Validierung des Basismodells Jade-Weser-Ästuar für das Verfahren UnTRIM2007-SediMorph Version 1: Topographie 2002

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1 Validierung des Basismodells Jade-Weser-Ästuar für das Verfahren UnTRIM2007-SediMorph Version 1: Topographie 2002

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3 Validierung des Basismodells Jade-Weser-Ästuar für das Verfahren UnTRIM2007-SediMorph Version 1: Topographie 2002 Auftraggeber: - Auftrag vom: -, Az.: Auftrags-Nr.: - Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich Referat: Ästuarsysteme I (K2) Bearbeiter: Dr. Frank Kösters Dipl.-Ing. (FH) Sven Gärtner Hamburg, Dieser Bericht 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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5 BAW-Nr. Zusammenfassung Die Bundesanstalt für Wasserbau nutzt zur Beantwortung von Fragestellungen bezüglich der Hydrodynamik sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment insbesondere die Ergebnisse mathematischer Verfahren. Für den Bereich der Unter- und Außenweser wurde ein neues numerisches Modell aufgebaut, dessen Naturähnlichkeit im vorliegenden Dokument nachgewiesen wird. Die Modellvalidierung und die Struktur des Dokumentes erfolgen in Anlehnung an die Richtlinien zur Good Modelling Practice für hydro-numerische Modellverfahren. Für das hier beschriebene Basismodell wurde das hydrodynamische Modellverfahren UnTRIM 2007 gekoppelt mit dem Sedimenttransportmodell SediMorph für die Berechnung von Wasserständen, Strömungsgeschwindigkeiten sowie der Konzentration von Salz und suspendiertem Sediment aufgebaut und erfolgreich kalibriert und validiert. Durch die gewählte räumliche Diskretisierung ist dies für den Übergangsbereich von der Unterweser zur Außenweser optimiert, lässt aber auch in den weiteren im Modellgebiet enthaltenen Bereichen Untersuchungen zu. Das Basismodell bietet prinzipiell die Möglichkeit, naturähnliche Berechnungen für längere Zeiträume (Monate - Jahre) durchführen zu können.

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7 Januar 2012 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Veranlassung und Aufgabenstellung Zielsetzung und Untersuchungsumfang Relevante Arbeiten der BAW Anforderungen an das Modellsystem Geplante Anwendungen Untersuchungsgebiet Untersuchungszeitraum Zielgrößen Anforderungen an die Genauigkeit 4 2 Unterlagen und Daten Topographie Hydrologie Sedimentologie Meteorologie 10 3 Systembeschreibung des Weserästuars Geomorphologie Sedimentologie Hydrodynamik Strömung und Gezeiten Oberwasserabfluss Salztransport Sedimenttransport Seegang Meteorologie 26 4 Modellaufbau Konzeptionelles Modell Modellierungssystem Analysegrößen zur Beschreibung der Modellgüte Hinweis zum Vergleich von Messungen und berechneten Größen Wasserstände Strömungsgeschwindigkeiten Salzgehalte Suspendiertes Sediment Modelltopographie Modellgebiet Horizontale Auflösung Vertikale Auflösung 34 Seite I

8 Anfangsbedingungen Wasserstand / Strömungsgeschwindigkeit Salzgehaltsverteilung Sedimentinventar Randbedingungen Wasserstand Oberwasser Salzgehalt Suspendierte Sedimente Windgeschwindigkeit Parameterwahl Wiedergabe physikalischer Prozesse Modellierte Größen und Prozesse Nicht-modellierte Größen und Prozesse 40 5 Modellkalibrierung und -validierung Allgemein Modellkalibrierung Kalibrierungsgrößen Zielwerte für Analysegrößen Modellvalidierung für das Weserästuar Wasserstände Salzgehalte Strömungsgeschwindigkeiten Suspendierte Sedimente Turbulente Kenngrößen 53 6 Bewertung Anwendbarkeit Einschränkungen 55 7 Literaturverzeichnis 56 8 Anlagen Glossar Zeitreihenvergleich von Messung und Rechnung Vergleich berechneter und gemessener Wasserstände an Pegelpositionen Vergleich gemessener und berechneter Salzgehalte Vergleich gemessener und berechneter Strömungsgeschwindigkeiten Vergleich von Trübungsmessungen mit berechneten Schwebstoffgehalten 86 Seite II

9 Januar 2012 Bildverzeichnis Seite Bild 1: Übersicht des Jade-Weser-Ästuars 1 Bild 2: Pegel- und Messpositionen im Jade-Weser-Ästuar 7 Bild 3: Topographie des Jade-Weser-Ästuars (Systemzustand 2002) 12 Bild 4: Querschnittsflächen des Weser-Ästuars 13 Bild 5: Charakterisierung eines Ästuar 14 Bild 6: Schematische Darstellung der Einflussgrößen in einem tidedominierten Ästuar 15 Bild 7: Sedimentinventar der Weser 16 Bild 8: Sedimentverteilung im niedersächsischen Wattenmeer 17 Bild 9: Verformung der Tidekurve am Beispiel von Wasserstandsganglinien 18 Bild 10: Mittlerer Tidehub für den Zeitraum (WSA Bremen) 19 Bild 11: Häufigkeitsverteilung des Oberwasserabflusses der Weser für Bild 12: Berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes 21 Bild 13: Gemessener Salzgehalt bei Weser-km Bild 14: Gemessene Strömungsgeschwindigkeit und Sedimentkonzentration 24 Bild 15: Gemessenes Längsprofil der Sedimentkonzentration 24 Bild 16: Zeitreihe der Querprofilmessung QP3 25 Bild 17: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser Bild 18 Schematische Übersicht der relevanten Prozesse im Ästuarbereich 28 Bild 19: Modellierungsansatz für das Jade-Weser-Ästuar 29 Bild 20: Modellgitter und verwendete Topographie (mnhn)im Bereich Außenweser 33 Bild 21: Modellgitter und verwendete Topographie (mnhn) im Bereich Blexer Bogen 34 Bild 22: Schematische Darstellung der vertikalen Auflösung 34 Bild 23: Mittlerer Korndurchmesser der Anfangskornverteilung 36 Bild 24: Oberwasser der Weser aus Abflussmessungen 37 Bild 25: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser Juni Bild 26: Windrichtung und Windgeschwindigkeit u10 39 Bild 27: Wasserstand am Pegel Alte Weser 41 Bild 28: Gemessene und berechnete Wasserstände an Pegeln 43 Bild 29: Gemessenes und berechnetes Thw und Tnw 44 Bild 30: Differenz der Amplitude der Tidekennwerte Tnw, Thw und Thb 46 Bild 31: Berechnete und gemessene Zeitreihen des Salzgehalts 47 Bild 32: Gemessene und berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes 48 Bild 33: Zeitreihe des gemessenen und berechneten Strömungsgeschwindigkeit 50 Bild 34: Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten 51 Bild 35: Qualitativer Vergleich von Trübung und Sedimentkonzentrationgehalt 53 Bild 36: Plausibilitätsprüfung der turbulenten kinetischen Energie 54 Seite III

10 Tabellenverzeichnis Seite Tabelle 1: Übersicht der numerischen Modelle des Weser-Ästuars der BAW 2 Tabelle 2: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich Unter- und Außenweser 8 Tabelle 3: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich der Jade 8 Tabelle 4: Übersicht der Sondermessungen (CTD, Strömungsmessungen) 9 Tabelle 5: Übersicht der gesonderten Leitfähigkeitsmessungen 9 Tabelle 6: Übersicht der Messungen entlang des Steuerrands 9 Tabelle 7: Hydrologische 10 Jahres-Mittelwerte der Weser für Tabelle 8: Fraktionierung des Sedimenttransportmodells 30 Tabelle 9: Übersicht der wesentlichen Modellparameter 39 Tabelle 10: Zielwerte für Analysegrößen 42 Tabelle 11: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Amplitude) 45 Tabelle 12: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Phase) 45 Tabelle 13: Vergleich von Median und Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit 51 Seite IV

11 Januar 2012 Versionen Version Datum Bearbeiter Inhalt F. Kösters Erster Entwurf F. Kösters Struktur vervollständigt F. Kösters Erste vollständige Version D. Wehr / I. Holzwarth Qualitätssicherung R. Schubert Qualitätssicherung F. Kösters Überarbeitung H. Rahlf Qualitätssicherung F. Kösters Überarbeitung U. Vierfuß Qualitätssicherung F. Kösters Abschließende Überarbeitung Ablage Das hier vorliegende Dokument ist auf den Internetseiten der Bundesanstalt für Wasserbau in der Rubrik Wasserbau > Methoden > BAWiki > Validierungsstudien online verfügbar ( Seite V

