III.1.1.2 Strömungen
III.1.1.2.1 Hauptelbe
Die Strömungsverhältnisse der Tideelbe mit ihren Nebengewässern sind sehr komplex. Sie sind abhängig von der in das System einschwingenden Tidewelle, der Gewässermorphologie sowie von meteorologischen Einflüssen, die sowohl die einschwingende Tidewelle als auch die Strömungsverhältnisse direkt im System beeinflussen. In der oberen Tideelbe hat der Oberwassereinfluss große Auswirkungen auf die Strömungsverhältnisse, was sich deutlich an den Daten der Messpositionen in Bunthaus zeigt (s. Abbildung III.1.1.2.1-13).
Bei den Strömungen in der Elbe treten aufgrund der oben genannten natürlichen Einflüsse hohe kurzfristige und saisonale Schwankungen auf. Da die Strömungsverhältnisse der Elbe zudem (noch hochgradig) instationär sind, stellt es sich als außerordentlich schwierig dar, diese ganzheitlich zu erfassen und Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten großräumigen morphologischen Veränderungen wie z. B. dem Fahrrinnenausbau zuzuordnen. In der UVU zur Fahrrinnenanpassung 1999/2000 wurde prognostiziert, dass sich die Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0 bis 3 cm/s sowie an einzelnen Stellen bis zu 5 cm/s erhöhen würden. Während für die Hauptrinne der Elbe die o. g. Geschwindigkeitszunahmen prognostiziert wurden, wurden für die Seitenbereiche nicht quantifizierbare Abnahmen prognostiziert. Die bislang vorliegenden Messergebnisse der Beweissicherung weisen - bei generell starken Schwankungen - teilweise Zunahmen und teilweise Abnahmen der Strömungsgeschwindigkeiten auf, was auf vorwiegend lokale Einflüsse hinweist. Ergebnisse der maximalen und mittleren Strömungsgeschwindigkeiten pro Halbtide sind an allen Messstationen auf der beiliegenden DVD-1 seit Beginn der Messungen dokumentiert.
Dauerströmungsmessungen an den Messpositionen LZ 1 LZ 5
Die Lage der Messorte LZ 1 LZ 5 (Amtsbereich des WSA Cuxhaven) wird in der Abbildung III.1.1.2.1-1 gezeigt. Die Tabellen A.1.2-1 und -2 im Anlagenband fassen die durchgeführten Messungen und Auswertungen im Berichtszeitraum zusammen.
Die Langzeitmessstationen
- LZ 1 (Krummendeich)
- LZ 2 (Neufeld-Reede-West)
- LZ 3 (Altenbrucher Bogen)
- LZ 4 (Spitzsand)
- LZ 4b (Steinriff)
- LZ 5 (Scharhörn)
sind an eingespülten Stahlrohren von etwa 80 cm Durchmesser installiert, an denen über Handwinden je ein Aanderaa-RCMxx-Strömungsmesser in einer Höhe von 2,5 m über der Sohle hängt.
Die Messdaten der Strömungsmessungen sind über die Datensammelstelle und über das Internet verfügbar.
Abb. III.1.1.2.1-1: Messpositionen der Strömungs- und Salzgehaltsmessungen im Amtsbereich des WSA Cuxhaven
Zur Ermittlung möglicher (ggf. ausbaubedingter) Änderungen der Strömungsverhältnisse wird aus jeder Jahresdatenreihe der o. a. Messstationen mindestens eine "typische" mittlere 1-Tiden-Zeitreihe ausgewählt und grafisch dargestellt. Die Strömungsparameter werden ermittelt. Für das Jahr 2004 kommen die 2. Tide am 11.04.04 und die 2. Tide am 18.07.04 der mittleren Tide des Abflussjahres sehr nahe und wurden deshalb ausgewählt (wegen einer Datenlücke um den 18.07.04 bei LZ 5 wurde hier eine Tide am 23.07.04 ausgewählt). Die grafischen Darstellungen mit den Strömungskennwerten sind in den Abbildungen auf der DVD-1 zu finden.
Neben der Darstellung der Strömungsgeschwindigkeiten sind die Richtungen von Fall zu Fall sehr wichtig. Wie die Abbildungen der Einzeltiden auf der beiliegenden DVD-1 zeigen, sind auch bei den Richtungen Variationen zu erkennen, die zwar vom Betrag her nicht so ausgeprägt sind wie die der Geschwindigkeiten selbst, die aber für eine Betrachtung des Sedimenttransportes von entscheidender Bedeutung sein können.
Als Beispiel sei auf die Messung an der Messstation LZ 1 am 11.04.04 verwiesen. Die Ebberichtung wäre bei einem parallelen Verlauf mit der Fahrrinne bei 270° anzusetzen. Tatsächlich hat die Richtung mit anfangendem Ebbstrom eine leicht nördlichere Tendenz (275°), die mit der weiteren Ebbe langsam rechts dreht auf etwa 290°. Das bedeutet die Ablenkung erfolgt Richtung Fahrrinne. In den Vorjahren wurde dieses Richtungsverhalten nicht beobachtet, vielmehr stellte sich bei Ebbe eine recht stabile Richtung um 270° ein. Auch an der Messstation LZ 4 gibt es keine strenge Flut- und Ebberichtungen, die durch den Verlauf der tiefen Rinne bestimmt wären. Nur im Bereich des größten Flutstromes ist die Richtung am Verlauf der Rinne orientiert. Mit beginnendem und endendem Flutstrom verläuft die Richtung über die Ausläufer des Spitzsandes in das Klotzenloch hinein. Die hauptsächliche Ebbstromrichtung verläuft ebenfalls nicht in Richtung der tiefen Rinne sondern ist um etwa 10° - 30° nach links (westlich) ablenkt. Damit ist diese Strömung in der Lage, Material aus dem Klotzenloch und vom Spitzsand in die tiefe Rinne einzutragen.
