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«Hydrodynamische Entwicklung der Tideelbe Maja Fickert & Thomas Strotmann Hamburg Port Authority – HPA Abstract The river bed of the Elbe below ...»

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G. Gönnert, B. Pflüger & J.-A. Bremer

Von der Geoarchäologie über die Küstendynamik zum Küstenzonenmanagement

Coastline Reports 9 (2007), ISSN 0928-2734, ISBN 978-3-9811839-1-7

S. 59 - 68

Hydrodynamische Entwicklung der Tideelbe

Maja Fickert & Thomas Strotmann

Hamburg Port Authority – HPA

Abstract

The river bed of the Elbe below Geesthacht underlies a dynamic hydromorphological change.

Unquestioned besides the natural processes also the anthropogenic impacts as fairway construction and coastal protection have a stake. To ensure the competitiveness of the Port of Hamburg it is necessary to adapt its seawards access to the shipbuilding developments on occasion. The last deepening of the fairway of the lower and outer Elbe to the requirements of the world wide container traffic was carried out in 1999/2000. The adaptation of the port access generally causes a significant interference to nature, by which not only the flora and fauna changes but also the dynamics of the tidal wave in the estuary. The modified water depths and fairway widths may influence the tidal water levels, and with it the tidal amplitude, the periods of the high and low water levels (shortening of the flood and corresponding lengthening of the ebb durations) as well as the flood and ebb flow velocities. To analyse these changes the impact monitoring report of the last fairway deepening established an extensive monitoring programme. The results of the monitoring will be integrated in long term statistical analyses of the development of the tidal dynamics of the Elbe since the beginning of its intensified use. Marginally also the issue of the dredging amounts in the whole estuary is addressed.

Abb. 1: Die Tideelbe vom Wehr in Geesthacht bis zur Nordsee 60 Fickert & Strotmann 1 Einführung Die Tideelbe – ein Ästuar Die tidebeeinflusste Elbe ist ein seit Jahrhunderten stark anthropogen verändertes Ästuar. Die grundsätzlichen Wirkmechanismen und Zusammenhänge in einem Ästuar werden im Folgenden anhand eines natürlichen, unveränderten Ästuars erläutert (siehe Abb. 2).

Von einem Randmeer dringt die Tidewelle in das Ästuar ein, bis ihre Energie (ausgedrückt durch den Tidehub) infolge Reibungsverlusten aufgezehrt wird. Die Position, an der kein Tidehub mehr registriert wird, ist die Tidegrenze. Im Ästuar kommt es zu einem Zusammentreffen von frischem Oberwasserabfluss und dem salzhaltigen Meereswasser, so dass sich eine Brackwasserzone ausbildet.

Aus dem Umland erfolgen weitere Frischwasserzuflüsse. Typisch für Ästuare ist auch die Ausbildung von Nebenarmsystemen bzw. Mehrkanalsystemen. In einem breiten Flusstal hat der Fluss idealerweise genügend Raum um frei zu mäandrieren, wodurch jeweils auch ein erheblicher Teil der einschwingenden Tideenergie aufgezehrt wird. Natürlicherweise besitzt ein Ästuar in der Mitte des Querschnitts einen tieferen Bereich und an den Seiten auslaufende Vorländer.

Abb. 2: Draufsicht, Querschnitt und Längsschnitt eines natürlichen Ästuars

Im Gegensatz zu einem natürlichen Ästuar, welches zur Tidegrenze gleichmäßig ansteigt, ist die Elbe mittlerweile stark anthropogen überprägt. Die Fahrrinne wurde bisher auf eine Tiefe von -16,70 mNN ausgebaut, wobei ein Sockel zwischen Wedel und Otterndorf in einer Höhe von -15,80 mNN belassen wurde. Im Raum Hamburg nimmt die Tiefe erst auf -11,40 mNN ab, in Höhe der Elbbrücken ist die Elbe dann nur noch ca. -6,40 mNN tief. An diesen beiden „Stufen“ wird die einlaufende Tidewelle teilreflektiert.

Des Weiteren wurde 1960 das Wehr Geesthacht in Betrieb genommen. Somit hat die Elbe hier außer im Sturmflutfall eine künstliche Tidegrenze. Im Sturmflutfall wird das Wehr gelegt und die Tide kann weiter vordringen. Mit der Errichtung des Wehres hat sich die Tidedynamik auch durch veränderte Reflexionsbedingungen gewandelt.

Tidekurve Die Tide der Elbe ist halbtägig, wobei eine Tide im Schnitt 12 Stunden 25 Minuten dauert. Die Fortschrittsgeschwindigkeit der Welle ist primär von der Wassertiefe abhängig. Bereits durch Reflexion in der Deutschen Bucht ist die in das Ästuar einlaufende Welle verformt. Die Flutdauer (DF) ist kürzer als die Ebbedauer (DE), die Welle steilt sich beim Einlaufen ins Ästuar aufgrund der schnelleren Fortschrittsgeschwindigkeit des Wellenberges im Vergleich zum Wellental weiter auf.

