Die Trübungszone der Weser

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1 Die Prozessverständnis und Überblick aktueller Untersuchungen Dr. Frank Kösters BW Kolloquium, 7. Oktober 21

2 Überblick Einführung Transportbestandteile im Überblick Ergebnisse aus den Projekten VarSed Sedimentbeprobung Weser 29 Oberwasserabhängigkeit der Trübungszone Zusammenfassung und usblick Seite 2

3 Einführung Längsprofilfahrt durch die Trübungszone quavision, interner Report (29) Bremerhaven Bremen [ mg/l ] Gemessene Schwebstoffkonzentration (18. Juni 29) Seite 3

4 Einführung Untersuchungsansatz Untersuchungen zur Trübungszone sind Teil des rbeitsprogramms Feststofftransport in der Schlickstrecke der WSÄ Bremen & Bremerhaven Systemverständnis Modelluntersuchung Bewertung / Optimierung Untersuchungsansatz Projekt Weser 29 TU [NTU] Messung Wasserkörper Messung Boden Modell Seite 4

5 Einführung Numerisches Modell des Weserästuars Modellverfahren UnTRIM 27 (Hydrodynamik, Salz- und Schwebstofftransport) SediMorph (Morphodynamik und Sedimenttransport) Gesamtes Modellgebiet und Gitternetzauflösung im Blexer Bogen km Gitterauflösung Elementanzahl: > 61.5 Kantenlänge (Min Median - Max) ußenweser: 35 m m m Unterweser: 15 m - 6 m - 25 m Vertikale Schichtdicke Δz = 1 m Randbedingungen Gemessene Wasserstandsänderungen am Nordseerand Gemessener täglicher Oberwasserabfluss Energieeintrag durch Windschubspannung aus DWD Prognosemodell Seite 5

6 Einführung Trübungszone Beobachtete zeitliche Variabilität Trübungsmessungen am Messpfahl Blexen (Weser-km 62,5) Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen Tidezyklus Spring-Nipp-Zyklus saisonale Schwankungen (Oberwasserabfluss, biologische Einflüsse) Einzelereignisse (Stürme, Hochwasser / Überschwemmung) nach Grabemann und Krause (21) Seite 6

8 Transportbestandteile im Überblick Transportbestandteile im Überblick Quantitative ufteilung des Gesamt-Schwebstofftransports in einzelne Transportbestandteile (Dyer, 1988): ( u s a ) ( u s ) ( U S ) = u s + U 123 s + S u + U S + U S + d d d d a = u = u s = s + + u + s d d + U + S + U + S d d U u s s d Gesamt-Schwebstofftransport = Σ Eulerscher Transport (1) + Stokes drift (2) + tidal pumping / Tideasymmetrien (3-5) + Ästuarine Zirkulation (6) + Lag effects (7) + Seite 8

9 Transportbestandteile im Überblick Gezeitenwirkung (Spingat, 2) Variabilität der auf intra-tidalen Zeitskalen bestimmt durch zyklische Resuspension, dvektion und Deposition mit der Ebbe- und Flutströmung (Lang et al. 1989, Grabemann und Krause, 1989) Seite 9

10 Transportbestandteile im Überblick Gezeitenwirkung Modell Bhv. Modellierter Schwebstoffgehaltes entlang der Richtfeuerlinie der Weser für mittlere bflussverhältnisse Seite 1

11 Transportbestandteile im Überblick Ästuarine Zirkulation (Dyer, 1988) Klassische Theorie der ästuarinen Zirkulation (Festa & Hansen, 1978): Stromauftransport von Sedimenten durch dichtegetriebene Restströmung Für die Weser nur von untergeordneter Bedeutung, ggf. relevant auf längeren ( saisonalen) Zeitskalen (Lang, 199) Seite 11

12 Transportbestandteile im Überblick Ästuarine Zirkulation mnn -15 Modell Ergebnisse des numerischen Modells [oben] Synoptische Darstellung des Salzgehaltes bei Flutströmung [mitte] Synoptische Darstellung des Salzgehaltes bei Ebbeströmung [unten] Tidegemittelter advektiver Rest- Salztransport -3 mnn mnn Salzgehalt Salzgehalt 1**-3 [ -3 ] Flutstrom Salzgehalt Salzgehalt 1**-3 [ 1-3 ] adv. Rest-Salztransport (Mit) adv. Rest-Salztransport E+3 [ 1 m**3/m**2 m 3 2 ] 1E km 4 km 6 Bhv. km 8 Ebbestrom Tidemittel Seite 12