Mit Hilfe einer Analyse der einlaufenden Tidewelle am 11.04.2004 lassen sich die Zeitpunkte der Scheitelwasserstände an den Strömungsmesspositionen recht genau bestimmen. Aus beiden Zeiten - Kenterpunkt und Scheitelwasserstand - werden die Kenterpunktverschiebungen bestimmt. Dieses ist auf der DVD-1 abgelegt. Die Tabelle fasst Scheitelpunkte, Kenterpunkte und Verschiebung zusammen. Zusätzlich wurden Flut- und Ebbedauern übernommen. Zur Herstellung eines direkten Vergleiches wurden hier sowohl die Daten für das gewässerkundliche Jahr 2004 als auch die Daten der drei Vorjahre übernommen.
Die Kenterpunktverschiebungen sind örtlich und auch in Bezug auf Ebbe und Flut sehr unterschiedlich. Sie bewegen sich zwischen 30 Minuten im Flutstrom an der Messstation LZ 1 und 1 Stunde 29 Minuten im Ebbstrom an der Messstation LZ 5. Der Mittelwert liegt im Ebbstrom bei etwa 1 Stunde, während der Flutstrom etwas höhere Verschiebungen zeigt. Aus den Daten lassen sich jedoch keine Trends ableiten.
Die Flut- und Ebbedauern sind mit wenigen Ausnahmen stabil im Rahmen der Bestimmbarkeit. Auch daraus lassen sich keine Trends ablesen.
Obwohl in den letzten fünf Jahren Tiden mit sehr ähnlichem Wasserstandsverlauf ausgewählt wurden, variieren die Strömungen beträchtlich. Die absolut höchsten Strömungsgeschwindigkeiten (an einer der vorhandenen Messstationen) wurden 1999 an der LZ 2 mit 2,0 m/s gemessen. Sowohl 1998 als auch in den Folgejahren sind die Werte dort deutlich niedriger.
Der betrachtete Zeitraum von 1997 - 2004 sollte hinreichend groß sein, um einen Vergleich der Strömungsverhältnisse aller Stationen herzustellen. Der Nachweis darüber, dass eine einzelne ausgesuchte Tide die mittleren Verhältnisse ausreichend genau beschreibt, wird in einem gesonderten Bericht des WSA Cuxhaven erbracht (Gewässerkundlicher Bericht Nr.2/2003, "Besonderheiten von Langzeitströmungsmessungen und Einzeltiden", WSA Cuxhaven, HANSEN, 2003 [DVD-Materialien\Unveröffentlichte_Gutachten_u_Berichte\Gewässerkundl_Bericht_WSACux_2003_2]). Ausgesucht heißt in diesem Fall diejenige Tide, die den mittleren Verhältnissen hinsichtlich der Scheitelwerte Tnw und Thw in dem ausgesuchten Mondumlauf am nächsten kommt. Das Ergebnis besagt zusammengefasst, dass die Strömungsmittelwerte von Eintidenmessungen erstaunlich gut übereinstimmen mit den Mittelwerten des zugehörigen vollen Mondzyklus, das sind 2 Spring/Nipp-Phasen mit 57 Tiden. Die mittlere Abweichung beträgt im Flutstrom 4,6 cm/s und im Ebbstrom 5 cm/s. 75 % aller Vergleichswerte unterscheiden sich nur mit einem Betrag von unter 6 cm/s. Diese Werte liegen nahe der Messgenauigkeit, die mit etwa 2 bis 3 cm/s anzusetzen ist. In Kenntnis dieser Zusammenhänge scheint es erlaubt zu sein, Strömungsentwicklungen über einen mehrjährigen Zeitraum durch einige wenige repräsentative Tiden (mittlere Tiden) pro Jahr hinreichend genau darzustellen.
Dies wurde jetzt für alle Dauermessstationen für die Jahre 1997 bis 2004 durchgeführt. Die hohe Variabilität der Strömungen ist auch hier wieder erkennbar. Dennoch ist an allen Stationen ein Trend ersichtlich, der aber sowohl in der Steigung als auch in der Richtung nicht einheitlich ist.
