3.5 Sedimentation in Flachwasser- und Wattgebieten
In diesem Abschnitt werden die in den letzten Jahren gewonnenen Erkenntnisse zur Sedimentation in Flachwasser- und Wattbereichen der Unterelbe dargestellt. Insbesondere wird dabei, wie bereits in Kapitel 1 erwähnt, die Abhängigkeit des Schlickfalls in Flachwassergebieten vom Oberwasserzufluß, von der Morphologie und den jahreszeitlichen Einflüssen betrachtet.
Aus ökologischer Sicht sind die Flachwassergebiete als Laich- bzw. Aufwuchsgebiete von Fischen von größter Bedeutung; hier interessiert, wieweit diese Gebiete über verstärkten Schlickfall bzw. durch Erosion in Zusammenhang mit künstlichen Veränderungen der Fahrrinne gefährdet sind (Schnittstelle: Gutachten der Hydrobiologie). Umgekehrt beschäftigt die für die Instandhaltung der Schiffahrtswege verantwortlichen Ämter und Behörden die Fragestellung, wie stark Sedimenteinträge aus den flachen Seitenbereichen ins Fahrwasser die notwendigen Unterhaltungsbaggerungen beeinflussen.
Der zuletzt genannte Aspekt wird in den nachfolgend diskutierten Arbeiten deutlich. Zum einen behandeln diese die Bestimmung von jährlichen Sedimentationsraten, zum anderen die Abhängigkeiten zwischen der Verschlickung der Elbfahrrinne und den flachen Seitenbereichen. Die wenigen existierenden Veröffentlichungen, die sich mit solchen Fragestellungen befassen, decken nur kleine Gebiete der Unterelbe ab. Bei den Untersuchungen handelt es sich hauptsächlich um Diplom- und Doktorarbeiten, die in Zusammenarbeit mit Ämtern (Strom- und Hafenbau Hamburg, Wasser- und Schiffahrtsamt Hamburg) erstellt wurden.
Während der abschließenden Fertigstellung dieses Gutachten erschien Ende April 1996 ein umfangreiches "Gutachten zur morphologischen Entwicklung der Nebenelben und Nebenrinnen seit 1945/1950" (DIECKMANN 1996b). Es behandelt im wesentlichen morphodynamische Untersuchungen nach der MORAN-Methode (s. Kap. 3.5.2) und ergänzt mit daraus abgeleiteten Sedimentationsraten das Kapitel 3.5.2 vor allem hinsichtlich weiterer Gebiete der Unter-elbe (insgesamt 10 Nebenelben) sowie durch Ausführungen über die Ursachen und die längerfristige Entwicklung der Sedimentation in den genannten Gebieten. Danach sind die durch die früheren strombaulichen Maßnahmen verursachten Sedimentationstendenzen in den Nebenelben nach 1980 weitgehend zur Ruhe gekommen, und es wurde ein relativ stabiler morphologischer Gleichgewichtszustand errreicht.
Für die Obere Tideelbe (Untersuchungsabschnitt I) und Hamburger Stromspaltungsgebiet (Untersuchungsabschnitt II) liegen keine Meßdaten zur Sedimentation in Flachwasser- und Wattgebieten vor, dgl. für den Untersuchungsabschnitt VI (Ostemündung bis Cuxhaven); den Schwerpunkt des Materials bildet die Unterelbe (ohne Untersuchungsabschnitt VI).
3.5.2.1 Untersuchungsabschnitt III
Mühlenberger Loch und Hahnöfer Nebenelbe
In einer von GKSS durchgeführten Untersuchung wurde im Mühlenberger Loch und an zwei weiteren Orten der Unterelbe (s. Kap. 3.5.2.2 und 3.5.2.4) eine Schichtdatierungsmethode für Sedimente angewendet. Dabei wurde die Radioaktivität des (im wesentlichen) durch den Czernobyl-Reaktorunfall am 26.4.1986 freigesetzten und in der Folgezeit aus der Atmosphäre deponierten und schließlich sedimentierten Radionuklids Cs137 in Sedimentkernen gemessen. Daraus läßt sich das Alter der Schichten bzw. eine mittlere Sedimentationsrate bestimmen.
Exemplarisch sind Ergebnisse aus Sedimentkernproben, die im April und August 1987 gezogen wurden, in den Aktivitätsdiagrammen von Abb. 64 dargestellt. Aus diesen und weiteren Proben vom April 1988 (hier nicht gezeigt) läßt sich eine (von der Lage abhängige) mittlere Sedimentationsrate zwischen 5 und 10 cm pro Jahr ableiten (PETERSEN et al 1990).
