Entwicklung der Tideniedrigwasserstände im Elbeästuar · 2013-03-18 · 2. Tnw am Pegel Helgoland steuert Tnw an den Elbepegeln: Tnw-Differenz zwischen normierten Elbepegeln und

BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau

DH - 2001-11 Folie-Nr. 1

Entwicklung der Tideniedrigwasserstände

im Elbeästuar

• Analyse der Entwicklung in den 80er und 90er Jahren • Ursachenforschung für die Tnw-Absenkung• Einsatz mathematischer Modelle


DH - 2001-11 Folie-Nr. 2

Wasserstandim Ästuar

KlimaKlima WetterWetterOberwasserOberwasser

Astronomische Gezeiten

Astronomische Gezeiten

Flachwasser-tiden

Flachwasser-tiden

MorphologischeEntwicklung

MorphologischeEntwicklung

Landhebungen/-senkungen

Landhebungen/-senkungen

BauwerkeBauwerke

Einflussfaktoren auf den Wasserstand im Ästuar


DH - 2001-11 Folie-Nr. 3

Siefert, 1998„Tiden und Sturmfluten in der Elbe

und ihren Nebenflüssen“Die Küste Heft 60

normiert mit 25 cm pro 1000 m3/s

Änderung durch KN -13,5 m Ausbau

Ursachen?


DH - 2001-11 Folie-Nr. 4

Bestimmung ausbaubedingter Änderungen des Tnw(Bund-Länder Arbeitsgruppe Beweissicherung zum KN -13,5 m Ausbau von Außen- und Unterelbe, Niemeyer 1995)

EPdEPHelEPHelEPEP QcThbbTnwaTnw 0⋅+⋅+⋅=

EP - Elbe-Pegel Hel - Helgoland

Einfaches Prognosemodell durch „best fit“ von 4 Koeffizientenfür einen (z.B. 5 jährigen) Zeitraum vor dem Ausbau• linearer Berücksichtigung von Tidehub und Tideniedrigwasser in Helgoland• nichtlinearer Berücksichtigung des Oberwassers

Bestehendes Verfahren für aktuelle Beweissicherungen

Frage: Steht für dieses Verfahren ein geeigneter Referenzzeitraum vor dem Ausbau zur Verfügung?


DH - 2001-11 Folie-Nr. 5

Strategie A - Normieren auf mittleres Oberwasser

1. Normieren der Tnw in der Elbe auf ein einheitliches Oberwasser Q0 Normierungsfaktoren mit HN-Modell ermitteln

2. Tnw am Pegel Helgoland steuert Tnw an den Elbepegeln: Tnw-Differenz zwischen normierten Elbepegeln und Helgoland bestimmen (Einfluss der meteorologisch bedingten Variation abmindern)

3. Ableiten der Tnw-Entwicklung aus der Tnw-Differenz (wie bei Siefert)

4. HN-Modelle auf Grundlage jährlicher Topographien rechnen - Simulation (identische Steuerkurven für Tide und Oberwasser verwenden)

5. Analysieren der Tnw-Entwicklung aus den Modellergebnissen

6. Vergleich der Ergebnisse aus 3. Und 5. ==> Schlussfolgerungen


DH - 2001-11 Folie-Nr. 6

1. Die „mittleren Tiden“ am Pegel Helgoland identifizieren durch Auswertung der Thw- / Tnw-Zeitreihen

2. Jährliche Mittelwerte der Tnw nur aus den „mittleren Tiden“ bestimmen - für Helgoland und für alle Elbepegel (Filter 1. Stufe)3. Zusätzlich alle Tiden in der Mittelwertbildung eliminieren, die „extremen“ Oberwasserzuflüssen unterlagen (Filter 2. Stufe)

4. Tnw-Differenz der gefilterten Jahresmittelwerte zwischen den Elbepegeln und Helgoland bestimmen

5. Ableiten der Tnw-Entwicklung aus 4.

6. HN-Modelle auf Grundlage jährlicher Topographien rechnen - Simulation (identische Steuerkurven für Tide und Oberwasser)

