Ausfuhrung und Wirkungsweise von Lahnungen

Von NIC01.3 VON LIEBERMAN, HolisT SCHWARZE U. CLAUS ZIMMERMANN

Zusammenfassung

In dem vom BMBF gefarderten KFKI-Projekr MTK 0564 „Optimierung von Kusten-

sicherungsinaftnatimen im Kustenvorfeld der Nordseekaste" wurden im Teilprojekt „Wellen-untersucl,ungen i n Modell-Lalinungen" neben eii,er Literaturstudic zu Aufgabe und Wirkungs-weisc von Lahnungen, in physikalisclien Modellversuchen die Durchlissigkeir und das Trans-

missionsverhairen von Wellen an Buschlahoungen untersucht.

lm Rahmen der physikalischen Unrersuchungen desTellprojehes „WellenunrersuchungenIn Modell-Lahnungen  wurde zunkhst in ciner Siramungsrinnc das Durchswomungsverhalteneiner Busclilahnung im Mafismb 1:1 unrersuchz. Der Durclil:issigkcitsbeiwertwirdc zu rd. 20 %

bestimmrDes wekerenwurden Untersuchungen Z.um Transmissionsverhalten von Buschialinungen

im Wellenkanal des Franzius-Instituts am Schneiderberg unter Berucksichtigung ausgewericier

Scega.ngsdaten ms der Nanir Im MaBstab 1:1 durcligefuht·t. Die Untersuct,ungcn wm·clen clurch

dreidimensionale Scegangsunversuchungen Im Wellenbecken erginzi. Fur variable Wassersriindeund Seegangsbedingungen wurde der EinfluS der Banwerksbreire B,de reladven Bauwerks!16heh/d (h = Bauwerkshahc, d.. Wasserciek) und derGmd der Durchldssigkek in Abhangigkclivomgewihken Fullmaierial bzw. eincm sei[lichen Amvurf auf das Transmissionsverhalten unter-

sucht.

Prinzipiell zeigre sich, daB hdhere Ausgangswellen besser ais nicdr·igere ged.4mpfr werden.

FiirWassertiefen bis etiva zur Bauwcrksoberkante zeichner sich im wesentlichen cinclineare Zu-

nahme der Transinissionskoeffizienten 16. Des weiteren konnte nachgewiesen wer(len, dah fur

Wasserstiinde bis zur Lahnuiigsoberkante Lahnungen mit gratteren Breitea als 0,25 m als wir

kungsvoller eh,zuscliiitzen sind. Ein effektiveres Dimpfungsverhalien des Scegangs 2ckhiket sich

fur bestimmre Wasser[mfen fur gediclitcze Lalimingen im vergleich zu den konvenrioncilcn al>.

Summary

Attlie Gaym:,n Nortb Sea Co,istforelandsandsaitmirsbes in frontofseadikessigi;ificantlycon£Tiblite to tbe pwotection andsafety of tbe Arrifialcodstline. Tbese forei,alds are m importanteleme),1 4rbe co,$81 protection systein 63 a whole. Tbepresci t 12118-dedge abosit tbc mdii,ge-ment offwela,idsis<Emntially basedonexperienceacqi, iyedover gwuations-Thueforerestarcb

to detenninetheinfitimieoftlievariousparameter: effecting ace,dmnw evosionof forelands ii

essential. Witliliia researchprogrni,ii,ie o,i the optimizatioiiofforehi,timir„Qgeme,it, wbicl;08sponsored by Ibe Germai, Fedemi Ministry of Eilsication, ScienG, Research, and Tedii,ology(BMBE). fieW measwements, s,nd n,imericnl sin,id!,:tie,ix bage been ca ried mm toPay#84indlyse dE Inkmation ofQuaves, c,ine,its, sedimentation processes, and inainte,in,;ce tect,niq; ies

offore!*ndsnt tbe German North Sea Coast. Tbis pape,· des ibes tbe basic technology midpby-simtmodel tests.

Inhalt

1. Einlerung ................................

2. Narfirliclievorlandbildungan einer Waukusve . . -

3. Kuns[liche Vorlandbildung durch Lal,nungen . -

4. Morphologiodes Vortandes....................

5. EinfluBgr811cn bei Striimungs- und Scdimentationsvorb..ngen in Lahoungsfeldern6. Untersucliungen zur Durchlbigheit von Lahnungen .....

... 192.. 193.. 197., 206., 207

208

L-- -

Die Küste, 60 (1998), 191-225

6.1 Methodik...........................

6.2 Bestimmung des Durchldssigkeitsbeiwertes6.3 Versuchsergebnisse . ..... .....................

7. Untersuchungen zui Transmission von Wellen an Buschialinungen7.1 Transmissionvon Wellen

... ... .. ... ........ ....... ... ..

7.2 Bestimmung des Transmissionskoeffizienten im Wellenkanal .

7.3 Versuchiergebnisse................ ...........

7.4 Vergleich der Versuchsergebnisse mit Messi ngen in der Natur.

7.5 Untersuchungen zuni Transmissionsverhalten im Wellenbecken8. Zusammenfassung . -

9. Scliriftenverzeichnis.

1. Einleitung

. 208

209

. 212213

. 213

. 214

. 216

, 218

. 219

. 222

. 224

Ein bedeutendes Kustenschutzelement und ein 6kologisch wertvoller Bereich des Kii-

stenvorfeldes sind hohe und breite Vorl nder mit einem flach geneigren Ubergang zum Watt.

Vorlandbildung Icann durch die Anlage und Bewirtschaftung von Lahnungsfeldern be.

schleunigt werden. Fur die Gestaltung von Lahnungsfeldern, fur die Bemessung und den

Aufbau der Lahnungen und fur die Bearbeitung des Anwachsens in den Lahnungsfeldernwerden seit rd. 200 Jahren an der deutschen Nordseekuste vor allem praktische, oft ortsspe-zifische Erfahrungen herangezogen. Fur eine Optirnierung der Vorlandbildung mit Lahnun-

gen fehlt bisher eine wissenschaftliche Analyse der hydrotnechanisch-morphologischenWechselwirkungen in den Lahnungsfeldern.

In einem Forschungsvorhaben des KFKI „Optimierung von Kustensicherungsarbeitenim Kustenvorfeld der Nordseekuste" sollten deshalb mit wissenschaftlichen Methoden

Grundiagen far einen effektiven Einsatz von Lahnungen fur die Vorlandbildzing erarbeitet

werden. Gefurdert durch den BUNDESMINISTER FOR BILDUNG, WISSENSCHAFT, FORSCHUNG

UND TECHNOLOGIE (BMBF) koordinierte das LANDESAMT FOR NATUR UND UMWELT des

LANDES SCHLESFIG-HOLSTEIN (LANU) das Forschungsvorhaben, das in zwei Teilprojek-ten durchgefuhrt wurde, und zwar durch das FoRSCHUNGS- UND TECHNOLOGIEZENTRUM

(FTZ) WESTKUSTE der CHRISTIAN-ALBRECHT-UNIVERSITAT zu KIEL (Teilprojelit „Sedimen-

rologie und Mot·phologie von Lahnungsfeldem") und das FRANzIus-INSTITUT FOR WASSER-

BAU UATD KUSTENINGENI EURWESEN der UNIVERSrrAT HANNOVER (Teilprojekt „Wellen-

untersuchungen in Modell-Lahnungen") (Abb. 1).Aufgabe des Teilprojekies „Wellenuntersuchungen in Modell-Lalinungen" des FRAN-

zIus-INSTITBTs war die Darstellung des Wissensstandes uber „Latinungen/Lahnungsfelder"und die „hydrologisch-morphologischen Wechselwirkungen an koh siven Wattbdden". Zur

Modellierung und Simulation der Vorg nge in Lahnungsfeldern waren die unter bestimmten

Randbedingungen auftretenden Strdmungs- und Seegangsbedingungen zu erfassen und die

hydrodynamische Wirksamkeit von Lahnungen zi beurteilen. Hierzu wurden Detailunter-

suchungen zum Versttndnis der hydrodynamischen Wechselwirlcungen am Bauwerk einer

Lahnung in verschiedenen physikalischen Modellen durchgekihrt. Die Ergebnisse dienten

als eine Grundlage fur die Simulation der Str mungs-, Seegangs- und Sedimentationsver-

htltnisse in einem hydrodynamisch-numerischen Modell.

Iii zwei eigens fur das Forschungsvorhaben eingericliteten Testgebieten an der West-

kuste Schleswig-Holsteins (Tesigebier „Ockholm" und Testgebiet „Speicherkoog Sud",Abb. 2) wurden im Bereicti der dort im Herbst 1993 bzw. Fralljahr 1995 angelegtenLahnungsfelder topographische Messungen sowie Seegangs- und Str6mungsmessungen

192Die Küste, 60 (1998), 191-225

KFKI-Forschungsvorhaben"Optimlerung von Kustensicherungsarbelten Im Kostenvode[d der Nordseekuste"

F6rderung durch den Bundesminister fur Bikiung. V,/issenschaft. Forschung und Technologie{BMBFO

Abb. 1. Stmkwr des KFK!-Forschungsvorlialiens „Optimicrung von Kastensicherungsarbciten im

Kustenvorfeld der Nordseekuste"

von den AMTERN FOR LAND-UND wASSERWIRTSCi·IAFT (AIW) HEIDE und HUSUM durch-

gefuhrt.Zustrzlich zu den Ergebnissen der Untersuchungen in den Tesigebieren wurden fur die

physikalischen und numerischen Untersuchungen Informationen durch das LANU sowiedie ALF HEIDE und HusuM verwender, vor\viegend Pegeldaten derTidepegel „Schluttsiel"und „Sommerkoog Steerrloch" sowie Winddaten der WindmeBstationen „Hallig Hooge"bzw..Busum (vg!. Abb. 2).

