Validierung des Basismodells „Jade-Weser-Ästuar“ für das ... · baw (2004)] Neben diesen gutachterlichen Tätigkeiten konnten im Rahmen von betreuten Diplom- und Studienarbeiten

Validierung des Basismodells

„Jade-Weser-Ästuar“ für das Verfahren

UnTRIM2007-SediMorph

Version 1: Topographie 2002

Validierung des Basismodells

„Jade-Weser-Ästuar“ für das Verfahren

UnTRIM2007-SediMorph

Version 1: Topographie 2002

Auftraggeber: -

Auftrag vom: - , Az.:

Auftrags-Nr.: -

Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich

Referat: Ästuarsysteme I (K2)

Bearbeiter: Dr. Frank Kösters

Dipl.-Ing. (FH) Sven Gärtner

Hamburg, 12.01.2012

Dieser Bericht darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffent-

lichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW.

Bundesanstalt für Wasserbau · Wedeler Landstraße 157 · 22559 Hamburg · Tel.: (0 40) 8 19 08 - 0

Bundesanstalt für Wasserbau

BAW-Nr. –

Zusammenfassung

Die Bundesanstalt für Wasserbau nutzt zur Beantwortung von Fragestellungen bezüglich der

Hydrodynamik sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment insbesondere

die Ergebnisse mathematischer Verfahren. Für den Bereich der Unter- und Außenweser

wurde ein neues numerisches Modell aufgebaut, dessen Naturähnlichkeit im vorliegenden

Dokument nachgewiesen wird. Die Modellvalidierung und die Struktur des Dokumentes

erfolgen in Anlehnung an die Richtlinien zur „Good Modelling Practice“ für hydro-numerische

Modellverfahren.

Für das hier beschriebene Basismodell wurde das hydrodynamische Modellverfahren

UnTRIM 2007 gekoppelt mit dem Sedimenttransportmodell SediMorph für die Berechnung

von Wasserständen, Strömungsgeschwindigkeiten sowie der Konzentration von Salz und

suspendiertem Sediment aufgebaut und erfolgreich kalibriert und validiert.

Durch die gewählte räumliche Diskretisierung ist dies für den Übergangsbereich von der

Unterweser zur Außenweser optimiert, lässt aber auch in den weiteren im Modellgebiet ent-

haltenen Bereichen Untersuchungen zu. Das Basismodell bietet prinzipiell die Möglichkeit,

naturähnliche Berechnungen für längere Zeiträume (Monate - Jahre) durchführen zu können.

Bundesanstalt für Wasserbau Validierung Basismodell "Jade-Weser-Ästuar" (Version 1) Januar 2012

Seite I

Inhaltsverzeichnis Seite

1 Veranlassung und Aufgabenstellung 1 1.1 Zielsetzung und Untersuchungsumfang 1 1.2 Relevante Arbeiten der BAW 2 1.3 Anforderungen an das Modellsystem 3 1.3.1 Geplante Anwendungen 3 1.3.2 Untersuchungsgebiet 4 1.3.3 Untersuchungszeitraum 4 1.3.4 Zielgrößen 4 1.3.5 Anforderungen an die Genauigkeit 4

2 Unterlagen und Daten 6 2.1 Topographie 6 2.2 Hydrologie 6 2.3 Sedimentologie 9 2.4 Meteorologie 10

3 Systembeschreibung des Weserästuars 11 3.1 Geomorphologie 11 3.2 Sedimentologie 15 3.3 Hydrodynamik 18 3.3.1 Strömung und Gezeiten 18 3.3.2 Oberwasserabfluss 20 3.4 Salztransport 20 3.5 Sedimenttransport 22 3.6 Seegang 26 3.7 Meteorologie 26

4 Modellaufbau 28 4.1 Konzeptionelles Modell 28 4.2 Modellierungssystem 29 4.3 Analysegrößen zur Beschreibung der Modellgüte 31 4.3.1 Hinweis zum Vergleich von Messungen und berechneten Größen 31 4.3.2 Wasserstände 31 4.3.3 Strömungsgeschwindigkeiten 31 4.3.4 Salzgehalte 32 4.3.5 Suspendiertes Sediment 32 4.4 Modelltopographie 32 4.4.1 Modellgebiet 32 4.4.2 Horizontale Auflösung 32 4.4.3 Vertikale Auflösung 34

Bundesanstalt für Wasserbau Validierung Basismodell "Jade-Weser-Ästuar" (Version 1) 12.01.2012

Seite II

4.5 Anfangsbedingungen 35 4.5.1 Wasserstand / Strömungsgeschwindigkeit 35 4.5.2 Salzgehaltsverteilung 35 4.5.3 Sedimentinventar 35 4.6 Randbedingungen 36 4.6.1 Wasserstand 36 4.6.2 Oberwasser 36 4.6.3 Salzgehalt 37 4.6.4 Suspendierte Sedimente 37 4.6.5 Windgeschwindigkeit 37 4.6.6 Parameterwahl 39 4.7 Wiedergabe physikalischer Prozesse 39 4.7.1 Modellierte Größen und Prozesse 39 4.7.2 Nicht-modellierte Größen und Prozesse 40

5 Modellkalibrierung und -validierung 41 5.1 Allgemein 41 5.2 Modellkalibrierung 42 5.2.1 Kalibrierungsgrößen 42 5.2.2 Zielwerte für Analysegrößen 42 5.3 Modellvalidierung für das Weserästuar 43 5.3.1 Wasserstände 43 5.3.2 Salzgehalte 46 5.3.3 Strömungsgeschwindigkeiten 48 5.3.4 Suspendierte Sedimente 51 5.3.5 Turbulente Kenngrößen 53

6 Bewertung 55 6.1 Anwendbarkeit 55 6.2 Einschränkungen 55

7 Literaturverzeichnis 56

8 Anlagen 60 8.1 Glossar 60 8.2 Zeitreihenvergleich von Messung und Rechnung 61 8.2.1 Vergleich berechneter und gemessener Wasserstände an Pegelpositionen 61 8.2.2 Vergleich gemessener und berechneter Salzgehalte 71 8.2.3 Vergleich gemessener und berechneter Strömungsgeschwindigkeiten 79 8.2.4 Vergleich von Trübungsmessungen mit berechneten Schwebstoffgehalten 86


Seite III

Bildverzeichnis Seite

Bild 1: Übersicht des Jade-Weser-Ästuars 1 Bild 2: Pegel- und Messpositionen im Jade-Weser-Ästuar 7 Bild 3: Topographie des Jade-Weser-Ästuars (Systemzustand 2002) 12 Bild 4: Querschnittsflächen des Weser-Ästuars 13 Bild 5: Charakterisierung eines Ästuar 14 Bild 6: Schematische Darstellung der Einflussgrößen in einem tidedominierten Ästuar 15 Bild 7: Sedimentinventar der Weser 16 Bild 8: Sedimentverteilung im niedersächsischen Wattenmeer 17 Bild 9: Verformung der Tidekurve am Beispiel von Wasserstandsganglinien 18 Bild 10: Mittlerer Tidehub für den Zeitraum 1996 - 2005 (WSA Bremen) 19 Bild 11: Häufigkeitsverteilung des Oberwasserabflusses der Weser für 2002 20 Bild 12: Berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes 21 Bild 13: Gemessener Salzgehalt bei Weser-km 58 22 Bild 14: Gemessene Strömungsgeschwindigkeit und Sedimentkonzentration 24 Bild 15: Gemessenes Längsprofil der Sedimentkonzentration 24 Bild 16: Zeitreihe der Querprofilmessung QP3 25 Bild 17: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser 1979 - 2002 27 Bild 18 Schematische Übersicht der relevanten Prozesse im Ästuarbereich 28 Bild 19: Modellierungsansatz für das Jade-Weser-Ästuar 29 Bild 20: Modellgitter und verwendete Topographie (mNHN)im Bereich Außenweser 33 Bild 21: Modellgitter und verwendete Topographie (mNHN) im Bereich Blexer Bogen 34 Bild 22: Schematische Darstellung der vertikalen Auflösung 34 Bild 23: Mittlerer Korndurchmesser der Anfangskornverteilung 36 Bild 24: Oberwasser der Weser aus Abflussmessungen 37 Bild 25: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser Juni 2002 38 Bild 26: Windrichtung und Windgeschwindigkeit u10 39 Bild 27: Wasserstand am Pegel Alte Weser 41 Bild 28: Gemessene und berechnete Wasserstände an Pegeln 43 Bild 29: Gemessenes und berechnetes Thw und Tnw 44 Bild 30: Differenz der Amplitude der Tidekennwerte Tnw, Thw und Thb 46 Bild 31: Berechnete und gemessene Zeitreihen des Salzgehalts 47 Bild 32: Gemessene und berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes 48 Bild 33: Zeitreihe des gemessenen und berechneten Strömungsgeschwindigkeit 50 Bild 34: Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten 51 Bild 35: Qualitativer Vergleich von Trübung und Sedimentkonzentrationgehalt 53 Bild 36: Plausibilitätsprüfung der turbulenten kinetischen Energie 54


Seite IV

Tabellenverzeichnis Seite

Tabelle 1: Übersicht der numerischen Modelle des Weser-Ästuars der BAW 2 Tabelle 2: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich Unter- und Außenweser 8 Tabelle 3: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich der Jade 8 Tabelle 4: Übersicht der Sondermessungen (CTD, Strömungsmessungen) 9 Tabelle 5: Übersicht der gesonderten Leitfähigkeitsmessungen 9 Tabelle 6: Übersicht der Messungen entlang des Steuerrands 9 Tabelle 7: Hydrologische 10 Jahres-Mittelwerte der Weser für 1996-2005 19 Tabelle 8: Fraktionierung des Sedimenttransportmodells 30 Tabelle 9: Übersicht der wesentlichen Modellparameter 39 Tabelle 10: Zielwerte für Analysegrößen 42 Tabelle 11: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Amplitude) 45 Tabelle 12: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Phase) 45 Tabelle 13: Vergleich von Median und Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit 51


Seite V

Versionen

Version Datum Bearbeiter Inhalt

0.1 28.09.2011 F. Kösters Erster Entwurf

0.5 17.10.2011 F. Kösters Struktur vervollständigt

0.6 01.11.2011 F. Kösters Erste vollständige Version

08.11.2011 D. Wehr / I. Holzwarth Qualitätssicherung

17.11.2011 R. Schubert Qualitätssicherung

1.0 18.11.2011 F. Kösters Überarbeitung

05.12.2012 H. Rahlf Qualitätssicherung

1.2 16.12.2011 F. Kösters Überarbeitung

02.01.2012 U. Vierfuß Qualitätssicherung

1.3 12.01.2012 F. Kösters Abschließende Überarbeitung

Ablage

Das hier vorliegende Dokument ist auf den Internetseiten der Bundesanstalt für Wasserbau

in der Rubrik Wasserbau > Methoden > BAWiki > Validierungsstudien online verfügbar

(http://www.baw.de/de/wasserbau/methoden/bawiki/index.html).

http://www.baw.de/de/wasserbau/methoden/bawiki/index.html


Seite 1

1 Veranlassung und Aufgabenstellung

1.1 Zielsetzung und Untersuchungsumfang

Ziel dieses Dokuments ist die Validierung eines numerischen Modells der Hydrodynamik,

sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment der Außen- und Unterweser

(vgl. Bild 1).

Bremer-haven

Bremen

Unter-weser

Wilhelms-haven

Jade-busen

Jade

Außen-weser

Bremer-haven

Bremen

Unter-weser

Wilhelms-haven

Jade-busen

Jade

Außen-weser

Bild 1: Übersicht des Jade-Weser-Ästuars

Das hier entwickelte Modell soll die Möglichkeit bieten, naturähnliche Berechnungen für

längere Zeiträume (Monate - Jahre) durchführen zu können. Geplant ist das Modell in nach-

folgenden Untersuchungen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) für Fragestellungen

bezüglich der Hydrodynamik sowie des Transports von Salz und suspendiertem Sediment zu

nutzen. Die Modellvalidierung und die Struktur des Dokumentes erfolgen in Anlehnung an

die Richtlinien zur „Good Modelling Practice“ für hydro-numerische Modellverfahren

[STOWA/RIZA (1999)].


Seite 2

1.2 Relevante Arbeiten der BAW

Die BAW verfügt über umfassende Erfahrungen im Bereich der hydrodynamischen Modellie-

rung des Weser-Ästuars. Bereits 1985 erfolgte für diesen Bereich der Einsatz numerischer

Modelle zur Untersuchung des Einflusses von Klappstellen auf die Strömung [BAW (1985)].

Im Zusammenhang mit Ausbauvorhaben der Unter- und Außenweser waren jeweils umfang-

reiche Untersuchungen zur Beratung der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) not-

wendig.