13 Transportbestandteile im Überblick Tidal pumping Wasserstand v E Strömungsgeschwindigkeit v F Stromauftransport von Sedimenten durch tidal pumping Prozessbeschreibung: Verformung der Tidewelle stromauf im Ästuar (von 1 nach 3) kürzere, stärkere Flutströmung im Vergleich zur Ebbeströmung mobilisiert mehr Sediment See Land angepasst aus Spingat (2) Seite 13

14 [ m/s ] Transportbestandteile im Überblick Tidal pumping mnn vfm vem vfx vex Weser - Kilometer max. Flutstrom : max. Ebbestrom (Mit) - max. Flutstrom : max. Ebbestrom [ - ] Tidemittel Modell Tiefenintegrierte Strömungsgeschwindigkeiten: Ein Wechsel von Ebbestrom- zu Flutstromdominanz zeigt sich in der Unterweser nicht, im Bereich der Fahrrinne herrscht überwiegend Ebbestromdominanz vor. Verhältnis v fx :v ex tiefenabhängig: Bei den hier dargestellten mittleren bflussverhältnissen zeigt sich jedoch ein in der Vertikalen strukturiertes Verhalten, mit bodennaher Flutstromdominanz bis ca. W-km 7 (Bremerhaven CT I) km 4 km 6 Bhv. km 8 Seite 14

15 Transportbestandteile im Überblick Gezeiten-Geschwindigkeitsasymmetrie Instabile Dichteschichtung bei Flutströmung, führt zu homogenerem Flutstrom im Vergleich zu einer stärker geschichteten Ebbeströmung Bodennah stärkere Flut- als Ebbeströmung Ebbe (Jay & Mussiak, 1994) Flut U e Ebbestromgeschwindigkeit U f Flutstromgeschwindigkeit ± symmetrische Geschwindigkeitsverteilung K zf vertikale Wirbeldiffusion (Flut) K ze vertikale Wirbeldiffusion (Ebbe) δ Ebbe-Flut-symmetrie Seite 15

16 Transportbestandteile im Überblick Wirkung der Gezeiten-Geschwindigkeitsasymmetrie Messung [mnn] [mnn] Querprofil [m] [mnn] [mnn] Querprofil [m] Strömungsgeschwindigkeit [ m/s ] Schwebstoffgehalt [ mg / l ] Flutströmung Ebbeströmung Strömungsgeschwindigkeit und Schwebstoffgehalt aus DCP Messungen bei Nordenham (Querprofil bei W-km 56,5) im Juni 29 Homogenerer Flutstrom und höherer resultierender Schwebstoffgehalt sind deutlich sichtbar. Seite 16

17 Transportbestandteile im Überblick Gezeiten-Vermischungsasymmetrie Stabiler geschichteter Ebbestrom verhindert turbulenten vertikalen Transport von Sedimenten bzw. reduziert die Transportkapazität (Geyer, 1993) Seite 17

18 Transportbestandteile im Überblick Wirkung der Gezeiten-Vermischungsasymmetrie [ mnn ] **-3 Salzgehalt g.8 kg/m**3 Schwebstoffgehalt 1.6 m/s Stroemungsgeschwindigkeit m**2/s turbulente Wirbeldiffusivitaet Zeit [ h ] Modell Modellierte Tiefen- Zeitreihe von Salzgehalt, Schwebstoffgehalt, Strömungsgeschwindigkeit und Salzdiffusion bei W- km 6 Stabiler geschichteter Ebbestrom verhindert turbulenten vertikalen Transport von Sedimenten bzw. reduziert die Transportkapazität Seite 18

19 Transportbestandteile im Überblick Zwischenfazit Gezeitenwirkung bestimmt die intra-tidale Bewegung der Trübungszone Stromauftransport von Sedimenten durch tidal pumping Ästuarine Zirkulation selbst sekundär aber salzinduzierte Dichteunterschiede wichtig für Veränderung der vertikalen Diffusion: Geschwindigkeits- und Vermischungsasymmetrien Quantitative bschätzung der einzelnen Bestandteile steht noch aus aber für ein idealisiertes Ästuar zeigt sich eine relativ hohe Bedeutung der Geschwindigkeitsasymmetrie (Burchard und Baumert, 1998) Seite 19