Dieser Beitrag berichier uber die En[wicklung und Ausfahrung von Lahnungen an denKus[en der Nordsee sowie die wirksameo Parameter, deren Veriatten unter verschiedenen

Randbedingungen in physikalischen Modellen untersucht wurde.Ober die Simulationen von Sedimenzationsvorg ngen in Latinungsfeldern wird in einem

weiteren Beitrag berichect.

2. Naturliche Vorlandbildung an einer Warrkasre

Das Warremneet· vor der europiischen Festlandskuste hat eine Gesamuldche von rd.8000 kmi. Davon entfallen rd. 10 % auf Dinemark, 30 % auf die Niederlande und 60 % aufdie Bundesrepublik Dcurschland, wovon erwa die Hilkc zum schleswig-holsteinischen Be-re;ch gch6n. Diese wel[weir einmalige Kusientandschafr, besrehend aus Dunen- und Srrand-

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193

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Landesamt fur Natur und Umweltdes Landes Schleswig-Holstein (LANU)

Fededohrung und Koordlnation

Amter Nlederslichslsches Forschungs-und Franzius-InstltutfBr Land-und Lagdesamtfur Technologle- fur Wasserbau und

Wasserwirtschaft 0 Kologle, zentrum WestkOste KilsteningenleurCALPO Forschungsstelle Unlversitit Kiel wesen

Husum und Heide Norterncy AFTM Unlve itat Hannovcr

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Seegangs·und -Sedimentdolle TeilprciektStramungwnessungen Au ellungvon und Mo1ph01£glein * Ilenuntersachungen

In Seegangs- Lahnungsfeldem' In Modell.Test·Lahnungsfeldem messungen Lahnungen

an der Mcrpholqisch-S.-H. Westkoste sedmen olcgische Wachse virkung

Untersuchungen ander ischen

S,H.Wesmuse hydrotc96Chen Beangun9en(Seegang.ndestremungen)

und Morphodynamik In

Lahnungsfeldem

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Die Küste, 60 (1998), 191-225

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Abb. 2: Tesrgebiete „Ockholm" und „Speicherkoog Sad"; Tidepegel „Schlurtsiel" und „SommerkoogSteertloch", Windmefistationen „Hallig Hooge" und „Busum"

inseln, Halligen, Buchten, FluBmundungen, offenen und brandungsgeschutzten Watt-

flichen, Rinnen- und Prielsystemen, ist als Gbergangszone zwischen Land und Meer der

Dynamik des Meeres unterworfen. Seine Existenz berulit auf der halbtiglichen, von den Ge-

zeiten abhingigen Obedlutung und dem Trockenfallen der Wariftichen. Das Wattenmeer

setzt sich aus den drei Teillebensriumen

1.Watt

2. Inseln mit Strand und Dunen

3. Salzwiesen / Vorland

194

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Die Küste, 60 (1998), 191-225

zusammen, die aufgrund Whrer Besonderheiten jeweils spezielle Funkr onen des gesamten

Okosystcms Wattenmeer walirnehmen.

Das War[ wird in vier Bereiche unrerreik (Abb. 3):Der unrere Warrbereich (Sublisoral) umfaBt die Gebiete unierhalb rd. MThw - 0,60 m,

die auch bei Tideniedrigwasser nocli mit Wasser bedeckt bleiben. Dazu geh6renWartrinnen,Priele und Wairstr6me sowie zahlreichen Inseln seeseits vorgelager[e, sandige Flacliwasser-

gebiete. Prinzipiell ziblt dieser Bereich nichr zum Wact, da die 6kologischen Randbed n-

gungen eher mit dcnen der offelicn Nordsee ubereinstimmen.

Das Eulitora!, der mittlcre Wattbereich zwischen rd. MThw - 0,60 m und MThw, isc

zweimal [aglich den7 Wechsel von Ebbe und Flu[ umerworfen. Die Grenzen zum unreren so-

wie zum oberen Wattbereich sind fliefiend, da das Euliroral sowohl vom Prielsystcm durch-

zogen als auch gegein die Queller-Rcgioo und die Salzwiesen nicht klar abgegrenztis[.

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1) Bezelchnurp z B. nach *Be et *1,1992MiBezekl-#42,8 nact,Wmenietal. 191

Abb. 3: Zonierung der Warrbereiche

Der obere Wattbereich (Supralitoral) umfalti einen Teil der Verlandungszonc (An-wachszone), Bereiche der Salzwiesen sowie den unreren Bereich der SDEwiese, der durch

Akkumulationsvorgiingeinfolge reduzier[erStramungsgeschwindigkeiten uberdie Liniedes

mkrleren Hochwassers (bis rd. MThw + 1,50 m) hinausgewachsen ist. Das Supralitora! wird

nur nocti unregelm :Big uberflutet.Der hichste Waribereich oberlialb rd. MThw + 1,50 m, das Epilitoral, wird auBer

w5hrend Smrmfluten nicht mehr uberflure[, ist jedoch durch das salzlial[ige Grundwasser

und durch vom Wind herangetragenen Wasserstaub immer noch den maritimen Einflussen

un[erworfen (LODERS u. LUCK, 1976; DoLDER u. DOLDER, 1988; JANAE u. KREMER 1990;

IBE.LAND, 1990).Der ostfriesischen Kasie vorgelager[ is[ ein Guriel aus sieben gr6ieren und einigen klei-

ncren Deneninscln. Sie sind aus einem von seewarrs durchbrochenen Strandwall en standen

Die nordfriesischen Insein vor der schteswig-holsreinischen Westkus[e hingegen sind aber-

wiegend Resre des ehemaligen Festlandes (NMELF, 1985; NATIONALPARAVERWAL-rUNG „NIE-

195

1

1

Die Küste, 60 (1998), 191-225

DERSACHSISCHES WATTENMEER", 1992). Der Strandbereich erstreckt sich von der mittleren

Tideniedrigwasserlinie bis zum seeseirigen DunenfuE bzw. am Festland bis zum Deich. Der

sogenannte trockene Strand wird im Vergleich zum nassen Strand von den mittlerenTiden niC]lI erreicht.

Salzmarsclien oder -wiesen sir,d die uber der mittleren Hochwasserlinie gelegenenFlidchen, die nur noch selten, insbesondere im Winterhalbjahr wdlirend Wind- oder Sturm-

fluten, mit Salzwasser bedeck[ werden (LANDESAMT FUR DEN NATIONALPARK SCI-ILESWIG-

HOLSTEINISCHES WATTENMEER, 1992).Der Bereich des Supralitorals von der Linie des mittleren Tidehochwassers bis zum

DeichfuE wird als Vorland, bestehend aus Anwachszone und Salzwiese, bezeichnet

(Abb. 3). Die Salzwiesen des Vorlands werden im Laufe eines Jahres bei hdheren Tiden40- bis 250mal uberflutet und durch die innerhalb des Eulitorats liegenden zahlreiclien ver-

istelten Prielsysteme auf naturliche Weise be- und entwassert. Durch die Oberflutungenwer-

den diese Bereiche mit Salzwasser bedeckt, das auch fur einen stetigen Nachschub an nihrstoffreichen Sedimenten sorgt und dieses Teilsystem des Wattenmeeres im Gebier zwischen

Esbjerg in D nemark und Den Helder in den Niederlanden zu einem der produktionsreich-sten Lebensraume der Erde macht (ARBEITSGEMEINSCHAFT DEUTSCHER BEAUFTRAGTER FUR

NATURSCHUTZ UND LANDSCHAFTSPFLEGE, 1980; HEYDEMANN u. MULLER-KARCH, 1980;ABRAHAMSE et al., 1984; DIECKMANN, 1985).

Im Okosystem des Voriandes ki;nnen nur besonders angepafite Organismen der Floraund Fauna existieren. Die Salzwiesen sind mit zablreichen Halophyten bedeckt und mit etwa

250 kleineren Tierarten besiedelt. Entsprechend den Tideverh itnissen witt in der Anwachs-

zone und im Salzwiesenbereich eine gesetzmihige Zonierung und Sukzession von Pflanzen-

gesellschaften auf, die prim r aus salztragenden und salzresistenten Arten bestehen. Sobalddas Watt auf rd. 0,50 m unter MThw angewachsen ist, beginnt der naturliche Pflanzenwuchsmit den Pionierpflanzen Queller (Salicornia herbacea L.) und Sclilickgras (Spaitina Town-

sendii) sowie ab einer Vorlandhtlhe von rd. 0,25 m unter MThw dem Andel (Puccinelliamaritime Parl.) (HEYDEMANN u. MOLLER-KARCH, 1980; KAMBECK, 1980; STADELMANN,1981; ERCHINGER, 1982; JANKE u. KREMER, 1990; KRAMER, 1990; DIJKEMA et al., 1990).