7. Analysieren der Tnw-Entwicklung aus den Modellergebnissen

8. Vergleich der Ergebnisse aus 3. und 5. ==> Schlussfolgerungen

Strategie B - Filtern der Zeitreihen


DH - 2001-11 Folie-Nr. 7

Jährliches MTnw von 1980 bis 1998 [m]

325

330

335

340

345

350

355

360

365

370

375

380

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

Helgoland

St. Pauli

Cuxhaven


DH - 2001-11 Folie-Nr. 8

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Abweichung jährliche MTnw vom 19jährigen Mittelwert 1980 bis 1998 [cm]

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

Helgoland

St. Pauli

Cuxhaven

Mittelwert:• Helgoland • Cuxhaven• St. Pauli


DH - 2001-11 Folie-Nr. 9

Abweichung der jährlichen Mittelwerte Tnw St. Pauli undOberwasser Neu Darchau

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

mangelnde Abhängigkeit Tnw = f(Q0)1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

Oberwasser

St. Pauli

[cm] [m3/s]

Mittelwert: • St. Pauli• Neu Darchau

vom jeweiligen 19jährigen Mittelwert 1980 bis 1998


DH - 2001-11 Folie-Nr. 10

-2,3-2,2-2,1

-2-1,9-1,8-1,7-1,6-1,5-1,4-1,3-1,2-1,1

-1-0,9-0,8

620 640 660 680 700 720 740Elbe Km

m

MTnw_200MTnw_600MTnw_1200MTnw_2000MinTnw_200MinTnw_600MinTnw_1200MinTnw_2000MaxTnw_200MaxTnw_600MaxTnw_1200MaxTnw_2000

maximale Tnw

mittlere Tnw

minimale Tnw

Simulierte Tnw-Stände - Oberwasser 200 bis 2000 m3/s Spring-Nipp-

Zyklus

Spring-Nipp-

Zyklus

HN-Modell


DH - 2001-11 Folie-Nr. 11

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750Elbe Km

D300_200D450_200D600_200D800_200D1200-200D2000_200

Ergebnisse HN-Modells der Elbe (Spring-Nipp-Zyklus)

MTnw-Differenzen [m] bezogen auf ein Oberwasser von 200 m3/s

Erkenntnis: Auch bei Cuxhaven nochbeträchtliche Oberwasserabhängigkeit

Erkenntnis: Auch bei Cuxhaven nochbeträchtliche Oberwasserabhängigkeit


DH - 2001-11 Folie-Nr. 12

-1,65

-1,6

-1,55

-1,5

-1,45

-1,4

-1,35

-1,3

-1,25

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Qo [m3/s]

MTnw [m] an 4 Stationen in Abhängigkeit vom Oberwasser

Km 680

Km 700

Km 720

Km 620

Grundlage zur Normierung der MTnw-Stände auf ein mittleres Q0 = 701 m3/s

Ergebnisse HN-Modells der Elbe (Spring-Nipp-Zyklus)

19 cm pro1000 m3/s

Erkenntnis: im Hamburger Amtsbereich nahezu lineare AbhängigkeitErkenntnis: im Hamburger Amtsbereich nahezu lineare Abhängigkeit


DH - 2001-11 Folie-Nr. 13

Entwicklung der normierten (701 m3/s) MTnw-Stände St. Pauli bezogen auf den Pegel Helgoland

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

26,0

28,0

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998330

335

340

345

350

355

360

365

370

375

380Delta MTnw: St.Pauli - HelgolandHelgoland MTnwSt.Pauli MTnw (normiert)

1993 und 1998 sehr geringe Tnw-Stände

jähr

liche

s m

ittle

res

Tnw

Diff

eren

z St

. Pau

li - H

elgo

land

[cm

] Strategie A

~12 cm

Trend Tnw-Absenkung St. Pauli ~ 22 cm in 19 Jahren


DH - 2001-11 Folie-Nr. 14

-1,7

-1,65

-1,6

-1,55

-1,5-1,45

-1,4

-1,35

-1,3

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel Helgoland1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

