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«K. Buckmann, U. Gebhardt, A. Weidauer IfGDV - Institut für Geographische Datenverarbeitung K.D. Pfeiffer, K. Duwe, J. Post, A. Fey, B. Hellmann ...»

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Simulation und Messung von Zirkulations- und Transportprozessen im

Greifswalder Bodden, Oderästuar und den angrenzenden Küstengewässern

K. Buckmann, U. Gebhardt, A. Weidauer

IfGDV - Institut für Geographische Datenverarbeitung

K.D. Pfeiffer, K. Duwe, J. Post, A. Fey, B. Hellmann

HYDROMOD Wissenschaftliche Beratung GbR

in Zusammenarbeit mit dem Institut für Geographie

der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Hinrichshagen, Wedel - 1999

Copyright © HYDROMOD, IfGDV 1998/99

1. Inhaltsverzeichnis

1. Inhaltsverzeichnis

2. Einleitung und Veranlassung

3. Übersicht über die angewendeten Methoden

4. Hydrographie, Zirkulation und Transporte im Untersuchungsgebiet

5. Daten- und Informationsbeschaffung, Auswertung und Bearbeitung

6. Numerische Modellierung

6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse der zweidimensionalen Simulationen

6.2 Zusammenfassung der Ergebnisse der dreidimensionalen Simulationen

6.3 Vergleich der zwei- und dreidimensionalen Methodenansätze

7. Zusammenfassung der Erfahrungen

7.1 Synoptische hydro-meteorologische Meßkampagnen

7.2 Möglichkeiten der numerischen Modellierung

7.3 Weiterführende Arbeiten

8. Quellenverzeichnis

9. Danksagung

2. Einleitung und Veranlassung In diesem zusammenfassenden Synthese- und Erfahrungsbericht werden die Ergebnisse des GOAP-Teilprojekts 2 - Messung und Modellierung von Transport und Austauschprozessen im Greifswalder Bodden und im Oderästuar - zusammengefaßt. Die Arbeiten wurden von 1993 bis 1997 vom Institut für Geographie der Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald, der Firma HYDROMOD Wissenschaftliche Beratung GbR in Wedel und der Firma IfGDV Institut für Geodatenverarbeitung in Hinrichshagen durchgeführt.

Sie bestanden zum einen in Gewinnung und Aufbereitung hydrographischer Daten im Greifswalder Bodden und im Oderästuar, zum anderen in Anpassung und Plausibilisierung hochauflösender zwei- und dreidimensionaler Modelle, gefolgt von Durchführung fall- und szenarienspezifischer Simulationsrechnungen und der Auswertung dieser Ergebnisse.

Die Ziele dieser Arbeiten bestanden einerseits in der Gewinnung, Auswertung und Bereitstellung von aufbereiteten Meßdaten und Simulationsergebnissen zwei- und dreidimensionaler Modelle. Diese stellten eine wesentliche Grundlage für weiterführende Arbeiten und Untersuchungen in diesem und anderen Teilprojekten im GOAPForschungsverbund dar. Weiterhin wurden wertvolle Erfahrungen zur numerischen Modellierung in den Untersuchungsgebieten gewonnen und methodische Ansätze zur synoptischen und integrierten Betrachtung der grundlegenden physikalischen Prozesse mittels numerischer Modelle verbessert.

Dieser Bericht reflektiert insbesondere die letztgenannten Aspekte in komprimierter Form.

3. Übersicht über die angewendeten Methoden Die zur durchgeführten Arbeiten und die hierzu verwendeten Methoden bestanden kurzgefaßt

in:

 Beschaffung, Auswertung, Bewertung und Aufbereitung vorhandener Daten- und Informationen; insbesondere zur Erstellung einer konsistenten, hochauflösenden Modelltopographie, Rand- und Anfangsbedingungen sowie meteorologischer und hydrologischer Antriebsdaten.

 Durchführung von in-situ Messungen im Rahmen der im GOAP-Vorhaben durchgeführten synoptischen Meßkampagnen, Beschaffung komplementärer hydrologischer, hydrographischer und meteorologischer Daten von Meßnetzen in Deutschland und Polen, aus fachverwandten Forschungsarbeiten (TRUMP) und aus der Fernerkundung (LandSat, AHVRR, ERS-1) sowie deren zielbezogenen Auswertung und Aufbereitung.