Außer im Ebbstrom an LZ 3 herrscht an den LZ-Dauermessstationen oberhalb der Kugelbake eine Abnahme der Strömungen vor, die an LZ 2 sehr deutlich ausfällt. Westlich der Kugelbake an den Stationen LZ 4 und LZ 4b ist in beiden Richtungen ein Anstieg zu verzeichnen (Trend 1997 - 2004), allerdings wurde in 2003 wie insbesondere bei LZ 3 auch dort eine deutliche Strömungsgeschwindigkeitsminderung beobachtet, für die es momentan noch keine endgültige Erklärung gibt. 2004 nehmen die Strömungen tendenziell wieder leicht zu, ohne dass der langfristige Trend umgekehrt wird. LZ 5 ist ein Sonderfall. Die Umgebung der Station versandet aufgrund hoher Eintreibungen. Die stetig abnehmende Wassertiefe hat eine Strömungsabnahme zur Folge. Mit Ende des gewässerkundlichen Jahres 2004 musste die Station aufgegeben werden. Als Ersatz wurde in der Nähe in einer größeren Wassertiefe eine Bojenverankerung mit einem Strömungsmesser installiert. Gleichwohl endet die langjährige LZ 5-Zeitreihe damit im Jahr 2004.
Die signifikanten Abnahmen der Strömungsgeschwindigkeiten an den LZ-Stationen in der Unter- und Außenelbe im Jahr 2003 werden ausführlicher beschrieben in den gewässerkundlichen Berichten Nr.1/2004 und Nr. 3/2004 des WSA Cuxhaven.
Die in 2004 ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten mittlerer Tiden sind aus den Abbildungen auf der DVD-1 ersichtlich.
Eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung der Strömungsverhältnisse wurde mit der Darstellung der mittleren und der maximalen Strömung jeder Tide seit 1997 getrennt nach Ebbe und Flut gewählt (DVD-1). Die Variation in allen Einzeltiden ist natürlich groß, da die Änderungen in den Einflussgrößen Wasserstand, Wind und Wetter und Oberwasser auch groß sind. So zeigen die Grafiken ein breites Band von Messwerten.
Die oben beschriebene Auswertung bestimmter ausgewählter Tiden wirkt wie ein Filter auf die Gesamtdaten. Die bezüglich des Wasserstandes für mittlere Verhältnisse ermittelten Strömungswerte verhalten sich im Trend, wie die Mittelwerte aller Einzeltiden. Besonderheiten und Abweichungen vom Trend sind in beiden Darstellungsarten sichtbar, welches für alle Stationen gilt.
Einzelmessungen der Strömungsverteilung im Querschnitt der Station LZ 1
Alle Langzeitmessstationen liegen aus Sicherheitsgründen deutlich außerhalb der tiefen Fahrrinne, im Falle der Messstation LZ 2 sogar weit außerhalb ohne Anbindung an die Hauptrinne. Aus diesem Grunde können die höheren Strömungsgeschwindigkeiten in der Fahrrinne nicht kontinuierlich erfasst werden. So werden mit sporadischen Messungen wegen der sehr hohen Variabilität der Strömungen hier tägliche, monatliche oder jährliche Vergleiche unmöglich sein. Aus diesem Grunde werden Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) Messungen im Querprofil an der Station LZ 1 über die Fahrrinne durchgeführt, um zumindest Veränderungen in der Strömungsverteilung im Querprofil zu erfassen und in Verbindung mit den Langzeitmessungen ggf. auf langfristige Änderungen schließen zu können. Mit dem ADCP kann die Strömung in einem Querschnitt nahezu vollständig - jedenfalls dort, wo das Messschiff fahren kann - erfasst werden in vertikaler und horizontaler Ausbreitung. Üblicherweise wird ein Querprofil über die Dauer einer gesamten Tide immer wieder abgefahren. Die Abbildungen der ADCP-Ergebnisse auf der DVD-1 zeigen farbkodiert die Beträge der Geschwindigkeiten zum Zeitpunkt der stärksten Flut (gelb/rot) bzw. Ebbe (grün/blau) im Querprofil, das von Süd nach Nord verläuft.
Die Größen der Tiefenstufen betragen 1 m in der Vertikalen und je nach Schiffsgeschwindigkeit über Grund einige Meter in der Horizontalen. Diesem Bericht werden auf der DVD-1 nur die beiden Profile mit den maximalen Werten von Flut- und Ebbstrom beigefügt. Alle anderen Ergebnisse liegen der Datensammelstelle vor.
Als Beispiel für die Auswertung an den Langzeitmessstationen sind nachfolgend die Ergebnisse an der Station LZ 3 dargestellt.
Abb. III.1.1.2.1-2: Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station LZ 3
Abb. III.1.1.2.1-3: Strömung bei mittlerem Tideverlauf an der Langzeitmessstation LZ 3 am 18./19.07.07
Dauermessung der Strömung an den Messpositionen D 1- D 4
Bei den Dauerströmungsmessungen im Amtsbereich des WSA Hamburg handelt es sich um Messstationen, bei denen zwei Strömungsmessgeräte in einer Messlotrechten (sohlnah und oberflächennah) übereinander angeordnet sind. Hierbei werden die Strömungsgeschwindigkeiten in der Elbe - wie bei den Stationen LZ 1 bis LZ 5 punktuell erfasst. Ein gemessener Anstieg bzw. ein Abfall der Strömungsgeschwindigkeiten ist nicht ausreichend aussagekräftig. Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten an den Messpositionen können sowohl auf eine generelle Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit als auch auf einer Verlagerung des Stromstriches zurückgeführt werden. Wahrscheinlich ist eine Kombination aus beidem, wobei die Anteile derer nicht durch diese Messungen festgestellt werden können.