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13 Januar Veranlassung und Aufgabenstellung 1.1 Zielsetzung und Untersuchungsumfang Ziel dieses Dokuments ist die Validierung eines numerischen Modells der Hydrodynamik, sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment der Außen- und Unterweser (vgl. Bild 1). Jadebusen Außenweser Bremerhaven Unterweser Jade Wilhelmshaven Bremen Bild 1: Übersicht des Jade-Weser-Ästuars Das hier entwickelte Modell soll die Möglichkeit bieten, naturähnliche Berechnungen für längere Zeiträume (Monate - Jahre) durchführen zu können. Geplant ist das Modell in nachfolgenden Untersuchungen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) für Fragestellungen bezüglich der Hydrodynamik sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment zu nutzen. Die Modellvalidierung und die Struktur des Dokumentes erfolgen in Anlehnung an die Richtlinien zur Good Modelling Practice für hydro-numerische Modellverfahren [STOWA/RIZA (1999)]. Seite 1

14 Relevante Arbeiten der BAW Die BAW verfügt über umfassende Erfahrungen im Bereich der hydrodynamischen Modellierung des Weser-Ästuars. Bereits 1985 erfolgte für diesen Bereich der Einsatz numerischer Modelle zur Untersuchung des Einflusses von Klappstellen auf die Strömung [BAW (1985)]. Im Zusammenhang mit Ausbauvorhaben der Unter- und Außenweser waren jeweils umfangreiche Untersuchungen zur Beratung der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) notwendig. Als wesentliche Arbeiten sind zu nennen: Aufbau und Validierung 2D-hydrodynamischer Modelle des Jade-Weser-Ästuars (Numerische Verfahren TICAD-2 bzw. TICAD-2S, FIDIRB) und Voruntersuchungen zum SKN- 14 m Ausbau der Weser [BAW (1991)] (Kurzbezeichnung: SKN-14m) Gutachten zum Jade-Weser-Port mit 3D-hydrodynamischer Modellierung (UnTRIM) [BAW (2000)] und morphodynamischer Modellierung (Telemac2d-SediMorph) [BAW (2003)] Gutachten zur Fahrrinnenanpassung der Außen- und Unterweser zu ausbaubedingten Änderungen der 3D-Hydrodynamik und des Salztransports (UnTRIM) [BAW (2006b)] und zur Morphodynamik (UnTRIM-SediMorph) [BAW (2006a)] (Kurzbezeichnung: WAP 2002) Gutachten zum Einfluss der Unterhaltung des Blexer Bogens auf 3D-Hydrodynamik und suspendierten Sedimenttransport (UnTRIM 2004-SediMorph) [BAW (2009)] (Kurzbezeichnung: UBlexen) Tabelle 1: Übersicht der numerischen Modelle des Weser-Ästuars der BAW Kurzbe- Zeichnung SKN-14m WAP 2002 Ziel Modellsystem Topographie Anzahl Elemente / Auflösung Hydrodynamische Auswirkungen des SKN 14m- Ausbau der Außenweser Hydrodynamik Morphodynamik TICAD-2S (2D, finite Elemente) x = 30 m 700 m FIDIRB (2D, finite Differenzen) x = 50 m UnTRIM (2D, 3D) x = 8 m 800 m Delft3D (2D, 3D) x = 7 m m UnTRIM 2002 SediMorph UBlexen Hydrodynamik UnTRIM 2004 (3D) x = 15 m 850 m Delft3D (2D, 3D) x = 7 m m Seite 2

15 Januar 2012 Weitere Fragestellungen wurden in Systemstudien untersucht bzw. als Vorstudien zu Ausbauvorhaben durchgeführt: Bedeutung des Jadebusens und Effekte einer möglichen Abtrennung [BAW (1995)] Detaillierte Untersuchung zur Verschlickung des Fedderwarder Priels (Telemac-2D, TSEF) und Empfehlung wasserbaulicher Maßnahmen [BAW (1998)]. Wasserbauliche Systemanalyse zum Ausbau der Unterweser [BAW (1999)] Grenzfallbetrachtung Blexer Bogen Telemac-2D [BAW (2002b)] Wasserbauliche Systemanalyse zum Ausbau der Außenweser [BAW (2002a)] Variantenuntersuchung zum Ausbau der Außenweser [BAW (2004)] Neben diesen gutachterlichen Tätigkeiten konnten im Rahmen von betreuten Diplom- und Studienarbeiten Fragestellungen untersucht werden, die für die in diesem Bericht behandelten Fragestellungen relevant sind: Tiefenintegrierte Simulation der Wirkung von Sekundärströmungen in morphodynamischen Modellen [de la Motte (2000)] Simulation des Sedimenttransports in Suspension und als Geschiebe: Ein Vergleich für das Jade-Weser-Ästuar [Marek (2001)] Prognose von Dünenstrecken mit Tidekennwerten [Putzar (2003)] Kalibrierung von HN-Modellen unter Vorgabe von sedimentologischen und morphologischen Daten [Putzar (2004)] Kopplung von Seegang und Sedimenttransport in morphodynamischen Modellen und Anwendung im Jade-Weser-Ästuar [Knoch (2004)] Untersuchungen zur Porosität als Parameter für Erosionsprozesse [Piechotta (2004)] Modellierung der Sinkgeschwindigkeit kohäsiver Schwebstoffe in Ästuaren [Maerker (2006)] 1.3 Anforderungen an das Modellsystem Geplante Anwendungen Als Anwendungsbereiche, für die das vorliegende Modellsystem genutzt werden soll, sind bisher geplant: Untersuchungen für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung: o Simulation von verklappten Sedimenten (Klappstellenuntersuchungen) o Optimierungsmöglichkeiten für die Unterhaltung im Bereich der Schlickstrecke zwischen Blexen und Nordenham o Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserstände für die Schiffsführungssimulation o Simulation der Salzgehalte für verschiedene Oberwasserszenarien und topographische Zustände Seite 3

16 Modelluntersuchungen zu Anpassungsoptionen im Hinblick auf den Klimawandel im Rahmen des Ressortforschungsprogramms KLIWAS Gutachterliche Tätigkeiten zur Bewertung von Baumaßnahmen, wie der Untersuchung zum geplanten Offshore Terminal Bremerhaven im Auftrag von bremenports Untersuchungsgebiet Das Gebiet der geplanten Untersuchungen liegt hauptsächlich im Übergangsbereich von der Unter- zur Außenweser zwischen den Pegeln Brake und Robbensüdsteert. Um Strömungsund Transportprozesse naturähnlich abbilden zu können, ist das eigentliche Modellgebiet jedoch größer gewählt (siehe Abschnitt 4.4.1). Es umfasst das gesamte Jade-Weser-Ästuar (vgl. Bild 1), vom Wehr Bremen-Hemelingen bis in die Nordsee, sowie den Jadebusen und das Fahrwasser der Jade Untersuchungszeitraum Für die Definition des Untersuchungszeitraums ist zu unterscheiden zwischen den geplanten Untersuchungen und der Modellvalidierung. Die geplanten Untersuchungen werden als wasserbauliche Systemanalysen im Sinne von Systemstudien durchgeführt und spiegeln keinen festgelegten Zeitraum wider sondern eine repräsentative Situation (z.b. niedrige Abflüsse und Nipptide). Dagegen erfordern die Berechnungen zur Modellvalidierung einen festen Zeitraum im Sinne einer hind cast Simulation, der sich aus der Durchführung der Messkampagne (Juni-Juli 2002) ergibt Zielgrößen Folgende modellierte Größen sind für die geplanten Untersuchungen relevant: Wasserstände (2D) Strömungsgeschwindigkeiten (3D) Salzgehalte / -transporte (3D) Sedimenttransport in Suspension (3D) und als Geschiebe (2D) Morphologische Einflussgrößen: Sohlschubspannung (2D) Anforderungen an die Genauigkeit Das Basismodell ist nicht für ein einzelnes Projekt mit spezifischen Anforderungen erstellt worden, sondern soll als Modellsystem in unterschiedlichen Projekten genutzt werden. Die Anforderungen aus den einzelnen Anwendungsbereichen (vgl ) sind nicht einheitlich, da zum Beispiel für Systemstudien andere Anforderungen als für wasserbauliche Gutachten gelten. Um eine Anwendbarkeit auch unter sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit zu gewährleisten, wurde aus dem Erfahrungswissen wasserbaulicher Systemanalysen für die Berechnung des Wasserstandes an den Pegeln im Untersuchungsgebiet eine mittlere Genauigkeit von ±15 cm der Scheitelwasserstände Tnw und Thw gefordert, sowie eine Genau- Seite 4