Als wesentliche Arbeiten sind zu nennen:

Aufbau und Validierung 2D-hydrodynamischer Modelle des Jade-Weser-Ästuars (Nume-

rische Verfahren TICAD-2 bzw. TICAD-2S, FIDIRB) und Voruntersuchungen zum SKN-

14 m Ausbau der Weser [BAW (1991)] (Kurzbezeichnung: SKN-14m)

Gutachten zum Jade-Weser-Port mit 3D-hydrodynamischer Modellierung (UnTRIM)

[BAW (2000)] und morphodynamischer Modellierung (Telemac2d-SediMorph) [BAW

(2003)]

Gutachten zur Fahrrinnenanpassung der Außen- und Unterweser zu ausbaubedingten

Änderungen der 3D-Hydrodynamik und des Salztransports (UnTRIM) [BAW (2006b)] und

zur Morphodynamik (UnTRIM-SediMorph) [BAW (2006a)] (Kurzbezeichnung: WAP 2002)

Gutachten zum Einfluss der Unterhaltung des Blexer Bogens auf 3D-Hydrodynamik und

suspendierten Sedimenttransport (UnTRIM 2004-SediMorph) [BAW (2009)] (Kurzbe-

zeichnung: UBlexen)

Tabelle 1: Übersicht der numerischen Modelle des Weser-Ästuars der BAW

Kurzbe-

Zeichnung

Ziel Modellsystem Topogra-

phie

Anzahl

Elemente / Auflösung

TICAD-2S (2D, finite

Elemente)

1990 40.300

x = 30 m – 700 m

SKN-14m Hydrodynamische

Auswirkungen

des SKN–14m-

Ausbau der

Außenweser

FIDIRB (2D, finite

Differenzen)

1990 790.000

x = 50 m

UnTRIM (2D, 3D) 2002 385.000

x = 8 m – 800 m

Hydrodynamik

Delft3D (2D, 3D) 2002 38.000

x = 7 m – 1.300 m

WAP 2002

Morphodynamik UnTRIM

SediMorph

2002

UBlexen Hydrodynamik UnTRIM 2004 (3D) 2002 61.500

x = 15 m – 850 m

Delft3D (2D, 3D) 2002 38.000

x = 7 m – 1.300 m


Seite 3

Weitere Fragestellungen wurden in Systemstudien untersucht bzw. als Vorstudien zu Aus-

bauvorhaben durchgeführt:

Bedeutung des Jadebusens und Effekte einer möglichen Abtrennung [BAW (1995)]

Detaillierte Untersuchung zur Verschlickung des Fedderwarder Priels (Telemac-2D,

TSEF) und Empfehlung wasserbaulicher Maßnahmen [BAW (1998)].

Wasserbauliche Systemanalyse zum Ausbau der Unterweser [BAW (1999)]

Grenzfallbetrachtung Blexer Bogen Telemac-2D [BAW (2002b)]

Wasserbauliche Systemanalyse zum Ausbau der Außenweser [BAW (2002a)]

Variantenuntersuchung zum Ausbau der Außenweser [BAW (2004)]

Neben diesen gutachterlichen Tätigkeiten konnten im Rahmen von betreuten Diplom- und

Studienarbeiten Fragestellungen untersucht werden, die für die in diesem Bericht behandel-

ten Fragestellungen relevant sind:

Tiefenintegrierte Simulation der Wirkung von Sekundärströmungen in morphodynami-

schen Modellen [de la Motte (2000)]

Simulation des Sedimenttransports in Suspension und als Geschiebe: Ein Vergleich für

das Jade-Weser-Ästuar [Marek (2001)]

Prognose von Dünenstrecken mit Tidekennwerten [Putzar (2003)]

Kalibrierung von HN-Modellen unter Vorgabe von sedimentologischen und morphologi-

schen Daten [Putzar (2004)]

Kopplung von Seegang und Sedimenttransport in morphodynamischen Modellen und

Anwendung im Jade-Weser-Ästuar [Knoch (2004)]

Untersuchungen zur Porosität als Parameter für Erosionsprozesse [Piechotta (2004)]

Modellierung der Sinkgeschwindigkeit kohäsiver Schwebstoffe in Ästuaren [Maerker

(2006)]

1.3 Anforderungen an das Modellsystem

1.3.1 Geplante Anwendungen

Als Anwendungsbereiche, für die das vorliegende Modellsystem genutzt werden soll, sind

bisher geplant:

Untersuchungen für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung:

o Simulation von verklappten Sedimenten (Klappstellenuntersuchungen)

o Optimierungsmöglichkeiten für die Unterhaltung im Bereich der Schlickstrecke

zwischen Blexen und Nordenham

o Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserstände für die Schiffsführungssimu-

lation

o Simulation der Salzgehalte für verschiedene Oberwasserszenarien und topo-

graphische Zustände


Seite 4

Modelluntersuchungen zu Anpassungsoptionen im Hinblick auf den Klimawandel im

Rahmen des Ressortforschungsprogramms KLIWAS

Gutachterliche Tätigkeiten zur Bewertung von Baumaßnahmen, wie der Untersu-

chung zum geplanten Offshore Terminal Bremerhaven im Auftrag von bremenports

1.3.2 Untersuchungsgebiet

Das Gebiet der geplanten Untersuchungen liegt hauptsächlich im Übergangsbereich von der

Unter- zur Außenweser zwischen den Pegeln Brake und Robbensüdsteert. Um Strömungs-

und Transportprozesse naturähnlich abbilden zu können, ist das eigentliche Modellgebiet

jedoch größer gewählt (siehe Abschnitt 4.4.1). Es umfasst das gesamte Jade-Weser-Ästuar

(vgl. Bild 1), vom Wehr Bremen-Hemelingen bis in die Nordsee, sowie den Jadebusen und

das Fahrwasser der Jade.

1.3.3 Untersuchungszeitraum

Für die Definition des Untersuchungszeitraums ist zu unterscheiden zwischen den geplanten

Untersuchungen und der Modellvalidierung. Die geplanten Untersuchungen werden als

wasserbauliche Systemanalysen im Sinne von Systemstudien durchgeführt und spiegeln

keinen festgelegten Zeitraum wider sondern eine repräsentative Situation (z.B. niedrige

Abflüsse und Nipptide). Dagegen erfordern die Berechnungen zur Modellvalidierung einen

festen Zeitraum im Sinne einer „hind cast“ Simulation, der sich aus der Durchführung der

Messkampagne (Juni-Juli 2002) ergibt.

1.3.4 Zielgrößen

Folgende modellierte Größen sind für die geplanten Untersuchungen relevant:

Wasserstände (2D)

Strömungsgeschwindigkeiten (3D)

Salzgehalte / -transporte (3D)

Sedimenttransport in Suspension (3D) und als Geschiebe (2D)

Morphologische Einflussgrößen: Sohlschubspannung (2D)

1.3.5 Anforderungen an die Genauigkeit

Das Basismodell ist nicht für ein einzelnes Projekt mit spezifischen Anforderungen erstellt

worden, sondern soll als Modellsystem in unterschiedlichen Projekten genutzt werden. Die

Anforderungen aus den einzelnen Anwendungsbereichen (vgl. 1.3.1) sind nicht einheitlich,

da zum Beispiel für Systemstudien andere Anforderungen als für wasserbauliche Gutachten

gelten. Um eine Anwendbarkeit auch unter sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit zu

gewährleisten, wurde aus dem Erfahrungswissen wasserbaulicher Systemanalysen für die

Berechnung des Wasserstandes an den Pegeln im Untersuchungsgebiet eine mittlere Ge-

nauigkeit von ±15 cm der Scheitelwasserstände Tnw und Thw gefordert, sowie eine Genau-


Seite 5

igkeit der Eintrittszeiten von ± 30 Minuten. Die Salzgehalte außerhalb der Brackwasserzone1

müssen mit einer Genauigkeit < 2 PSU wiedergegeben werden. Innerhalb der Brackwasser-

zone sind durch große Gradienten des Salzgehaltes höhere Abweichungen zulässig, da sich

bereits durch geringfügige Lageverschiebungen deutlich andere Salzgehalte ergeben. Durch

fehlende Vergleichsmessungen können für die Berechnung des suspendierten Sedimentge-

haltes keine Vorgaben gemacht werden, es ist jedoch ein naturähnliches Systemverhalten im

Sinne einer Plausibilitätsprüfung nachzuweisen.

1 Die Brackwasserzone wird hier nach Lange et al. (2008) als der Bereich von 2 bis 20 PSU definiert.


Seite 6

2 Unterlagen und Daten

2.1 Topographie

Auf Basis von Befliegungs- und Peildaten wurde für den Systemzustand 2002 durch die

Firma smile consult2 ein unstrukturiertes trianguliertes Geländemodell erstellt, auf dessen

Basis das der BAW vorliegende Rechengitter erstellt wurde [smile consult (2009)]. Die ver-

wendeten Tiefen basieren auf den Verhältnissen aus den Sommermonaten 2002 und ent-

sprechen damit der häufigsten Abflusssituation dieses Jahres.

2.2 Hydrologie

Als Grundlage der Modellvalidierung liegen Messungen an den Pegelpositionen und Son-

dermessungen der Wasser- und Schifffahrtsämter (WSÄ) Bremen, Bremerhaven und Wil-

helmshaven für das Jahr 2002 vor (vgl. Bild 2). Entsprechende Messdaten für aktuelle Zeit-

räume sind online3 verfügbar.

2 http://www.smileconsult.de/ 3 http://www.pegelonline.wsv.de

http://www.smileconsult.de/

http://www.pegelonline.wsv.de/


Seite 7

QP2QP2

Bild 2: Pegel- und Messpositionen im Jade-Weser-Ästuar (vergleiche nachfolgende Tabellen zur Definition der Abkürzungen)

Im Jade-Weser-Ästuar wurde in 2002 an festen Pegeln Wasserstand (WL), Temperatur (T),

Leitfähigkeit (LF) und teilweise Trübung (TR) gemessen. Die Messung von Temperatur,

Leitfähigkeit und Trübung erfolgt typisch in einer Tiefe von 1 m unter Springtideniedrigwas-

ser. Die Leitfähigkeit wird in einen Salzgehalt umgerechnet, die Trübung dient als Maß der

suspendierten Sedimentkonzentration. Bei Vorliegen von Kalibrierungsmessungen kann die

Trübung auch näherungsweise in den suspendierten Sedimentgehalt umgerechnet werden.

Die Pegel sind für den Bereich der Unter- und Außenweser in Tabelle 2 und für den Bereich

der Jade in Tabelle 3 dargestellt. Die Positionen der Pegel entlang der Richtfeuerlinie sind

als Weser-km (W-km), beginnend bei der Seeschifffahrts-Binnenschifffahrtsgrenze in Bre-

men, angegeben.


Seite 8

Tabelle 2: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich Unter- und Außenweser

Position W-km Name WL T LF TR

ALW 115.00 Pegel Leuchtturm Alte Weser X X X

DWG 92.85 Pegel Dwarsgat Unterfeuer X X X X

RSS 79.93 Pegel Robbensüdsteert X X X X

BAL 66.67 Pegel Bremerhaven Alter Leuchtturm X X X

NUF 55.80 Pegel Nordenham Unterfeuer X X X

RFL 46.80 Pegel Rechtenfleth X X X

BRA 39.195 Pegel Brake X

ELS 33.33 Pegel Elsfleth X

FAR 26.25 Pegel Farge X X X

VEG 17.85 Pegel Vegesack X

OSL 8.375 Pegel Oslebshausen X

HBWB 0.03 Pegel Gr. Weserbrücke X

Tabelle 3: Übersicht der Pegelmessungen im Bereich der Jade

Position Name WL T LF TR

MPL Pegel Mellum Plate X

SLG Pegel Schillig X

HOO Pegel Hooksielplate X

VLP Pegel Voslapp X

WNV Pegel Wilhelmshaven Neuer Vorhafen X

WAV Pegel Wilhelmshaven Alter Vorhafen X

Neben den Pegelmessungen wurden 2002 Sondermessungen an Positionen nahe den Pe-

geln durchgeführt (Tabelle 4). Hier wurden neben Temperatur und Leitfähigkeit auch Trü-

bung und Strömungsgeschwindigkeit in drei unterschiedlichen Tiefen gemessen. Während

der Messkampagne „Weser 2009“ wurden im Jahr 2009 in der Nähe der Sondermesspositi-

on Ndh, als QP 3 bezeichnet, bodennah zeitlich hoch aufgelöste Messungen der Strö-

mungsgeschwindigkeit (mittels „acoustic doppler velocimeter“ (ADV)) zur Berechnung turbu-

lenter Kenngrößen durchgeführt. Neben den regulären Pegelmessungen liegen aus zusätzli-

chen Messprogrammen noch gesonderte Leitfähigkeitsmessungen vor (Tabelle 5).


Seite 9

Tabelle 4: Übersicht der Sondermessungen (CTD, Strömungsmessungen)

Position Name WL T LF TR V ADV

DWG Pegel Dwarsgat Unterfeuer X X X X

RSS Pegel Robbensüdsteert X X X X

MFBrhv Messpfahl Bremerhaven X X X X

RFL1 Sondermessung Rechtenfleth X X X X

Ndh Sondermessung Nordenham X X X X

QP3 Weser 2009 – Querprofil 3 X

Tabelle 5: Übersicht der gesonderten Leitfähigkeitsmessungen

Position Name WL T LF Trü Wind SG

KKU Kernkraftwerk Unterweser X X

SPO Strohauser Plate Ost X X

HEM Hemelingen X X

Weiterhin wurden als Kampagne im Juni 2002 die Wasserstände an ausgesuchten Positio-

nen in der Nordsee (vgl. Bild 2) gemessen, um als Randwerte für das numerische Modell zu

dienen (Tabelle 6).