Strömungsprofilanalyse an den Stationen D 1 D 4
Um die Messungen an den Dauerströmungsmesspositionen zu stützen, wurde mit Hilfe der einmal jährlich stattfindenden Durchflussmessungen eine Analyse des horizontalen oberflächennahen Strömungsprofils durchgeführt. Hierbei wurden mehrere Strömungsmessgeräte im Profil der Dauerströmungsmesspositionen (D 1 - D 4) in Messlotrechten angeordnet. Die Analyse soll zum einen dazu dienen, die Repräsentativität der Dauerströmungsmessungen im Querschnitt darzulegen, zum anderen, wenn die Datenqualität vergangener Jahre ausreicht, eine Verlagerung des Stromstriches belegen. Hierbei könnte eine zeitliche Veränderung der Strömung an der Dauerströmungsmessposition genauer beurteilt werden. Für die Analyse wurden die Daten der oberflächennahen Geräte verwendet. Diese basiert auf dem Verhältnis der Dauerströmungsmesspositionen D 1, D 2, D 3 und D 4 zu den umliegenden Messpositionen der Durchflussuntersuchung. In der Analyse des horizontalen Strömungsprofils wurde das oberflächennahe Strömungsprofil im Verhältnis zu dem Ereignis von 70 cm/s bis 80 cm/s an den jeweiligen Dauerströmungsmesspositionen ermittelt. Das bedeutet, dass zum Zeitpunkt des Auftretens eines Messwertes im Bereich 70 - 80 cm/s an der jeweiligen Dauerströmungsmessposition alle Messwerte der umliegenden oberflächennahen Geräte zum selben Zeitpunkt betrachtet, Mittelwerte gebildet und auf der x-Achse abgetragen werden. Die Abstände der jeweiligen Messposition zur Fahrrinnenachse werden auf der y-Achse abgetragen. Hierbei entsteht die Darstellung eines Strömungsprofils in Abhängigkeit zu dem Ereignis 70 - 80 cm/s an den Dauerströmungsmesspositionen (D 1 - D 4), welche sich bei guter Datenqualität über verschiedene Jahre miteinander vergleichen lassen. Eine Schwierigkeit bei der Auswertung sind die Datenausfälle früherer Jahre aufgrund von Geräteausfällen und Schiffspassagen, sodass meist ein Teil der Daten aus der Fahrrinne für die Analyse fehlt. Das Verfahren zur Darstellung der Strömungsprofile ist im Anhang im Kapitel A.6.1 ausführlich erläutert.
Um eine einheitliche amtsübergreifende Betrachtung der Strömungsverhältnisse der Elbe zu gewährleisten, wurden neben der Untersuchung des langfristigen Verlaufs der Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide auch einzelne Tiden betrachtet, um Trendentwicklungen besser analysieren zu können und ggf. Veränderungen einzelner Parameter der Strömungskurve zuzuordnen. Es wurden die Tiden betrachtet, die auch für die Stationen LZ 1 - LZ 4 untersucht wurden. Die Ergebnisse ausgewählter Parameter sind im Anhang in der Tabelle A.1.2-4 zusammengefasst. Die Ganglinien der Strömungsverläufe der Einzeltiden sind auf der DVD-1 dargestellt.
Die Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide sind in den Abbildungen III.1.1.2.1-5 bis -8 dargestellt und zusätzlich mit den Querprofilanalysen auf der DVD-1 abgelegt.
Entwicklung der Strömungsgeschwindigkeiten an und im Bereich der Dauermessstellen D 1 - D 4
Die Lage der Messorte D 1 - D 4 (Amtsbereich des WSA Hamburg) zeigt Abbildung III.1.1.2.1‑4. Die Tabellen A.1.2-1 und -2 im Anlagenband fassen die durchgeführten Messungen und Auswertungen im Berichtszeitraum zusammen.
Abb. III.1.1.2.1-4: Messpositionen der Strömungs- und Querprofilmessungen im Amtsbereich des WSA Hamburg
Position D 1
Die Messposition D 1 befindet sich südlich des Fahrwassers auf der Höhe des unteren Mündungsbereichs der Hahnöfer Nebenelbe in die Hauptelbe bei Elbe-km 643. Die Auswertung der Mittelwerte pro Halbtide zeigt eine Zunahme der Flutströmung und eine Verringerung der Ebbeströmung innerhalb des Zeitraumes von Anfang 1998 bis Ende 2004. Der Anstieg der Flutströmung sowie das Absinken der Ebbeströmung sind auch in der Entwicklung der Maximalwerte pro Flut-Halbtide sichtbar. Der Quotient aus der mittleren Flutstromgeschwindigkeit zur mittleren Ebbestromgeschwindigkeit nimmt an dieser Messposition zu. Die Streuung (mittlere Abweichung der Mittelwerte pro Halbtide von der Regression) beträgt 6,17 cm/s für die Flut und 5,19 cm/s für die Ebbe. Aus diesem Grund kann die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten noch nicht quantifiziert werden, da das Verhältnis der Streunung zum Messzeitraum zu groß ist. Außerdem können die Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit an der Messposition weder auf den generellen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeiten, noch auf eine Verlagerung des Stromstriches zurückgeführt werden, da dieser mit Hilfe der Analyse des horizontalen Strömungsprofils aufgrund von Datenausfällen früherer Jahre nicht feststellbar ist. In die Analyse des horizontalen Strömungsprofils konnte hier nur das aktuelle Profil aus dem Jahre 2004 abgetragen werden, um einen Eindruck über die aktuelle Strömungsverteilung zu erhalten (DVD-1). Aufgrund verschiedener Baumaßnahmen (DASA-Erweiterung, Rinnenbaggerung in der Hahnöfer Nebenelbe und im Mühlenberger Loch) spielen lokale Einflüsse an dieser Position eine große Rolle in der Veränderung der Strömungsverhältnisse. Der Stromstrich der Flut liegt in diesem Profil südlicher als der der Ebbeströmung und somit näher an der Messposition. Demzufolge ist auch eine erhöhte Flutstromdominanz festzustellen. Anhand der Analyse einzelner Tiden lässt sich weder ein eindeutiger Trend der Entwicklung der Kenterpunktabstände (sowohl Flut als auch Ebbe) noch der Flut- und Ebbestromdauer erkennen (DVD-1).