Mit jeder Tide werden im Wattenmeer und insbesondere wthrend SturmflutereignissenSedimente transportiert, vorwiegend organische und anorganische Schwebstoffe, die im Mit-

tel 5 mg/1 bis 150 mg wdhrend Sturmfluten im Durchsclinitt uber 2500 mg/1Abetragen,(WOHLENBERG, 1954; DIECKMANN, 1985; SONNICHSEN u. MOSEBERG, 1994). Je nach Ort-lichkeit bestehen daher unterschiedliche Tendenzen zur natui-lichen Anlandung.

Die Wattsedimente bestelien aus den Hauptlcomponenten:1. anorganischer Anteil (Sand, Schluff, Ton)2. organischer Ant:eil (Kohlenstoffverbindungen, Karbonate)

Zusammen mit Wasser bilden sie das allgemein als Schlick bezeichnete Sediment (Tab. 1),dessen prozentuale Zusammensetzung regional sehr unterschiedlich ist.

Tab. 1: Klassifizierung der Korngrdilen nacli DIN 4022 und Bezeichnung der Sedimenttypen nach dem

KorngroBe

2 mm bis 0,063 mm

0,063 mm bis 0,002 mni

< 0,002 mm

Anteil der Kornfraktion < 0,063 mm nach DIN 4022

Bezeichnung

SandSchluffTon

Anteil der Kornfraktion< 0,063 mm

<10%10% bis 50%

>50%

Sedimenttyp

WatisandSchlickwan

Schlick

196Die Küste, 60 (1998), 191-225

Die Erosionss[abilizar der Wartsedimente gegen Stramungs- und Wellenangriff is[ niclirnur durch deren physikalische Parameter bestimmt. Eine ausgepragre, nichr immer sichtbare

Besiedlung beeinflult die Erosionstrabilir  der Sedimenre mallgeblicli. Vet·schiedene Ticr-

ar[en kdnnen die feinen organischen Bestandreile und die Tomnineralien durch die Bildungkieiner schlickar[iger Kotklumpcticn aneinanderhefren. Hicrdurch wird die Ablagcning elnes an Ton und organischer Subsranz reichen Sediments bcwirkt, das fur den Anwachs desVortandes von grotter Bedeutung ist. Entscheidend sind damn Micsmuscheln (My[ilus edu-lEs L.), Herzmuschein (Cerastoderma edule) und Sandklaffmuscheln (Mya arenaria L.) be-[eiligt (z. B, MANZENRIEDER, 1983).

3. Kanstliche Voriandbildung durch Lahnungen

Mit der Tidcwclle. dic von seegangserzeug[en Srramungen uberlagerr wird. werdenSedimentc (Sinkstoffe), die im wesemlichen aus Umlagerungen des WaI[s srammen (KAM-RECK, 1980; Muuss u. PETERSEN, 1974), in das Kas[envorfeld transportierr und abgelager[,sobald die Turbulenz der Stri mung reduziert und ihr TransporrvermEigen Weiner wird. Die-

ser Vorgang erfolgt auf natarlichein Wege in Buchren, Hafenbecken oder an den geschutztenLcesciren von Inseln, Halligen, Dinimen und sogenanntcn Hdken.

Mit Hilfc planmiBiger Eingriffe in die Strdmungsabl ufe kant, die Ablagerung von Sedi-

menren kunstlich gefiirdert werdcn. So wurde in weiren Bercichen der Nordseekiiste durch

schachbrct[artig neben- und voreinandergereihte Felder ein ausgedchntes Netz von bem

higren Wasserbercichen geschaffen. Die noch iurbulente Brandung und Stramung wird von

dea, die sogenannten Lahnungsfelder umgebenden, in der Regel permeablen zaunartigenBauwerken (den sogenannren Lahnungen) weirgehend ferngehalten und die naturliche Ab-

lagerung der feinen Sinkstoffeaus dem Meerwasser beschleunigt.Im weitestcn Sinne ist daslahr 1362 als Geburtsjahr der kiinstlichenVortandbildung, der

„Landgcwinnung", zu bezeichnen. Vier :i · lai .yne, 9 :1.were 91.irn·.fILkr. :-ie :.1 Jr.7\ iere:ideLandeinbrucliean der Nordscekustc hervor. Die „Zweite Marcellusflut" vom 16. Janunr 1362

veranlailic die Kastenbewohner dcshaib, das ffir ihren Lebensraum und auch fur die Land-wirischaft vertorene Land zuruckzugewinnen; zunichsr als Vorarbeirenfur Eindeichungendurcli Anlage von Hdftern oder Lahnungen und/oder Gruppen (PRoBsr, 1996). Einc Do-kumenrarion der ersren Arbei en ist bei HAGEN (1878), HINIUCHS (1931) oder MOLLER U.

FISCHER (1955) zu finden.

Dieersten Lahnungsfelder zursystematischen Vorlandbildung wurden imlatir 1847 von

der dinischen Regierung im heutigen Schleswig-Holsrein angelege (PRoBsT, 1996). Das Zielder Anlage der kilisdichen, buhnciarrigen Lahnungsbauwerke, die je nach Ortlichkcit100 m X 100 m bis 400 m x 400 m grolie Felder umfassen (Abb. 4), war und ist cs, durch

gediimpfre Strdmungen und Wellenbewegungen die Anlandung von Sedimenten im Vor-

landbereich zu beguns gen. In derparattelzum Deidiverlaufenden Lahnung (auch als Quer-lahnung bezeiclinet) befinder sidi in der Regel eine Offnung, so dah bei steigendem Tide-wassers[and die Sedinienrationsfelder uberfluret und bd fallenden Wasserstanden wiederentwassert werden. In der Stillwasserzck um die Kcmerung der Tide nach Hochwasser la-

gern sich die Schweb- und Sinksroffe am Boden ab. Aufgabe der senkrecir zum Deich ver-

laufenden Hauprlalmungen der Latinungsfelder (auch als Liingslahnungen bezeiclinct) ist es,

die parallel zur Kuste verlaufendc Lingsstramung zu unterbinden, wbhrend die Querlah-nungen far eine Stramungs- und Seegangsberuhigung In den Lahnungsfeldcri sorgen. An

deroldenburgischen Kiis[e sind Lahnungenmeistens geschlossen (KRAMER, 1990),sodah das

197

Die Küste, 60 (1998), 191-225

198

seitliche AnbindungAnbindung weiterer Lahnungen intiefer gelegene WaMbereiche mAglich Querlahnung

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  weiterer Lahnungennggtich

Abb. 4: Prinzipieller Aufbau eines Lahnungsfeldes mit Entw sserungssystem

Wasser nur iber, bzw. je nach dem Grad der Porositit, durch die lugere, deichparallele Lah-

nung ein- und ausstr6men kann.

Bis Mirre des 20. Jahrhundert war das Ziel der „lgunstlichen Landgewinnung", neue

fruchtbare Flichen fur die landwircschaftliche Bewirischaftung zu gewinnen. Erst seit rd.

30 Jahren ist es - abgesehen von der 6kologischen Bedeurung - vorwiegend der Kusten-

schutz, der sich die positiven Eigenschaften des Vorlandes, d. h. die wellenddmpfende und

wellenbrecliende Wirkung zumNutzen macht. Die als „Vorwdrts-Verteidigung' bezeichnete

Vorlandbildung ist als eine aktive KustenschutzmaBnahme zu sehen, die als „Energiewand-ler-System" den Angriffsbereich der wirkenden Krifte weiter seewdrts verschiebt.

Heute werden Lahnungen in der Regel als sogenannte Buschlahnungen ausgefuhrt, die

aus zwei in den Wattboden gerammten Holzpfahlreihen mit versetzI angeordneten Pfdhlen

bestelien. In den Zwischenraum der Pfahlreihen werden Faschinen gepackt und mit einem

verzinkten Draht kreuzweise zwischen den Pfdhlen verschnurt (Abb. 5). Die Lahnungenwerden, insbesondere zum Schutz gegen Eisgang, mit Boden angeworfen. Ubliclierweise

liegt die Oberkante der Lahnungen auf H6he des MThw oder MThw + 30 cm. In Abhdn-

gigkeit von der Warth6he und nach M6glichkeit nicht tiefer als MThw - 0,70 m bis MThw

- 0,80 m wird in der Regel zun chst ein Lalinungsfeld vor dern Deich als Beruhigungszoneerrichtet, bevor mit fortschreitender Verlandung weitere Sedimentationsfelder angelegr wer-

den (Tab. 2).An der ostfriesischen Kuste (Tab. 36) sind, anders als die Buschlatinungen iii Schleswig-

Holstein (Tab. 3a), die Lahnungen nahezu dicht, d. h. sie werden vom Seewasser nicht durch-

stramt, und sogar schwere, bulinenarrige Konstruktionen wurden eingese[zr. Innovative,von der Tradition gel6ste Baukonzepte entstanden in den sechziger und siebziger Jahren.Mit dem Ziel, effektivere Bauformen zu etablieren sowie den Arbeits- und Unterhaltungs-aufwand zu minimieren, wurdeii vermehrt auch Kunststoffe im Lahnungsban eingesetzt(Tab. 4).

