASE AZS_all). In Rot die Differenz des Maximums, in Grün die Differenz des Minimums und in Schwarz die Differenz des Mittelwertes der Größe. Seite 25

32 5 Bewertung der Maßnahme Die Maßnahme Alte Süderelbe ist besonders geeignet, den Tidehub im Hamburger Hafen und der Unterelbe zu dämpfen. Die Wirkung wird gleichmäßig auf das Tidehochwasser und das Tideniedrigwasser verteilt. Der Wirkungsgrad hinsichtlich der Tidewasserstände kann möglicherweise noch erhöht werden, wenn statt einer Geometrie konstanter Tiefe Rauheiten in das Becken eingebaut werden, die Tideenergie umwandeln. Auch eine Modifikation von mittlerer Wassertiefe und Querschnitt des Zulaufes kann einen Einfluss haben. Auch im Hinblick der Entwicklung der Strömungsgeschwindigkeiten hat die Maßnahme einen positiven Einfluss auf die Unterelbe. Zwar nehmen die Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb des Anschlusses an die Elbe zu, jedoch zeigt sich tendenziell eine Verbesserung des Verhältnisses Flutströmung zu Ebbeströmung im Sinne einer Abschwächung der Flutstromdominanz. Die Schwächung der Strömungsgeschwindigkeiten stromauf der Anschlussstelle ist Ursache des veränderten Reflexionsverhaltens der Stromspaltung in Norder- und Süderelbe. Insgesamt ergibt sich eine positive Bilanz hinsichtlich der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten, da die Veränderung jeweils an den richtigen Stellen in der richtigen Richtung wirken. Die Verbesserung des Verhältnisses Flutstrom zu Ebbestrom in der Unterelbe ist ebenso gewünscht, wie die leichte Reduktion der Strömungen innerhalb des Hafengebietes und auf dem Abschnitt zwischen der Anschlussstelle des Beckens und Geesthacht. Die maximalen Änderungen der Kennwerte im Salzgehalt zeigen, dass eine Maßnahme im Süßwasserabschnitt der Elbe durchaus signifikant im Bereich der Brackwasserzone wirkt. Es zeigt sich eine Verstärkung des Salzgradienten insbesondere im Außenbereich. Der stärkste Gradient wandert etwas nach stromauf. Eine Verschiebung der Brackwasserzone insgesamt ist jedoch nicht zu erwarten. Aufgrund des größeren Puffers an Süßwasser wird der Gradient der Salzfront verschärft, da jedoch die Oberwassermenge gleich bleibt, findet keine Verschiebung statt. Die Änderungen in der Schwebstoffdynamik deuten auf eine stärkere Konzentration der Schwebstoffe in den Bereich der sogenannten Trübungszone hin. Für die Hamburger Häfen ist dies sicher als positiv zu werten, da dort so weniger Schwebstoffe im gleichen Zeitraum sedimentieren. Gleichzeitig müssen jedoch Gebiete innerhalb der Trübungszone eine Verstärkung von Sedimentationsprozessen hinnehmen. Ingesamt wird die Änderung der Schwebstoffdynamik positiv bewertet, da sie die Schwebstoffproblematik im Bereich des Hamburger Hafens etwas entschärfen kann. Da es sich hier um eine Systemstudie handelt, der bisher keine konkrete Planung zugrunde liegt, ist die Untersuchung in diesem Rahmen ausreichend, um die Wirkung einer in etwa entsprechenden Maßnahme abschätzen zu können. Für den Fall einer Konkretisierung sollten weitere Untersuchungen folgen, die die Abhängigkeit der Wirkung von der Wassertiefe, Rauheit und der Ausgestaltung der Anbindung der Fluträume an die Elbe näher klären, um gegebenenfalls eine noch größere positive Wirkung realisieren zu können. Seite 26

33 Bundesanstalt für Wasserbau Dienststelle Hamburg Hamburg, Im Auftrag Bearbeiter gez. Winkel gez. Seiß Dr. N. Winkel (Regierungsdirektor) Dr. rer. nat. G. Seiß (Wiss. Angestellter) Seite 27

34 6 Literaturverzeichnis BAW (26 a): Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe - Gutachten zu Ausbaubedingten Änderungen von Hydrodynamik und Salztransport, Gutachten BAW-Nr. A H.1a, Bundesanstalt für Wasserbau. Unveröffentlicht. BAW (24): Mathematical Model UnTRIM Validation Document. Technischer Report, BAW (23): Potentialanalyse für die Unter- und Außenelbe. Systemanalysen zur hydraulischen Kompensation nachteiliger Entwicklungen der kennzeichnenden Tidewasserstände. Auftrag Nr , Bundesanstalt für Wasserbau. Unveröffentlicht. BAW (27): Analyse der Berechnungsergebnisse. Casulli, V. and Zanolli, P. (1998): A Three - Dimensional Semi - Implicit Algorithm for Environmental Flows on Unstructured Grids, Proc. of Conf. on Num. Methods for Fluid Dynamics, University of Oxford. Casulli, V. (1999): A Semi-Implicit Finite Difference Method for Non-Hydrostatic, Free- Surface Flows, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 3: Casulli, V. and R. A. Walters (2): An unstructured, three-dimensional model based on the shallow water equations, International Journal for Numerical Methods in Fluids 2, 32: Casulli, V. and Zanolli, P. (22): Semi-Implicit Numerical Modelling of Non-Hydrostatic Free- Surface Flows for Environmental Problems, Mathematical and Computer Modelling, 36: Casulli, V. and Zanolli, P. (24): High Resolution Methods for Multidimensional Advection- Diffusion Problems in Free-Surface Hydrodynamics, Ocean Modelling, to appear. Seite 28