Abb. III.1.1.2.1-5: Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station D 1
Die Messposition D 2 befindet sich linksseitig neben dem Fahrwasser in Höhe der unteren Mündung der Lühesander Nebenelbe in die Hauptelbe bei Elbe-km 651,3. An der Messposition D 2 ist anhand der Auswertung der Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide eine Zunahme der mittleren Flutströmung im Zeitraum von 1998 bis Ende 2004 zu erkennen. Die mittlere Ebbeströmung steigt ebenfalls innerhalb des o. g. Zeitraumes. Der Trend ist auch in der Entwicklung der Tagesmaxima der Flut- und Ebbeströmung sichtbar. Die Streuung (mittlere Abweichung der Mittelwerte pro Halbtide von der Regression) beträgt 7,45 cm/s für die Flut und 6,56 cm/s für die Ebbe, sodass die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten an der Messposition D 2 noch nicht quantifiziert werden können. Ob dieser Trend auf einen generellen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit oder zum Teil auf eine Verlagerung des Stromstriches zurückzuführen ist, ist aufgrund von Datenausfällen früherer Jahre wie auch an D 1 nicht eindeutig zu belegen (DVD-1). Anhand der Analyse einzelner Tiden lässt sich weder ein eindeutiger Trend bei der Entwicklung der Kenterpunktabstände (sowohl Flut als auch Ebbe) noch bei der Flut- und Ebbestromdauer erkennen (DVD-1).
Abb. III.1.1.2.1-6: Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station D 2
Die Dauermessposition D 3 liegt linksseitig des Fahrwassers auf der Höhe von Pagensand-Nord bei Elbe-km 664,7. Hier ist anhand der Auswertung der Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide eine Zunahme der mittleren Flut und Ebbeströmung im Zeitraum von 1998 bis Ende 2004 zu erkennen. Der Trend ist auch in der Entwicklung der Tagesmaxima der Flut und Ebbeströmung sichtbar. Die Streuung (mittlere Abweichung der Mittelwerte pro Halbtide von der Regression) beträgt im Mittel 8,21 cm/s für die Flut und 7,29 cm/s für die Ebbe. Aus diesem Grund kann die Verränderung der Strömungsgeschwindigkeiten noch nicht quantifiziert werden. Eine Verlagerung des Stromstriches ist anhand der Querprofilauswertungen nicht feststellbar (DVD-1) da die Datenqualität hier nicht ausreicht um eine belegbare Aussage zu treffen. Anhand der Einzeltiden lässt sich weder ein eindeutiger Trend bei der Entwicklung der Kenterpunktabstände (sowohl Flut als auch Ebbe) noch bei der Flut- und Ebbestromdauer erkennen (DVD-1).
Abb. III.1.1.2.1-7: Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station D 3
Position D 4
Die Dauermessposition D 4 liegt westlich des Fahrwassers in Höhe Rhinplatte-Nord vor der Brammer Bank bei Elbe-km 676,5. Es ist anhand der Auswertung der Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide eine Zunahme der mittleren Flutströmung im Zeitraum von 1998 bis Ende 2004 zu erkennen. Der Trend ist auch in der Entwicklung der Tagesmaxima der Flutströmung sichtbar. Die mittlere Ebbeströmung verringert sich geringfügig innerhalb des o. g. Zeitraumes. Die Streuung (mittlere Abweichung der Mittelwerte pro Halbtide von der Regression) beträgt für die Flut 7,61 cm/s und für die Ebbe 7,38 cm/s. Der Ebbestromstrich liegt in diesem Bereich weiter westlich als der Flutstromstrich. Somit ist auch eine Ebbestromdominanz zu erkennen. In den Querprofilauswertungen ist ein Trend der Verlagerung des Flutstromstriches zur rechten Fahrwasserseite ersichtlich. Die Ebbeströmung zeigt eine ähnliche Tendenz (DVD-1). Anhand der Einzeltiden lässt sich weder ein eindeutiger Trend bei der Entwicklung der Kenterpunktabstände (sowohl Flut als auch Ebbe) noch bei der Flut- und Ebbestromdauer erkennen (DVD-1).