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Ar u,tgreppe

Abb. 5. Aufbau und Abmessungen einer im nordlichen Tell Schleswig-HolsteIns typischen Busch-

Tab. 4: Lalpnuingsbauweisen In Ostfriesland (ERCHINGER, 1976)

Leichte I inungen

Niedrige,schwere LahnungenHohe,schwem Latinungen

• Buschiahnungen• Lalinungen mir geschlitzieroder geloghter Kunstsroffplaite• Beton-Farrigreillahnung• Sch auclilahnung• Steindamm aus Naturskmen, dlicre Bauweise• Stdndamm aus Natursteinen, neuere Bauweise• Schwere Lahnung mit Beionsieinbedeckung• Schwere Lahnung mi[ Beron- oder Schuttsreinbedeckung und einem Kern

aus Huttenruclks[Snden• Schwere Beron-Fer,igicillahnung mit Schunsteinvorlage• Schiiusteindamm ohne Kern auf breker Fittermatre

Hat das Vorland eine gewisse Hdhe (rd. MThw - 0,50 m bis MThw - 0,30 m) erreichiund sich dw·ch Aufschlickung ein Gefille zum Auttenwart eingesrellt, wird traditioneller-weise zur Entw sserung ein kiinstliches Grabensystem, besteliend aus Haup[entwasse-rungsgraben, Querentwisscrungsgr ben, mitunter Ableitern und Weinen Grabenin das Vor

land gezogen (BOTHMANN, 1941; ERCHINGER, 1982). Diese kieinen GrKben werden an derschleswig-holsteinischen Kuste als „Grippen" bzw. „Gruppel; in Niedersachsen hdufig als„Schlote" bezeiclmer.

Um den AbfluE in den Grippen zu gewKhrleisten, wird in regiona[ unterschicdlichenIntervallen der Boden erneut ausgehoben; es wird gegruppr. Tradi[ionell wird der Aushubaus den Grappen auf die Mi[te des sogenannten Ackers (auch: Beer oder Feld) plaziert, so

daB ein gleichmd:Big hoher Wall entsteht Der Aushubwalt kann wdhrend der Tiden uberflu-rei werden, wird jedoch im wesentlichen nicht abgerragen, so dd von einer besclilcunigtenAufhohung der Vorlandbcreiche ausgegangen wird (7. B. KAMBECK, 1980; ERCHINGER et ali1994). Ursprunglich wurde die Begrappung our Von Hand vorgenommen. Seit crwa 1950

werden Spezialgerase wie Gruppenbagger und FraErad eingeserzt.

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Die Küste, 60 (1998), 191-225

Um eine schnellere Aufschlickung zu erzielen, wurde mit Beginn der 30er Jahre die

nadirliche Entwicklung einer Vegetation beschleunigt, indem Queller- und Schlickgras-pflanzen ausgesdt wurden. Eigens fur die Quellerpflanzungen wurde in den 40er Jahren

sogar ein spezieller, von zwei Personen zu bedienender Watt-Drilischlitten entwickelt, der

in den 50er Jahren im Rahmen von Neulandgewinnungsma£nahmen (Friedrich-Wilhelm-Lubke-Koog) noch eingesetzt wurde.

Uberblick uber die heute ublichen bzw. zuletzt angewandten Methoden der Vorland-

bildung in Deutschland, Ddnemark, den Niederlanden und GroBbritanniens gibt Tab. 3.

Die historische Entwicklung der Arbeiten zur Vorlandbildung, die Ausfuhrung der Lah-

nungsarbeiten und Gruppenprofile und die Begrappungsmethoden, -maschinen und Grapp-frequenzen entlang der deutschellNordseekuste sind regional sehr unterschiedlich. Ihre Wirk-

samkeit im Vergleich wurde bisher nicht nachgewiesen, weshalb sich im ingenieurrechnischenSinne keine standardisierten Bemessungsgrutien bzw. Empfehlungen fur eine Auslegung ab-

leiteii lassen.

4. Morphologie des Vorlandes

Die Inselgruppen an der Ost- und Nordfriesischen Kuste halten den Seegang von der

hinter ihnen liegenden Festlandskuste fern. Die an der schleswig-holsreinischen Westkuste

zu den Inseln und Halligen fuhrenden und als kunstliche Wattwasserscheiden wirkenden

Verbindungsdimme erh6hen zusR:tzlich die Schurzwirkung. Demnach ist dort die natarliche

Tendenz des Absetzens von Sedimenten positiv (HEISER, 1933). Dieser Effekt wird an den

hohen, sturmflutfreien Dimmenwie dem Hindenburgdamm und dem Nordstrander Damm

deutlich. DIJAEMA et al. (1990) schreiben dem Scilutz durcli Barriere-Inseln aber auch eine

negative Wirkung zu: Der Scliwebstoffgehak des Wassers ist auf der Ruckseite del· Inseln ge-

ringer als im Bereich ungeschatzter Watten.

Der relative Einflul der tdglichen Tiden gegenuber Sturmfluten auf die voilandbilden-

den Prozesse ist derzeir noch nicht quantifizierbar. Sicher erschemt jedocli, daB fur die mor-

phologischen VerRnderungen im Kustenvorfeld weniger extreme Ereignisse als das tEglicheTide- und Seegangsgeschehen maEgebend sind, obwohl augenfdllige Schdden meist durch

Sturmbedingungen inVerbindungmit extremen Wasserst ndenhervorgerufenwerden (EAK,

1993). So wurde im KFKI-Forschungsvorliaben „Erosionsfestigkeit von Hellern" fur mitt-

lere Tiden, die die Hellerkante beanspruchen, eine besonders starke Erosion des Voriandes

fesigestellt, wihrend die Wirkung einer scliweren Sturmflut mit holiem Wasserstand uber

dem Heller den Bestand der Salzwiesen weniger gefiibrder (ERCHINGER er al., 1994).Fur ausgewihlte Vorlandgebiete an der deutschen Nordseekuste wurden von OSTER-

THUN (z. B. 19936) Profile der Sedimentation ermittelt. Die sehr verschiedenen Profile zei-

gen, daG unterhalb MThw - 0,60 m Akkumulationsraten von bis zu 0,20 m/a auftreten k8n-

nen, die jedoch in den nachfolgenden Jahren durch geringere Sedimentationsraten oder Ero-

sionen wieder ausgeglichen werden. „Langfristig stelien sich Akkumulationsraten mit

normater stetiger Abnahme uber die Untersuchungsgebiets[iefe ein, so daB ein gleichmbBi-ger GesanitverinderungsprozeB entsteht. Die Grd{le der Akkumulations- oder Erosionsra-

tenist von dervorhandenen Gelindeneigung abhingig. ZwischenMT1/2wund MThw bleibi

iii Abilingigkeit von der wilirend des Entwicklungsprozesses erreichten Gelinde116he die im

Untersuchungsgebiet fur diese Hahe typiSClle Gelindeneigung langfristig erhalten (Tab. 5),

so daE es zu einer Parallelverschiebung des mittleren Gel ndeprofils kommt" (OSTERTHUN,

19933). Am Ubergang vom Vorland zum hohen Watt stellt sich ein Gefillewechsel ein, der

206

1

Die Küste, 60 (1998), 191-225

durch abnehmende Akkumularionsraren obcrhalb des MThw info|ge geringerer Oberflu-tungshRufigkeiten bei zunelwiender Gel indehohe beding[ ist. Die landseitige Vorlandh6heubersclireitet bci Tidehuben > 3,00 m eine Grenzhblle von MThw + 0,54 m nichr (OSTER-THUN, 1993a). Dahcr verflacht das minlere Profil im Vortandbereich.

Tab. 5: Klassifizierung des ho|En Warts oberlialb MTlnw (OSTERTHUN u. PARTENSCKY, 1991)

2   -

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 sehr hoch, bcniclisweise

wechselnd

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stark wechselnd zwsclion

Erosionen uiid Akkumu-

larioncn

Stabilit 

stabils[er und

  h ufigster Formtyp

im una:ren High-Mesoridal-Bereichsrabil

.

nicht sehr stobil

hdulig nur Zwischen-

smdium inder Enr-

wicklung,seltensiabil

Iritr nur als Zwisclien-stadium in der Ent-

wicklung auf

5. EinfluBgrdfien bei Stramungs- und Sedimenrarionsvorg ingenin Lahnungsfeldern

Die Wirksanikek oder die FRhigkeit von Lahnungen, Schwcbstoffe und Sedinicne ini

Wasser zur Ablagerung zu bringen, sie am Boden z.u lialten, zu konsolidiercn und so zu

einer Auflandung von Watiflichen zu fiihren, hangr von einer Vielzahl von Parametern ab,die in enger Wechselwirkung zucinander stehen (Abb. 6):

- Tide und Seegang und die daraus resultierenden Strdmzingen- morphologische/sedimentologische Bedingungen- Lalmungscharakieristika Geometric, Anordnung, relative H6he und DurcH,Bsigkcit

der Lahnung- biologische, chemische und physikalische Einflussc durch Flora und Fauna des Watt-

bodens- Eisgang- Vorlandmanagement, u. a. Begriippung, Unterlial[ung von Lahnungen, BeweidungIn cinem Tideniodell des FRANZIUS-INS1'11'UTS (ROSiE, 1955; ENGEL, 1963) wurden ill den

Jahren 1952 bis 1955 die Anordnung von Lahnungsbauwerken im Watt und ihre Wirkungsowie der Tidevcrlauf in einem Priel mit zugehariger Warifldche untcrsucht.