17 Januar 2012 igkeit der Eintrittszeiten von ± 30 Minuten. Die Salzgehalte außerhalb der Brackwasserzone 1 müssen mit einer Genauigkeit < 2 PSU wiedergegeben werden. Innerhalb der Brackwasserzone sind durch große Gradienten des Salzgehaltes höhere Abweichungen zulässig, da sich bereits durch geringfügige Lageverschiebungen deutlich andere Salzgehalte ergeben. Durch fehlende Vergleichsmessungen können für die Berechnung des suspendierten Sedimentgehaltes keine Vorgaben gemacht werden, es ist jedoch ein naturähnliches Systemverhalten im Sinne einer Plausibilitätsprüfung nachzuweisen. 1 Die Brackwasserzone wird hier nach Lange et al. (2008) als der Bereich von 2 bis 20 PSU definiert. Seite 5

18 Unterlagen und Daten 2.1 Topographie Auf Basis von Befliegungs- und Peildaten wurde für den Systemzustand 2002 durch die Firma smile consult 2 ein unstrukturiertes trianguliertes Geländemodell erstellt, auf dessen Basis das der BAW vorliegende Rechengitter erstellt wurde [smile consult (2009)]. Die verwendeten Tiefen basieren auf den Verhältnissen aus den Sommermonaten 2002 und entsprechen damit der häufigsten Abflusssituation dieses Jahres. 2.2 Hydrologie Als Grundlage der Modellvalidierung liegen Messungen an den Pegelpositionen und Sondermessungen der Wasser- und Schifffahrtsämter (WSÄ) Bremen, Bremerhaven und Wilhelmshaven für das Jahr 2002 vor (vgl. Bild 2). Entsprechende Messdaten für aktuelle Zeiträume sind online 3 verfügbar Seite 6

19 Januar 2012 QP2 Bild 2: Pegel- und Messpositionen im Jade-Weser-Ästuar (vergleiche nachfolgende Tabellen zur Definition der Abkürzungen) Im Jade-Weser-Ästuar wurde in 2002 an festen Pegeln Wasserstand (WL), Temperatur (T), Leitfähigkeit (LF) und teilweise Trübung (TR) gemessen. Die Messung von Temperatur, Leitfähigkeit und Trübung erfolgt typisch in einer Tiefe von 1 m unter Springtideniedrigwasser. Die Leitfähigkeit wird in einen Salzgehalt umgerechnet, die Trübung dient als Maß der suspendierten Sedimentkonzentration. Bei Vorliegen von Kalibrierungsmessungen kann die Trübung auch näherungsweise in den suspendierten Sedimentgehalt umgerechnet werden. Die Pegel sind für den Bereich der Unter- und Außenweser in Tabelle 2 und für den Bereich der Jade in Tabelle 3 dargestellt. Die Positionen der Pegel entlang der Richtfeuerlinie sind als Weser-km (W-km), beginnend bei der Seeschifffahrts-Binnenschifffahrtsgrenze in Bremen, angegeben. Seite 7

20 Tabelle 2: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich Unter- und Außenweser Position W-km Name WL T LF TR ALW Pegel Leuchtturm Alte Weser X X X DWG Pegel Dwarsgat Unterfeuer X X X X RSS Pegel Robbensüdsteert X X X X BAL Pegel Bremerhaven Alter Leuchtturm X X X NUF Pegel Nordenham Unterfeuer X X X RFL Pegel Rechtenfleth X X X BRA Pegel Brake X ELS Pegel Elsfleth X FAR Pegel Farge X X X VEG Pegel Vegesack X OSL Pegel Oslebshausen X HBWB 0.03 Pegel Gr. Weserbrücke X Tabelle 3: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich der Jade Position Name WL T LF TR MPL Pegel Mellum Plate X SLG Pegel Schillig X HOO Pegel Hooksielplate X VLP Pegel Voslapp X WNV Pegel Wilhelmshaven Neuer Vorhafen X WAV Pegel Wilhelmshaven Alter Vorhafen X Neben den Pegelmessungen wurden 2002 Sondermessungen an Positionen nahe den Pegeln durchgeführt (Tabelle 4). Hier wurden neben Temperatur und Leitfähigkeit auch Trübung und Strömungsgeschwindigkeit in drei unterschiedlichen Tiefen gemessen. Während der Messkampagne Weser 2009 wurden im Jahr 2009 in der Nähe der Sondermessposition Ndh, als QP 3 bezeichnet, bodennah zeitlich hoch aufgelöste Messungen der Strömungsgeschwindigkeit (mittels acoustic doppler velocimeter (ADV)) zur Berechnung turbulenter Kenngrößen durchgeführt. Neben den regulären Pegelmessungen liegen aus zusätzlichen Messprogrammen noch gesonderte Leitfähigkeitsmessungen vor (Tabelle 5). Seite 8

21 Januar 2012 Tabelle 4: Übersicht der Sondermessungen (CTD, Strömungsmessungen) Position Name WL T LF TR V ADV DWG Pegel Dwarsgat Unterfeuer X X X X RSS Pegel Robbensüdsteert X X X X MFBrhv Messpfahl Bremerhaven X X X X RFL1 Sondermessung Rechtenfleth X X X X Ndh Sondermessung Nordenham X X X X QP3 Weser 2009 Querprofil 3 X Tabelle 5: Übersicht der gesonderten Leitfähigkeitsmessungen Position Name WL T LF Trü Wind SG KKU Kernkraftwerk Unterweser X X SPO Strohauser Plate Ost X X HEM Hemelingen X X Weiterhin wurden als Kampagne im Juni 2002 die Wasserstände an ausgesuchten Positionen in der Nordsee (vgl. Bild 2) gemessen, um als Randwerte für das numerische Modell zu dienen (Tabelle 6). Tabelle 6: Übersicht der Messungen entlang des Steuerrands Position Name WL T LF Trü Wind SG R1 R5 Nordseerand X X X Neben diesen Messungen wurden zusätzlich im Auftrag der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Abfluss und die Konzentration suspendierter Sedimente an der Staustufe Intschede gemessen. 2.3 Sedimentologie Das Sedimentinventar wird durch die Korngrößenverteilungen von Greiferproben beschrieben. Im Jade-Weser-Gebiet liegen zurzeit die Analyseergebnisse von mehr als Greiferproben vor, die im Sedimentkataster bei der BfG online 4 verfügbar sind. Neben diesen Greiferproben wurde eine Wattklassifizierung auf Basis von Fernerkundungsdaten durch das KFKI Forschungsvorhaben Sedimentverteilung als Indikator für morphodynamische Prozesse [Meyer and Ragutzki (1999)] erstellt. 4 Sedimentkataster der BfG online verfügbar unter: Seite 9

22 Meteorologie Für die Beurteilung der Windverhältnisse im Untersuchungsgebiet liegen Langzeitbeobachtungen des DWD für die Station Alte Weser aus den Jahren 1979 bis 2003 vor, sowie flächendeckende Windfelder aus dem Prognosemodell des DWD. Seite 10

23 Januar Systembeschreibung des Weserästuars 3.1 Geomorphologie Die Topographie des Jade-Weser-Ästuars ist in Bild 3 dargestellt. Das Weser-Ästuar als tidebeeinflusster Bereich der Weser beginnt am Weserwehr in Bremen-Hemelingen und reicht über Bremerhaven bis in die Nordsee. Der kanalartige Bereich der Unterweser erstreckt sich von Bremen-Hemelingen bis Bremerhaven (W-km 0-65). An die Unterweser schließt sich die trichterförmige Außenweser (W-km ) an. Die Topographie der Außenweser ist geprägt von ausgedehnten Wattflächen, tiefen Tiderinnen und kleineren Prielen. In der Außenweser verlaufen zwei tiefe Tiderinnen: das Fedderwarder Fahrwasser im Westen und der Wurster Arm im Osten. Das Fedderwarder Fahrwasser ist durch wasserbauliche Maßnahmen (Bau von Leitdämmen und Buhnen) als dauerhaftes Fahrwasser in der Lage stabilisiert. Das Fahrwasser wurde wiederholt vertieft und den Bedürfnissen des Schiffsverkehrs angepasst (vgl. Übersicht in [Lange et al. (2008)]). In der Außenweser zeigen sich in den nicht durch Bauwerke geschützten Bereichen deutliche morphologische Veränderungen. Beispielsweise veränderte der Fedderwarder Priel seine Lage im Verlauf der Jahre erheblich (siehe [Dieckmann (1989)] für eine detailliertere Beschreibung der morphologischen Strukturen). Die Jadebucht entstand zwischen dem 11. und 15. Jahrhundert durch ins Marschgebiet eindringende Sturmfluten. Die heutige Form wurde durch spätere Eindeichungen festgelegt [Götschenberg und Kahlfeld (2008)]. Im Gegensatz zum Weser-Ästuar gibt es keinen nennenswerten Oberwasserzufluss in die Jadebucht. Seite 11