21 Projekt VarSed Variabilität von Sedimenten in der Trübungszone Variabilität der Sedimente in der Trübungszone Messung Siebdurchgang [ % ] Fragestellungen: Wie unterscheiden sich die Sedimente am Boden räumlich? Wie bildet sich die zeitliche Variabilität der Trübungszone in den Bodensedimenten ab? Weser - km Kies Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff (Daten des WS Bremerhaven) Seite 21

22 Projekt VarSed Variabilität von Sedimenten in der Trübungszone Sedimentbeprobung Messung Sedimentproben zwischen W-km 55 bis W-km 74 mit van-veen Greifer in 29 an 68 Positionen ungefähr monatlich beprobt Bremerhaven Juni 29 September 29 Juni 29 September 29 (Daten des WS Bremerhaven, ufbereitung Bachelorarbeit K. Hennig) Seite 22

24 Methods & Results: numerical modeling Oberwasserabhängigkeit der Trübungszone Modell Tidegemittelte Schwebstoffkonzentration Bhv. (Modelldaten: UnTRIM 24 & SediMorph) time [ days ] Seite 24

25 Projekt Weser 29 Messung Oberwasserabhängigkeit der Trübungszone Modell discharge [m^3/s] SPM concentration [norm.] ± ± ± distance [km] (a) (b) Lage der Trübungszone aus Messungen Vergleich Schwebstoffgehalt aus Modell (Linie) mit Trübungsmessungen (Punkte) Reproduktion der Lage zufriedenstellend möglich Bhv. (Kösters, Grabemann & Schubert, PECS, 21) Seite 25

27 Zusammenfassung Quantitative bschätzung der einzelnen Transportbestandteile Weser steht noch aus, qualitativ ist die Geschwindigkeitsasymmetrie ( tidal velocity asymmetry ) von Bedeutung Veränderungen der hydrologischen Randbedingungen führen zu einer Verlagerung der Trübungszone und bilden sich auf Sedimenteigenschaften ab bei Veränderungen durch wasserbauliche Maßnahmen Bewertung durch numerisches Modell Schwebstofftransport im Ästuar ist die Summe unterschiedlicher, Ästuar spezifischer Transportmechanismen. Die hohe Komplexität erfordert sehr gut validierte Modelle Messungen in der Natur usblick Fortsetzung des rbeitsprogramms Feststofftransport in der Schlickstrecke Einsatz des neu validierten numerischen Modells in weiteren Projekten Seite 27

28 Literaturverzeichnis [Burchard and Baumert 1998] H. Burchard and H. Baumert. The Formation of Estuarine Turbidity Maxima Due to Density Effects in the Salt Wedge. Hydrodynamic Process Study. Journal of Physical Oceanography, 28:39 321, [Dyer 1988] K. R. Dyer. Fine Sediment Particle Transport in Estuaries. In Physical Processes in Estuaries. Springer-Verlag, [Festa and Hansen 1978] J. F. Festa and D. V. Hansen. Turbidity maxima in partially mixed estuaries: a two-dimensional numerical model. Estuarine Coastal Mar Sci, 7: , [Geyer 1993] W. R. Geyer. The Importance of Suppression of Turbulence by Stratification on the Estuarine Turbidity Maximum. Estuaries, 16(1): , [Grabemann and Krause 1989] I. Grabemann and G. Krause. Transport processes of suspended matter derived from time series in a tidal estuary. Journal of Geophysical Re-search, 94: , [Grabemann and Krause 21] I. Grabemann and G. Krause. On Different Time Scales of Suspended Matter Dynamics in the Weser Estuary. Estuaries, 24: , 21. [Jay and Musiak 1994] D. Jay and J. D. Musiak. Particle trapping in estuarine tidal flows. Journal of Geophysical Research, 99(C1): , [Lang et al. 1989] G. Lang, R. Schubert, M. Markofsky, H.-U. Fanger, I. Grabemann, H. L. Krasemann, L. J. R. Neumann, and R. Riethmüller. Data Interpretation and Numerical Modeling of the Mud and Suspended Sediment Experiment Journal of Geophysical Research, 94: , [Lang 199] G. Lang. Zur Schwebstoffdynamik von Trübungszonen in Ästuarien. Bericht 26, Institut für Strömungsmechanik und Elektron. Rechnen im Bauwesen der Universität Hannover, 199. [Spingat and Oumeraci 2] F. Spingat and H. Oumeraci. Schwebstoffdynamik in der Trübungszone des Ems-Ästuars - nwendung eines nalysekonzeptes für hoch aufgelöste und dauerhaft betriebene Gewässergütemessungen. Küste, 62: , 2. Seite 28