Abb. III.1.1.2.1-8: Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station D 4
Abb. III.1.1.2.1-9: Strömungsverlauf einer einzelnen Tide der Dauerströmungsmessposition D 4 am 11.04.04
Abb. III.1.1.2.1-10: Messanordnung temporärer Messgeräte im Bereich der DSM-Station D 4
Abb. III.1.1.2.1-11: Querprofildarstellung der Flut im Bereich der DSM-Station D 4 (Blickrichtung vom linken Ufer)
Abb. III.1.1.2.1-12: Querprofildarstellung der Ebbe im Bereich der DSM-Station D 4 (Blickrichtung vom linken Ufer)
Zusammenfassung für die Messungen im Amtsbereich des WSA Hamburg
Ausbaubedingte Änderungen der Strömungsgeschwindigkeiten zu ermitteln, ist aufgrund der natürlichen Schwankungen sehr schwer. Mit dem angewandten Messverfahren lassen sich Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten zwar feststellen, jedoch nicht einzelnen Einflüssen wie dem Fahrrinnenausbau zuordnen. Außerdem lassen sich die Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten an den einzelnen Dauerströmungsmesspositionen noch nicht quantifizieren, da die Streuung der Messwerte es beim vorliegenden Messzeitraum nicht zulässt, diesbezüglich belegbare Aussagen zu machen. Der Standardfehler (mittlerer Fehler der Regressionsgeraden zum realen Mittelwert pro Halbtide des jeweiligen Tages) beträgt im Mittel für die Messstationen D 1 - D 4 bei Flut 7,36 cm/s und bei Ebbe 6,60 cm/s für den Messzeitraum 1998 - 2004.
Dauerströmungsmessungen im Bereich der Hamburger Delegationsstrecke
Die Hamburg Port Authority misst die Strömungsgeschwindigkeit an drei Stationen in der Tideelbe auf der Hamburger Delegationsstrecke. Zwei Stationen liegen kurz hinter der Bunthäuser Spitze (in der Norder- und Süderelbe bei km 610). Des Weiteren wird die Strömungsgeschwindigkeit in Nienstedten/Teufelsbrück (km 630) gemessen.
Abb. III.1.1.2.1-13: Messpositionen der Strömungs- und Durchflussmessungen im Zuständigkeitsbereich der Hamburg Port Authority
Im Gegensatz zu den Punktmessungen an den LZ- und D-Stationen wird die Strömungsgeschwindigkeit in Bunthaus auf einer Ebene im Fließquerschnitt mittels eines akustischen Verfahrens gemessen. Zusätzlich wird aus der Geschwindigkeitsmessung (v) und einer dem Wasserstand zugeordneten Querschnittsfläche (A) auf Grundlage der Kontinuitätsgleichung (Q = v · A) der Durchfluss (Q) berechnet.
Um eine einheitliche bereichsübergreifende Betrachtung der Strömungsverhältnisse der Elbe zu gewährleisten, wurden neben der Untersuchung des langfristigen Verlaufs der Mittel- und Maximalwerte pro Halbtide auch einzelne Tiden betrachtet, um Trendentwicklungen besser analysieren zu können und ggf. Veränderungen einzelner Parameter der Strömungskurve zuzuordnen. Es wurden die Tiden betrachtet, die auch für die Stationen LZ 1 - LZ 4 untersucht wurden. Die Ergebnisse ausgewählter Parameter sind im Anhang in der Tabelle A.1.2-4 zusammengefasst. Die Ganglinien der Strömungsverläufe der Einzeltiden sind im Anhang im Kapitel A.1.2 dargestellt. Außerdem sind die Mittel-/und Maximalwerte pro Halbtide auf der DVD-1 abgelegt. Eine Bewertung der Auswertungen wird im Folgenden vorgenommen.
Bunthaus
Die Messstationen Bunthaus Nord und Süd liegen nur 14 km von der Tidegrenze "Wehr Geesthacht" entfernt und sind sehr stark vom Oberwasser beeinflusst. In Bunthaus bleiben die Geschwindigkeiten bei hohem Abfluss negativ, es herrscht ausschließlich Ebbeströmung. Je nach Tidephase ist diese Ebbeströmung allerdings schneller oder langsamer.
Dieser Umstand erschwert die Auswertung der Mittelwerte pro Halbtide. In der nachfolgenden Abbildung sind die Daten für die Jahre 1999 - 2005 und zusätzlich der Oberwasserabfluss von Neu Darchau dargestellt.
Abb. III.1.1.2.1-14: Maximalwerte der Strömungsgeschwindigkeit während der Ebbe und Flut an der Station Bunthaus Nord
Der Oberwassereinfluss auf die Strömungsgeschwindigkeiten ist deutlich zu erkennen. So sind die maximalen Ebbeströmungsgeschwindigkeiten bei einem hohen Oberwasserabfluss sehr groß, während die Flutstromgeschwindigkeiten sehr klein sind. Eine Veränderung des Trends der Strömungsgeschwindigkeiten ist nicht zu erkennen.
In der im Anhang befindlichen Tabelle "ausgewählte Einzeltiden" wird deutlich, dass für die Station Bunthaus diese Auswertemethode aufgrund des großen Oberwassereinflusses nicht sinnvoll ist. Zum einen sind an den Stationen Bunthaus Nord und Süd z. T. für die betreffenden Tiden Datenausfälle oder (wie oben erwähnt) keine Flutströmung vorhanden, zum anderen haben Untersuchungen gezeigt, dass die mittleren Tiden aus Cuxhaven bereits in St. Pauli nicht mehr den mittleren Tiden entsprechen. Somit wird von dieser Auswertemethode für die Stationen Bunthaus Abstand genommen.