Tabelle 6: Übersicht der Messungen entlang des Steuerrands

Position Name WL T LF Trü Wind SG

R1 – R5 Nordseerand X X X

Neben diesen Messungen wurden zusätzlich im Auftrag der Bundesanstalt für Gewässer-

kunde (BfG) Abfluss und die Konzentration suspendierter Sedimente an der Staustufe Int-

schede gemessen.

2.3 Sedimentologie

Das Sedimentinventar wird durch die Korngrößenverteilungen von Greiferproben beschrie-

ben. Im Jade-Weser-Gebiet liegen zurzeit die Analyseergebnisse von mehr als 2.000 Grei-

ferproben vor, die im Sedimentkataster bei der BfG online4 verfügbar sind.

Neben diesen Greiferproben wurde eine Wattklassifizierung auf Basis von Fernerkundungs-

daten durch das KFKI Forschungsvorhaben „Sedimentverteilung als Indikator für morphody-

namische Prozesse“ [Meyer and Ragutzki (1999)] erstellt.

4 Sedimentkataster der BfG online verfügbar unter: http://sedkat.bafg.de/fdb/

http://sedkat.bafg.de/fdb/


Seite 10

2.4 Meteorologie

Für die Beurteilung der Windverhältnisse im Untersuchungsgebiet liegen Langzeitbeobach-

tungen des DWD für die Station Alte Weser aus den Jahren 1979 bis 2003 vor, sowie flä-

chendeckende Windfelder aus dem Prognosemodell des DWD.


Seite 11

3 Systembeschreibung des Weserästuars

3.1 Geomorphologie

Die Topographie des Jade-Weser-Ästuars ist in Bild 3 dargestellt. Das Weser-Ästuar als

tidebeeinflusster Bereich der Weser beginnt am Weserwehr in Bremen-Hemelingen und

reicht über Bremerhaven bis in die Nordsee. Der kanalartige Bereich der Unterweser er-

streckt sich von Bremen-Hemelingen bis Bremerhaven (W-km 0-65). An die Unterweser

schließt sich die trichterförmige Außenweser (W-km 65-120) an. Die Topographie der Au-

ßenweser ist geprägt von ausgedehnten Wattflächen, tiefen Tiderinnen und kleineren Prie-

len. In der Außenweser verlaufen zwei tiefe Tiderinnen: das Fedderwarder Fahrwasser im

Westen und der Wurster Arm im Osten. Das Fedderwarder Fahrwasser ist durch wasserbau-

liche Maßnahmen (Bau von Leitdämmen und Buhnen) als dauerhaftes Fahrwasser in der

Lage stabilisiert. Das Fahrwasser wurde wiederholt vertieft und den Bedürfnissen des

Schiffsverkehrs angepasst (vgl. Übersicht in [Lange et al. (2008)]). In der Außenweser zei-

gen sich in den nicht durch Bauwerke geschützten Bereichen deutliche morphologische

Veränderungen. Beispielsweise veränderte der Fedderwarder Priel seine Lage im Verlauf

der Jahre erheblich (siehe [Dieckmann (1989)] für eine detailliertere Beschreibung der mor-

phologischen Strukturen).

Die Jadebucht entstand zwischen dem 11. und 15. Jahrhundert durch ins Marschgebiet

eindringende Sturmfluten. Die heutige Form wurde durch spätere Eindeichungen festgelegt

[Götschenberg und Kahlfeld (2008)]. Im Gegensatz zum Weser-Ästuar gibt es keinen nen-

nenswerten Oberwasserzufluss in die Jadebucht.


Seite 12

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.

Isolinien in [mNN ]Topographie

0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.


0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115

Fedderwarder Fahrwasser

Leitdamm Langlütjen

Leitdamm Robbenplate

Jadebusen

Unterweser

Außenweser

Innenjade

Außen-jade

TopographiemNHN

Isolinien in [mNHN]Topographie

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.


0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.


0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115




Jadebusen

Unterweser

Außenweser

Innenjade

Außen-jade

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.


0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115

TopographiemNN

-24. 3. 0 -9.


0.00 10.00 20.00

0 12.50 km6.25

Topographie

BREMER- HAVEN

Langluetjen

NORDENHAM

Blexen

BRAKE

km32

km34

km36

km38

km40

km42

km44

km46

km48

km50

km52

km54

km56

km58

km60 km62

km64

km65

km70

Robben-

plate Robben- plate

Mittelpriel Fed

derw

arde

r P

riel

Alte Mellum

Der

Hohe

Weg

Neue Weser

Wurster Arm

km75

km80

km85

km90

km95

km100

km105

km110

km115




Jadebusen

Unterweser

Außenweser

Innenjade

Außen-jade

TopographiemNHN

Isolinien in [mNHN]Topographie

Bild 3: Topographie des Jade-Weser-Ästuars (Systemzustand 2002)

Eine Betrachtung der Querschnittsflächen5 (Bild 4) des Weser-Ästuars zeigt die für Ästuare

typische, näherungsweise exponentielle Zunahme der Querschnittsfläche von der Tidegren-

ze bis zur Mündung. Auffällig ist der lineare Verlauf im Bereich der Unterweser, die durch

wasserbauliche Maßnahmen (Vertiefung, Begradigung, Bau von Buhnen) stark anthropogen

geprägt ist. Weiterhin fällt im Bereich von Weser-km 70 - 90 der zunehmende Unterschied

zwischen den Flächen mit unterschiedlichen Tiefenbezügen auf, der durch die dort vorkom-

5 Die Querschnittsflächen sind für den Bereich bis ca. Weser-km 83 von Deich zu Deich definiert, im

Außenbereich von idealisierter Wattwasserscheide zu Wattwasserscheide.


Seite 13

menden ausgedehnten Wattflächen erklärbar ist. Hydrodynamisch relevant ist dies insbe-

sondere im Hinblick auf die Prozesse der Überflutung und des Trockenfallens in diesem

Bereich.

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

220000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Weser - km

Flä

che

[ m

² ]

Tiefenbezug -3 mNNTiefenbezug +3 mNNTiefenbezug 0 mNNexp. Modell

Bild 4: Querschnittsflächen des Weser-Ästuars für unterschiedliche Referenzhöhen auf Basis der Topographie des numerischen Modells, sowie den Verlauf eines ange-

passten exponentiellen Modells (bezogen auf 0 mNHN)

Die morphologischen Gestaltungsprozesse werden durch Gezeiten, Oberwasser und See-

gang sowie anthropogene Eingriffe angetrieben. Die relative Bedeutung der einzelnen Pro-

zesse lässt sich durch einen Vergleich von Tidehub und mittlerer Wellenhöhe abschätzen.

Mit einem typischen Wert der Außen- und Unterweser für den Tidehub von >3 m ergibt sich

erst ab einer mittleren Wellenhöhe6 von > 1 m im langzeitigen Mittel ein Seegangseinfluss

und ab einer mittleren Wellenhöhe > 1,7 m eine Seegangsdominanz (Bild 5). Bisherige Un-

tersuchungen zur Seegangsstatistik wurden im Hinblick auf Bemessungsgrundlagen vorge-

nommen [Barthel (1980), Mai (2004)]. Hier zeigen sich im Bereich seeseitig von Bremerha-

ven abhängig von Windrichtung und Ort signifikante Wellenhöhen deutlich über 1 m . Mittlere

Verhältnisse zur Klassifizierung wie in Bild 5 können nur abgeschätzt werden. Es ist anzu-

nehmen, dass diese im Jahresmittel unter 1 m liegen. Die Form der Außenweser bestätigt

durch die langgestreckten Tiderinnen und das Fehlen von Barriereinseln bereits den domi-

nanten Einfluss der Tide auf die morphologische Entwicklung (vgl. [Masselink und Hughes

(2003)]).

6 Hinweis: Unter Annahme einer Rayleigh Verteilung entspricht die mittlere Wellenhöhe 64%

der signifikanten Wellenhöhe


Seite 14

Bild 5: Charakterisierung eines Ästuar als gezeiten- oder seegangsdominiert [Masselink und Hughes (2003)]. Der in der Weser vorzufindende Wertebereich ist gestri-chelt markiert und zeigt die Tidedominanz des Weser-Ästuars.

Der Einfluss einzelner Größen ist in der schematischen Darstellung in Bild 6 abgebildet

[Masselink und Hughes (2003)]. Im Außenbereich dominieren Tide und Seegang die mor-

phologischen Änderungen, wohingegen im Inneren des Ästuars oberwassergetriebene Än-

derungen überwiegen. Die Quellen des Sedimenttransports sind marine Sedimente und

fluviale Sedimente, die von Außen in das Ästuar eingetragen werden, sowie Umlagerungen

im Inneren.


Seite 15

Bild 6: Schematische Darstellung der (a) morphologischen Einflussgrößen in einem tidedominierten Ästuar sowie (b) deren relative Bedeutung entlang des Ästuars

Weitere morphologische Änderungen im Ästuar sind anthropogenen Ursprungs, insbesonde-

re durch den Bau von Hafenanlagen (z.B. neuer Container-Terminal bei Bremerhaven (CT

IV), Jade-Weser-Port) oder Anpassungen der Fahrrinne. Eine Übersicht der einzelnen Maß-

nahmen findet sich bei [Lange et al. (2008)].

3.2 Sedimentologie

Die Sohle im Bereich des Fahrwassers wird von Sanden dominiert. Dabei überwiegen in der

Außenweser Mittelsande mit Feinsandanteilen und im Bereich der Unterweser Mittelsande

mit Grobsandanteilen (vgl. Bild 7). Abweichend davon befinden sich im Bereich der Trü-

bungszone (W-km 55 – W-km 66) vorwiegend schluffige Sedimente. Die Zusammensetzung

der Sedimente im schluffigen Bereich ist zeitlich nicht konstant sondern zeigt deutliche Ände-

rungen, zum Beispiel eine Abnahme der feinen Anteile nach hohen Oberwasserabflüssen.


Seite 16

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Weser - km

Sie

bd

urc

hg

ang

[ %

]

Kies Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Weser - km

Sie

bd

urc

hg

ang

[ %

]

Kies Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff

Bild 7: Sedimentinventar der Weser entlang der Richtfeuerlinie auf Basis von Greifer-proben

Die auf Basis von Fernerkundungsdaten und Sedimentproben erstellte Wattklassifizierung

(Bild 8) zeigt die abnehmende Korngröße von See Richtung Küste, die als Übergang von

Sandwatt in Mischwatt, bzw. von Mischwatt in Schlickwatt zu erkennen ist [Meyer and Ra-

gutzki (1999)].


Seite 17

Bild 8: Sedimentverteilung im niedersächsischen Wattenmeer [Meyer and Ragutzki (1999)]


Seite 18

3.3 Hydrodynamik

3.3.1 Strömung und Gezeiten

Die Tidedynamik der Weser wird durch die aus Nordwesten in das Ästuar einlaufende halb-

tägliche Tidewelle geprägt. Im Bereich der Unterweser erhöht sich der Einfluss des Ober-

wasserzuflusses zunehmend. Die trichterartige Form der Außenweser und die weitere Ein-

engung des Querschnitts von Bremerhaven bis Bremen führen zu einem Anstieg des Tide-

hubs. Dem Anstieg des Tidehubs wirkt die dissipative Wirkung der Bodenreibung entgegen.

Wie in Bild 9 zu sehen ist, überwiegt der Einfluss der Querschnittseinengung den der Dämp-

fung, der Tidehub nimmt stromauf zu. Daher wird das Weser-Ästuar als hypersynchron be-

zeichnet. Mit einem Tidehub zwischen 2,8 m und 4,1 m [Lange et al. (2008)] lässt sich das

Weser-Ästuar als meso- bis makrotidal klassifizieren. Da es im Außenbereich Schichtungen

des Salzgehaltes geben kann [Grabemann (1992)], wird das Weser-Ästuar jedoch gemeinhin

als mesotidal eingestuft. Neben der Verformung durch den Einfluss der Geometrie, wird die

Tidewelle durch Bodenreibung, Reflexion am Wehr und Einengung im Ästuar verformt, so

dass es zu einer asymmetrischen Form der Tidekurve kommt (Bild 9).

- 3,00

- 2,00

- 1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

08.06.02 03:00 08.06.02 06:00 08.06.02 09:00 08.06.02 12:00 08.06.02 15:00 08.06.02 18:00 08.06.02 21:00

Was

sers

tan

d [

mN

N ]

ALW BAL BRADWG ELS FARNUF OSL RFLRSS VEG HBWB

Bild 9: Verformung der Tidekurve am Beispiel von Wasserstandsganglinien an den Pegelpositionen entlang des Weser-Ästuars

Die Ausbau- und Strombaumaßnahmen in Außen- und Unterweser des vergangenen Jahr-

hunderts haben zu relativ großen Tidehüben geführt (s. Bild 10). Der mittlere Tidehub steigt

fast linear zwischen den Pegeln Leuchtturm Alte Weser (km 115) und Nordenham (km 66)

von rd. 2,9 m auf rd. 4,0 m an. In Bremen-Oslebshausen (km 9) wird der mittlere Tidehub mit

4,10 m angegeben.