 Anpassung bestehender hochauflösender zwei- und dreidimensionaler Zirkulationsund Transportmodelle für das Untersuchungsgebiet und für einzelne Teilgebiete sowie deren Qualifikation und – soweit mit den o.g. Datensätzen möglich – Verifikation.

 Simulationen von Jahresgängen mit dem zweidimensionalen Modell des gesamten Untersuchungsgebietes sowie von kurzperiodischen Ereignissen; weiterhin Fallstudienberechnungen mit dreidimensionalen Modellen einschließlich Auswertung und Bewertung der Modellergebnisse.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Untersuchungsgebiets.

4. Hydrographie, Zirkulation und Transporte im Untersuchungsgebiet An dieser Stelle sollen summarisch und zusammenfassend die wichtigsten hydrographischen, für Transport-, Austausch- und Vermischungsvorgänge relevanten Prozesse im Untersuchungsgebiet beschrieben werden. Bezüglich detaillierterer Ausführungen hierzu wird auf die umfangreiche Literatur, vorhergehende Arbeiten der Berichterstatter, Forschungs- und Zwischenberichte aus GOAP und anderen Forschungsprojekten (z.B. TRUMP, EUENVIRONMENT Projekt ODER) sowie auf weitere, hier nicht im einzelnen aufgeführte Quellen und grundlegende Literatur zum Untersuchungsgebiet verwiesen. Die untenstehenden Ausführungen beinhalten teilweise bereits thematisch im Zusammenhang stehende Bewertungen der Ergebnisse der im GOAP-Projekt durchgeführten Simulationsrechnungen.

Die komplexen und unterschiedlichen bathymetrischen und hydro-meteorologischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet, insbesondere das Fehlen relevanter (periodischer) Tidesignale und der u.a. hieraus resultierenden komplizierten, überwiegend durch Wind, Luftdruck, Eigenschwingungen, Baroklinität, Abfluß, Reibung und Vermischung dominierten Zirkulationsregime, stellen an die numerische Modellierung hohe Anforderungen.





Das Untersuchungsgebiet läßt sich in drei Regionen mit unterschiedlicher hydrographischer

Charakteristik unterteilen:

 Im Nordwesten liegt der Greifswalder Bodden, eine halboffene, im Süden vom Festland, im Norden von der Insel Rügen eingeschlossene, im Zentralbereich relativ tiefe Bucht. Sie steht mit der Pommerschen Bucht im Westen über eine relativ breite, jedoch weitgehend flache Schwelle in Verbindung; westwärts besteht eine sich verengende Verbindung mit den angrenzenden Boddengewässern über den Strelasund.

 Im Süden liegt das Oderhaff, welches mit den angrenzenden Küstengewässern über drei Mündungsarme, dem Peenestrom im Westen, der Swine im Zentrum und der Dziwna im Osten in Verbindung steht und vorwiegend von der Oder gespeist wird.

 Die beiden Gebiete grenzen im Osten bzw. Norden an die Pommersche Bucht, ein weitgehend offenes und relativ flaches Küstengewässer der mittleren Ostsee.

In der untenstehenden Tabelle sind einige Kenngrößen des Untersuchungsgebietes und der wichtigsten Teilgebiete aufgeführt.

–  –  –

Für den Massen-, Energie- und Stoffaustausch zwischen Ostsee und Oderhaff hat das Mündungsgebiet der Swine zentrale Bedeutung. Circa 70% der Wasser-, Salz- und Energietransporte erfolgen über den künstlich angelegten, auf mindestens 12,5 Meter Tiefe ausgebaggerten Piastoswki-Kanal und die flachen, weitgehend naturbelassenen Fließ- und Flachwassergebiete der Alten Swine, welche sich seewärts zum ebenfalls als Schiffahrtsweg auf 12,5 Meter Fahrwassertiefe ausgebaggerten Swine-Kanal vereinigen.

Die Erneuerung der Wassermassen des Oderhaffs erfolgt nahezu vollständig über das Swinemündungsgebiet, da Ostseewasser nur in Ausnahmefällen bei extremen Einstromereignissen über die Peene und so gut wie nie über die Dziwna in das Oderhaff vordringen kann.

Abbildung 2: Quasi-synoptisch gemessene, vielfach typische Salzgehaltsverteilung entlang des Swine und des Piastowski-Kanals.