III.1.1.2.2 Wischhafener Fahrwasser
In der Wischhafener Nebenelbe wird gemäß Planfeststellungsbeschluss die Strömungsgeschwindigkeit erfasst. Dieses geschieht einmal jährlich über einen Spring-Nipp-Zyklus im unteren Bereich der Wischhafener Nebenelbe an der Messposition 1 (s. Abbildung III.1.1.2.2-1). Die Messungen in der Wischhafener Nebenelbe finden analog zu den Querprofilmessungen in diesem Bereich statt, welche im Kapitel III.1.1.2.1 näher erläutert werden. Für die Messungen werden RCM 9 bzw. RCM 7 Geräte der Fa. Aanderaa eingesetzt.
Aufgrund des eingeschränkten Messzeitraumes von 14 Tagen und der dadurch enthaltenen Schwankungen kann für den bisher vorliegenden Zeitraum keine Aussage über eine Trendentwicklung ausbaubedingter Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten der Wischhafener Nebenelbe gemacht werden.
Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert. Die Ergebnisse liegen in der DSS vor.
Abb. III.1.1.2.2-1: Strömungsmessung im Wischhafener Fahrwasser gem. Planfeststellungsbeschluss analog zur Querprofilmessung
III.1.1.2.3 Pagensander Nebenelbe
In der Pagensander Nebenelbe wird gemäß Planfeststellungsbeschluss die Strömungsgeschwindigkeit erfasst. Dieses geschieht einmal jährlich über einen Spring-Nipp-Zyklus im unteren Bereich der Pagensander Nebenelbe an der Messposition 1 (s. Abbildung III.1.1.2.3-1). Die Messungen in der Pagensander Nebenelbe finden analog zu den Querprofilmessungen in diesem Bereich statt, welche im Kapitel III.1.1.2.1 näher erläutert werden. Für die Messungen werden RCM 9- bzw. RCM 7-Geräte der Fa. Aanderaa eingesetzt. Aufgrund des eingeschränkten Messzeitraumes von 14 Tagen und der dadurch enthaltenen Schwankungen kann für den bisher vorliegenden Zeitraum keine Aussage über eine Trendentwicklung ausbaubedingter Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten der Pagensander Nebenelbe gemacht werden.
Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle. A.1.2-2 dokumentiert. Die Ergebnisse liegen in der DSS vor.
Abb. III.1.1.2.3-1: Strömungsmessung in der Pagensander Nebenelbe gem. Planfeststellungsbeschluss analog zur Querprofilmessung
III.1.1.2.4 Hahnöfer Nebenelbe
In der Hahnöfer Nebenelbe wird gemäß Planfeststellungsbeschluss die Strömungsgeschwindigkeit erfasst. Dieses geschieht einmal jährlich über einen Spring-Nipp-Zyklus im unteren Bereich der Hahnöfer Nebenelbe an der Messposition 2 (s. Abbildung III.1.1.2.4‑1). Die Messungen in der Hahnöfer Nebenelbe finden analog zu den Querprofilmessungen in diesem Bereich statt, welche im Kapitel III.1.1.2.1 näher erläutert werden. Für die Messungen werden RCM 9 bzw. RCM 7 Geräte der Fa. Aanderaa eingesetzt.
Aufgrund des eingeschränkten Messzeitraumes von 14 Tagen und der dadurch enthaltenen Schwankungen kann für den bisher vorliegenden Zeitraum keine Aussage über eine Trendentwicklung ausbaubedingter Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten der Hahnöfer Nebenelbe gemacht werden.
Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert. Die Ergebnisse liegen in der DSS vor.
Auf die Strömungsverhältnisse der Hahnöfer Nebenelbe wird ausführlich im Kapitel V.11.2 eingegangen.
Abb. III.1.1.2.4-1: Strömungsmessung in der Hahnöfer Nebenelbe gem. Planfeststellungsbeschluss analog zur Querprofilmessung
III.1.1.3 Durchflüsse
III.1.1.3.1 Oberwasserabfluss bei Neu Darchau
Der Oberwasserabfluss ist für die hydrologischen Verhältnisse in der Tideelbe von ausschlaggebender Bedeutung. Sein Einfluss nimmt dabei im Beweissicherungsgebiet nach See hin ab. Eine Zäsur bildet dabei der Hamburger Hafen. Neben den hydrologischen Parametern sind das Schwebstoffregime, die Salzgehaltsverteilung und das Sauerstoffregime vom Oberwasser direkt betroffen. In Abbildung III.1.1.3.1-1 sind die Oberwassermengen (gemessen bei Neu Darchau - Elbe-km 536,44) für den Dreijahreszeitraum vor, während und nach dem Ausbau dargestellt.