Seite 19

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Weser km

MT

hb

[ m

]

Bild 10: Mittlerer Tidehub für den Zeitraum 1996 - 2005 (WSA Bremen)

Die Verformung der Tidekurve spiegelt sich in den Eintrittzeiten des Thw und Tnw wider. Das

Thw tritt in Bremen etwa 1 h 50 min später ein als in Bremerhaven, das Tnw etwa 2 h 50 min

später. Die Energieumwandlung beim Fortschreiten der Tidewelle in die Weser sowie der

Oberwasserabfluss bewirken, dass die Flutdauer generell kürzer als die Ebbedauer ist, wo-

bei die Flutdauer stromaufwärts abnimmt und die Ebbedauer in entsprechendem Maße zu-

nimmt. Die Flut dauert in Bremen etwa 5 h 10 min die Ebbe etwa 7 h 10 min, dagegen ist die

Tide in Bremerhaven ausgeglichener: Flutdauer etwa 6 h und Ebbedauer etwa 6 h 30 min

(vgl. Tabelle 7).

Tabelle 7: Hydrologische 10 Jahres-Mittelwerte der Weser für 1996-20057

Kürzel Bezeichnung / Name UW km MThwm NN

MTnwm NN

MThbm

Tf

h:minTe

h:minALW Alte Weser 115,00 1,37 -1,50 2,87 06:22 06:00BAL Bremerhaven Alter Leuchtturm 66,67 1,81 -1,95 3,76 06:00 06:30NUF Nordenham Unterfeuer 55,80 1,95 -2,00 3,95 06:15 06:15BRA Brake 39,20 2,09 -1,81 3,90 05:30 06:55ELS Elsfleth 33,33 2,18 -1,68 3,86 05:25 07:00FAR Farge 26,25 2,23 -1,59 3,82 04:55 07:30VEG Vegesack 17,85 2,36 -1,55 3,91 05:00 07:20OSL Oslebshausen 8,38 2,47 -1,65 4,12 05:07 07:12HBWB Gr. Weserbrücke 0,03 2,52 -1,58 4,10 00:30 11:55

7 Aktuelle hydrologische Werte sind über das Internet unter http://www.wsv.de/wsa-

hb/gewaesserkunde/wasserstandsdaten/wasserst_tab/index.html abrufbar.

http://www.wsv.de/wsa-hb/gewaesserkunde/wasserstandsdaten/wasserst_tab/index.html

http://www.wsv.de/wsa-hb/gewaesserkunde/wasserstandsdaten/wasserst_tab/index.html


Seite 20

3.3.2 Oberwasserabfluss

Hydrologische Werte für den Abfluss der Weser bei Intschede gehen aus dem gewässer-

kundlichen Jahrbuch für das Jahr 2002 hervor [NLWKN (2005)]. Die Weser besitzt bei Int-

schede (letzter tidefreier Pegel) ein Einzugsgebiet von 37.720 km2 und bei Bremerhaven von

45.600 km2. Der mittlere Festlandsabfluss beträgt etwa 300 m3/s. Minimale Werte um 100

m3/s treten im Spätsommer oder Herbst auf, maximale Werte größer als 1.000 m3/s überwie-

gend im Frühjahr. Der häufigste Wert liegt bei ca. 168 m³/s. Im Abflussjahr 2002 (hydrologi-

sches Jahr 01.11. des Vorjahres bis 31.10.) betrug der Jahresmittelwert 462 m3/s (Mittel der

Jahre 1941/2001: MQ = 327 m3/s), das Minimum 166 m3/s am 06.11.2001 (MNQ 1941/2001

= 118 m3/s und das Maximum 1670 m3/s am 03.03.2002 (MHQ1941/2001 = 1.230 m3/s).

Damit handelt es sich bei dem Jahr 2002 eher um ein „nasses Jahr“ mit höheren Abflüssen

als im Mittel (Bild 11).

Bild 11: Häufigkeitsverteilung des Oberwasserabflusses der Weser für 2002 im Vergleich zum langjährigen Mittel (1980 - 2009)

3.4 Salztransport

Aus der Nordsee dringt salziges Meerwasser mit ca. 34 PSU in die Deutsche Bucht ein,

vermischt sich dort mit dem kontinentalen Süßwasserabfluss, so dass im Übergangsbereich

zum Weser-Ästuar nur noch geringere Salzgehalte von ca. 32 PSU vorzufinden sind

[Janssen et al. (1999)]. Das Oberwasser der Weser selbst ist durch den Salzabbau stromauf

kein reines Süßwasser sondern weist einen Salzgehalt von etwa 0,5 PSU bis 1 PSU auf. Die

Lage der Brackwasserzone ist überwiegend von den Gezeiten (tägliche Ungleichheit, Spring-

Nipp-Zyklus), der Lage des Mittelwassers in der Nordsee und den Oberwasserverhältnissen

abhängig. Die Salzgehalte an einzelnen Messpositionen zeigen damit eine Variabilität auf

unterschiedlichen Zeitskalen von Tagen (halbtägliche Gezeit), über Wochen (Spring-Nipp-

Zyklus) bis hin zu saisonalen Signalen (Oberwasserabfluss, Mittelwasserlage Nordsee). Im

langfristigen Mittel liegt die Brackwasserzone bei Flutstromkenterung im Bereich von W-km

45 – 70 und bei Ebbestromkenterung bei W-km 60 – 92 [Lange et al. (2008)]. Die Variation

des Salzgehaltes über einen Tidezyklus kann stellenweise über 14 PSU betragen (Bild 12,


Seite 21

c). In dem Bereich der Brackwasserzone liegt die Variation des Salzgehaltes im Mittel bei

über 12 PSU.

In der Vertikalen zeigt die Salzgehaltsverteilung Unterschiede während der einzelnen Tide-

phasen. Während der Flutströmung (Bild 12, b) ist die Wassersäule generell gut durch-

mischt, wohingegen bei Ebbeströmung (Bild 12, a) zeitweise eine stabile Schichtung entste-

hen kann. Es bildet sich in der Weser also kein so ausgeprägter Salzkeil aus, wie dieser in

Ästuaren mit geringerem Energieeintrag (microtidal) zu finden wäre.

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN

maximaler Salzgehalt (Mit)10**-3

0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN

minimaler Salzgehalt (Mit)10**-3

0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN

Salzgehaltsvariation (Mit)10**-3

0 20. 6. 12.

mNHN

W-km 40 W-km 60 W-km 80

b

a

c

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 20. 6. 12.

mNHN

W-km 40 W-km 60 W-km 80

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 33. 9. 18.

mNHN

0

3.

-3.

-6.

-9.

-12.

-15.

-18.

-21.

-24.

mNN


0 20. 6. 12.

mNHN

W-km 40 W-km 60 W-km 80

b

a

c

Bild 12: Berechnete Tidekennwerte des Salzgehaltes entlang der Richtfeuerlinie des Weser-Ästuars auf Basis von Modellsimulationen: (a) minimaler Salzgehalt, (b) maximaler Salzgehalt, (c) Salzgehaltsvariation. Die Berechnung der Tidekenn-werte erfolgte jeweils als zeitliches Mittel über einen Spring-Nipp-Zyklus bei ei-nem Abfluss von ca. 300 m³/s.

Die Schichtung zur Ebbestromphase ist hydrodynamisch relevant, da sich durch die entste-

henden vertikalen Dichteunterschiede eine Dämpfung der vertikalen Turbulenz und damit ein

Einfluss auf den Sedimenttransport ergeben. Wie beispielhaft in Bild 13 für eine Sonder-

messposition bei Nordenham (W-km 58) dargestellt, beträgt der Unterschied im Salzgehalt in

der Vertikalen bis zu 3 PSU auf einer Distanz von 4 m.


Seite 22

Bild 13: Gemessener Salzgehalt bei Weser-km 58 während der Messkampagne 2002 zur Verdeutlichung der zeitweisen Schichtung in den Ebbephasen

3.5 Sedimenttransport

Die anfangs genannten Fragestellungen für das Modellsystem umfassen auch die Modellie-

rung des Sedimenttransports, insbesondere des suspendierten Sedimenttransports. Weiter-

gehende Fragestellungen wie die morphologische Entwicklung und langfristige Sediment-

transporte sind dagegen nicht Gegenstand geplanter Untersuchungen. Vor diesem Hinter-

grund kann der Sedimenttransport vereinfacht als die Summe aus Suspensions- und Ge-

schiebetransport verstanden werden. Hier ist insbesondere der Suspensionstransport von

Interesse, bei dem Sedimente mit dem Wasserkörper transportiert werden. Rollende oder

springende Transporte als Geschiebe am Boden sind für die geplanten Untersuchungen von

untergeordneter Bedeutung. Ebenso ist Transport von Feinmaterial durch den Wind ohne

Bedeutung für die vorliegenden Fragestellungen. Das transportierte Material wird entweder

im Untersuchungsgebiet umgelagert oder über die Ränder eingetragen. Im Folgenden wird

kurz auf die zu erwartenden Prozesse und deren Bedeutung eingegangen.

Der Eintrag über die Ränder setzt sich aus dem Eintrag am seeseitigen Rand und den Ein-

trag mit dem Oberwasser zusammen. Der gesamte jährliche Sedimenteintrag über das

Oberwasser bei Intschede (hydrologisches Jahr 2001) lag bei 733.811 t (Mittelwert 1970-

2002: 535.434 t). Die mittlere Konzentration suspendierter Sedimente mit 40 g/m3 entspricht

in 2002 dem langjährigen Mittel (1979/2002: 40 mg/l). Die höchste Konzentration suspendier-

ter Sedimente lag bei 254 mg/l im Sommer des Jahres (1970/2002 851 mg/l).

Der Eintrag über den seeseitigen Rand ist nicht durch Messungen bestimmt, es ist jedoch

davon auszugehen, dass Sedimente mit dem Küstenlängstransport aus dem niedersächsi-

schen Wattenmeer in das Jade-Weser-Ästuar ein- und wieder ausgetragen werden.


Seite 23

Wichtigster Prozess für den kurzfristigen (Zeitraum von Wochen) Sedimenttransport ist die

Umlagerung von Sedimenten im System. Diese ist zum einen natürlichen Ursprungs, wie

dem tidebedingten Sedimenttransport und zum anderen anthropogenen Ursprungs, wie den

Unterhaltungsbaggerungen. Der tidegetriebene Sedimenttransport ist räumlich und zeitlich

variabel. Für den Bereich der Fahrrinne kommt es, abhängig von der Oberwassersituation,

abschnittsweise zu einem Stromauftransport von Feinsedimenten. Eine Geschiebezugabe

zur Stabilisierung der Sohle wie im Binnenbereich ist nicht notwendig.

Der Stromauftransport von Feinsedimenten entsteht durch die Tidedynamik. Auch wenn sich

im Querschnittsmittel eine Ebbstromdominanz der Weser ergibt, so werden mit der sohlnah

höheren Flutstromgeschwindigkeit mehr Sedimente stromauf transportiert als durch die

geringere Ebbestromgeschwindigkeit wieder stromab gelangen („tidal pumping“). Numeri-

sche Untersuchungen haben für die Weser gezeigt, dass der Stromauftransport durch die

Tideasymmetrie erklärt werden kann [Lang (1990)]. Auf diese Weise können marine Sedi-

mente ihren Weg in die bremischen Häfen finden.

Am landseitigen Rand der Brackwasserzone existiert in der Weser ein Bereich hoher Kon-

zentration suspendierter Sedimente, die Trübungszone. Hier übersteigt die Konzentration

suspendierter Sedimente die Konzentration im übrigen Ästuar um ein Vielfaches. Der lokale

Sedimenttransport im Bereich der Trübungszone kann vereinfacht als ein Kreislauf aus Re-

suspension des Bodenmaterials stromab der Trübungszone, Advektion mit dem Flutstrom,

Deposition stromauf der Trübungszone und erneute Resuspension mit dem advektiven Eb-

bestromtransport verstanden werden [Lang et al. (1989)]. Der Ursprung dieser sogenannten

sekundären Quellen ist noch Gegenstand aktueller Untersuchungen. So kann die eigentliche

Entstehung einer Trübungszone durch unterschiedliche Prozesse bestimmt werden [Dyer

(1997)]. Die einfachste Modellvorstellung ist die einer ästuarinen Zirkulation („estuarine circu-

lation“ oder „gravitational circulation“), bei der das am Boden einströmende Salzwasser

Sediment stromauf transportiert, bis zu dem Punkt vollständiger Vermischung des Salzwas-

sers mit dem Süßwasser des Oberstroms. Dieses sehr einfache Modell ist in der Weser nur

eingeschränkt gültig, da die Wassersäule gut durchmischt ist und sich kein klassischer Salz-

keil ausbildet. Vielmehr kann der Stromauftransport von suspendierten Sedimenten durch die

stärkere vertikale Vermischung während der Flutströmung (Sediment ist höher in der Was-

sersäule), im Vergleich zur Ebbeströmung (die haline Schichtung unterdrückt den vertikalen

Aufwärtstransport in der Wassersäule) erklärt werden (Bild 14). Durch die bessere vertikale

Vermischung während des Flutstroms wird ein Sedimentteilchen näher an der Oberfläche mit

größerer Geschwindigkeit stromauf transportiert, als es mit dem stärker geschichteten Ebbe-

strom bodennäher wieder stromab transportiert wird.