Dargestellt sind in Abb. 3 neben den bekannten Parametern der Tidekurve wie Tideniedrig- (Tnw) und Hydrodynamische Entwicklung der Tideelbe 61 Tidehochwasser (Thw) zusätzlich das Tidemittelwasser (Tmw), also der Schwerpunkt der Tidekurve.

Zur Berechnung des Tidemittelwassers wird die gesamte Ganglinie der Tidekurve benötigt.

Abb. 3: Tidekurve mit Strömungsgeschwindigkeiten (über drei Monate gemittelte Werte des Pegels Lühort und Dauermessstation Hanskalbsand; nach Zanke 2002) An der Lage der Kenterpunkte (ke und kf) lässt sich die Reflexionseigenschaft des Ästuars ablesen.

Liegen in freien Ozeanen die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten in den Scheitelpunkten und die Kenterpunkte auf der Tidemittelwasserlinie, verschieben sich oberstrom die Kenterpunkte – wie hier eingezeichnet – Richtung Scheitelpunkte. Die Strömungsmaxima hingegen verschieben sich in Richtung des Tidemittelwassers. Der Flutstrom weist einen gut erkennbaren Peak auf (F_max), der gegenüber dem maximalen Gradienten des Wasserstandes zeitversetzt auftritt.





62 Fickert & Strotmann

2 Langzeitstatistische Untersuchungen

Wasserstände Pegel Cuxhaven Betrachtet man zunächst die Entwicklung der mittleren Scheitelwasserstände an einem küstennahen Pegel im Mündungsgebiet der Elbe, hier bei Cuxhaven, so lässt sich für diese Position über einen Zeitraum von 100 Jahren ein relativ gleichmäßiger Anstieg der aufgetragenen Wasserstandsparameter beobachten. Aufgetragen sind in der Abb. 4 das MThw und das MTnw. Der verhaltene Anstieg der mittleren Scheitelwasserstände spiegelt sich auch in der Entwicklung des mittleren Tidehalbwassers MT1/2w wieder.

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Der Meeresspiegelanstieg und der gleichzeitig gestiegene Tidehub verursachen, dass die linearen Trends unterschiedliche Steigungen aufweisen, wobei der stärkere Anstieg des MThw mit 26,6 cm/Jh.

gegenüber dem MTnw mit knapp 10 cm/Jh. schon sehr deutlich ausfällt. Im Mittel resultiert daraus ein Anstieg von rd. 18 cm/Jh. für das MT1/2w. Es kann davon ausgegangen werden, dass das MT1/2w dem über Flächenermittlung berechneten Tidemittelwasser folgt und dieser Anstieg tendenziell auch auf den mittleren Meeresspiegel übertragen werden kann, da bei Bemessungsfragen im Hochwasserschutz bekanntlich mit einem so genannten säkularen Meeresspiegelanstieg von 25cm/Jh. gerechnet wird.

Diese Beobachtungen und Analysen decken sich tendenziell und von der Größenordnung her auch mit den Ergebnissen, die Jensen & Mudersbach, 2004 für die Jahresgangreihe von 1843 bis 2001 für den Pegel Cuxhaven herausgefunden haben (MThw-Anstieg = 25,8 cm/Jh. MTnw-Anstieg = 16 cm/Jh.).

Die Differenzen, insbesondere beim MTnw, sind in der unterschiedlich langen Datengrundlage begründet.

Die über die Periode einer Nodaltide (18,6 Jahre) gleitenden Mittelwerte (gleichwertig zur Anwendung eines Tiefpassfilters) weisen nur geringfügige Abweichungen vom linearen Trend auf. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass diese langfristige und stetige Entwicklung im Hydrodynamische Entwicklung der Tideelbe 63 Wesentlichen durch den Anstieg des globalen Meeresspiegels verursacht wird. Diese eustatischen Veränderungen sind dabei von Veränderungen der Trennlinie Meer-Land zu unterscheiden, die durch tektonische Bewegungen aus geologischen Prozessen entstehen. Diese tektonischen Effekte sind in den Pegelaufzeichnungen enthalten.

Trotz der gegebenen natürlichen Variabilität im Jahresgang infolge meteorologischer Einflüsse (z. B.

infolge außergewöhnlicher Wetterlagen wie in den extremen Eiswintern in 1946/47 und 1995/96) streuen die Jahresmittelwerte um die lineare Trendlinie nur gering. Es sind keine Indizien dafür zu erkennen, dass die Scheitelwasserstände am Pegel Cuxhaven auch nur gering beeinflusst werden durch die vielfältigen anthropogenen Eingriffe in das hydrologische System der Unter- und Außenelbe der vergangenen 100 Jahre. Vielmehr bewegen sich die Scheitelwasserstände in der Größenordnung der natürlichen Schwankungen.