Im Rahmen einer Examensarbeit über das Mühlenberger Loch und die Hahnöfer Nebenelbe wurden von MARNITZ (1991) jährliche Sedimentationsraten sowie Trends in der Entwicklung von Sedimentations- bzw. Erosionsraten über den Zeitraum von 1950 - 1990 angegeben und in Zusammenhang mit bereits an der Elbe durchgeführten Baumaßnahmen gebracht. Der Bereich der Hahnöfer Nebenelbe wurde über eine Bestimmung der mittleren Sedimentbilanz- und Umsatzhöhen nach der MORAN-Methode (u.a. SIEFERT 1987) morphologisch charakterisiert.
Bei dieser Methode wurde folgendermaßen vorgegangen: Um Bilanzen und Umsätze zu quantifizieren, wurde das betrachtete Gebiet in Teilflächen von 1 ha gerastert, wobei 100 Teilflächen einem später betrachteten Feld entsprachen. Für den Vergleichszeitraum wurde ein Tiefenänderungsplan mit 100 Tiefendifferenzen erstellt. Die Mittelung über die Differenzen (ohne Berücksichtigung des Vorzeichens) ergab dann die Tiefenänderung (Erosion und Sedimentation) in dem betrachteten Feld. Das gleiche Verfahren liegt den Bilanzhöhen zu Grunde, wobei da der Mittelwert (unter Berücksichtigung des Vorzeichens) aus den Tiefenänderungen gebildet wurde.
Grundlage zur Erstellung der Tiefenänderungspläne waren die Peilkarten des WSA-Hamburg für den Zeitraum von 1950 bis 1990. Die Lagegenauigkeit der Peilungen ist mit einem maximalen Fehler von 3 bis 5 m behaftet. Der Fehler der Tiefenmessungen liegt bei ±0,1 m (DAMMSCHNEIDER 1983 b).
Die Anzahl der Peilkarten für dieses Gebiet war sehr unterschiedlich: In einigen Jahren wurde ein- bis zweimal, in anderen Jahren überhaupt nicht gepeilt. Beispielsweise sind die Peilkarten der Jahre 1958 und 1959 nicht mehr vorhanden, und für große Teile der Hahnöfer Nebenelbe wurden in den siebziger Jahren keine jährlichen Peilungen durchgeführt. Diese Tatsache erschwert das Erfassen der Auswirkungen der 11m- bzw. 13,5m-Fahrrinnenvertiefung, die in der Zeit 1956 - 1961 bzw. 1974 - 1978 vonstatten ging, auf das Untersuchungsgebiet.
Im folgenden werden Ergebnisse und Interpretationen aus der Arbeit von MARNITZ (1991) zusammengefaßt: Abb. 65 gibt einen Lageplan des Elbabschnittes von km 631 bis km 645 mit den betrachteten Untersuchungsfeldern I bis IV wieder. In den Abb. 66 - 69 sind auf der x-Achse die Vergleichszeiträume für die Jahre von 1950-1990 fortlaufend dargestellt. Die Daten sind jeweils für einen Vergleichszeitraum von zwei Jahren (a = 2) zusammengefaßt. So kann trotz Datenlücken ein geschlossenes Bild für den betrachteten Zeitraum geliefert werden.
In Feld 1 (Abb. 66) scheint ab 1981 eine Beruhigung der Umsatzhöhen stattgefunden zu haben; sie liegen bei 5 bis 7 dm in den Jahren zwischen 1950 und 1990. Die Bilanzhöhen fluktuieren stark, und im gesamten Feld überwiegt die Erosion. Die Abnahme der Umsatzhöhen nach 1963 wird in dieser Arbeit mit den 12m-Fahrrinnenvertiefungen (1964 - 1969), die Zunahme nach 1967 mit der Verengung des Durchflußquerschnittes (Aufspülung Hanskalbsand) in Verbindung gebracht. Die Auswirkungen der 13,5m-Fahrrinnenvertiefung (1974 - 1978) sind nicht genau nachvollziehbar, da keine Peilungen von 1970, 1972 und 1978 vorliegen. Es läßt sich nur eine weitere Beruhigung der Umsatzhöhen nach 1979 erkennen.