24 Topographie Topographie Topographie mnhn mnn Neue Weser km km110 Außenjade km105 km100 Alte Mellum Robben- plate Der Innenjade Hohe Außenweser Weg km95 Fedderwarder Priel Wurster Arm Robben- km90 plate km85 Mittelpriel km80 Leitdamm Robbenplate Fedderwarder Fahrwasser Leitdamm Langlütjen km75 Langluetjen km70 BREMER- HAVEN Jadebusen km65 Blexen km64 km62 NORDENHAM km60 km58 km56 km54 km52 km50 km48 km46 Unterweser Isolinien in in [mnhn] [mnn Topographie ] km BRAKE km36 km34 km44 km42 km40 km38 km32 Bild 3: Topographie des Jade-Weser-Ästuars (Systemzustand 2002) Eine Betrachtung der Querschnittsflächen 5 (Bild 4) des Weser-Ästuars zeigt die für Ästuare typische, näherungsweise exponentielle Zunahme der Querschnittsfläche von der Tidegrenze bis zur Mündung. Auffällig ist der lineare Verlauf im Bereich der Unterweser, die durch wasserbauliche Maßnahmen (Vertiefung, Begradigung, Bau von Buhnen) stark anthropogen geprägt ist. Weiterhin fällt im Bereich von Weser-km der zunehmende Unterschied zwischen den Flächen mit unterschiedlichen Tiefenbezügen auf, der durch die dort vorkom- 5 Die Querschnittsflächen sind für den Bereich bis ca. Weser-km 83 von Deich zu Deich definiert, im Außenbereich von idealisierter Wattwasserscheide zu Wattwasserscheide. Seite 12

25 Januar 2012 menden ausgedehnten Wattflächen erklärbar ist. Hydrodynamisch relevant ist dies insbesondere im Hinblick auf die Prozesse der Überflutung und des Trockenfallens in diesem Bereich Tiefenbezug -3 mnn Tiefenbezug +3 mnn Tiefenbezug 0 mnn exp. Modell Fläche [ m² ] Weser - km Bild 4: Querschnittsflächen des Weser-Ästuars für unterschiedliche Referenzhöhen auf Basis der Topographie des numerischen Modells, sowie den Verlauf eines angepassten exponentiellen Modells (bezogen auf 0 mnhn) Die morphologischen Gestaltungsprozesse werden durch Gezeiten, Oberwasser und Seegang sowie anthropogene Eingriffe angetrieben. Die relative Bedeutung der einzelnen Prozesse lässt sich durch einen Vergleich von Tidehub und mittlerer Wellenhöhe abschätzen. Mit einem typischen Wert der Außen- und Unterweser für den Tidehub von >3 m ergibt sich erst ab einer mittleren Wellenhöhe 6 von > 1 m im langzeitigen Mittel ein Seegangseinfluss und ab einer mittleren Wellenhöhe > 1,7 m eine Seegangsdominanz (Bild 5). Bisherige Untersuchungen zur Seegangsstatistik wurden im Hinblick auf Bemessungsgrundlagen vorgenommen [Barthel (1980), Mai (2004)]. Hier zeigen sich im Bereich seeseitig von Bremerhaven abhängig von Windrichtung und Ort signifikante Wellenhöhen deutlich über 1 m. Mittlere Verhältnisse zur Klassifizierung wie in Bild 5 können nur abgeschätzt werden. Es ist anzunehmen, dass diese im Jahresmittel unter 1 m liegen. Die Form der Außenweser bestätigt durch die langgestreckten Tiderinnen und das Fehlen von Barriereinseln bereits den dominanten Einfluss der Tide auf die morphologische Entwicklung (vgl. [Masselink und Hughes (2003)]). 6 Hinweis: Unter Annahme einer Rayleigh Verteilung entspricht die mittlere Wellenhöhe 64% der signifikanten Wellenhöhe Seite 13

26 Bild 5: Charakterisierung eines Ästuar als gezeiten- oder seegangsdominiert [Masselink und Hughes (2003)]. Der in der Weser vorzufindende Wertebereich ist gestrichelt markiert und zeigt die Tidedominanz des Weser-Ästuars. Der Einfluss einzelner Größen ist in der schematischen Darstellung in Bild 6 abgebildet [Masselink und Hughes (2003)]. Im Außenbereich dominieren Tide und Seegang die morphologischen Änderungen, wohingegen im Inneren des Ästuars oberwassergetriebene Änderungen überwiegen. Die Quellen des Sedimenttransports sind marine Sedimente und fluviale Sedimente, die von Außen in das Ästuar eingetragen werden, sowie Umlagerungen im Inneren. Seite 14

27 Januar 2012 Bild 6: Schematische Darstellung der (a) morphologischen Einflussgrößen in einem tidedominierten Ästuar sowie (b) deren relative Bedeutung entlang des Ästuars Weitere morphologische Änderungen im Ästuar sind anthropogenen Ursprungs, insbesondere durch den Bau von Hafenanlagen (z.b. neuer Container-Terminal bei Bremerhaven (CT IV), Jade-Weser-Port) oder Anpassungen der Fahrrinne. Eine Übersicht der einzelnen Maßnahmen findet sich bei [Lange et al. (2008)]. 3.2 Sedimentologie Die Sohle im Bereich des Fahrwassers wird von Sanden dominiert. Dabei überwiegen in der Außenweser Mittelsande mit Feinsandanteilen und im Bereich der Unterweser Mittelsande mit Grobsandanteilen (vgl. Bild 7). Abweichend davon befinden sich im Bereich der Trübungszone (W-km 55 W-km 66) vorwiegend schluffige Sedimente. Die Zusammensetzung der Sedimente im schluffigen Bereich ist zeitlich nicht konstant sondern zeigt deutliche Änderungen, zum Beispiel eine Abnahme der feinen Anteile nach hohen Oberwasserabflüssen. Seite 15

28 Siebdurchgang [ % ] Weser - km Kies Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff Bild 7: Sedimentinventar der Weser entlang der Richtfeuerlinie auf Basis von Greiferproben Die auf Basis von Fernerkundungsdaten und Sedimentproben erstellte Wattklassifizierung (Bild 8) zeigt die abnehmende Korngröße von See Richtung Küste, die als Übergang von Sandwatt in Mischwatt, bzw. von Mischwatt in Schlickwatt zu erkennen ist [Meyer and Ragutzki (1999)]. Seite 16

29 Januar 2012 Bild 8: Sedimentverteilung im niedersächsischen Wattenmeer [Meyer and Ragutzki (1999)] Seite 17

30 Hydrodynamik Strömung und Gezeiten Die Tidedynamik der Weser wird durch die aus Nordwesten in das Ästuar einlaufende halbtägliche Tidewelle geprägt. Im Bereich der Unterweser erhöht sich der Einfluss des Oberwasserzuflusses zunehmend. Die trichterartige Form der Außenweser und die weitere Einengung des Querschnitts von Bremerhaven bis Bremen führen zu einem Anstieg des Tidehubs. Dem Anstieg des Tidehubs wirkt die dissipative Wirkung der Bodenreibung entgegen. Wie in Bild 9 zu sehen ist, überwiegt der Einfluss der Querschnittseinengung den der Dämpfung, der Tidehub nimmt stromauf zu. Daher wird das Weser-Ästuar als hypersynchron bezeichnet. Mit einem Tidehub zwischen 2,8 m und 4,1 m [Lange et al. (2008)] lässt sich das Weser-Ästuar als meso- bis makrotidal klassifizieren. Da es im Außenbereich Schichtungen des Salzgehaltes geben kann [Grabemann (1992)], wird das Weser-Ästuar jedoch gemeinhin als mesotidal eingestuft. Neben der Verformung durch den Einfluss der Geometrie, wird die Tidewelle durch Bodenreibung, Reflexion am Wehr und Einengung im Ästuar verformt, so dass es zu einer asymmetrischen Form der Tidekurve kommt (Bild 9). 3,00 2,00 ALW BAL BRA DWG ELS FAR NUF OSL RFL RSS VEG HBWB Wasserstand [ mnn ] 1,00 0,00-1,00-2,00-3, : : : : : : :00 Bild 9: Verformung der Tidekurve am Beispiel von Wasserstandsganglinien an den Pegelpositionen entlang des Weser-Ästuars Die Ausbau- und Strombaumaßnahmen in Außen- und Unterweser des vergangenen Jahrhunderts haben zu relativ großen Tidehüben geführt (s. Bild 10). Der mittlere Tidehub steigt fast linear zwischen den Pegeln Leuchtturm Alte Weser (km 115) und Nordenham (km 66) von rd. 2,9 m auf rd. 4,0 m an. In Bremen-Oslebshausen (km 9) wird der mittlere Tidehub mit 4,10 m angegeben. Seite 18