DieUntersuchungen zeigtcn, daS bei mittleren Tiden der Priel (ohnc angrenzende Watt-

flache) auf seiner ganzen Lhnge bis zur Hahe des mittleren Tidehochwassers vertandet.

207

TYPI Form Akkumulationsraten

bzw.-verlauf zwischen

min max Mnivund MTI/Zw

2,30

1,13  

3 3,15

2,80

3,40

1

Die Küste, 60 (1998), 191-225

208

Sedimentolog[e/Morphologie• Topogmphie• Komeusammenset/ung• Scherfestigkeit• Schwebstoffkonzentmtion

j • Bioehemie

1 --r.-I/-,/....,4-.r-7Lahnung

Hydrologie , Lahnungsh8he/-geometrie/ Vorlandmanagement-durchlassigkeit 1 Anwurf /

• Transport - Seegang Lage J Ofrnungmveite .Bewei. ungsart/-inte.snatVorlandbildung- . Erosion -- * Tide - •Feldgr(}Be/Anzahlder Feker/ , * Gruppenformat / -lage /

, Sedlmentatlon * Wind Anordnung. Unterhatung der

Grilppfrequenz* Eis *Graben, GrOppen BeeteI Nieder- Fami / Abmessung 5 Abs and Lahnungsbaliwerke

schlag ./V\,/\'-.·/ /"

 lor.und'.uns !, -j1• Sukzessionsfolge/-an I • Besiedlungsdichte/-ai <-3

Abb. 6: Parameter der Vorlandbildung und Wechselwirkungen im Kistenvorfeld

Eine weitere Untersuchung mit fkherfdrmig angeordneten Sedimentationsfeldern

zeigte keine gunstigere Auflanding als in vergleichbaren rechteckigen Lahnungsfeldern. Die

Versuche kannen wegen der Verzerrung der MaBstdbe und der niclit malist blichen Simula-

tion der Sedimentationsvorginge nur begrenzte und qualitative Aussagen geben. SonstigeErkenntnisse aus Untersuchungen uber die optimalen Abmessungen von Lahnungsfeldernliegen nicht von

Im KFKI-Teilprojekt „Wkattseegang" (NIEMEYERetal., 1995) zeigte sich, daB bei erhah-

Ien Wasserstanden Wellenhahen in einem Lahnungsfeld sowohl haher als auch niedriger als

auf den vorgelagerten Wattfl chen sein kdnnen. Ahnliche Beobachtungen werden von

DIJKEMA et al. (1990) beschrieben, die eine Inaximale LahnungsfeldgraBe von 200 m x 200 m

zur Eingrenzung der Fetchlinge empfehlen, weil anderenfalls die durch das Lahnungsbau-werk gedimpften Wellen im Lahnungsfeld wieder angefacht werden k8nnen. Im ostfriesi-

schen Wattenmeerraum wurden die Abmessungen daher auf 100mx 100 ni reduziert (STAIX,1994, mdl.).

6. Untersuchungen zur Durchlissigkeit von Lahnungen

6.1 Methodik

Um eine Grundlage fur eine Beurteilung einzelner Elemente und Parameter einer Lah-

nung hinsichtlich ihrer Wirkung auf Wellen, Strdmung und Sedimentation zu erhalten, die

spEter auch in Empfehlungen fur Bemessungen und Anordnungen einfliellen kannen, wur-

den z*rei Untersuchungslinien verfolgt (Abb. 7; Tab. 6).Alle hydromechanischen EinfluBgr en beeinflussen das Absetzverhalten. In diesem

Beirrag wird daher nur hierauf nAher eingegangen und der Str6mungswiderstand der

Buschialinungen und die Wellendimpfung durch Buschlahnungen in Laboruntersuchungenbestimmt sowie mit Messungen in der Natur verglichen. Mit diesen Kennmissen lassen sich

in einem zweiten Schrit[ die Str6mungsfelder und daraus resultierende Sedimentationen bzw.

Erosionen im numerischen Modell simulieren.

Die Küste, 60 (1998), 191-225

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IM vo, -fla,Whnung Neigung 1:n(n. 400)

Abb. 7: Topographie, Geometric und Wassersrinde in einem Lahnungsfeld

Tab. 6: Einflultgraften bei Stramungs- und Sedimenmtionsvorgdngen in Lahnungen

Hydromcchanisclic Einflusse in Lahnungen

TopographieWasserstand h (:>

- Welien / Wellend. mpfung-Str6mungsgcsoliwindigkei[v(r), w ([)- Feldgr68e / Fetch

- Offnungswde- Lahnungshaize- Lilinungsdlurchlassigkek- Gruppen

Sedimentarion / Abserzverhalren

Konzenrration

-Kornzusammensetzung- Kornvertellung-Flockung-Salzgehalt

6.2 Bestimmung des Durchlissigkeitsbeiwertes

Der'Widers[and bzw. die Durclildssigkcit eines pordsen Bauwerkes lassen sich durch die

Messung der Energicdifferenzen beim Durchsirdmen anhand der Wasserspiegellagen vor

und hinter den Bauwarlien bes[immen (Abb. 8).In einer Srr6mungsrinne mit fesrer Soble wurden daher zur Analyst des Durchstr6-

mungsverhal[ens von Buschlahnungen Ausschnitte verschiedener Latinungsbauweisen im

MaBsrab 1:.1 naturgetreu nachgebildet (Tab. 7). Fur verschiedcne rideablibngige -im Modell

srationhre- '

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· wurdenMessungen der Wasser-

stinde und der Geschwindigkeiten vor und hinrer dem Lahnungsbauwerk durchgefilhrt(Abb. 9).

Die Lahnung wurde aus den in der Nanir eingesetzten Materialien (Buschwerk, Pfhhte,Drahr) so eingebaut, dall sie den Ausfulirungs,orschriften des AMTES FOR LAND- UND WAS-

209

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Durchlassigkeits-,bzw. VViderstandsbeiwert

Abb. 8: Bestimmung des Durchidssigkeitsbeiwerres

SERWIRTSCHAFr (ALW) HusuM entsprach. Es ist anzumerken, daK dieserEinbauzustand dem

in der Natur nur unmirtelbar nach dem Einbau entspricht. In der Natur serzen sich saisonal

und regional variabel im Verlauf weniger Wochen nach Herstellung und Anwurf der Lah-

nungen Sedimente sowie organische und anorganische Materialien zwischen das Buscliwerk

und verringern durch diese Verdichrung den Grad der Poroskdt.

Um die labortechnischen Schwierigkeiten mit Buschwerk bei Serienversuchen zu um-

gehen, wurden die Nadelholzfaschinen im Zwischenraum der Buschlahnung durch den Ein-

bau von dquivatenten Filterplatten schematisiert (Tab. 7). Die Wahl fiel auf einen Langloch-

IDM

Fl- -9 -1

t- ch

Beruhigungseinheiten

Stromungsmessung

/Wessergtands-/ meswng

Einlauf

Beruhigungseinheiten

h6henverstellbares Wehr

......tonds-  messung

Sightfenster

SCHNITT

Auslau  I4-   

hahenverstellbares Wehr

DRAUFSICHT

TOM

10-1 E

Einlauf Sichtfenster Auslauf

Abb. 9: Stramungsrinne mit Betriebseinrichrungen und Lahnungseinbauten

210

//

*2

A

H

./-. ---

I F---1-H

- <2-] :Lohn,ngen M   9-1

(h

\

Lo',nungen  

Die Küste, 60 (1998), 191-225

211

Tab. 7: In der Srramungsrinne unrersuchte Lahnuagsvarianten und Filter mit hquivalenien Durch

Ibsigkeiten

Variante

S-1Buschlahnung ohne

scirlicilen Anwurf

S-2Buschiahnung mk 1:2,5geneigtonseidlichem

Anwurfundeiner Flahevon

0 7 m

S-3

Bitschiahnung mit 1:2,5geneigtem seltliclacn

Anwurfund einer Hahe von

0,30 ni

S-4Mit Langloclifilternsimullerie Lahnung

S-5Mi:Rundlochfilzernsimulierte L hnung

Aufbau der Lalinung im Modell

t 1 7=r-4,"

1.00 %14'thl

j iyEd

D.,0 10.=1 0.,0

 E%2=UD 1<.v\ 

c iiI I!:0.1/11, ,IM0.10 0.25 10.10

.*-----..I-

'.0tft·"0

'

.0.30. k'grl A'.p,.- ML--t.

0.101...0.25..  0.10

Porosak =rd. 30%

0000

000

0000

00010 = U 00

100

-

F11_

PorostrRT=r{|. 25 %

00000000000000080808888ggs888800000000000000000000000000

io0 0 00 00 00

0.11+9410.

•--1

1

1,00

0,10 0.25 0.....-----.-.