Seite 24

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 4000

Strömungsgeschwindigkeit [ m/s ] Schwebstoffgehalt [ mg / l ]

Flu

tstr

öm

un

gE

bb

estr

öm

un

g

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]

Querprofil [m] Querprofil [m]

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 40000 1000 2000 3000 4000


Flu

tstr

öm

un

gE

bb

estr

öm

un

g

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]


flo

od

cu

rren

teb

b c

urr

ent

current velocity [ m/s ] SSC [ kg/m³ ]

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 4000


Flu

tstr

öm

un

gE

bb

estr

öm

un

g

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]


0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0

2

4

10

12

6

8

0

2

4

10

12

6

8

100 300 500 700

0 1000 2000 3000 40000 1000 2000 3000 4000


Flu

tstr

öm

un

gE

bb

estr

öm

un

g

[mNN]

[mNN]

[mNN]

[mNN]


flo

od

cu

rren

teb

b c

urr

ent

current velocity [ m/s ] SSC [ kg/m³ ]

Bild 14: Gemessene Strömungsgeschwindigkeit (links) und Konzentration suspendierter Sedimente (rechts) für voll ausgeprägte Flutströmung (oben) und voll ausgepräg-te Ebbeströmung (unten) für das Profil QP 3 (W-km 56,6) [AquaVision, 2009]

Die genaue Lage der Trübungszone ist von Oberwasserabfluss und Mittelwasserlage ab-

hängig. Für eine typische Sommersituation ist in Bild 15 die Trübungszone während einer

Messfahrt von Bremerhaven nach Bremen im Längsprofil dargestellt. Die Messung wurde mit

einsetzender Flutströmung begonnen, die einzelnen Messwerte sind jedoch nicht tidepha-

sengleich aufgenommen

Bremerhaven BremenBremerhavenBremerhaven BremenBremerhaven [ mg/l ] BremenWeser kmBremerhaven

Tie

fe [

mN

HN

]

Bremerhaven BremenBremerhavenBremerhaven BremenBremerhaven [ mg/l ] BremenWeser kmBremerhaven

Tie

fe [

mN

HN

]

Bild 15: Gemessenes Längsprofil der Konzentration suspendierter Sedimente in der Weser (nicht tidephasengleich) [AquaVision, 2009]


Seite 25

In 2009 wurde eine Messkampagne zur Abschätzung des Stromauftransports von Sedimen-

ten gestartet [AquaVision, 2009]. Für einzelne Querschnitte wurden Ganztidenmessungen

durchgeführt. In Bild 16 sind die Ergebnisse für die Messposition QP3 (W-km 56,6) darge-

stellt [Maushake, unveröffentlicht8]. Die Messung von Tnw bis Tnw zeigt den Durchfluss bei

Flutströmung von 4256 m³ und bei Ebbeströmung von 4717 m³, die Differenz daraus bildet

den Oberwasserabfluss. Charakteristisch für die Weser ist die Ebbstromdominanz (vEM 0.61

m/s > vFM 0.55 m/s). Trotz fast gleicher mittlerer Konzentration suspendierter Sedimente

während Ebbe- und Flutströmung ergibt sich für diese Situation ein Stromauftransport von

Sedimenten von rechnerisch 4669 t Trockensubstanz pro Tide. Die Unsicherheit bei der

Bestimmung der Transporte ist jedoch sehr hoch, so dass zukünftige Messungen diese

Abschätzung zunächst noch bestätigen müssen.

Bild 16: Zeitreihe der Querprofilmessung QP3 für a) Wasserstand, b) Durchfluss, c) Strömungsgeschwindigkeit, d) suspendierte Sedimentkonzentration und e)

Transport

8 Vergleiche entsprechende Berechnung für das Ems-Ästuar unter:

http://vzb.baw.de/publikationen.php?file=kolloquien/0/ems_ssc_kolloq_Notizen.pdf

http://vzb.baw.de/publikationen.php?file=kolloquien/0/ems_ssc_kolloq_Notizen.pdf


Seite 26

Im Vergleich zu den transportierten Sedimentmengen ist der Eingriff durch Unterhaltungs-

baggerungen nicht zu vernachlässigen. Im Weser-Ästuar werden zwischen 4 und 8 Mio. m³

Sediment jährlich gebaggert. Das gebaggerte Material ist ein Gemisch aus Sedimenten und

Wasser. Unter der Annahme einer Dichte des Sediments von 2650 kg/m³ und einem mittle-

ren Wassergehalt des gebaggerten Materials von 40%, entspricht dies ca. 6,4 bis 12,7 Mio. t

Trockensubstanz pro Jahr oder umgerechnet ca. 8800 t bis 17.700 t Trockensubstanz pro

Tide.

3.6 Seegang

In Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit kann der Seegang signifikante Wirkungen auf

den Sedimenttransport in der Außenweser haben. Im Rahmen der morphodynamischen

Untersuchungen zur Weseranpassung wurde in Anbetracht der Topographie des Untersu-

chungsgebietes und der vorherrschenden Windverhältnisse folgende Charakteristik abge-

schätzt:

Aufgrund der großen Fließquerschnitte und großen Wassertiefen der Außenweser kann

Seegang aus nordwestlichen Richtungen in Abhängigkeit der Tidephase sehr weit von

der Deutschen Bucht in die Außenweser hineinlaufen.

Aufgrund der großen Fetchlängen sowie der großen Wassertiefen der Außenweser wird

insbesondere bei nordwestlichen Winden ein bereits vorherrschender Seegang in der

Außenweser noch lokal verstärkt und kann je nach Tidephase zu einer Belastung insbe-

sondere der Wattgebiete Wurster Watt und Hohe Weg Watt führen.

Der Seegang wird auch auf die Wattgebiete, insbesondere Wurster Watt und Hohe Weg

Watt, transportiert und kann je nach Tidephase und Seegangserscheinungsform zu einer

weiteren Belastung der Sohle beitragen.

Die Verteilung der Schlickwatten macht auch die Seegangswirkung deutlich. Durch die vor-

herrschende Westwindlage kommt es zu einer seegangsbedingten Umlagerung feiner Sedi-

mente aus dem östlichen Teil des Jadebusens in den Westen [Knoch (2004)].

3.7 Meteorologie

Die mittleren Windverhältnisse an der Station Alte Weser für den Zeitraum 1979-2002 sind in

Bild 17 dargestellt. Winde aus dem Richtungssektor West-Südwest sind vorherrschend, es

gibt jedoch auch Ostwindlagen. Die höchsten Windgeschwindigkeiten (> 18 m/s) stammen

vorwiegend aus südwestlichen bis westlichen und nördlichen Richtungen.


Seite 27

3.0 %

6.0 %

9.0 %

12.0 %

15.0 %

W O

S

N

Stationsname: Alte Weser 10124Zeitraum der analysierten Messung: 00:00-01.01.1979 00:00-01.01.2003

von 0 bis 0.4 m/von 0.4 bis 1.8 m/von 1.8 bis 3.6 m/von 3.6 bis 5.8 m/von 5.8 bis 8.5 m/von 8.5 bis 11. m/von 11. bis 14. m/von 14. bis 17. m/von 17. bis 21. m/von 21. bis 25. m/von 25. bis 29. m/von 29. bis 34. m/> 34. m/s

ALW-2002skalare Windgeschwindigkeit

NO

ONO

OSO

SO

SSOSSW

SW

WSW

WNW

NW

NNW

Windstille 0 Bftleichter Zug 1 Bftleichte Brise 2 Bft

schwache Brise 3 Bftmaessige Brise 4 Bft

frische Brise 5 Bftstarker Wind 6 Bftsteifer Wind 7 Bft

stuermischer Wind 8 BftSturm 9 Bft

schwerer Sturm 10 Bftorkanartiger Sturm 11 Bft

Orkan 12 Bft

Windgeschwindigkeit (10 m)

3.0 %

6.0 %

9.0 %

12.0 %

15.0 %

W O

S

N




NO

ONO

OSO

SO

SSOSSW

SW

WSW

WNW

NW

NNW






Orkan 12 Bft


Bild 17: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser 1979 - 2002 auf Basis gemesse-ner Windgeschwindigkeiten des DWD (Messhöhe 32 mNHN, umgerechnet auf 10 mNHN)


Seite 28

4 Modellaufbau

4.1 Konzeptionelles Modell

Für die naturähnliche Wiedergabe der Hydrodynamik und des Stofftransports (Salz und

suspendierte Sedimente) im Weser-Ästuar sind die prägenden Prozesse (vgl. Bild 18) in das

Modell zu integrieren. Die Topographie muss die Tiefenverteilung und Querschnitte mög-

lichst genau abbilden, kleinskalige Phänomene wie Transportkörper oder einzelne Hafenan-

lagen haben dagegen für das Gesamtsystem nur eine geringe Wirkung. Die Hydrodynamik

wird durch den Verlauf der Tidewelle und den Oberwasserabfluss bestimmt. Windgetriebene

Strömungen oder Auslenkungen der Wasserspiegellage können im Bereich der Außenweser

ebenfalls deutlichen Einfluss haben. Die Salzgehalte sind geprägt von der Vermischung

salzigen Nordseewassers mit dem Süßwasser aus dem Oberwasserabfluss. Im Ästuar ha-

ben barokline Prozesse und die turbulente vertikale Vermischung eine wesentliche Bedeu-

tung für den Salztransport. Der Transport von suspendierten Sedimenten erfolgt in einer

Abfolge aus Deposition und Resuspension mit der tidegetriebenen Strömung. Die See-

gangswirkung trägt zur Mobilisierung des Sediments bei, das dann mit der Tide oder windge-

triebener Strömung transportiert wird. Thermische Schichtung und thermisch angetriebene

barokline Strömungen sind im gut durchmischten Weser-Ästuar nicht prägend.

Oberwasser

Tidewelle

Interne Wellen

Wind

Deposition und ResuspensionTurbulenz

barokline Prozesse

Seegang

Bild 18 Schematische Übersicht der relevanten Prozesse im Ästuarbereich (nach [Nittrouer und Wright (1993)])

Typische Simulationszeiträume für wasserbauliche Fragestellungen sind einzelne Tiden oder

ein Spring-Nipp-Zyklus. Hydraulische Fragestellungen und insbesondere die Bewertung von

Veränderungen in der Topographie (Fahrrinnenanpassungen, Bauwerke) lassen sich auf


Seite 29

Basis dieser zeitlichen Skalen bereits umfassend bewerten. Bei den im Rahmen von Unter-

haltungsfragestellungen langsamer verlaufenden Sedimenttransportprozessen (Verschli-

ckung, Kolkbildung) sind jedoch längerfristige Prozesse zu betrachten, die den Betrieb des

Modells über einen längeren Zeitraum (> Monate) erforderlich machen. Daraus ergibt sich

die Notwendigkeit ein Modell aufzubauen, dass örtlich grob genug diskretisiert ist, um über

lange Zeiträume rechnen zu können, dabei aber die wesentlichen Prozesse noch ausrei-

chend genau auflöst.

4.2 Modellierungssystem

Die Umsetzung des konzeptionellen Modells erfolgt mit Hilfe der Verfahren9 UnTRIM und

SediMorph (Bild 19). Am seeseitigen Rand werden Tide und Mittelwasserlage eingesteuert,

am landseitigen Teil der Oberwasserabfluss. An der Oberfläche erfolgt ein Energieeintrag

aus der Windschubspannung. Eine detaillierte Beschreibung der Anfangs- und Randwerte

folgt in den nächsten Abschnitten. Vermischungsprozesse im Wasserkörper werden durch

eine dreidimensionale Berechnung berücksichtigt. Turbulente Prozesse sind mit Hilfe eines

Zwei-Gleichungsmodells (k- Modell) abgebildet.

Oberwasser

Tide / Mittelwasserlage

Wind

3D Hydrodynamik / Stofftransport(UnTRIM 2007)

2D Sedimenttransport(SediMorph)

Tide / Mittelwasserlage

3D Hydrodynamik / Stofftransport(UnTRIM 2007)

Wind

Oberwasser

2D Sedimenttransport(SediMorph)

Bild 19: Modellierungsansatz für das Jade-Weser-Ästuar

9 Beschreibung der numerischen Verfahren im BAWiki unter

http://www.baw.de/methoden/index.php5/Hauptseite



Seite 30

UnTRIM ist ein semi-implizites Finite-Differenzen- bzw. Finite-Volumen-Verfahren für un-

strukturierte orthogonale Gitter zur Simulation stationärer und instationärer Strömungs - und

Transportprozesse in Gewässern mit freier Oberfläche [Casulli und Walters (2000), Casulli

und Zanolli (2002)]. UnTRIM löst die Kontinuitätsgleichung inkompressibler Fluide, die Rey-

nolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichung für den Impuls und die Advektions-Diffusions-

Gleichung für Salz, Temperatur und fraktionierte Sedimente. Als Ergebnis werden in Abhän-

gigkeit von Ort und Zeit die physikalischen Größen Wasserspiegelauslenkung, Strömungs-

geschwindigkeit, Stoffkonzentrationen, Turbulenz und Fluiddichte berechnet. Durch die Dis-

kretisierung auf einem unstrukturierten Gitter können auch komplexe Topographien mit einer

im Vergleich zu strukturierten Gittern geringeren Anzahl an Elementen abgebildet werden.

Dies ist insbesondere in Ästuaren wichtig, da die Auflösung zwischen dem großflächigem

Außenbereich und engen Flussschläuchen im landseitigen Teil dem Problem jeweils optimal

angepasst werden kann. In der Vertikalen werden Schichten konstanter Tiefe der Schicht-

grenzen (z-Schichten genutzt). Als semi-implizites Verfahren vereint UnTRIM die Stabilität

eines impliziten Verfahrens mit der Performanz eines expliziten Verfahrens. Für die vorlie-

gende Untersuchung wurde die Version UnTRIM 2007 verwendet, die sich durch Verbesse-

rungen des Advektionsverfahrens und des Algorithmus zur Simulation des Überflutens und

Trockenfallens auszeichnet [Casulli (2009)].