31 Januar ,50 4,00 MThb [ m ] 3,50 3,00 2,50 2, Weser km Bild 10: Mittlerer Tidehub für den Zeitraum (WSA Bremen) Die Verformung der Tidekurve spiegelt sich in den Eintrittzeiten des Thw und Tnw wider. Das Thw tritt in Bremen etwa 1 h 50 min später ein als in Bremerhaven, das Tnw etwa 2 h 50 min später. Die Energieumwandlung beim Fortschreiten der Tidewelle in die Weser sowie der Oberwasserabfluss bewirken, dass die Flutdauer generell kürzer als die Ebbedauer ist, wobei die Flutdauer stromaufwärts abnimmt und die Ebbedauer in entsprechendem Maße zunimmt. Die Flut dauert in Bremen etwa 5 h 10 min die Ebbe etwa 7 h 10 min, dagegen ist die Tide in Bremerhaven ausgeglichener: Flutdauer etwa 6 h und Ebbedauer etwa 6 h 30 min (vgl. Tabelle 7). Tabelle 7: Hydrologische 10 Jahres-Mittelwerte der Weser für Kürzel Bezeichnung / Name UW km MThw m NN MTnw m NN MThb m T f h:min T e h:min ALW Alte Weser 115,00 1,37-1,50 2,87 06:22 06:00 BAL Bremerhaven Alter Leuchtturm 66,67 1,81-1,95 3,76 06:00 06:30 NUF Nordenham Unterfeuer 55,80 1,95-2,00 3,95 06:15 06:15 BRA Brake 39,20 2,09-1,81 3,90 05:30 06:55 ELS Elsfleth 33,33 2,18-1,68 3,86 05:25 07:00 FAR Farge 26,25 2,23-1,59 3,82 04:55 07:30 VEG Vegesack 17,85 2,36-1,55 3,91 05:00 07:20 OSL Oslebshausen 8,38 2,47-1,65 4,12 05:07 07:12 HBWB Gr. Weserbrücke 0,03 2,52-1,58 4,10 00:30 11:55 7 Aktuelle hydrologische Werte sind über das Internet unter abrufbar. Seite 19

32 Oberwasserabfluss Hydrologische Werte für den Abfluss der Weser bei Intschede gehen aus dem gewässerkundlichen Jahrbuch für das Jahr 2002 hervor [NLWKN (2005)]. Die Weser besitzt bei Intschede (letzter tidefreier Pegel) ein Einzugsgebiet von km 2 und bei Bremerhaven von km 2. Der mittlere Festlandsabfluss beträgt etwa 300 m 3 /s. Minimale Werte um 100 m 3 /s treten im Spätsommer oder Herbst auf, maximale Werte größer als m 3 /s überwiegend im Frühjahr. Der häufigste Wert liegt bei ca. 168 m³/s. Im Abflussjahr 2002 (hydrologisches Jahr des Vorjahres bis ) betrug der Jahresmittelwert 462 m 3 /s (Mittel der Jahre 1941/2001: MQ = 327 m 3 /s), das Minimum 166 m 3 /s am (MNQ 1941/2001 = 118 m 3 /s und das Maximum 1670 m 3 /s am (MHQ1941/2001 = m 3 /s). Damit handelt es sich bei dem Jahr 2002 eher um ein nasses Jahr mit höheren Abflüssen als im Mittel (Bild 11). Bild 11: Häufigkeitsverteilung des Oberwasserabflusses der Weser für 2002 im Vergleich zum langjährigen Mittel ( ) 3.4 Salztransport Aus der Nordsee dringt salziges Meerwasser mit ca. 34 PSU in die Deutsche Bucht ein, vermischt sich dort mit dem kontinentalen Süßwasserabfluss, so dass im Übergangsbereich zum Weser-Ästuar nur noch geringere Salzgehalte von ca. 32 PSU vorzufinden sind [Janssen et al. (1999)]. Das Oberwasser der Weser selbst ist durch den Salzabbau stromauf kein reines Süßwasser sondern weist einen Salzgehalt von etwa 0,5 PSU bis 1 PSU auf. Die Lage der Brackwasserzone ist überwiegend von den Gezeiten (tägliche Ungleichheit, Spring- Nipp-Zyklus), der Lage des Mittelwassers in der Nordsee und den Oberwasserverhältnissen abhängig. Die Salzgehalte an einzelnen Messpositionen zeigen damit eine Variabilität auf unterschiedlichen Zeitskalen von Tagen (halbtägliche Gezeit), über Wochen (Spring-Nipp- Zyklus) bis hin zu saisonalen Signalen (Oberwasserabfluss, Mittelwasserlage Nordsee). Im langfristigen Mittel liegt die Brackwasserzone bei Flutstromkenterung im Bereich von W-km und bei Ebbestromkenterung bei W-km [Lange et al. (2008)]. Die Variation des Salzgehaltes über einen Tidezyklus kann stellenweise über 14 PSU betragen (Bild 12, Seite 20

33 Januar 2012 c). In dem Bereich der Brackwasserzone liegt die Variation des Salzgehaltes im Mittel bei über 12 PSU. In der Vertikalen zeigt die Salzgehaltsverteilung Unterschiede während der einzelnen Tidephasen. Während der Flutströmung (Bild 12, b) ist die Wassersäule generell gut durchmischt, wohingegen bei Ebbeströmung (Bild 12, a) zeitweise eine stabile Schichtung entstehen kann. Es bildet sich in der Weser also kein so ausgeprägter Salzkeil aus, wie dieser in Ästuaren mit geringerem Energieeintrag (microtidal) zu finden wäre mnhn mnn a mnhn mnn minimaler Salzgehalt (Mit) 10** b maximaler Salzgehalt (Mit) 10** mnhn mnn c Salzgehaltsvariation (Mit) 10** W-km 40 W-km 60 W-km 80 Bild 12: Berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes entlang der Richtfeuerlinie des Weser-Ästuars auf Basis von Modellsimulationen: (a) minimaler Salzgehalt, (b) maximaler Salzgehalt, (c) Salzgehaltsvariation. Die Berechnung der Tidekennwerte erfolgte jeweils als zeitliches Mittel über einen Spring-Nipp-Zyklus bei einem Abfluss von ca. 300 m³/s. Die Schichtung zur Ebbestromphase ist hydrodynamisch relevant, da sich durch die entstehenden vertikalen Dichteunterschiede eine Dämpfung der vertikalen Turbulenz und damit ein Einfluss auf den Sedimenttransport ergeben. Wie beispielhaft in Bild 13 für eine Sondermessposition bei Nordenham (W-km 58) dargestellt, beträgt der Unterschied im Salzgehalt in der Vertikalen bis zu 3 PSU auf einer Distanz von 4 m. Seite 21

34 Bild 13: Gemessener Salzgehalt bei Weser-km 58 während der Messkampagne 2002 zur Verdeutlichung der zeitweisen Schichtung in den Ebbephasen 3.5 Sedimenttransport Die anfangs genannten Fragestellungen für das Modellsystem umfassen auch die Modellierung des Sedimenttransports, insbesondere des suspendierten Sedimenttransports. Weitergehende Fragestellungen wie die morphologische Entwicklung und langfristige Sedimenttransporte sind dagegen nicht Gegenstand geplanter Untersuchungen. Vor diesem Hintergrund kann der Sedimenttransport vereinfacht als die Summe aus Suspensions- und Geschiebetransport verstanden werden. Hier ist insbesondere der Suspensionstransport von Interesse, bei dem Sedimente mit dem Wasserkörper transportiert werden. Rollende oder springende Transporte als Geschiebe am Boden sind für die geplanten Untersuchungen von untergeordneter Bedeutung. Ebenso ist Transport von Feinmaterial durch den Wind ohne Bedeutung für die vorliegenden Fragestellungen. Das transportierte Material wird entweder im Untersuchungsgebiet umgelagert oder über die Ränder eingetragen. Im Folgenden wird kurz auf die zu erwartenden Prozesse und deren Bedeutung eingegangen. Der Eintrag über die Ränder setzt sich aus dem Eintrag am seeseitigen Rand und den Eintrag mit dem Oberwasser zusammen. Der gesamte jährliche Sedimenteintrag über das Oberwasser bei Intschede (hydrologisches Jahr 2001) lag bei t (Mittelwert : t). Die mittlere Konzentration suspendierter Sedimente mit 40 g/m 3 entspricht in 2002 dem langjährigen Mittel (1979/2002: 40 mg/l). Die höchste Konzentration suspendierter Sedimente lag bei 254 mg/l im Sommer des Jahres (1970/ mg/l). Der Eintrag über den seeseitigen Rand ist nicht durch Messungen bestimmt, es ist jedoch davon auszugehen, dass Sedimente mit dem Küstenlängstransport aus dem niedersächsischen Wattenmeer in das Jade-Weser-Ästuar ein- und wieder ausgetragen werden. Seite 22