[m N

N]

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 15

0,7

0,75

0,80,85

0,9

0,95

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

[m N

N]

Thw Mittelwerte (MW) am Pegel Helgoland1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 16

-1,6

-1,55

-1,5

-1,45

-1,4-1,35

-1,3

-1,25

-1,2

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel St. Pauli1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

[m N

N]

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 17

1,85

1,9

1,95

2

2,052,1

2,15

2,2

2,25

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

Thw Mittelwerte (MW) am Pegel St. Pauli1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau, Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

[m N

N]

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 18

Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw St. Pauli - Tnw Helgoland

siehe Ausschnitt

Delta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

-1,7

-1,6

-1,5

-1,4

-1,3

-1,2

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 -0,1

-0,05

0

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Diff

eren

z in

m

Mitt

elw

erte

Tnw

St.

Paul

i

Strategie B

Trend Tnw-AbsenkungSt. Pauli

~ 21 cm in 19 Jahren


DH - 2001-11 Folie-Nr. 19

Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw St. Pauli - Tnw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

1993 und 1998 sehr geringe Tnw-Stände

~12cm

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 20

Differenz der Mittelwerte Delta Thw = Thw St. Pauli - Thw HelgolandDelta Thw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m nicht dargestellt

2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

1

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

Diff

eren

z in

m

1,20

1,40

1,30

1,10

1,00

Trend Thw-AbsenkungSt. Pauli

< 3 cm in 19 Jahren

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 21

-1,5

-1,45

-1,4

-1,35

-1,3-1,25

-1,2

-1,15

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel Stadersand1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

[m N

N]

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 22

1,55

1,6

1,65

1,71,75

1,8

1,85

1,9

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0

200

400

600

100

300

500

700

[m N

N]

Anz

ahl b

erüc

ksi c

htig

ter T

iden

Thw Mittelwerte (MW) am Pegel Stadersand1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau, Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 23

Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw Stadersand - Tnw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

0,20

0,30

0,40

0,25

0,35

Diff

eren

z in

m

1993 und 1998geringe Tnw-Stände

Strategie B

~7cm

Trend Tnw-AbsenkungStadersand

10 cm in 19 Jahren


DH - 2001-11 Folie-Nr. 24

Differenz der Mittelwerte Delta Thw = Thw Stadersand - Thw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m nicht dargestellt

2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998

Diff

eren

z in

m

0,8

1,0

0,9

0,7

Trend Thw-AbsenkungStadersand

< 3 cm in 19 Jahren

Strategie B


DH - 2001-11 Folie-Nr. 25

Analyse von Modellergebnissen aus 10 HN-Modellen des Elbeästuars

Modell mit Jahrestopographie 1990

Modell mit einer Linienpeilung 1999









identische ModellsteuerungSpring-Nipp-Zeitraum / Oberwasser

für mittlere Verhältnisse

Beachte: Eine Jahrestopogrphie ergibtsich primär aus monatlichen Verkehrssicherungspeilungen

1998 umfassende Nullmessung vor der Fahrrinenanpassung


DH - 2001-11 Folie-Nr. 26

Delta_H 1995 - 1994

Delta_H 1996 - 1995

Modelltiefen könnennicht flächendeckend

aktualisiert werden


DH - 2001-11 Folie-Nr. 27 mittleres Tnw [m NN]

Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999

(identische Steuerkurven)

760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer

- 1.2

- 1.3

- 1.4

- 1.5

- 1.6

1993

1998

St. P

auli

Stad

ersa

nd


DH - 2001-11 Folie-Nr. 28 mittleres Tnw [m NN]