In Feld 2 (Abb. 67) gingen die Umsatzhöhen nach 1973 ebenfalls zurück (3 - 5 dm). Erhöhte Werte zeigen sich in den Folgejahren nach der 12m-Fahrrinnenvertiefung und den Aufspülungen bei Hanskalbsand. Der extrem hohe Wert in den Jahren 1971 - 1973 tritt nur in diesem Feld auf und deutet auf eine lokale Erscheinung hin. Im Gegensatz zu Feld 1 überwiegt in diesem Abschnitt die Sedimentation.
In Feld 3 (Abb. 68) nahmen die Umsatzhöhen gemäß der Entwicklung in den Feldern 1 und 2 ebenfalls ab (2 - 3 dm). Ein relatives Umsatzmaximum findet sich am Ende des Zeitraums für den 12m-Ausbau, und ein starker Rückgang beginnt 1977/1979, der mit dem Ende des 13,5m-Ausbaus in Verbindung gebracht wird. Es sind keine Erosions- bzw. Sedimentationstendenzen zu erkennen.
Bis zum Vergleichszeitraum 1977/1979 liegen die Umsatzhöhen im Bereich des westlichen Mühlenberger Lochs (Feld 4, Abb. 69) relativ stabil bei ca. 4 dm, danach gehen sie auf Werte um 2 dm zurück. Bis 1963 sind Sedimentation und Erosion ungefähr im Gleichgewicht, wobei die Sedimentation geringfügig überwiegt. Nach 1965 setzt starke Sedimentation ein, die erst nach 1981 wieder zurückgeht. Eine Begründung für die nach 1965 einsetzende starke Sedimentation wird sowohl in der Absperrung der alten Süderelbe, in der 12m- als auch der 13,5m-Fahrrinnenvertiefung gesehen. Das Nachlassen der Sedimentation nach 1979/1981 weist auf eine Annäherung an einen Gleichgewichtszustand hin.
Der auffällig hohe Umsatzwert um 1963/1965, der an starke Erosion gekoppelt ist, befindet sich nur in diesem Feld und ist somit als lokale Erscheinung zu bewerten (Sandentnahme von 300.000 m3 zum Bau des neuen Hauptdeichs von Cranz).
Wedeler Au
Messungen im Bereich der Wedeler Au zwischen 1988 und 1989 (GABRIEL 1990) dienten der Erfassung einer Netto-Sedimentationsrate und sollten eventuelle Zusammenhänge zwischen der Bildung von Untiefen in der Fahrrinne und dem Auflanden von Wattflächen aufdecken. Ein zentraler Parameter, der in diesem Zusammenhang betrachtet wurde, ist der Wasserstand.
Der Untersuchungsbereich umfaßte die Buhnenfelder vor Fährmannsand, einem Süßwasserwatt im Westen von Hamburg (km 643 - 649) (Abb. 70). Die Datenerfassung hinsichtlich Korngrößenverteilungen, organischen Bestandteilen und Sedimentniveau erfolgte während des hydrologischen Jahres 1989 (01.11.1988 bis 31.10.1989).
Abb. 71 zeigt die einzelnen Meßstationen, an denen Sedimentniveauänderungen während des Untersuchungszeitraumes registriert wurden. Die Höhenveränderungen dieses Wattgebietes sind in den Abbildungen 72 - 83 dargestellt. Auf der x-Achse ist der Meßzeitraum in Tagen angegeben, auf den beiden y-Achsen jeweils das auf NN bzw. auf PN bezogene Niveau. Die Messungen erfolgten im Mittel alle sieben Tage. Die Niveauvariabilitäten erwiesen sich in dem gesamten Bereich als relativ gering.
Die beobachteten Niveauschwankungen wurden mit den jeweils vorherrschenden Wasserstandsverhältnissen in Verbindung gebracht, die wiederum in direktem Zusammenhang mit der Überflutungsdauer und den Strömungsgeschwindigkeiten vor Ort stehen. Das in Abb. 84 dargestellte Tidemittelwasser (TMW) weist deutliche Schwankungen auf, deren Ursachen in den äußeren Randbedingungen (Oberwasser, Windverhältnisse) zu suchen sind. In dem betrachteten Gebiet wurde grundsätzlich beobachtet, daß hohe Pegelstände erosive und niedrige Pegelstände sedimentative Effekte zur Folge haben.
Als Beispiel sind hier die mittleren Wasserstandsverhältnisse und die Sedimentniveauänderungen an der Meßposition 8 gezeigt (Abb. 85). Der starke Abfall des mittleren Wasserstandes nach ca. 150 Tagen fällt mit plötzlich einsetzender Sedimentation zusammen. Dem Anstieg der mittleren Pegelstände nach 250 Tagen folgt wieder Erosion. Eine Erklärung dafür wird nach GABRIEL (1990) in der längeren Überflutungsdauer des Wattgebietes und der im Mittel länger andauernden Ebbphase (erodierende Wirkung) bei hohen Wasserständen gesehen.