SediMorph [Malcherek et al. (2005)] wurde als Morphologie-Modul von der BAW entwickelt.

Es berechnet die Rauheitswirkung des Bodens auf Basis des Sedimentinventars als Korn-

rauheit und von kleinskaligen Sohlformen (Riffeln) als Formrauheit. Das Sedimentinventar

wird fraktioniert abgebildet, das heißt es werden Kornklassen mit spezifischen Eigenschaften

(Dichte, Durchmesser, Sinkgeschwindigkeit, Transportart – Geschiebe oder Suspension)

vorgegeben. Als Ergebnis der angreifenden Strömung und der Rauheit wird die Sohlschub-

spannung berechnet und darauf basierend Geschiebetransport sowie Erosionsraten von

suspendierten Sedimenten berechnet. In der vorliegenden Untersuchung werden die Frakti-

onierung gemäß Tabelle 8 angenommen. Dichte und Porosität des Sediments sind konstant

als 2650 kg/m³ bzw. 40% gesetzt.

Tabelle 8: Fraktionierung des Sedimenttransportmodells

Fraktion Durchmesser [mm] Transportart

Feinschluff 0.012 Suspension

Mittelschluff 0.0235 Suspension

Grobschluff 0.0465 Suspension

Feinsand 0.1875 Geschiebe

Mittelsand 0.375 Geschiebe

Grobsand 0.75 Geschiebe

Kies 33.0 Geschiebe


Seite 31

4.3 Analysegrößen zur Beschreibung der Modellgüte

4.3.1 Hinweis zum Vergleich von Messungen und berechneten Größen

Die natürliche Topographie des Weserästuars wurde für die Berechnung diskretisiert, das

heißt in verschiedene Teilvolumina unterteilt. Die im Modell berechneten Größen spiegeln

einen Mittelwert über das jeweilige Teilvolumen wieder, können also streng genommen nicht

mit einer Punktmessung in der Natur verglichen werden. Für die in der Weser vorliegenden

hydrodynamischen Verhältnisse ist ein Vergleich für punktförmig gemessene Wasserstände

noch gut möglich, da nicht von Diskontinuitäten (z.B. einer Bore) auszugehen ist. Die Diskre-

tisierung des Gitters ist fein gegenüber der Längenskala der Tidewelle. Bei dem Vergleich

von Strömungsgeschwindigkeiten sind jedoch sehr kleinräumige Strukturen und Effekte

lokaler topographischer Änderungen auf die Messung möglich und in einigen Messungen

vorhanden. Hier ist nicht zu erwarten, dass das numerische Verfahren die zeitliche und

räumliche Variabilität der Messungen zeigt, sondern vielmehr einen räumlich und zeitlich

glätteren Zustand, der die Hydrodynamik auf der vom Gitter aufgelösten Skala beschreibt.

So sind beispielsweise kleinräumige Walzenstrukturen oder der turbulente Nachlauf nur in

parametrisierter Form, d.h. als Änderung der Diffusion bzw. Viskosität, im Modell enthalten.

4.3.2 Wasserstände

Der Vergleich von modellierten mit gemessenen Wasserstandsdaten erfolgt an ausgewähl-

ten Pegelpositionen im gesamten Modellgebiet (vgl. Bild 2) in Form von Tidekennwertanaly-

sen. Das Analyseverfahren der Tidekennwertanalyse ist für Ausbauuntersuchungen standar-

disiert und auf den Internetseiten der BAW dokumentiert10.

Für die berechneten Tidekennwerte werden die folgenden statistischen Kenngrößen berech-

net:

Mean absolute error (MAE)

N

iii MessMod

NMAE

1

1

Mean error oder Bias (ME)

N

iii MessMod

NME

1

1

4.3.3 Strömungsgeschwindigkeiten

Gemessene Strömungsgeschwindigkeiten liegen für einzelne Messkampagnen vor und

können daher nur in diesen Zeiträumen mit Modellergebnissen verglichen werden. Der Ver-

gleich der Zeitreihen erfolgt zum einen qualitativ und zum anderen als statistischer Vergleich

der Häufigkeiten bestimmter Geschwindigkeitsklassen.

10 http://www.baw.de/methoden/index.php5/Hauptseite



Seite 32

4.3.4 Salzgehalte

Salzgehaltsmessungen liegen ebenfalls für einzelne Messkampagnen vor, hier erfolgt ein

Zeitreihenvergleich analog zum Wasserstand auf Basis der Tidekennwerte.

4.3.5 Suspendiertes Sediment

Die berechnete Konzentration von suspendiertem Sediment kann näherungsweise mit Mes-

sungen der Trübung an einzelnen Messpositionen verglichen werden. Über diesen Vergleich

lassen sich Systemeigenschaften überprüfen, dieser Ansatz erlaubt jedoch keinen quantitati-

ven Vergleich.

4.4 Modelltopographie

4.4.1 Modellgebiet

Das Modellgebiet (vgl. Bild 19) des verwendeten HN-Modells wurde so gewählt, dass die

maßgebenden physikalischen Prozesse hinsichtlich der Hydrodynamik und des Stofftrans-

ports des Weser-Ästuars simuliert werden können. Der offene seeseitige Rand des Modells

verläuft von Spiekeroog bogenförmig entlang der SKN - 20 m Tiefenlinie durch die Deutsche

Bucht bis nach Sahlenburg westlich von Cuxhaven. Die Jade ist vollständig enthalten, da der

Wassermassenaustausch zwischen Jade und Weser über das Hohe Weg Watt für eine

naturähnliche Abbildung der Außenweser berücksichtigt werden muss. Das Modell der We-

ser setzt sich stromauf bis zum Wesersperrwerk Bremen-Hemelingen fort, bildet also den

gesamten tidebeeinflussten Bereich der Weser ab. Die Nebenflüsse der Weser (Hunte,

Geeste, Lesum-Wümme-Hamme und Ochtum) sind nicht im Modell abgebildet. Durch diese

Vereinfachung kann eine deutlich bessere Performanz des numerischen Verfahrens erreicht

werden, die fehlenden Schwingungsräume insbesondere stromauf der Hunte sind jedoch bei

der Interpretation der Modellergebnisse zu berücksichtigen. Das Modell kann jedoch bei

Bedarf auch um Nebenflüsse und die die Stauhaltung oberhalb von Bremerhaven ergänzt

werden.

4.4.2 Horizontale Auflösung

Das Rechengitter für das numerische Modell wurde basierend auf den Tiefeninformationen

eines digitalen Geländemodells konstruiert [smile consult (2009)]. Um die numerischen Ei-

genschaften des Modellverfahrens optimal auszunutzen, wurden Rinnen im Außenbereich

und die Fahrrinne mit Flussschläuchen (Rechteckselementen) diskretisiert und Dreiecke am

Randbereich und auf den Watten genutzt (vgl. Außenweser in Bild 20 und Unterweser in Bild

21).

Die horizontale Auflösung orientiert sich daran wesentliche Effekte darzustellen, aber die

Simulation längerer Zeiträume zu ermöglichen. Das Gitter besteht aus 61.506 Elementen

und 117.557 Kanten mit einer Kantenlänge (Min – Median - Max) in der Außenweser von 35

m - 175 m - 845 m und der Unterweser 15 m - 60 m - 205 m. Dies entspricht einer Fläche

(Min – Median - Max) in der Außenweser von 1.180 m² - 30.000 m² - 348.470 m² und der

Unterweser von 400 m² - 4.000 m² - 26.270 m². Im Vergleich zu extrem hoch aufgelösten


Seite 33

Gittern wie diese für Gutachten zur Untersuchung von Fahrrinnenanpassungen genutzt

wurden, ist die hier im Basismodell verwendete Auflösung geringer.

Bild 20: Modellgitter und verwendete Topographie (mNHN) im Bereich Außenweser


Seite 34

Bild 21: Modellgitter und verwendete Topographie (mNHN) im Bereich Blexer Bogen

4.4.3 Vertikale Auflösung

Das Modell basiert auf Schichten gleicher Schichttiefe („z-Schichten“) mit einer durchgängi-

gen Auflösung der Wassersäule von 1 m in der Vertikalen. Unabhängig davon wird die To-

pographie genauer beschrieben, da Zellen auch nur teilweise gefüllt sein können.

z

Boden

Wasserkörper dz = 1 m

z

Boden

Wasserkörper dz = 1 m

Bild 22: Schematische Darstellung der vertikalen Auflösung


Seite 35

4.5 Anfangsbedingungen

4.5.1 Wasserstand / Strömungsgeschwindigkeit

Das Modell wird ohne Wasserstandsauslenkung und mit einer Strömungsgeschwindigkeit

von 0 m/s initialisiert.

4.5.2 Salzgehaltsverteilung

ge ngen ausgehend von einer

idealisierten Verteilung (0 PSU in der Unterweser, 32 PSU in der Außenweser) bis zu einem

für die vorliegenden Oberwasserverhältnisse dynamischen Gleichgewichtszustand berech-

d wurde dann als Ausgangsverteilung genutzt.

ereiche mit ähnlichen Eigenschaften zerlegt (z.B. Wattflächen, Fahr-

rinnen, etc.). Die verfügbaren Körnungslinien in diesen einzelnen Teilbereichen wurden dann

ngslinie dem Teilbereich als Sedimentinventar vorgegeben

(Bild 23).

Die Salz haltsverteilung wurde in vorhergehenden Berechnu

net. Dieser Gleichgewichtszustan

4.5.3 Sedimentinventar

Basierend auf topographischen Informationen und hydrologischen Verhältnissen wurde das

Gesamtgebiet in Teilb

gemittelt und diese mittlere Körnu


Seite 36

Bild 23: Mittlerer Korndurchmesser der Anfangskornverteilung für den Systemzustand 2002

4.6 Randbedingungen

Wie in Abschnitt 2.2 beschrieben, wurden im Zeitraum von Juni 2002 bis Juli 2002 umfang-

reiche Naturmessungen durchgeführt, die es erlauben, das Modell mit Messdaten anzutrei-

ben und die Modellergebnisse mit Messungen zu vergleichen.

4.6.1 Wasserstand

Der Wasserstand am offenen, seeseitigen Modellrand wird aus den Werten der Messungen

gesteuert.

4.6.2 Oberwasser

Am landseitigen Rand bei Bremen wird die gemessene Oberwassermenge, wie in Bild 24

dargestellt, eingesteuert.


Seite 37

Abfluss Intschede

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

01.01. 21.01. 10.02. 02.03. 22.03. 11.04. 01.05. 21.05. 10.06. 30.06. 20.07. 09.08. 29.08. 18.09. 08.10. 28.10. 17.11. 07.12. 27.12.

2002

[ m

³ /

s ]

Bild 24: Oberwasser der Weser aus Abflussmessungen bei Intschede für das Jahr 2002. Der Zeitraum der Modellierung vom 01. - 30.06. ist grün eingefärbt

4.6.3 Salzgehalt

Die Salzgehalte am seeseitigen Rand sind konstant bei 32 PSU, die Salzgehalte am landsei-

tigen Rand konstant bei 0,75 PSU.

4.6.4 Suspendierte Sedimente

Der suspendierte Sedimenteintrag des Oberwassers ist konstant als 35 mg/l vorgegeben,

der Eintrag am seeseitigen Rand ist auf einen Hintergrundwert von 10 mg/l festgesetzt.

4.6.5 Windgeschwindigkeit

Der Vergleich des langjährigen Mittels der Windgeschwindigkeit (Bild 17) mit der Zeitreihe im

Untersuchungszeitraum (Bild 25) zeigt, dass der Juni 2002 eine Zeitspanne mit ausgeprägter

Westwindlage war. Dies ist auch im langjährigen Mittel die vorherrschende Windrichtung,

jedoch in geringerer Ausprägung.


Seite 38

5.0 %

10.0 %

15.0 %

20.0 %

25.0 %

30.0 %

W O

S

N




NO

ONO

OSO

SO

SSOSSW

SW

WSW

WNW

NW

NNW






Orkan 12 Bft


5.0 %

10.0 %

15.0 %

20.0 %

25.0 %

30.0 %

W O

S

N




NO

ONO

OSO

SO

SSOSSW

SW

WSW

WNW

NW

NNW






Orkan 12 Bft


Bild 25: Mittlere Jahreswindrose der Station Alte Weser Juni 2002 auf Basis gemessener Windgeschwindigkeiten des DWD (Messhöhe 32 mNHN, umgerechnet auf 10 mNHN)


Seite 39

0,00

2,50

5,00

7,50

10,00

12,50

15,00

17,50

20,00

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

2002

[ m

/s ]

0

90

180

270

360

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

[ G

rad

]

N

W

S

O

N

Prognose Modell DWD

Messung DWD

0,00

2,50

5,00

7,50

10,00

12,50

15,00

17,50

20,00

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

2002

[ m

/s ]

0

90

180

270

360

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

[ G

rad

]

N

W

S

O

N

0,00

2,50

5,00

7,50

10,00

12,50

15,00

17,50

20,00

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

2002

[ m

/s ]

0

90

180

270

360

01.06. 04.06. 07.06. 10.06. 13.06. 16.06. 19.06. 22.06. 25.06. 28.06.