35 Januar 2012 Wichtigster Prozess für den kurzfristigen (Zeitraum von Wochen) Sedimenttransport ist die Umlagerung von Sedimenten im System. Diese ist zum einen natürlichen Ursprungs, wie dem tidebedingten Sedimenttransport und zum anderen anthropogenen Ursprungs, wie den Unterhaltungsbaggerungen. Der tidegetriebene Sedimenttransport ist räumlich und zeitlich variabel. Für den Bereich der Fahrrinne kommt es, abhängig von der Oberwassersituation, abschnittsweise zu einem Stromauftransport von Feinsedimenten. Eine Geschiebezugabe zur Stabilisierung der Sohle wie im Binnenbereich ist nicht notwendig. Der Stromauftransport von Feinsedimenten entsteht durch die Tidedynamik. Auch wenn sich im Querschnittsmittel eine Ebbstromdominanz der Weser ergibt, so werden mit der sohlnah höheren Flutstromgeschwindigkeit mehr Sedimente stromauf transportiert als durch die geringere Ebbestromgeschwindigkeit wieder stromab gelangen ( tidal pumping ). Numerische Untersuchungen haben für die Weser gezeigt, dass der Stromauftransport durch die Tideasymmetrie erklärt werden kann [Lang (1990)]. Auf diese Weise können marine Sedimente ihren Weg in die bremischen Häfen finden. Am landseitigen Rand der Brackwasserzone existiert in der Weser ein Bereich hoher Konzentration suspendierter Sedimente, die Trübungszone. Hier übersteigt die Konzentration suspendierter Sedimente die Konzentration im übrigen Ästuar um ein Vielfaches. Der lokale Sedimenttransport im Bereich der Trübungszone kann vereinfacht als ein Kreislauf aus Resuspension des Bodenmaterials stromab der Trübungszone, Advektion mit dem Flutstrom, Deposition stromauf der Trübungszone und erneute Resuspension mit dem advektiven Ebbestromtransport verstanden werden [Lang et al. (1989)]. Der Ursprung dieser sogenannten sekundären Quellen ist noch Gegenstand aktueller Untersuchungen. So kann die eigentliche Entstehung einer Trübungszone durch unterschiedliche Prozesse bestimmt werden [Dyer (1997)]. Die einfachste Modellvorstellung ist die einer ästuarinen Zirkulation ( estuarine circulation oder gravitational circulation ), bei der das am Boden einströmende Salzwasser Sediment stromauf transportiert, bis zu dem Punkt vollständiger Vermischung des Salzwassers mit dem Süßwasser des Oberstroms. Dieses sehr einfache Modell ist in der Weser nur eingeschränkt gültig, da die Wassersäule gut durchmischt ist und sich kein klassischer Salzkeil ausbildet. Vielmehr kann der Stromauftransport von suspendierten Sedimenten durch die stärkere vertikale Vermischung während der Flutströmung (Sediment ist höher in der Wassersäule), im Vergleich zur Ebbeströmung (die haline Schichtung unterdrückt den vertikalen Aufwärtstransport in der Wassersäule) erklärt werden (Bild 14). Durch die bessere vertikale Vermischung während des Flutstroms wird ein Sedimentteilchen näher an der Oberfläche mit größerer Geschwindigkeit stromauf transportiert, als es mit dem stärker geschichteten Ebbestrom bodennäher wieder stromab transportiert wird. Seite 23

36 [mnn] [mnn] Querprofil [m] [mnn] [mnn] Querprofil [m] Strömungsgeschwindigkeit current velocity [ m/s [ m/s ] ] Schwebstoffgehalt SSC [ kg/m³ [ ] mg / l ] flood Flutströmung current Ebbeströmung ebb current Bild 14: Gemessene Strömungsgeschwindigkeit (links) und Konzentration suspendierter Sedimente (rechts) für voll ausgeprägte Flutströmung (oben) und voll ausgeprägte Ebbeströmung (unten) für das Profil QP 3 (W-km 56,6) [AquaVision, 2009] Die genaue Lage der Trübungszone ist von Oberwasserabfluss und Mittelwasserlage abhängig. Für eine typische Sommersituation ist in Bild 15 die Trübungszone während einer Messfahrt von Bremerhaven nach Bremen im Längsprofil dargestellt. Die Messung wurde mit einsetzender Flutströmung begonnen, die einzelnen Messwerte sind jedoch nicht tidephasengleich aufgenommen Tiefe [mnhn] Bremerhaven Bremen [ mg/l ] Weser km Bild 15: Gemessenes Längsprofil der Konzentration suspendierter Sedimente in der Weser (nicht tidephasengleich) [AquaVision, 2009] Seite 24

37 Januar 2012 In 2009 wurde eine Messkampagne zur Abschätzung des Stromauftransports von Sedimenten gestartet [AquaVision, 2009]. Für einzelne Querschnitte wurden Ganztidenmessungen durchgeführt. In Bild 16 sind die Ergebnisse für die Messposition QP3 (W-km 56,6) dargestellt [Maushake, unveröffentlicht 8 ]. Die Messung von Tnw bis Tnw zeigt den Durchfluss bei Flutströmung von 4256 m³ und bei Ebbeströmung von 4717 m³, die Differenz daraus bildet den Oberwasserabfluss. Charakteristisch für die Weser ist die Ebbstromdominanz (v EM 0.61 m/s > v FM 0.55 m/s). Trotz fast gleicher mittlerer Konzentration suspendierter Sedimente während Ebbe- und Flutströmung ergibt sich für diese Situation ein Stromauftransport von Sedimenten von rechnerisch 4669 t Trockensubstanz pro Tide. Die Unsicherheit bei der Bestimmung der Transporte ist jedoch sehr hoch, so dass zukünftige Messungen diese Abschätzung zunächst noch bestätigen müssen. Bild 16: Zeitreihe der Querprofilmessung QP3 für a) Wasserstand, b) Durchfluss, c) Strömungsgeschwindigkeit, d) suspendierte Sedimentkonzentration und e) Transport 8 Vergleiche entsprechende Berechnung für das Ems-Ästuar unter: Seite 25

38 Im Vergleich zu den transportierten Sedimentmengen ist der Eingriff durch Unterhaltungsbaggerungen nicht zu vernachlässigen. Im Weser-Ästuar werden zwischen 4 und 8 Mio. m³ Sediment jährlich gebaggert. Das gebaggerte Material ist ein Gemisch aus Sedimenten und Wasser. Unter der Annahme einer Dichte des Sediments von 2650 kg/m³ und einem mittleren Wassergehalt des gebaggerten Materials von 40%, entspricht dies ca. 6,4 bis 12,7 Mio. t Trockensubstanz pro Jahr oder umgerechnet ca t bis t Trockensubstanz pro Tide. 3.6 Seegang In Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit kann der Seegang signifikante Wirkungen auf den Sedimenttransport in der Außenweser haben. Im Rahmen der morphodynamischen Untersuchungen zur Weseranpassung wurde in Anbetracht der Topographie des Untersuchungsgebietes und der vorherrschenden Windverhältnisse folgende Charakteristik abgeschätzt: Aufgrund der großen Fließquerschnitte und großen Wassertiefen der Außenweser kann Seegang aus nordwestlichen Richtungen in Abhängigkeit der Tidephase sehr weit von der Deutschen Bucht in die Außenweser hineinlaufen. Aufgrund der großen Fetchlängen sowie der großen Wassertiefen der Außenweser wird insbesondere bei nordwestlichen Winden ein bereits vorherrschender Seegang in der Außenweser noch lokal verstärkt und kann je nach Tidephase zu einer Belastung insbesondere der Wattgebiete Wurster Watt und Hohe Weg Watt führen. Der Seegang wird auch auf die Wattgebiete, insbesondere Wurster Watt und Hohe Weg Watt, transportiert und kann je nach Tidephase und Seegangserscheinungsform zu einer weiteren Belastung der Sohle beitragen. Die Verteilung der Schlickwatten macht auch die Seegangswirkung deutlich. Durch die vorherrschende Westwindlage kommt es zu einer seegangsbedingten Umlagerung feiner Sedimente aus dem östlichen Teil des Jadebusens in den Westen [Knoch (2004)]. 3.7 Meteorologie Die mittleren Windverhältnisse an der Station Alte Weser für den Zeitraum sind in Bild 17 dargestellt. Winde aus dem Richtungssektor West-Südwest sind vorherrschend, es gibt jedoch auch Ostwindlagen. Die höchsten Windgeschwindigkeiten (> 18 m/s) stammen vorwiegend aus südwestlichen bis westlichen und nördlichen Richtungen. Seite 26