Die Küste, 60 (1998), 191-225

und einen Rundlochfilter, da bislang unklar ist, ob die durch naturliche Faschinen vorhan-denen offenen Zwischenrtume einer Buschlahnung eher schlitzartigen oder aber annthernd

gleichmiBig verreilten punkifdrmigen Offnungen entsprechen.

6.3 Versucbsergebnisse

Ein Vergleich der Wasserstinde im Ober- und Unterwasser der Buschlahnung ohne seit-

lichen AIrwurf (Variante S-1), mit einem seitlichen Anwurf von 0,17 m Hahe (Variante S-2)und einem Anwurf von 0,30 m Htihe (Variante S-3) ill Abhingigkeit vom DurchfluB zeigt,daB fur die Lahnung mit einem Anwurf von 0,17 m Halle im Vergleich zur Lahnung ohne

Anwurf nur geringfugige Abweichungen des Wasserstandes im Unterwasser eintreten. Der

Anwurf von 0,30 m Hdhe hingegen erh6ht den Durchstr6mungswiderstand der Lahnung in

der Art, daB der Wasserstand im Unterwasser i-eduziert wird (Abb. 10) und die Strdmungs-geschwindigkeit zunimmt.

90 201/s 40 1/s 60 1/slilli- i- - Buschlahnung ohne Anwurf

80 Buschlahnung mit Anwurf H = 17 cm

-0- -<>- -0.. Buschlahnung mit Anwurf H = 30 cm

/I./fti

10 20 30 40 50 60 70 80

HCOW) [cm]

Abb. 10: Ablidngigkek des Wasserstandes vor der Lahnung (HOW) vom Wasserstand hinter der Lah-

nong (HUW) fiirverschiedene Durchfl  sse (Q = 201/s, 401/s bzw. 60 1/s) far Lahnongen mit und ohneseitlichen Anwurf

Von den bei den Versuchen verwendeten Einbauten als Buschiahnung (Var. S-1) und als

durch Fiker schematisierte Lahnungen zeigre sich, daE der Langlochfilter (Var. S-4) im Ver-

gleich zum Rundlochfilter (Var. S-5) das Systemverhalten einer Buschiahnung weniger gut

abbilden kann. Durch systematisches Verstopfenvon Offnungen des Rundlochfikers konnte

der Vet·bauungsgrad bzw. die Porosith der Buschlahnung erreicht werden. Sind 79,5 % des

Querschnittes durch den Rundlochfilter verbaut, d. h. 20,5 % des Querschnittes durchldssig,stellt sich fur variable Durchflusse ein nahezu gleiches hydraulisches Verhalten wie bei der

Buschlahnung ein (Abb. 11). Die Durchlissigkeit (Porosifit) der Buschlahnung wurde des-

halb zu 20 % festgelegt.

212

70-

I60-

  50 -

;,

r 40-

30-

20-

10-

0

0 90 100

Die Küste, 60 (1998), 191-225

40

II 30

t

201

40

H (08 [cm)

modifiziertesnung Lochblech

E Vs -0-Q. 20 Ws

40 Vs --sQ. 40 9$

OV5 -0-Q=60Us

Abb. li: Vergleich der Wassersiande H(OW) und H(UW) far die Buschlahnung und des modifizieneLocliblech

7. Untersuchungen zur Transmission von Wellen

an Buschlahnungen

7.1 Transmission von Wellen

Die Transmission von Wellen in den Schurzbereich eines permeablen Bauwerks ist das

Ergebnis von Reflexionen der Wellen und von Energieumwandlungsvorgingen im Bau-werksbereich. Der Transmissionskoeffizient tor ist definiert als das Verhdlrnis von Wellen-h6he im Transmissionsbereich HT zur Ausgangswellenhohe Hi (vg[- Abb. 12):

kr = H·r/Hi

Faschinen

-mmwgmmwAmm

(7-1)

H-'A,-

3 \-/

T = const.

WY)00<XmAMGVXXXXWAA

Abb. 12: Transmissionsverhalten eincr Welle der Hthe Hi an einerBuschlahnung

213

60

50

Buschlah

7-Q=

-*-Q=

-0-Q=610 i

0

20 30 50 60

- -H-I 1

Die Küste, 60 (1998), 191-225

7.2 Bestimmung des Transmissionskoeffizienten

im Wellenkanal

Zum Transmissionsverhalten von Buschlahnungen wurden Untersuchungen in einem

Wellenkanal durchgefahrt (Abb. 13).In den Wellenkanal des FRANZIUS-INSTITurs am Schneiderberg (L = 118 m, B= 2,2 m,

T = 1,2 m) wurden Ausschnitte einer 0,40 m bis 1,00 m hohen und 0,25 m bis 0,75 m breiten

Buschlahnung im MaBstab 1:1 eingebaut.Fur verschiedene Lalinungsvarianten wurden Transmissionskoeffizienten bei variablen

Wasserstiinden und Seegangsbedingungen in Abhingigkeit folgender Parameter ermittelt:

- Bauwerksbreite B

- Relative Bauwerksh6he h/d (h = Bauwerksh8he, d = Wassertiefe) am Bauwerk,- Grad der Durchldssigkeit in Abhiingigkeit vom gewthlien Fullmaterial bzw. einem

seitliclien Anwurf

Folgende Lahnungsvarianten wurden untersucht:- W-1: Busclilahnung ohne seirlichen Anwurf mit

H6he h = 1,00 m und Breite B = 0,25 m

- W-2: Buschlahnung mit 1:3,33 geneigrem und 0,60 m hohem seitlichen Anwurf mit

Hulle li = 1,00 m und Breite B = 0,25 m

- W-3: Buschlahnung ohne seitlichen Anwurf mi

Huhe h = 0,70 m und Breite B = 0,25 m

- W-4: Buschlahnung ohne seitlichen Anwurf mit

H6he h = 0,70 m und Breite B = 0,50 m

- W-5: Buschlahnzing ohne seitlichen Anwubmit

H6he h = 0,70 m und Breite B = 0,75 m

- W-6: Buschlahnung ohne seklichen Anwurf mit

Hlilie h = 0,40 m und Breite B = 0,25 m

- W-7: Mir Rauhspunddielen gedichtete Buschlahnung ohne seitlichen Anwurf mit

Hdhe h = 0,40 m ·und Breite B = 0,25 m wie sie den Ausfuhrungsvorschriften des

STAAIUCHEN AMTES FOR INSEL- UND KosTENSCHUTZ (STAIK) NORDEN entspricht.Mit der Annahme, dati an der Buschlahnung bereits eine Sedimentation erfolgte,wurde die Hahe der Varianten W-6 und W-7 auf 0,40 m reduziert.

Die Untersuchungen wurden mit regelmdiligen Wellen und mit Spektren (0,10 m SH, 6

0,30 m; 1 siTpf 3 s) durchgefulirt (vgl. Abb. 14). Die Kombinationen der Zeitbereichs- bzw.

Frequenzbereichsparameter fur die Untersuchungen wurden arilland der in der Natur ge-

messenen und analysierren Seegangsdaten ausgewiihit. Aus Untersuchungen mit Wellen un-

terschiedlicher Angriffsrichrungen ergab der senkrechte Wellenangriff den ungunstigstenLastfall (GRONE u. KOHLHASE, 1975), der auch fur die Transmission an Lahnungen ange-

Ilommen wurde.

Weltern, Peget 1

maschine

4111701'11

1  L

Pegel 2 Pegel 3

'TT  1¥+110.

111414. Versuchseinbau   adfah. E=ob.churnsenster

Abb. 13: Versuchsanordnung im Wellenkanal am Schneiderberg

214

+ 200 m

1

Beobachtungsrenster

Die Küste, 60 (1998), 191-225

215

SFB 205. TP 013. Progranw {MA-PWA>. Version 3.0.

Wellenpel/3 WP 1

 r--,r= /Wr-rl Ii--,-1 =,r. rE 119;irl 12*7=1 ilfvll 1

aw 4 t.Start,2 0000.00 til

t-4nde = 012: *O  [s l

'.*,„

A i::

Ii · i ·········11 .. i ilt-..

.2000.0+ 1:

'w,0 U  6 4) 1 ..411 1 +*  I iril<:'ll  l l ill...  . i  1':4Ii  . .#4:  1

I ,

.

11 I. Irl' ·11 1·' 1111 I 3 Lil 1 1 IiF < 11: ,|  F :'1.-i| I  .| |Li, ·vt;#' ilit ·,il.li ti. [liNI Il<11< ilil I Ii i .

9: 1151 3 14·h·llr i*1JiI4llittkli, A IVY,93.lrli, -

-""U'.

.

11 '  It I  :

 1;" ....    ' IJ,&,1,      .    

-*Man .......4-, S 1 11.... I

SFB 203. TP 813. Progran. <WA_PWA>. Version 3.D.

Wallen/egel MP 1

1 //711/ /0/Qi/31

(11 .

.... I - E-E. il . I ...0 :

4 92 . tj ...''

i.. 1

I. 11 J: ':

-0 300 - 7-· T·····: : 36.00 1 37.50 · 40.00   42.50 2 15 00 . 2 0 · 50.00 52 60

Abb. 14: Beispiel einges[euerter Spelitren (oben) und Auswahl cinex Spektrums der Welleneingangs-hal:e (unren)

'0-0 40-D 60 O 80.0 100.0 /20.0

! 11

Em A

1

Die Küste, 60 (1998), 191-225

Die Auswertung der Versuche erfolgt anhand der Reflexionsanalyse nach MANSARD u.