[ G

rad

]

N

W

S

O

N

Prognose Modell DWD

Messung DWD

Bild 26: Windrichtung (oben) und Windgeschwindigkeit u10 (unten) aus Prognosemodell und Messung des DWD (Messhöhe 32 mNHN, umgerechnet auf 10 mNHN) an der Station Alte Weser für Juni 2002

4.6.6 Parameterwahl

Die wichtigsten für die Modellsteuerung verwendeten Modellparameter sind in Tabelle 9

dargestellt. Die Bodenreibung wird als Kalibrierungsparameter genutzt, wie in Abschnitt 5.2.1

beschrieben.

Tabelle 9: Übersicht der wesentlichen Modellparameter

Parameter Wert

Zeitschritt t 30 s

Horizontale Tracerdiffusion 0,1 m²/s

Horizontale Momentumdiffusion 0,1 m²/s

Vertikale Vermischung Zweigleichungsmodell k-

Bodenreibung Variabel

4.7 Wiedergabe physikalischer Prozesse

4.7.1 Modellierte Größen und Prozesse

Auflösung der Tidewelle (Wasserstand, Strömung)

Advektion und Diffusion (Salzgehalt, Momentum)

Turbulenz (k-)

Windschubspannung

Windstau: Windstaueffekte über Nordatlantik als Änderung der Mittelwasserlage

(„surge“) am Modellrand aus Optimierung der internen Lösung


Seite 40

Sedimenttransport (Suspension, Geschiebe)

4.7.2 Nicht-modellierte Größen und Prozesse

Atmosphärenaustausch

Temperatur

Seegangswirkung auf Strömung und Sedimenttransport

nicht-hydrostatische Prozesse

Rückwirkung morphologischer Änderungen auf die Hydrodynamik (variable Topographie)

Vertikalstruktur des Bodens


Seite 41

5 Modellkalibrierung und -validierung

5.1 Allgemein

Die Kalibrierung und Validierung des Modells fand für den Juni 2002 statt. Der Simulations-

zeitraum wurde so gewählt, dass dieser eine charakteristische Sommersituation widerspie-

gelt, also den Zeitraum, in dem auch die intensivsten Unterhaltungsarbeiten stattfinden.

Der Juni wurde in zwei Zeiträume von jeweils einem Spring-Nipp-Zyklus aufgeteilt:

Kalibrierungszeitraum: 02.06.2002 – 14.06.2002

Validierungszeitraum: 16.06.2002 – 27.06.2002

Beide Zeiträume weisen annähernd gleiche Eigenschaften und das Fehlen von Extremereig-

nissen auf. Der Oberwasserabfluss in diesem Zeitraum zeigt nur geringe Schwankungen und

liegt im Bereich des mittleren Abflusses (320 m³/s). Die Windgeschwindigkeiten sind über-

wiegend gering (um 7,5 m an der Messstation Alte Weser), zeigen jedoch eine Zunahme

zum Ende des Untersuchungszeitraums auf Werte um 12,5 m/s (Bild 26). Dieser zunehmen-

de Windstau bildet sich auch im Wasserstand ab (vgl. Zeitraum 27.06. – 29.06. in Bild 27).

- 2,50

- 2,00

- 1,50

- 1,00

- 0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

01.06. 03.06. 05.06. 07.06. 09.06. 11.06. 13.06. 15.06. 17.06. 19.06. 21.06. 23.06. 25.06. 27.06. 29.06.

2002

[ m

NN

]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

[ m

³ / s

]

Pegel ALW Oberwasser

Kalibrierungszeitraum Validierungszeitraum

- 2,50

- 2,00

- 1,50

- 1,00

- 0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

01.06. 03.06. 05.06. 07.06. 09.06. 11.06. 13.06. 15.06. 17.06. 19.06. 21.06. 23.06. 25.06. 27.06. 29.06.

2002

[ m

NN

]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

[ m

³ / s

]

Pegel ALW Oberwasser

Kalibrierungszeitraum Validierungszeitraum

Bild 27: Wasserstand am Pegel Alte Weser (nächster Pegel am seeseitigen Rand des Modells) und Oberwasserabfluss bei Intschede für den Kalibrierungs- und Vali-dierungszeitraum

In Abschnitt 5.3 werden die Ergebnisse der Modellvalidierung dargestellt, auf eine Darstel-

lung der entsprechenden Werte für den Kalibrierungszeitraum wird verzichtet.


Seite 42

5.2 Modellkalibrierung

5.2.1 Kalibrierungsgrößen

Ziel der Kalibrierung ist ein möglichst naturähnliches Verhalten des Modells. Primäre Ziel-

größe sind die Wasserstände an den Referenzpegeln, für die eine möglichst gute Überein-

stimmung erzielt werden soll. Die berechneten Werte der Strömungsgeschwindigkeit und des

Salzgehalts werden mit Messungen verglichen.

Die Kalibrierung der Wasserstände erfolgt durch eine Anpassung der Energiedissipation, die

durch die Bodenreibung bestimmt wird. Diese setzt sich aus der Kornrauheit, die sich aus

dem verwendeten Sedimentinventar ergibt, und einer Formrauheit zusammen. Die Formrau-

heit bildet die dissipative Wirkung von Riffeln und Bodenformen ab. Diese ist in der Unterwe-

ser aufgrund ausgeprägter Bodenformen höher als in der Außenweser gewählt. Um eine

Nachvollziehbarkeit der Kalibrierung zu gewährleisten, wurde auf eine kleinteiligere Anpas-

sung der Bodenreibung verzichtet. Als optimale Nikuradse-Beiwerte der globalen Reibung

wurden in der Außenweser 4,0·10-4 m und in der Unterweser 3,2·10-1 m gewählt. Die Ausbil-

dung des Geschwindigkeitsfeldes erfolgt maßgeblich über die vertikale Turbulenz. Auf Grund

der komplexen Strömungssituationen infolge barokliner Effekte, wurde ein k--Ansatz ge-

wählt, der keine weitere Parametrisierung erfordert.

Die Effekte einer horizontalen Tracerdiffusion bzw. Viskosität sind nur gering, da bereits das

numerische Verfahren eine numerische Diffusivität aufweist. Die Tracerdiffusion bzw. Visko-

sität wurden daher auf einen Hintergrundwert von 0.1 m²/s gesetzt.

Die Größe für den Zeitschritt im numerischen Verfahren wurde zunächst analytisch bestimmt

und in Sensitivitätsexperimenten überprüft. Das Modell zeigt durch die enthaltenen zeitab-

hängigen Prozesse, wie die Überflutung der Watten, eine Abhängigkeit von der Zeitschritt-

wahl. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf eine Größe des Zeit-

schritts von 150 s.

5.2.2 Zielwerte für Analysegrößen

Als Zielwerte für die maximale Abweichung von Messung und Modell wurden die in Tabelle

10 aufgeführten Werte der Mittel der Abweichungen (MAE) vorgegeben.

Tabelle 10: Zielwerte für Analysegrößen

Variable Abweichung (MAE)

THW / TNW Amplitude < 15 cm

THW / TNW Phase < 30 Minuten


Seite 43

5.3 Modellvalidierung für das Weserästuar

5.3.1 Wasserstände

Der beispielhafte Vergleich von berechneten Wasserständen mit gemessenen Werten ist in

Bild 28 für drei ausgewählte Pegelstandorte dargestellt, Auswertungen an weiteren Pegeln

befinden sich im Anhang.

Bild 28: Gemessene und berechnete Wasserstände an den Pegeln RSS, BAL und NUF

Aus den einzelnen Wasserstandszeitreihen wurden die zugehörigen Tidekennwerte (Thw,

Tnw) berechnet und über den Validierungszeitraum gemittelt (Bild 29). Dieser aggregierten

Darstellung ist die Genauigkeit der Berechnung der Scheitelwerte des Wasserstandes und

damit des Energieeintrages (Tidehub) zu entnehmen. Das Thw wird vom Modell sehr genau

wiedergegeben, bei dem Tnw gibt es geringfügige Abweichungen im Bereich zwischen W-

km 40 – W-km 60. Dementsprechend ist das Modell in der Lage, den Tidehub genau wieder-


Seite 44

zugeben. Die Abweichungen des Tnw sind durch das Fehlen der Hunte im Modell zu erklä-

ren (Huntemündung ca. W-km 32). Der fehlende Retentionsraum führt zu einem Absunk des

Tnw, wie in Systemstudien untersucht (hier nicht gezeigt). Dieser am Weserwehr an stärks-

ten ausgeprägte Absunk wurde durch die Kalibrierung ausgeglichen und ist jetzt als Anhe-

bung des Tnw im Bereich W-km 40 – W-km 60 zu erkennen.

Bild 29: Gemessenes und berechnetes Thw und Tnw gemittelt über den Validierungs-zeitraum entlang der Richtfeuerlinie

Zur Quantifizierung der Übereinstimmung der Tidekennwerte von Messung und Rechnung

sind die in Abschnitt 4.3.2 definierten Analysegrößen „mean error (ME)“ und „mean absolute

error (MAE)“ für Messung (Mess) und Modell (Mod) in Tabelle 11 und Tabelle 12 für die

Referenzpegel aufgelistet und in Bild 30 dargestellt. Die Abweichung der Tidekennwerte

zeigt keinen Trend, die Differenz der Eintrittszeiten nimmt stromauf überwiegend zu, bleibt

jedoch unterhalb der maximalen Fehlergrenze von 30 Minuten. Diese Phasenverschiebung

führt jedoch bei einem direkten Vergleich der Zeitreihen zu einer zunehmenden Differenz der

Wasserstände stromauf (vgl. Pegelwasserstände im Anhang).


Seite 45

Tabelle 11: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Amplitude)

Amplitude ( m )

THW TNW

Pegel Mod Mess ME MAE Mod Mess ME MAE

ALW 1.470 1.454 -0.016 0.016 -1.527 -1.525 0.002 0.02

DWG 1.698 1.667 -0.031 0.035 -1.728 -1.818 -0.090 0.09

RSS 1.893 1.871 -0.022 0.023 -1.862 -1.885 -0.023 0.059

BAL 1.978 1.972 -0.006 0.025 -1.908 -1.961 -0.053 0.053

NUF 2.057 2.115 0.058 0.061 -1.817 -1.965 -0.148 0.156

RFL 2.135 2.173 0.038 0.046 -1.711 -1.834 -0.123 0.133

BRA 2.185 2.282 0.097 0.097 -1.669 -1.763 -0.094 0.104

ELF 2.281 2.398 0.117 0.117 -1.617 -1.629 -0.012 0.051

FAR 2.309 2.424 0.115 0.115 -1.553 -1.519 0.034 0.048

VEG 2.443 2.551 0.108 0.108 -1.539 -1.488 0.051 0.054

OSL 2.606 2.684 0.078 0.083 -1.609 -1.580 0.029 0.034

Tabelle 12: Vergleich der Tidekennwerte des Wasserstandes (Phase)

Phase ( min )

THW TNW

Pegel Mod Mess ME MAE Mod Mess ME MAE

ALW 1.0 5.4 -17 19.1

DWG -2.0 5.5 -12.2 12.2

RSS -8.3 8.7 -12.8 12.8

BAL 3.3 5.8 -5.5 5.6

NUF -11.2 12.3 -22.4 22.4

RFL -14.2 14.9 -23 23.0

BRA -18.9 19.3 -20.3 20.3

ELF -14.1 14.1 -20.9 20.9

FAR -16.2 16.2 -17.3 17.3

VEG -18.3 18.3 -15.6 15.6

OSL -21.5 22.0 -19.1 19.1


Seite 46

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80 100 120

Weser-km

[ m

]

dThw (Mes-Mod)

dTnw (Mes-Mod)

dThb(Mes-Mod)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 20 40 60 80 100 120

Weser-km

[ M

in ] dThw (Mes-Mod)

dTnw (Mes-Mod)

Phase

Tidekennwerte

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80 100 120

Weser-km

[ m

]

dThw (Mes-Mod)

dTnw (Mes-Mod)

dThb(Mes-Mod)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 20 40 60 80 100 120

Weser-km

[ M

in ] dThw (Mes-Mod)

dTnw (Mes-Mod)

Phase

Tidekennwerte

Bild 30: Differenz der Tidekennwerte Tnw, Thw und Thb zwischen Messung und Modell (oben) und Phasendifferenz Tnw und Thw (unten)

Im Außenbereich (Pegel RSS) ist die Übereinstimmung sehr genau, bei dem weiteren Fort-

schreiten der Tidewelle in das Ästuar ist die Übereinstimmung weiterhin sehr gut, es kommt

jedoch teilweise auch zu einer geringen Unterschätzung des Tnw. Die maximale Abweichung

bei der Amplitude befindet sich am Pegel Nordenham, mit einer Abweichung von ca. 15 cm.

Damit werden die anfangs definierten Zielwerte auch im Validierungszeitraum erreicht. Wie

der Gegenüberstellung zu entnehmen ist, steigt mit zunehmender Entfernung vom seeseiti-

gen Rand die Phasenverschiebung zwischen Modell und Messung auf ca. 21 Minuten an.