39 Januar 2012 Windgeschwindigkeit ALW-2002 (10 m) skalare Windgeschwindigkeit NNW NW WNW N 15.0 % 12.0 % 9.0 % 6.0 % NO Windstille 0 Bft leichter Zug 1 Bft leichte Brise 2 Bft schwache Brise 3 Bft maessige Brise 4 Bft frische Brise 5 Bft starker Wind 6 Bft steifer Wind 7 Bft stuermischer Wind 8 Bft Sturm 9 Bft schwerer Sturm 10 Bft orkanartiger Sturm 11 Bft Orkan 12 Bft ONO von 0 bis 0.4 m/ von 0.4 bis 1.8 m/ von 1.8 bis 3.6 m/ von 3.6 bis 5.8 m/ von 5.8 bis 8.5 m/ von 8.5 bis 11. m/ von 11. bis 14. m/ von 14. bis 17. m/ von 17. bis 21. m/ von 21. bis 25. m/ von 25. bis 29. m/ von 29. bis 34. m/ > 34. m/s 3.0 % W O WSW OSO SW SO SSW S SSO Stationsname: Alte Weser Zeitraum der analysierten Messung: 00: : Bild 17: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser auf Basis gemessener Windgeschwindigkeiten des DWD (Messhöhe 32 mnhn, umgerechnet auf 10 mnhn) Seite 27

40 Modellaufbau 4.1 Konzeptionelles Modell Für die naturähnliche Wiedergabe der Hydrodynamik und des Stofftransports (Salz und suspendierte Sedimente) im Weser-Ästuar sind die prägenden Prozesse (vgl. Bild 18) in das Modell zu integrieren. Die Topographie muss die Tiefenverteilung und Querschnitte möglichst genau abbilden, kleinskalige Phänomene wie Transportkörper oder einzelne Hafenanlagen haben dagegen für das Gesamtsystem nur eine geringe Wirkung. Die Hydrodynamik wird durch den Verlauf der Tidewelle und den Oberwasserabfluss bestimmt. Windgetriebene Strömungen oder Auslenkungen der Wasserspiegellage können im Bereich der Außenweser ebenfalls deutlichen Einfluss haben. Die Salzgehalte sind geprägt von der Vermischung salzigen Nordseewassers mit dem Süßwasser aus dem Oberwasserabfluss. Im Ästuar haben barokline Prozesse und die turbulente vertikale Vermischung eine wesentliche Bedeutung für den Salztransport. Der Transport von suspendierten Sedimenten erfolgt in einer Abfolge aus Deposition und Resuspension mit der tidegetriebenen Strömung. Die Seegangswirkung trägt zur Mobilisierung des Sediments bei, das dann mit der Tide oder windgetriebener Strömung transportiert wird. Thermische Schichtung und thermisch angetriebene barokline Strömungen sind im gut durchmischten Weser-Ästuar nicht prägend. Oberwasser Wind barokline Prozesse Seegang Turbulenz Tidewelle Interne Wellen Deposition und Resuspension Bild 18 Schematische Übersicht der relevanten Prozesse im Ästuarbereich (nach [Nittrouer und Wright (1993)]) Typische Simulationszeiträume für wasserbauliche Fragestellungen sind einzelne Tiden oder ein Spring-Nipp-Zyklus. Hydraulische Fragestellungen und insbesondere die Bewertung von Veränderungen in der Topographie (Fahrrinnenanpassungen, Bauwerke) lassen sich auf Seite 28

41 Januar 2012 Basis dieser zeitlichen Skalen bereits umfassend bewerten. Bei den im Rahmen von Unterhaltungsfragestellungen langsamer verlaufenden Sedimenttransportprozessen (Verschlickung, Kolkbildung) sind jedoch längerfristige Prozesse zu betrachten, die den Betrieb des Modells über einen längeren Zeitraum (> Monate) erforderlich machen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit ein Modell aufzubauen, dass örtlich grob genug diskretisiert ist, um über lange Zeiträume rechnen zu können, dabei aber die wesentlichen Prozesse noch ausreichend genau auflöst. 4.2 Modellierungssystem Die Umsetzung des konzeptionellen Modells erfolgt mit Hilfe der Verfahren 9 UnTRIM und SediMorph (Bild 19). Am seeseitigen Rand werden Tide und Mittelwasserlage eingesteuert, am landseitigen Teil der Oberwasserabfluss. An der Oberfläche erfolgt ein Energieeintrag aus der Windschubspannung. Eine detaillierte Beschreibung der Anfangs- und Randwerte folgt in den nächsten Abschnitten. Vermischungsprozesse im Wasserkörper werden durch eine dreidimensionale Berechnung berücksichtigt. Turbulente Prozesse sind mit Hilfe eines Zwei-Gleichungsmodells (k- Modell) abgebildet. Tide / Mittelwasserlage Wind 3D Hydrodynamik / Stofftransport (UnTRIM 2007) 2D Sedimenttransport (SediMorph) Oberwasser Bild 19: Modellierungsansatz für das Jade-Weser-Ästuar 9 Beschreibung der numerischen Verfahren im BAWiki unter Seite 29

42 UnTRIM ist ein semi-implizites Finite-Differenzen- bzw. Finite-Volumen-Verfahren für unstrukturierte orthogonale Gitter zur Simulation stationärer und instationärer Strömungs - und Transportprozesse in Gewässern mit freier Oberfläche [Casulli und Walters (2000), Casulli und Zanolli (2002)]. UnTRIM löst die Kontinuitätsgleichung inkompressibler Fluide, die Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichung für den Impuls und die Advektions-Diffusions- Gleichung für Salz, Temperatur und fraktionierte Sedimente. Als Ergebnis werden in Abhängigkeit von Ort und Zeit die physikalischen Größen Wasserspiegelauslenkung, Strömungsgeschwindigkeit, Stoffkonzentrationen, Turbulenz und Fluiddichte berechnet. Durch die Diskretisierung auf einem unstrukturierten Gitter können auch komplexe Topographien mit einer im Vergleich zu strukturierten Gittern geringeren Anzahl an Elementen abgebildet werden. Dies ist insbesondere in Ästuaren wichtig, da die Auflösung zwischen dem großflächigem Außenbereich und engen Flussschläuchen im landseitigen Teil dem Problem jeweils optimal angepasst werden kann. In der Vertikalen werden Schichten konstanter Tiefe der Schichtgrenzen (z-schichten genutzt). Als semi-implizites Verfahren vereint UnTRIM die Stabilität eines impliziten Verfahrens mit der Performanz eines expliziten Verfahrens. Für die vorliegende Untersuchung wurde die Version UnTRIM 2007 verwendet, die sich durch Verbesserungen des Advektionsverfahrens und des Algorithmus zur Simulation des Überflutens und Trockenfallens auszeichnet [Casulli (2009)]. SediMorph [Malcherek et al. (2005)] wurde als Morphologie-Modul von der BAW entwickelt. Es berechnet die Rauheitswirkung des Bodens auf Basis des Sedimentinventars als Kornrauheit und von kleinskaligen Sohlformen (Riffeln) als Formrauheit. Das Sedimentinventar wird fraktioniert abgebildet, das heißt es werden Kornklassen mit spezifischen Eigenschaften (Dichte, Durchmesser, Sinkgeschwindigkeit, Transportart Geschiebe oder Suspension) vorgegeben. Als Ergebnis der angreifenden Strömung und der Rauheit wird die Sohlschubspannung berechnet und darauf basierend Geschiebetransport sowie Erosionsraten von suspendierten Sedimenten berechnet. In der vorliegenden Untersuchung werden die Fraktionierung gemäß Tabelle 8 angenommen. Dichte und Porosität des Sediments sind konstant als 2650 kg/m³ bzw. 40% gesetzt. Tabelle 8: Fraktionierung des Sedimenttransportmodells Fraktion Durchmesser [mm] Transportart Feinschluff Suspension Mittelschluff Suspension Grobschluff Suspension Feinsand Geschiebe Mittelsand Geschiebe Grobsand 0.75 Geschiebe Kies 33.0 Geschiebe Seite 30