FUNKE (1980) unter Anwendung der FAST FOURIER TRANSFORMATION, ausgehend vom

ZERO-DOWN-CROSSING-Verfahren.

7.3 Versuchsergebnisse

Ein Vergleich der Untersuchungen mit Variante W-1 und Variante W-2 zeigt verschie-

dene Ergebnisse. W rend der Transmissionskoeffizient kr bei einer Buschlahnung ohne

Anwurf (Var. W-1) sowoM von der Wellenhuhe als auch von der Wellenperiode ablidngigist, weisen die Ergebnisse der Versuche mit einer Buschlahnung mit seitlichem Anwurf (Var.W-2) nahezu keine Abhingigkeit von der Ausgangswellenhahe bzw. -periode auf. Fur die

untersuchten Wasserst inde ist die Busclilahnung mit seitlichem Anwurf (Var. W-2) im Ver-

gleich zur Buschlahnung ohne seitlichen Anwurf (Var. W-1) als wirkungsvoller einzuschir-

zen (Abb. 15).

'rl,20.-.

1-

21,00NO,80i 0.60C

30.40 O.20

1-0.00

I kT Var. W-1

o kT Var. W-2

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

signifikante Wellenh6he Hs [m]

Abb. 15: Vergleich der Transmissionskoeffizienten K·r der Varianten W-1 (Lahnung ohne Anwurf) und

W-2 (Lahnung mit Anwurf) in Abhingigkeit von der signifikanten Wellenhahe far eine Wasserriefe

von 1,00 m

Die Untersuchungsergebnisse der Varianten W-1, W-3 und W-6 (Buschlahnungen ohne

seitlichen Anwurf, H6hen = 1,00 m, 0,70 m bzw. 0,40 m) sind in Abb. 16 zusammengefaBt.Es zeigt sich, dati h6here Ausgangswellen (Abb. 16a) besser als niedrigere (Abb. 166) ge-

dimpft werden. Fer Wassertiefen bis etwa zur Bauwerksoberkante (h/d > 1,75 bis h/d

> 1,00 m) zeichnet sich eine im wesentlichen lineare Zunahme der Transmissionskoeffizien-

ten ab. Mit zunehmender Wassertiefe uber dem Bauwerk ndhert sich der Koeffizient einem

Grenzwert an.

Ein Vergleich der Ergebnisse fur die schmale Buschlahnung W-1 (B = 0,25 m) mit den

Ergebnissen der Varianten W-4 (B = 0,50 m) und W-5 (B = 0,75 in) zeigt mit zunelimender

Bauwerksbreite abnehmende Transmissionskoeffizienten (Abb. 17). Dies gilt insbesondere

fur Wasserst nde bis etwa zur Lahnungsoberkante (h = d). Bei Wassersrdnden oberhalb der

216

9

00oo 0

0 *80 0*C 0

Die Küste, 60 (1998), 191-225

r-' 1,00

12

* O,80

go  O,60

5iiiE 0,40

n1  0.20

T 1.00

ME  0.80

 0 0,60

8.m  0,40

C2

0,20

 

HahenderanlaurendenmaxlmaTen Wellen

0 = 0,lom.

. 0,20mo =0,3Om

  - AusiblchEkurve Ober al* Weile- [0,10 ml

6\ -- [0.20 miA ,

i8···· [0,30 mj

D 0,50 1,00 1.50 2,00

relative Lahnungshahe h/d H

:1-1T

Hahen deranlaufendenstgnitikanten We en

.=0.10 m

. = 0,20 m -

. .0*3D m

! -2 rive ...li-'le

_

-- 10.20 ml- [0.30 ml

relative Lahnungshahe h/d [-1

(b)Abb. 16: Transmissionskoeffizienren der maximalen (a) und signifikanten Wellenhblien (b) in Abhan-

gigkeit von der rcladven Bauwerkshohe h/d fur die Varianten W.1, W-3 und W-6

217

1,20

I 1. g *

/4- i

8 ...../ M

7..... I

..f:4,0.... 1

:1/

0,00

0,0 2,50

(a)1,20 -

%

'ii..:Ot

0%0 4%

\a

F\J 1 -11..\.

I

0,00 -·

0,00 0,50 loO 1,50 2,00 2,50

Die Küste, 60 (1998), 191-225

218

1,00 -

2-'./

  0,80

iN 0.60-

1  0,40 -

.!2E

g 0,20-

*

h = 0,70 m

WellenparameterHs: 0,10 m bis 0,30 m

Tp: 2,0 s bis 3,0 s

20 0,30 0,40 0,50

Lahnungsbreite B [ml

 d= 1,10 m 1. d = 0,90 m -f- d = 0,70 m od = 0,50 m+

d = 0,40 m

Abb. 17: Vergleicli der Transmissionskoeffizienten der signifikanten Wellenliahen fur Lahnzingsbreitenvon B - 0,25 m, 0,50 m und 0,75 iii

Lahnungsoberkante konzentrieren sich die Transmissionskoeffizienten stdrker und nlihern

sich einem „gemeinsamen Grenzwert- von ca. 0,80 an.

Der Vergleich der Versuchsergebnisse der Varianten W-6 (Buschlahnung, h = 0,40 m,

B = 0,25 m) und W-7 (gedichtete Buschlahnung, h = 0,40 m, B = 0,25 m) weist auf eine ef-

fektivere D mpfung des Seegangs im Bereich von Wasserstdnden bis zu rd. 0,40 m uber der

Lahnungsoberkante (d = 0,80 m) durch die Lahnungsvariante W-7 bin. Fir hdhere Wasser-

stin(le k6nnen wesentliche Unterschiede zwischen den Varianten W-6 und W-7 nicht ermit-

telE werden; der Transmissionskoeffizient n hert sich fur beide Varianten einem Grenzwert

von rd. 0,95 an (Abb. 18).

7.4 Vergleich der Versuchiergebnisse mit Messungenin der Natur

Die im Wellenkanal durchgefalirten Versuche wurden so konzipiert, dal ein Vergieichmit den fur das Testgebiet „Ockholm" ausgewerieten Seegangsmessungen muglich ist.

Abb. 19 zeigt Modelldaten der Variante W-3 (Buschlalinung ohne seittichen Anwurf, 11 = 0,70

m, B = 0,25 m) sowie MeEdaten des Testgebietes .Ockholm" im Januar 1995. Sow0111 far

die Transmissionskoeffizienten der signifikanten als auch der maximalen Wellenhahen s[im-

men die Modelldaten in ihrem Verlauf mit dem Trend der MeEdaten aus der Natur uber-

Untersuchte Wassertiefen: 0,40 m bis 1,10 m

.

0

X*

*A

*

**8

*

0

;

0,000,00 0,10 0, 0,60 0,70 0,80

ein.

Die Küste, 60 (1998), 191-225

219

1.00 -

hE04OmE31 0.80

35 

0.60

ZO

E0 0.40 -

/1 0.20It

IHSM- 0 Buschbhnung- 0 Buschlahnung mit Holzwand

WellenparameterHs: 0,10 m bis 0,30 m

Tp: 2,0 s bis 3,0 s

0.4 0.6 0.8

Wassertiefe d [rn]

Abb. 18: Vergleich der Transmissionskoeffizienten KY der Varianten W-6 (Buschlallnu,ig) und W-7

(gedichrete Lalmung) in Ablungigkek von der Wassertiefe

7.5 Unrersuchungen zum Transmissionsverhaltenim Wellenbecken

Die Untersuchungen im Wellenbecken, die insbesondere der Verifikatioi  der Ergeb-nisse der numerischen Unrersuchungen dienen, wurden in cngcr Abstimniung mit dicsen

durcligefuhrr. Im dreidimeisionalen, rd. 18 m x 40 m groilen Wellenbecken des FRANZIUS-INsri·ruTS wurde die Ver*nderung von Seegang und das daraus resul[ierende Strdmungs-bild bei schristweise vednderten Wasserstiinden in einem Ausschnit[ eines Lalmungs-feldes mk fester, ebener Sohle im Naturmafistab untersucht. Die cingebautc Lahnung ent-

spricht im Querscini[r den Varianren S-1 (Tab. 7) bzw. W-1 und wurdc, wie in denAbb. 20 u. 21 dargesrelk, mir einer Linge von 10 m in das Wellenbacken eingebaur. Derim Wellenbecken betrachtete Ausschnitt srellt einen Bereich cines realen Lahnungsfeldesdan Auf eine ma£stabsbehaftere Untersuchung wurde verzichtet, um die Analogie zu denin der Strdmungsrinne (Kap. 6) und dem Wellenkanal (Kap. 7.1 bis 7.4) durchgefuhrtenVersuchen zu wahren. Ferner wurde bei senkrechrem Wellenangriff ein spiegelsymme[ri-sches Verhalten des Seegangs und der resultierenden Strdmungen im Lahnungsfe[d voraus-

gesetzt·

Analog den Untersuciungen im Wellenkanal wurden die Scegangsparameter und Was-

ser[iefen variiert. Die berriebsrechnisch bedingre maximale Wasserriefe betragt 0,60 m.