Wasserstände Pegel St. Pauli Erwartungsgemäß weist die Entwicklung der Wasserstände am Pegel St. Pauli über die vergangenen 136 Jahre betrachtet (Abb. 5) wesentlich größere Veränderungen als der Pegel Cuxhaven auf. Hier im Stromspaltungsgebiet spiegelt sich die Überlagerung der externen natürlichen Einflüsse wie die Entwicklung der Wasserstände in der Nordsee und die Variabilität des Oberwasserabflusses mit den anthropogenen Eingriffen unterschiedlichster Art in das natürliche Gleichgewichtssystem der Tideelbe unterhalb und oberhalb Hamburgs sowie im Hafen selbst besonders deutlich wider.

Abb. 5: Wasserstände am Pegel St. Pauli von 1870-2006

Betrachtet man zunächst die Entwicklung des MTnw, so ist bereits Anfang des vergangenen Jahrhunderts, korrespondierend zu den ersten größeren Vertiefungsbaggerungen zur Beseitigung der großen Barren zwischen Blankenese und Wedel, ein signifikantes Absinken des MTnw von rd. 20 cm zu registrieren.

Gingen die frühen Ausbaumaßnahmen zunächst noch einher mit der Anlage neuer Hafenbecken im Hamburger Hafen, die zu einer teilweisen Kompensation der Auswirkungen auf den Tidenhub führten, 64 Fickert & Strotmann so folgten zwei weitere Ausbaustufen nach dem 2. Weltkrieg bis auf -11 m SKN, die von einem kontinuierlichen Absinken des MTnw in der Größenordnung von 0,45 cm/a begleitet wurden.

Die Fahrrinnenanpassungen bis zur Anpassung auf -11 m SKN betrafen hauptsächlich den Bereich oberhalb Glückstadts (siehe Abb. 1). Am Ende dieser Periode steht schließlich die Errichtung einer Tidebarriere durch das 1960 in Betrieb genommene Wehr in Geesthacht.

Die Beurteilung der in den '60er und '70er Jahren folgenden Maßnahmen sind daher zwingend auch im Zusammenwirken mit dieser das Schwingungsverhalten der Gezeitenwelle im gesamten Ästuars nachhaltig verändernden Tidebarriere zu betrachten. Überlagert wird dieser nachhaltige Eingriff insbesondere auch durch die unzähligen Hochwasserschutzmaßnahmen nach der '62erSturmflutkatastrophe. Die damit verbundene drastische Verringerung von Fluträumen durch Eindeichung großer Marschenflächen und Abriegelung der Nebenflüsse durch Sperrwerke hat in Verbindung mit der aus heutiger Sicht zweifelhaften Entnahme von mehr als 30 Mio. m³ Sand im Zuge des KN -13,5 m-Ausbaus für den Deich- und Straßenbau ohne Zweifel zu der kontinuierlichen Veränderung des Tideregimes der Elbe beigetragen.

Die Schaffung von Landflächen im Hamburger Hafen (ca. 190 ha) durch die seit Mitte der '80er Jahre wiederholt vorgenommene Verfüllung verschiedener Hafenbecken hat sicherlich zur weiteren Entwicklung der Wasserstände im Stromspaltungsgebiet beigetragen.

Abb. 6: Reduzierung des Tidepotentials in Hamburg (seit ca. 1950)

Die einzelnen Wirkungen der anthropogenen Eingriffe lassen sich aufgrund der Überlagerung mit dem durch die jeweils vorausgegangenen Maßnahmen initiierten morphologischen Nachlauf quantitativ nur schwer zuordnen. Es ist jedoch offensichtlich, dass ein vergleichbar signifikanter Anstieg des mittleren Hochwasserscheitels (MThw) wie er in den '60er und '70er Jahren registriert wurde, bei den vorangegangenen Ausbauten des Fahrwassers zwischen 1900 und 1950 und bei der Fahrrinnenanpassung 1999/2000, die mit der bereits angesprochenen Sockellösung ausgeführt wurde, nicht zu beobachten ist.

Insgesamt kann bei der Entwicklung des MThw am Pegel St. Pauli seit Beginn des vergangenen Jahrhunderts eine Zunahme von rd. 50 cm verzeichnet werden, wovon gute 80 % auf den Anstieg in den '60er und '70er Jahren entfallen. In den '80er Jahren hat sich dieser Trend bzgl. des MThw Hydrodynamische Entwicklung der Tideelbe 65 erfreulicherweise abgeschwächt und seit Anfang der '90er kann man für das mittlere Hochwasser wieder von relativ konstanten Verhältnissen (dh/dt = 0,1 cm/a) sprechen.



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