43 Januar Analysegrößen zur Beschreibung der Modellgüte Hinweis zum Vergleich von Messungen und berechneten Größen Die natürliche Topographie des Weserästuars wurde für die Berechnung diskretisiert, das heißt in verschiedene Teilvolumina unterteilt. Die im Modell berechneten Größen spiegeln einen Mittelwert über das jeweilige Teilvolumen wieder, können also streng genommen nicht mit einer Punktmessung in der Natur verglichen werden. Für die in der Weser vorliegenden hydrodynamischen Verhältnisse ist ein Vergleich für punktförmig gemessene Wasserstände noch gut möglich, da nicht von Diskontinuitäten (z.b. einer Bore) auszugehen ist. Die Diskretisierung des Gitters ist fein gegenüber der Längenskala der Tidewelle. Bei dem Vergleich von Strömungsgeschwindigkeiten sind jedoch sehr kleinräumige Strukturen und Effekte lokaler topographischer Änderungen auf die Messung möglich und in einigen Messungen vorhanden. Hier ist nicht zu erwarten, dass das numerische Verfahren die zeitliche und räumliche Variabilität der Messungen zeigt, sondern vielmehr einen räumlich und zeitlich glätteren Zustand, der die Hydrodynamik auf der vom Gitter aufgelösten Skala beschreibt. So sind beispielsweise kleinräumige Walzenstrukturen oder der turbulente Nachlauf nur in parametrisierter Form, d.h. als Änderung der Diffusion bzw. Viskosität, im Modell enthalten Wasserstände Der Vergleich von modellierten mit gemessenen Wasserstandsdaten erfolgt an ausgewählten Pegelpositionen im gesamten Modellgebiet (vgl. Bild 2) in Form von Tidekennwertanalysen. Das Analyseverfahren der Tidekennwertanalyse ist für Ausbauuntersuchungen standardisiert und auf den Internetseiten der BAW dokumentiert 10. Für die berechneten Tidekennwerte werden die folgenden statistischen Kenngrößen berechnet: Mean absolute error (MAE) 1 MAE N N i 1 Mod i Mess i Mean error oder Bias (ME) 1 ME N N Mod i Mess i i Strömungsgeschwindigkeiten Gemessene Strömungsgeschwindigkeiten liegen für einzelne Messkampagnen vor und können daher nur in diesen Zeiträumen mit Modellergebnissen verglichen werden. Der Vergleich der Zeitreihen erfolgt zum einen qualitativ und zum anderen als statistischer Vergleich der Häufigkeiten bestimmter Geschwindigkeitsklassen Seite 31

44 Salzgehalte Salzgehaltsmessungen liegen ebenfalls für einzelne Messkampagnen vor, hier erfolgt ein Zeitreihenvergleich analog zum Wasserstand auf Basis der Tidekennwerte Suspendiertes Sediment Die berechnete Konzentration von suspendiertem Sediment kann näherungsweise mit Messungen der Trübung an einzelnen Messpositionen verglichen werden. Über diesen Vergleich lassen sich Systemeigenschaften überprüfen, dieser Ansatz erlaubt jedoch keinen quantitativen Vergleich. 4.4 Modelltopographie Modellgebiet Das Modellgebiet (vgl. Bild 19) des verwendeten HN-Modells wurde so gewählt, dass die maßgebenden physikalischen Prozesse hinsichtlich der Hydrodynamik und des Stofftransports des Weser-Ästuars simuliert werden können. Der offene seeseitige Rand des Modells verläuft von Spiekeroog bogenförmig entlang der SKN - 20 m Tiefenlinie durch die Deutsche Bucht bis nach Sahlenburg westlich von Cuxhaven. Die Jade ist vollständig enthalten, da der Wassermassenaustausch zwischen Jade und Weser über das Hohe Weg Watt für eine naturähnliche Abbildung der Außenweser berücksichtigt werden muss. Das Modell der Weser setzt sich stromauf bis zum Wesersperrwerk Bremen-Hemelingen fort, bildet also den gesamten tidebeeinflussten Bereich der Weser ab. Die Nebenflüsse der Weser (Hunte, Geeste, Lesum-Wümme-Hamme und Ochtum) sind nicht im Modell abgebildet. Durch diese Vereinfachung kann eine deutlich bessere Performanz des numerischen Verfahrens erreicht werden, die fehlenden Schwingungsräume insbesondere stromauf der Hunte sind jedoch bei der Interpretation der Modellergebnisse zu berücksichtigen. Das Modell kann jedoch bei Bedarf auch um Nebenflüsse und die die Stauhaltung oberhalb von Bremerhaven ergänzt werden Horizontale Auflösung Das Rechengitter für das numerische Modell wurde basierend auf den Tiefeninformationen eines digitalen Geländemodells konstruiert [smile consult (2009)]. Um die numerischen Eigenschaften des Modellverfahrens optimal auszunutzen, wurden Rinnen im Außenbereich und die Fahrrinne mit Flussschläuchen (Rechteckselementen) diskretisiert und Dreiecke am Randbereich und auf den Watten genutzt (vgl. Außenweser in Bild 20 und Unterweser in Bild 21). Die horizontale Auflösung orientiert sich daran wesentliche Effekte darzustellen, aber die Simulation längerer Zeiträume zu ermöglichen. Das Gitter besteht aus Elementen und Kanten mit einer Kantenlänge (Min Median - Max) in der Außenweser von 35 m m m und der Unterweser 15 m - 60 m m. Dies entspricht einer Fläche (Min Median - Max) in der Außenweser von m² m² m² und der Unterweser von 400 m² m² m². Im Vergleich zu extrem hoch aufgelösten Seite 32

45 Januar 2012 Gittern wie diese für Gutachten zur Untersuchung von Fahrrinnenanpassungen genutzt wurden, ist die hier im Basismodell verwendete Auflösung geringer. Bild 20: Modellgitter und verwendete Topographie (mnhn) im Bereich Außenweser Seite 33

46 Bild 21: Modellgitter und verwendete Topographie (mnhn) im Bereich Blexer Bogen Vertikale Auflösung Das Modell basiert auf Schichten gleicher Schichttiefe ( z-schichten ) mit einer durchgängigen Auflösung der Wassersäule von 1 m in der Vertikalen. Unabhängig davon wird die Topographie genauer beschrieben, da Zellen auch nur teilweise gefüllt sein können. z Wasserkörper dz = 1 m Boden Bild 22: Schematische Darstellung der vertikalen Auflösung Seite 34

47 Januar Anfangsbedingungen Wasserstand / Strömungsgeschwindigkeit Das Modell wird ohne Wasserstandsauslenkung und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0 m/s initialisiert Salzgehaltsverteilung Die Salzgehaltsverteilung wurde in vorhergehenden Berechnungen ausgehend von einer idealisierten Verteilung (0 PSU in der Unterweser, 32 PSU in der Außenweser) bis zu einem für die vorliegenden Oberwasserverhältnisse dynamischen Gleichgewichtszustand berech- wurde dann als Ausgangsverteilung genutzt. net. Dieser Gleichgewichtszustand Sedimentinventar Basierend auf topographischen Informationen und hydrologischen Verhältnissen wurde das Gesamtgebiet in Teilbereiche mit ähnlichen Eigenschaften zerlegt (z.b. Wattflächen, Fahrrinnen, etc.). Die verfügbaren Körnungslinien in diesen einzelnen Teilbereichen wurden dann gemittelt und diese mittlere Körnungslinie dem Teilbereich als Sedimentinventar vorgegeben (Bild 23). Seite 35

48 Bild 23: Mittlerer Korndurchmesser der Anfangskornverteilung für den Systemzustand Randbedingungen Wie in Abschnitt 2.2 beschrieben, wurden im Zeitraum von Juni 2002 bis Juli 2002 umfangreiche Naturmessungen durchgeführt, die es erlauben, das Modell mit Messdaten anzutreiben und die Modellergebnisse mit Messungen zu vergleichen Wasserstand Der Wasserstand am offenen, seeseitigen Modellrand wird aus den Werten der Messungen gesteuert Oberwasser Am landseitigen Rand bei Bremen wird die gemessene Oberwassermenge, wie in Bild 24 dargestellt, eingesteuert. Seite 36