Für alle Meßpositionen gilt in der Regel das gleiche Verhalten (Abb. 74, 76, 77, 81, 82, 83); an einzelnen Positionen (Abb. 72, 73, 75, 78, 79, 80) spielen zusätzlich lokale Faktoren mit. Zum einen kann die Vegetation in ufernahen Bereichen ein solcher Faktor sein, zum anderen biologisch verfestigtes Sediment, das erst bei erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten erodiert wird. Beide Größen haben direkte Auswirkungen auf die Sedimentation. Ein zu Beginn der Untersuchung erwarteter direkter Zusammenhang zwischen dem Oberwasserabfluß und der Sedimentniveauänderung im Untersuchungsgebiet wurde nicht festgestellt. Vielmehr sind die Niveauveränderungen in diesem Bereich, wie schon zuvor erwähnt, stark vom lokalen Wasserstand abhängig. Eine Abhängigkeit zwischen dem Sedimentationsverhalten im Wattgebiet und der Bildung von Untiefen im Fahrwasser konnte ebenfalls nicht beobachtet werden.
3.5.2.2 Untersuchungsabschnitt IV
Schwarztonnensand
Die bereits unter 3.5.2.1 erwähnte Schichtdatierungsmethode, bei der die Cs137-Aktivität von Sedimentkernen als Funktion der Tiefe bestimmt wird, wurde von GKSS auch bei Schwarztonnensand angewendet. In dem unter Abb. 86 gezeigten Diagramm ist der Vertikalverlauf der Aktivitätswerte (Bq/kg) für fünf Sedimentkernproben vom März 1988 wiedergegeben. Die Kerne 2 und 3 stammen aus dem Uferbereich, die übrigen drei aus der Nähe der Niedrigwasserlinie. Bei den erstgenannten Proben liegt ein ausgeprägtes Maximum bei ca. 12 cm; daraus ergibt sich eine Sedimentationsrate von ca. 6 cm pro Jahr. Die restlichen Proben zeigen nur in den oberen 3 bis 7 cm höhere Cs137-Konzentrationswerte, und zwar auf einem Niveau wie bei Schwebstoffproben, die gleichzeitig gewonnen wurden. Es ist zu vermuten, daß in allen Proben keine ungestörte Sedimentation stattfand, sondern Durchmischung durch natürliche Umlagerungen und (vor allem in Ufernähe) durch Bioturbation eine Interpretation erschwert (PETERSEN et al 1990).
Rhinplatte
Mit der Hauptbaggerstelle des WSA-Hamburg, einem Bereich bei der Insel Rhinplatte, befaßte sich eine im Zeitraum von Mai 1987 bis Februar 1989 (630 Tage) von DAMMSCHNEIDER (1989) durchgeführte Untersuchung. Hier wurden in einem räumlich eng begrenzten Gebiet die morphologischen Änderungen feinskalig erfaßt und mit hydrodynamischen Faktoren in Verbindung gebracht. Eines der Ziele war, einen Zusammenhang zwischen der Mobilisierung von Sediment und den in diesem Bereich anfallenden Baggermengen zu finden. Zwischen Oberwasserabfluß und Netto-Sedimentationsraten wurde eine Abhängigkeit festgestellt und diskutiert. Während des genannten Zeitraumes wurden in dem periodisch trockenfallenden Wattgebiet bei km 672 (Abb. 87) Sedimenthöhen-Messungen durchgeführt, wobei die Meßstelle 5 ein Sandwatt, die Meßstelle 0 ein Schlickwatt typisiert (DAMMSCHNEIDER 1989). Die Datenerfassung fand im Mittel alle 10 Tage statt.
Die Abb. 88 stellt den zeitlichen Verlauf des Oberwasserabflusses und den der Schlickmächtigkeit an der Meßstelle 0 für den gesamten Untersuchungszeitraum dar. Zwischen beiden Größen ist im ersten Teil der Abbildung eine auffällige Übereinstimmung zu erkennen, die nach 360 Tagen abbricht (DAMMSCHNEIDER 1989).