Der Einstrom von Ostseewasser erfolgt bei mittleren meteorologischen Verhältnissen in den tieferen Schichten des Swine und Piastowski-Kanals, wo sich eine zweigeschichtete Zirkulation mit Frischwasserabflüssen in den oberen und Seewasserzufluß in den unteren Schichten ausbildet. Entlang des Kanalsystems bildet sich dann ein Salzwasserkeil mit seewärts zunehmender Mächtigkeit aus. Dessen Lage und landseitiges Vordringen sowie die Intensität der Zu- und Abflüsse werden vom Abfluß der Oder und von dem, vorwiegend durch Salzgehaltsunterschiede zwischen dem nördlichen Oderhaff und den Küstengewässern der Pommerschen Bucht bestimmten, baroklinen Druckgradienten gesteuert. Diese werden von durch Luftdruckänderungen, lokale Windverhältnisse und Eigenschwingungen der Ostsee und des Haffs generierten Wasserstandsschwankungen (barotrope Druckgradienten) überlagert.

Hierbei sind die Wasserstandsänderungen am haffseitigen Ende des Piastowski-Kanals von erheblicher Bedeutung. Diese sind bei mittleren meteorologischen Verhältnissen stark von den lokalen Windverhältnissen abhängig. Bereits kleinere Variationen der Windrichtung und stärke können erhebliche Änderungen des lokalen Zirkulationsregimes und damit der Ein- und Ausstromverhältnisse verursachen. Dies liegt an der hierdurch erfolgenden unterschiedlichen Anregung von verschiedenen Eigenschwingungen des Haffs und seiner Becken und Seitenräume und deren unterschiedlichem Ausbreitungs- und Dämpfungsverhalten. Weiterhin sind für die lokale Zirkulation im Kanalsystem und den Wasseraustausch Windstau- oder Windschubeffekte bei kanalparallelen Windrichtungen von Bedeutung, welche den oberflächennahen Zu- oder Abfluß intensivieren oder abschwächen. Variabilitätsverstärkend wirken hierbei auch lokal angeregte Eigen- und Querschwingungen der Kanäle und angrenzender Flachwasserzonen. Durch lokale Windanregung können bei ausgeprägter Schichtung in den Kanalsystemen interne Seiches angeregt werden, welche zu ausgeprägten, durch die Kanaltopographie modifizierten lokalen Oszillationen der Sprungschicht führen.

Das bei ruhigen Wetterlagen vorhandene sensible, durch den baroklinen Druckgradienten und den Oberwasserabfluß balancierte Gleichgewicht wird durch die oben kurz angeführten Prozesse, insbesondere durch immer vorhandene kleinere Schwankungen des lokalen Windfeldes oder durch windbedingte und/oder durch barokline Prozesse verursachte Schwankungen des mittleren Wasserstands der Pommerschen Bucht ständig gestört. Hierbei können nach Hypothesen polnischer Kollegen ggf. auch durch die sehr geringen, jedoch persistent periodisch auftretenden kleinen Gezeiten der Ostsee und hierdurch generierten Resonanzen eine Rolle spielen. Dies führt, insbesondere im Mündungsgebiet der Swine und im äußeren Teil des Swine-Kanals  zu erheblichen Variabilitäten im Strömungsfeld und im Ein- und Ausstromverhalten  - ebenfalls in den Mündungsbereichen von Peene und Dziwna beobachteten schnellen Änderungen von Ein- und Ausstromlagen  Sprungschichttiefen  Auf- und Abbau von Schichtungen  rapide erfolgendem Umschlagen der Strömung Salzwasserzufluß in das Oderhaff, Brackwasserbildung und Vermischung erfolgen bei den zuvor beschriebenen mittleren Ein- und Ausstromlagen überwiegend in den tiefen Bereichen des Swine- und Piastowski-Kanals und im Haff sowie bodennah entlang des Schiffahrtskanals nach Stettin (Kaiserfahrt). Hierbei kann Salzwasser bodennah, jedoch fast ausschließlich entlang des Schiffahrtsweges, bis weit ins Haff vordringen. Nur bei relativ flachen Lagen der Sprungschicht können geringe Mengen von Ostseewasser über das Sill an der Mündung der Alten Swine in die nordöstlichen Bereiche des Haffs eingetragen werden, wo dann zeitweise schwach ausgeprägte bodennahe Schichtungen beobachtet werden. Der Beitrag der beiden genannten Prozesse zur Wassererneuerung des Oderhaffs ist gering, da das schwerere salzreichere Wasser sich in haffseitig immer dünner werdenden Schichten in den tiefen Bereichen ansammelt. Es kann daher nicht oder kaum über die Böschungen des Schiffahrtsweges seitlich in das Haff vordringen.



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