~ 6 cm


Abschnitt km 616 bis km 632

1999 LP2

1991 1990

19931998

St. Pauli

- 1.44

- 1.46

- 1.48

- 1.5

- 1.52

- 1.54 - 1.56

- 1.58

- 1.60

- 1.62

632 630 628 626 624 622 620 618 616 Elbe - Kilometer

Strategie A


DH - 2001-11 Folie-Nr. 29

~ 6 cm


Abschnitt km 616 bis km 632

1999 LP2

1991 1990

- 1.44

- 1.46

- 1.48

- 1.5

- 1.52

- 1.54 - 1.56

- 1.58

- 1.60

- 1.62

632 630 628 626 624 622 620 618 616 Elbe - Kilometer

1993

1998

Strategie B

St. Pauli

mittleres Tnw [m NN]


DH - 2001-11 Folie-Nr. 30Tnw zur Springzeit [m NN]



1993

1999 LP2

1998

760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer

- 1.2

- 1.3

- 1.4

- 1.5

- 1.6

- 1.7

- 1.8


DH - 2001-11 Folie-Nr. 31Tnw zur Nippzeit [m NN]



19931999 LP2

1998

760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer

- 1.2

- 1.3

- 1.4

- 1.5

- 1.6

- 1.7


DH - 2001-11 Folie-Nr. 32

Bestimmung jährlicher morphologischer Aktivität

Volumenänderungen zusammenhängender Bereiche

Sedimentation > 20 Mio. m3 (zwei Gebiete)

1993 / 1994


DH - 2001-11 Folie-Nr. 33

Volumenänderungen zusammenhängender Bereiche

Sedimentation > 15 Mio. m3 (drei Gebiete)

1994 / 1995

Bestimmung jährlicher morphologischer Aktivität

SedimentationMedemsand !


DH - 2001-11 Folie-Nr. 34

Ergebnisse der Analyse

�� 1993 und 1998 sind die Jahre größter Tnw-Absenkung

�� Das „gelaufene“ Oberwassers verstärkt den Trend der Absenkung

�� Das Verfahren zur Beweissicherung (Bund-Länder-AG) erscheint ungeeignet, da der Zeitraum vor dem SKN-14,4 m Ausbau nicht ausreichend stabil ist

�� Die Tnw-Variationen sind in den 90er Jahren größer als vorher Warum?

�� Trend 1980 bis 1998: 21 - 22 cm Tnw-Absenkung Pegel St. Pauli 10 cm Tnw-Absenkung Pegel Stadersand das Thw bleibt nahezu konstant

�� Trend kann durch Simulation teilweise nachvollzogen werden => alleiniger Einfluss der Morphologie (aber am Pegel St. Pauli gedämpfte Variation der Tnw-Stände Verbesserung des Modells - Hamburger Hafen, obere Tideelbe) Genauigkeit und Vollständigkeit der Peilungen hinterfragen


DH - 2001-11 Folie-Nr. 35

Häufigkeitsverteilung von Tages-Spitzenböen in Hamburg (aus Klimastatusbericht 1999 des DWD)

Wechselwirkung Ozean - Atmosphäre: Variation Tnw in der Deutschen Bucht


DH - 2001-11 Folie-Nr. 36

Zeitlicher Verlauf der Lufttemperatur in Deutschland - Abweichung vom Mittel -zwischen 1761 und 1998 (aus Klimastatusbericht 1998 des DWD)


DH - 2001-11 Folie-Nr. 37

Fazit:

1. Verfahren zur Beweissicherung sind zu verbessern (Analyseverfahren)

2. Peilungenauigkeiten sind zu verringern

3. Ursachen für die Tnw-Absenkung sind noch weiter zu untersuchen (Modelle / Analysemethoden)

Fazit:

1. Verfahren zur Beweissicherung sind zu verbessern (Analyseverfahren)

2. Peilungenauigkeiten sind zu verringern

3. Ursachen für die Tnw-Absenkung sind noch weiter zu untersuchen (Modelle / Analysemethoden)

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Entwicklung der Tideniedrigwasserstände im Elbeästuar · 2013-03-18 · 2. Tnw am Pegel Helgoland steuert Tnw an den Elbepegeln: Tnw-Differenz zwischen normierten Elbepegeln und