Im Bereich des Sandwatts (Meßposition 5) verhält es sich anders (Abb. 89). Hier ergibt sich nur ein relativ geringer Bezug zwischen Sedimentniveau- und Oberwasserveränderung. Allerdings wird als eine mögliche Steuergröße, die das Sandniveau beeinflußt, das sich verändernde Verhältnis von Ebbe- zu Flutdauer gesehen. "Das Sandniveau der Meßstelle 5 verhält sich in verblüffender Weise kongruent zum Verlauf der Ebbdauerüberschüsse: Relatives Minimum wie auch die relativen Maxima des tatsächlich eingetretenen Sandniveaus ähneln sich jeweils in den zu beobachtenden Veränderungen bzw. den Maxima und Minima der Ebbdauerüberschüsse" (DAMMSCHNEIDER 1989; s.a. MATERIALBAND II b).
3.5.2.3 Untersuchungsabschnitt V
Bereich Ostemündung
Eine im Rahmen des SFB 327 "Tideelbe" durchgeführte Studie (MEYER 1994) befaßte sich mit dem Wattgebiet gegenüber von Brunsbüttel (km 700, Leuchtfeuer Balje). Ziel der Untersuchung war die quantitative Erfassung der Sedimentations- und Erosionsereignisse in Zeitreihen sowie die Bestimmung der sie steuernden Faktoren.
Abb. 90 zeigt das in dieser Studie ausgewählte Meßprofil beim Oberfeuer Balje, wo während der Zeit von Juli 1989 bis Mai 1991 14tägliche Sedimentniveaumessungen durchgeführt wurden.
Die an den verschiedenen Meßpositionen gewonnenen Zeitserien lassen erkennen, daß sich das Sedimentniveau während des Untersuchungszeitraumes recht unterschiedlich verhält. Sedimentation und Erosion können sich innerhalb kurzer Entfernungen (< 200 m) abwechseln; in Einzelfällen geschieht dies sogar innerhalb weniger Meter. Bei Profilmeter 200 (Abb. 91) erfolgt auf ein Erosions- bzw. Sedimentationsereignis häufig eine betragsgleiche Ausgleichsbewegung in entgegengesetzter Richtung. Abb. 92 zeigt die am Profilmeter 625 gemessene Zeitreihe; hier halten sich zu Beginn Sedimentation und Erosion in etwa die Waage und die Oberfläche bleibt niveaukonstant. "Dieses Niveau wird solange beibehalten, bis die Sedimentoberfläche durch eine einschneidende Veränderung im hydrodynamischen Umfeld auf ein deutlich abweichendes Niveau verlegt wird"(MEYER 1994). In einem anderen Bereich (Profilmeter 425, Abb. 93) versucht das System (nach MEYER), nach einem starken Erosionsereignis (Januar 1990) das vorherige höhere Niveau wiederherzustellen, das aber innerhalb des zweijährigen Untersuchungszeitraumes nicht wieder erreicht wird.
Abschließend wurde, mit dem Ziel einer Bilanzierung, für jeden Referenzpunkt die mittlere Veränderung des Sedimentniveaus über den gesamten Untersuchungszeitraum in Relation zur Ausgangsmorphologie gesetzt (Abb. 94). Hier deutet sich eine Dreiteilung des Wattprofils an. Nach einem kurzen Anstieg des Niveaus (Profilmeter 0-75) ist ein starker Abfall bis Profilmeter 200 zu erkennen. Danach fällt das Niveau bis Profilmeter 500 nur geringfügig ab, dann aber bis zum Ende des Profils wieder deutlich stärker. MEYER kommt zu dem Schluß, daß sich die Sedimentoberfläche während des Meßzeitraumes fast im gesamten Untersuchungsgebiet auf ein niedrigeres Niveau verlagert hat.
3.5.2.4 Untersuchungsabschnitt VII
Auch im Gebiet bei Neufeld wurde nach dem Czernobyl-Ereignis von GKSS die vertikale Cs137-Verteilung in einigen Sedimentkernen untersucht. Die Probenahmen fanden im März und September 1987 statt. Die in Abb. 95 gezeigten Ergebnisse (PETERSEN et al 1990) weisen bis ca. 18 cm deutlich erhöhte Aktivitätswerte, aber keine signifikanten Peaks auf. In dieser Gegend scheint eine starke mechanische Durchmischung des Sediments stattzufinden, worauf auch die um einen Faktor 3 kleineren Maximalwerte gegenüber dem Mühlenberger Loch deuten. Somit sind aus dieser Messung keine jährlichen Sedimentationsraten ableitbar.
Meßdaten zur Sedimentation in diesem Gebiet liegen von anderer Seite nicht vor.