Abb. III.1.1.3.1-1: Oberwassermengen bei Neu Darchau (12/1994 - 12/2003) vor, während und nach der Maßnahme "Fahrrinnenanpassung"
Die Abbildung zeigt, dass sich die Verhältnisse in den Dreijahreszeiträumen vor, während und nach der Maßnahme erheblich unterscheiden. Allein aus diesem Grunde ist eine vergleichende Interpretation der bisherigen Ergebnisse hinsichtlich ihrer ausbaubedingenden Wirkungen erschwert. Insbesondere die extremen Hochwässer im März 1999, April 2000, August/September 2002 und Januar 2003 haben naturgemäß einen ebenso besonderen Einfluss auf das morphologische und ökologische Regime der Tideelbe, wie extrem geringe Abflüsse, die beispielsweise im Oktober 1999, September 2000 oder Oktober 2003 beobachtet wurden.
Somit können letztlich nur langfristige Untersuchungen Änderungen im ökologischen und morphologischen Regime der Tideelbe nachweisen, die möglicherweise durch die Maßnahmen der Fahrrinnenanpassung oder andere anthropogene Eingriffe verursacht wurden. Dies jedoch i. d. R. aber nur dann, wenn es nach der Baumaßnahme zu keinen weiteren gravierenden Störungen des Systems kommt.
Einen Hinweis auf die Notwendigkeit langfristiger Untersuchungen aufgrund großer Variabilität der Oberwasserverhältnisse zeigt die Abbildung III.1.1.3.1-2, in der die Oberwassermengen seit Abschluss des 13,5 m-Ausbaus aufgeführt sind.
Abb. III.1.1.3.1-2: Oberwassermengen bei Neu Darchau (11/1976 - 06/2005)
III.1.1.3.2 Durchflüsse in der Elbe bei Einzelmessungen (Querprofilmessungen)
Um die Durchflussverhältnisse der Elbe pro Tide abschätzen zu können, werden im Rahmen der BS auf der Höhe der Dauermesspositionen D 1 bis D 4 und LZ 1 Strömungsmessungen durchgeführt, in welcher mehrere Messpositionen im Querprofil zueinander angeordnet sind (s. Kapitel III.1.1.2.1). In der Messlotrechten der jeweiligen Positionen befinden sich je nach Wassertiefe bis zu 4 Strömungsmessgeräte. Parallel dazu werden Querpeilungen gefahren, um mit den Strömungsgeschwindigkeiten und dem aktuellen Profil den mittleren Durchfluss pro Halbtide zu ermitteln. Bei der Interpretation der nachfolgenden Ergebnisse der Durchflussverhältnisse zwischen Haupt- und Nebenelben ist Folgendes zu beachten:
Bei den Messkampagnen kam es an einigen Stationen teilweise zu Datenausfällen (besonders in der Fahrwassermitte durch Schiffspassagen). Für diese Fälle wurden die fehlenden Daten durch eine Interpolation der umliegenden Stationen ersetzt. Außerdem ist der Vergleich der Durchflussverhältnisse für eine Aussage über ausbaubedingte Veränderungen, bedingt durch unterschiedliche äußere Einflüsse (astronomische Verhältnisse, Windeinflüsse), auf Grundlage der nur einmal jährlich durchgeführten Messkampagnen nicht geeignet, da zudem Daten aus der Zeit vor der Baumaßnahme fehlen.
D 1 - Hanskalbsand (Elbe-km 643)
Abb. III.1.1.3.2-1: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q1 - Hanskalbsand - bei Flut
Abb. III.1.1.3.2-2: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q1 - Hanskalbsand - bei Ebbe
Aufgrund von Softwareumstellungen konnte das Jahr 2004 bislang nicht vollständig ausgewertet werden. Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert.
D 2 - (Juelssand) Lühesand (Elbe-km 651,3)
Abb. III.1.1.3.2-3: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q2 - Lühesand West - bei Flut
Abb. III.1.1.3.2-4: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q2 - Lühesand West - bei Ebbe
Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert.
D 3 - Pagensand-Nord (Elbe-km 664,7)
Abb. III.1.1.3.2-5: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q3 - Pagensand Nord - bei Flut
Abb. III.1.1.3.2-6: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q3 - Pagensand Nord - bei Ebbe
Aufgrund von Softwareumstellungen konnten ab dem Jahr 2003 die Daten nicht mehr vollständig ausgewertet werden. Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert.
D 4 - Rhinplatte-Nord (Elbe-km 676,5)
Abb. III.1.1.3.2-7: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q4 - Rhinplatte Nord - bei Flut
Abb. III.1.1.3.2-8: Durchflusswerte beim Elbequerprofil Q4 - Rhinplatte Nord - bei Ebbe
Aufgrund von Softwareumstellungen konnten die Daten der Jahre 2003 und 2004 nicht ausgewertet werden. Die durchgeführten Messungen sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert.
LZ 1 - Krummendeich (westl. Böschrücken, Elbe-km 693,6)
Die Untersuchungen hierzu sind im Anlagenband in Tabelle A.1.2-2 dokumentiert.
Fazit
Aufgrund der Softwareprobleme bei der Auswertung kann kein Trend für Veränderungen der Durchflussverhältnisse Hauptelbe/Nebenelbe ermittelt werden, da hierzu ein größerer Untersuchungszeitraum nötig ist. Angaben zu ausbaubedingten Veränderungen werden jedoch auch nach Vorliegen der Auswertungen nicht möglich sein, da keine Vergleichsdaten aus der Zeit vor der Baumaßnahme vorliegen.