Die auf das Lahnungsbauiverk laufenden Wellen wurden durch einc Pla[renwellenma-

schine erzeugt und als Wasserspiegelauslenkung aber die Zeit mit „Deliver Pegeln" kontrol-

lierr. Der Grad der Wellendampfung wurde punktuell im Lahnungsfeld gemessen (Abb. 20).Parallel zu den Seegangsmessungen wurde das Verha!ren von in das Becken eingebrach-

h=d

0.00 - 1

0.0 0.2 LO 1,2

Die Küste, 60 (1998), 191-225

220

1,20

./I

9 1,00-

li  0,80 -

   0,60-

0

.. 0,40

 2 020 -

1-'

E12 1,00

.*'N

  0,80..

040(1}c 0,600.:.!2E 0.40(129

e1-

0,20 -

0,50 1,00 1,50 2,00

relative Lahnungsh6he h/d [-]

(a)

0,50 1,00 1,50 2,00

relative Lahnungshtihe h/d [-]

(b)Abb. 19: Vergleich der Transmissionskoeffizienten der maximalen (a) und signifikanten Wellenliahen (b)iii Abh ngigkeit von der Wasserriefe der Variante W-3 mi  den Ergebnissen der Seegangsanalysen im

Testgebiet „Ockholm" im Monat Januar 1995 (Datenbasis: NLO-FORSCHUNGss·rELLE KOSTE, 1996)

**

* *

* 0*

*i.'r... * Natuimessung, Ockholm Jan.'95

I *rt'$ 85 + - * Modellmessung, W3+

:7*i,%540 '

*

1   , 4 * h = 0,70 m

: ... 1,9/81/: .. **

**** 40.%%4"9 *

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0,000,00 2,50

1,200 *

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* - * Natunnessung, Ockholm Jan.'95*

* t> ** **> * *

 41*,0 0* Modellmessung,Wj

*>*At.1..6 0.4/3 A

** 41 * *

4, .1.F:*.3 * * h = 0,70 m- .4.:.1.q .*

** :. 0%,4 0.

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* *

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0,000,00 2,50

Die Küste, 60 (1998), 191-225

,25 25 25 2Om

1=-.4-=*-

12 12 x --3-- i£sm

X_-

18 m. P5 p4 1  Pl_

2,5 m

x x !WI x -

 6 /-BUSCHLAHNUNG- 2,5 m

..1.8 ..m

--

- 1

WELLENABSORBER WELLENABSORBER EINGESTEUERTE \ .1 TRANSMITTIERTE

A WELLE + H. r*1-   '     LLE  ' -E 'T '·

_

40 m-.1-I

Abb. 20: Einbau einer Buschialinung in das Wellenbecken und Posirionen der Wallenpegel

Abb. 21: Seegangsverhalten far einen regelmiBigen Scegang (H, = 0,20 m, TH, = 3,00 s, d = 0,50 m)in, Ausschnirr eines Lahnungsfeldes

221

f rIIJ

\--\

t/* 

Die Küste, 60 (1998), 191-225

Z

LF 

0,80-

   0,60

. 

.mE 0,400

a+ kT an P2 m kT an P3

kT an P4 . kT an P5

* kT an P6

0 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75

relative Bauwerkshi he h/d H

Abb. 22a: Darstellung des Transmissionsverhaltens an einer Buschiahnung im Wellenbecken fur eine

signifikante Wellenhahe von H = 0,10 m

ten Schwimmern (u. a. im Zeitrafferverfahren) per Video aufgenommeii und somit Str6-

mungsvorgEnge an der Wasseroberfldche erfalit. Charakieristische Schwimmerbahnen wur-

den aus den Videoaufnahmen ausgewdhlt und Strumungsvektoren ermittelt.

Durch die Messung der Wellenhi hen an den MeEpunkten Pl (Referenzpunkt fur ein-

laufende Welle) bis P6 (vgl. Abb. 20) konnten Transmissionskoeffizienten fur den Bereich

hinter der Lahnung ermittelt werden.

Aus der Darstellung der Ergebnisse in Abb. 22 ist der sich einstellende Effekt der Dif-

fraktion (vergleichbar an einem halbunendlichen Wellenbrecher) und hier durch das Phinoi

men der Transmission uberlagert, zu erkennen.

Wihrend die Wellenhbhen im Bereich der Lahnungsdffnung (172 und P3) nallezu unbe-einfluit bleiben (ca. KT = 1,00), sind die Wellen im geschutzten Bereich der Lahnung deut-

lich reduziert (Pegel P4 bis P6).

8. Zusammenfassung

Fin bedeutendes Kustenscliutzelement und ein ukologisch wertvoller Bereich des Ku

stenvorfeldes sind hohe und breite Vorlbider mir einem flach geneigien Obergang zum Watt.

Vorlandbildung kann durch die Anlage und Bewirtschaftung von Lahnungsfeldern be-

222

1,20

*

1,00 * *Z

E "

* * *

0,20

0,00 1 1

1,5 3,00

Die Küste, 60 (1998), 191-225

223

1,20 -

ZE

t2

i 0,80-

f 0.60

.2m'E 0,40

C

S0,20

+ kT an P2 I kTan P)_

 . kT an P4 · kT an P5

  x kT an P6

0 1,75 2,00 2,25 2,50

relative Bauwerksh6he hid H

r--2,75 3,00

Abb. 22b: Darstellung des Transmissionsverlialiens an einer Busclilahnung im Wellenbacken fur cine

signifilmnie Wellenliahc von H = 0,20 m

sclileunigt werden. Fur die Gestalmng voii Lahnungsfeldern, fur die Bemessung und den

Aufbau der Lahnungenund fur die Bearbeitung des Anwachses in den Lahnungsfeldern wer-

den seit rd. 200 Jaliren an der deutschen Nordseekuste vor allem praktische, oft ortsspezifi-sche Erfahrungen herangezogen. Fur eine Optimierung der Vorlandgewinnung mit Lahnun-

gen fehk bisher eine wissenschaftliche Analyse der hydromechanisch-morphologischenWechselwirkungen in den Lahnungsfeldern. Im Rahmen des Forscliungsvorhabens des

KFKI „Opdmierung von Kustensicherungsarbeiten im Kastenvorfeld der Nordseekuste"

solken deshalb mir wissenschaftlichen Mcrhoden Grundlagen fur einen effektiven Einsatz

von Lahnungen fur die Vorlandbildung erarbeiter werden.In physikalischen Untersuchungen des Teitprojek[es „Wellenunrersuchungen in Mo-

dell-Lahnungen" wurde zunklist in einer Strdmungsrinne das Durchstr6mungsverhalteneiner Buscblahnung mit und ohne seklichen Anwurf im Ma£stab 11 untersucht. In einem

wekeren Schap wurden die Nadel]lolzfaschinen im Zwischenraum derBuschlahnung durch

den Einbau von definierten Filtern mi  cincr Lang- bzw. Rundlochung scliemai siert, so daB

in Abh ngigick vom Wasserstand (bzw. vom Durchf uB) vor der Lahnung eine Ermittlungder GraBenordnung des Durchlassigkeirsbeiwertes als Eingangsparameter fur die numeri-

scheli Simulationeli m6glich wurde. Der Durchlassigkeitsbeiwert wurde zu rd. 20 % be-

stimmt, d. h. rd. 20 % des Querschnittes ist durchlissig.Untersuchungen zum Transmissionsverhalten von Buschlahnungen wirden im Wellen-

kanal des FRANZius-INsnru·rs am Schneiderberg analog zu den Durchstramungsversuchenin der Strdmungsi·inne und unter Beracksichrigung der ausgewerteten Seegangsdaten im

1,00I

: :

A

* -l f

0,00

1,5

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MaBstab 1:1 durchgekihrt. Bei variablen Wasserstdnden und Seegangsbedingungen wurdendie Parameter

- Bauwerksbreite B

- Relative Bauwerkshilhe h/d (h = Bauwerksh6he, d = Wassertiefe)- Grad der Durchl ssigkeit in Abhtngigkeit vom gewthlten Fullmaterial bzw. einem

seitlichen Anwurf

variiert.

Hier zeigte sich, daB hahere Ausgangswellen besser als niedrigere gedimpft werden. Far

Wassertiefen bis etwa zur Bauwerksoberkante zeichner sich im wesentlichen eine lineare Zu-

nahme der Transmissionskoeffizienten ab. Des weiteren konnte nachgewiesen werden, dati

fur Wasserst inde bis zur Lalinungsoberkante Lahnungen mit gr8Eeren Breiten als 0,25 m als

wirkungsvoller einzuschdrzen sind. Ein effektiveres Ddmpfungsverhalten des Seegangszeichnet sich auch far gedichtete Lahnungen im Vergleich zu den konventionellen ab. Dies

gilt jedoch aussclilieElich fur Wasserstdnde bis rd. 0,40 m oberhalb der Bauwerksoberkante.

Die im Wellenkanal ermittelten, insbesondere von Wasserriefe und Wellenhalie abhin-

gigen Transmissionskoeffizienten konnten anhand der dreidimensionalen Seegangsuntersu-chungen an einem Ausschnitt einer im Originalmatistab eingebauten Buschlahnung im Wei-

lenbecken bestdtigt werden.

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