5.3.2 Salzgehalte

Die gemessenen und berechneten Zeitreihen des Salzgehaltes an den Messpositionen Rob-

bensüdsteert (-8,8 mNHN), Messpfahl Bremerhaven (-4,4 mNHN) und Nordenham (-8,8

mNHN) sind in Bild 31 dargestellt. Für den Vergleich wurden die Salzgehaltswerte im Modell


Seite 47

in der Tiefe des Messgeräts extrahiert, so dass ein direkter Vergleich annähernd möglich ist.

Der Vergleich für weitere Messpositionen befindet sich im Anhang.

Die Variation des Salzgehaltes mit der Tide wird insbesondere im Außenbereich sehr gut

wiedergegeben. Abweichungen zwischen Messung und Modell in der Ebbestromphase an

der Messposition Messpfahl Bremerhaven sind durch die nur genäherte Wiedergabe der

lokalen Topographie im Modell zu erklären. Weiter stromauf (Messposition Nordenham) zeigt

das Modell einen etwas geringeren Salzgehalt, unterschätzt also die Salzintrusion geringfü-

gig.

Bild 31: Berechnete und gemessene Zeitreihen des Salzgehalts an den Messpositionen Robbensüdsteert (-8,8 mNHN), Messpfahl Bremerhaven (-4,4 mNHN) und Nor-

denham (-8,8 mNHN).


Seite 48

Zur Veranschaulichung der Lage der Brackwasserzone wurden die minimalen, mittleren und

maximalen Salzgehalte je Tide bestimmt und über den Validierungszeitraum gemittelt. Dar-

aus ergibt sich die mittlere Lage der Brackwasserzone über einen Spring-Nipp-Zyklus für die

Oberwassersituation in diesem Zeitraum (Bild 32). Die berechneten Salzgehalte sind entlang

der Richtfeuerlinie bestimmt worden, die gemessenen Salzgehalte an den Sondermessposi-

tionen (vgl. Tabelle 4). Daraus folgt, dass Abweichungen zwischen Messung und Modell zu

erwarten sind, diese können bei starken lokalen Einflüssen, wie z.B. Überflutungsvorgängen

bei W-km 80 (Robbensüdsteert), auch zu deutlicheren Abweichungen führen. Trotz dieser

eingeschränkten Vergleichbarkeit zeigt sich, dass das Modell die mittlere Lage der Brack-

wasserzone in Übereinstimmung mit den Messungen beschreibt.

Bild 32: Gemessene (observations) und berechnete (model) Tidekennwerte des Salzge-haltes entlang der Richtfeuerlinie gemittelt über den Validierungszeitraum

5.3.3 Strömungsgeschwindigkeiten

Die gemessenen und berechneten Zeitreihen des Betrags der Strömungsgeschwindigkeit an

den Messpositionen Robbensüdsteert (-8,8 mNHN), Messpfahl Bremerhaven (-4,4 mNHN)

und Nordenham (-8,8 mNHN) sind in Bild 33 dargestellt. Vergleiche von weiteren Messposi-

tionen befinden sich im Anhang.

Die gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten zeigen kurzzeitige (< 10 Minuten) Schwan-

kungen der Strömungsgeschwindigkeit, z.B. als Folge von Wirbeln, die sich als kurzeitige

Ab- und Zunahme von der mittleren Strömung abbilden. Diese Effekte können vom Modell


Seite 49

mit einer Zellgröße > 50 m nicht abgebildet werden, es ergibt sich also ein geglättetes Bild

der Strömungsgeschwindigkeit. Im Gegensatz zum Wasserspiegel, der von einzelnen Mess-

positionen einfacher in die Fläche extrapoliert werden kann, spielen bei der Strömungsge-

schwindigkeit lokale Topographieeffekte eine große Rolle. Während sich im zweidimensiona-

len Wasserspiegel Potenzialunterschiede ausgleichen, kann es beim dreidimensionalen

Geschwindigkeitsfeld auch kleinräumig zu deutlichen Unterschieden kommen. Diese beein-

flussen die Messungen stark, sind aber im Modell nicht aufgelöst.

Weiterhin ist auffällig, dass die Strömungsgeschwindigkeit an zwei Messpositionen (RSS und

Ndh) sehr gut wiedergegeben wird, es an der dritten (MFBhv) jedoch zu erheblichen Abwei-

chungen kommt. Bei der Messposition MFBhv, einem Messpfahl an der Wattkante des

Langlütjensandes, spielen die großflächigen Überflutungsprozesse eine wichtige Rolle, de-

ren zeitlicher Ablauf insbesondere bei der Phase des Trockenfallens im Modell Unterschiede

zur Natur aufweist. Mit dieser Ausnahme zeigt der Vergleich gemessener und berechneter

Strömungsgeschwindigkeiten generell eine gute Übereinstimmung.


Seite 50

Bild 33: Zeitreihe des gemessenen und berechneten Betrags der Strömungsgeschwin-digkeit an den Messpositionen Robbensüdsteert (-8,8 mNHN), Messpfahl Bre-merhaven (-4,4 mNHN) und Nordenham (-8,8 mNHN)

Um die Wirkung der berechneten Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Natur besser

bewerten zu können, ist in Bild 34 die Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten

aller verfügbaren Messpositionen im Validierungszeitraum dargestellt.


Seite 51

Bild 34: Häufigkeitsverteilung der gemessenen und berechneten Strömungsgeschwindig-keiten (N = 45.375)

Insgesamt zeigt sich eine ähnliche Verteilung, jedoch mit einigen Unterschieden. Die auffälli-

ge Abweichung bei 0,8 m/s wird durch die Messposition Rechtenfleth verursacht, die durch

einen geringen Abstand der einzelnen Messtiefen die Abweichungen in dem dort vorliegen-

den Geschwindigkeitsfeld besonders betont. Mit dieser Ausnahme ist die Verteilung der

Strömungsgeschwindigkeiten jedoch zufriedenstellend. Der Median des Modells liegt gering-

fügig über den Messungen, die Mittelwerte weichen um ca. 1% voneinander ab (vgl. Tabelle

13).

Tabelle 13: Vergleich von Median und Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit

Median [cm/s] Mittelwert [cm/s]

Messung 61,1 62,7

Modell 65,0 62,0

MOD-MES 3,9 -0,7

5.3.4 Suspendierte Sedimente

Für die Validierung der Konzentration suspendierter Sedimente liegen keine direkten Mes-

sungen vor, sondern nur Trübungsmessungen. Da die Trübungsmessungen nicht mit der

Konzentration suspendierter Sedimente kalibriert wurden, kann nur ein qualitativer Vergleich

erfolgen. Die Zeitreihen sind in Bild 35 dargestellt mit einer gewählten Skalierung 1 kg/m³

entsprechend 400 NTU. Kalibrierfaktoren sind ortsabhängig (landseitiger Teil / seeseitiger

Teil des Ästuars) und zeitabhängig (z.B. Unterschiede durch Spring- vs. Nipptide, Verände-

rungen des Oberwasserabflusses). Ein Umrechnungsfaktor in der Größenordnung von 400

wie oben angenommen, liegt jedoch im Bereich früherer Messungen ([Fanger et al. (1985)]).


Seite 52

Der Vergleich zeigt, dass die zeitliche Variabilität des suspendierten Sedimentgehalts vom

Modell noch nicht gut wiedergegeben werden kann, mittlere Verhältnisse jedoch annähernd

getroffen werden. Ähnlich wie bei der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit zeigen

sich bei den gemessenen Trübungen die lokalen Verhältnisse an der Messposition, wohin-

gegen die Rechnung den Mittelwert über eine Zelle mit einer typischen Größe von 100 m

widerspiegelt. Aus der gemessenen Trübung lässt sich ableiten, dass das Sediment mit

einsetzender Strömung rasch mobilisiert und in der Wassersäule nach oben transportiert

wird, sich in Kenterphasen ebenso schnell wieder absetzt. Die für die Veränderung der Sink-

geschwindigkeit verantwortlichen Prozesse (z.B. Flokkulation) sind teilweise in der vom

Modell genutzten Sinkgeschwindigkeit parametrisiert, dies ist jedoch noch ein Feld aktiver

Forschung.


Seite 53

Bild 35: Qualitativer Vergleich von gemessener Trübung (blaue Linie) und berechnetem suspendierten Sedimentgehalt (grüne Linie)

5.3.5 Turbulente Kenngrößen

Der im Modell verwendete Zwei-Gleichungs-Turbulenzansatz (k-epsilon) kann nicht im Detail

validiert werden, die Effekte sind jedoch in der Verteilung der berechneten Strömungsge-

schwindigkeiten und des suspendierten Sedimentgehaltes sichtbar. Um ein direktes Maß für

die Güte der Ergebnisse des Turbulenzmodells zu bekommen, wurde die berechnete turbu-

lente kinetische Energie (TKE) mit der aus ADV-Messungen berechneten TKE verglichen

(Bild 36). Die Messung fand nicht im Simulationszeitrum statt, sondern während der Mess-


Seite 54

kampagne 2009. Um eine Vergleichbarkeit im Sinne einer Plausibilitätsprüfung zu gewähr-

leisten, wurde eine vergleichbare Situation (Tidehub, Oberwasser) gewählt.

Bild 36: Plausibilitätsprüfung der turbulenten kinetischen Energie (TKE) aus Messung (blau) und Rechnung (grün) für die Messposition QP3

Der Vergleich zeigt, dass die berechnete TKE und die aus den Strömungsgeschwindigkeiten

abgeleiteten TKE in der gleichen Größenordnung liegen. Während Stauwasser findet im

Modell jedoch eine deutlich stärkere Abnahme der TKE statt, als in den Messungen beo-

bachtet.


Seite 55

6 Bewertung

6.1 Anwendbarkeit

Das Modellverfahren UnTRIM 2007 gekoppelt mit SediMorph wurde für die Berechnung von

Wasserständen, Strömungsgeschwindigkeiten sowie der Konzentration von Salz und sus-

pendiertem Sediment aufgebaut, kalibriert und validiert. Das Modell ist durch die gewählte

räumliche Diskretisierung für den Übergangsbereich von der Unterweser zur Außenweser

optimiert, lässt aber auch in den weiteren im Modellgebiet enthaltenen Bereichen Untersu-

chungen zu, sofern diese nicht durch die Modellränder beeinflusst sind.

Die absolute Genauigkeit des Modells ist im Rahmen der Validierung dargestellt und beträgt

ungefähr 15 cm für die Berechnung der Wasserstände und 20 Minuten für die Eintrittszeiten

der Scheitelwasserstände. Beim Vergleich zweier berechneter Systemzustände, wie z.B. zur

Bewertung wasserbaulicher Maßnahmen, ist die Genauigkeit höher.

6.2 Einschränkungen

Das Modellverfahren wurde nicht im Hinblick auf eine morphodynamische Simulation, also

die Berechnung sich ändernder Sohllagen, validiert. Für Aussagen zur Morphodynamik ist

eine separate Validierung oder zumindest Plausibilisierung notwendig.

Die Wirkung von Seegang ist nicht abgebildet. Falls es notwendig sein sollte die Seegangs-

wirkung zu betrachten, so ist die Kopplung mit dem Seegangsmodell UnK möglich und im

Rahmen von Testanwendungen erfolgreich im Sinne einer Naturähnlichkeit erprobt.

Das Modell berechnet derzeit keinen Wärmetransport. Das heißt die berechneten Dichteun-

terschiede im Modell werden ausschließlich durch unterschiedliche Konzentrationen von

Salz und suspendiertem Sediment erzeugt. Wenn thermische Effekte berücksichtigt werden

sollen, ist eine entsprechende Erweiterung des Modells zur Berechnung des Wärmetrans-

ports notwendig.

Das vorliegende numerische Verfahren ist neben den oben genannten Einschränkungen des

Verfahrens selbst durch die Güte der Eingangsdaten beschränkt. Die Abbildung der Topo-

graphie ist zum einen durch die Auflösung des Rechengitters limitiert, die topographischen

Grundlagen sind aber auch mit einer Unsicherheit behaftet. Weiterhin gelten für die Genau-

igkeit der Randbedingungen Einschränkungen, da die zugrunde liegenden Messungen

(Wasserstände, Oberwasserabfluss) ebenfalls nur eine begrenzte Genauigkeit aufweisen

bzw. fehlerbehaftete Prognosemodelle (Windgeschwindigkeit) genutzt wurden. Eine detail-

liertere Untersuchung der daraus entstehenden Schwankungsbreite der Ergebnisse sollte in

nachfolgenden Untersuchungen durchgeführt werden.


Seite 56

7 Literaturverzeichnis

[AquaVision 2009] AquaVision. 2009. Suspended sediment measurements in the

Weser, June 2009. Technical Report, Aqua Vision BV.

[Barthel (1980)] Barthel, V. 1980. Seegang in einem Ästuar am Beispiel der

Außenweser. Die Küste, 35: 57–146.

[BAW (1985)] BAW. 1985. Jade-Weser-Ästuar Einfluß der Klappstelle 0 auf

Fließrichtungen, Geschwindigkeiten und Restströme. Gutach-

ten 0547, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (1991)] BAW. 1991. Ausbau des Fahrwassers der Außenweser (SKN-

14 m) HN-Modell des Jade-Weser-Ästuars Erstes Teilgutach-

ten. Gutachten 91533370, 1, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (1995)] BAW. 1995. HN-Modell des Jade-Weser-Ästuars Studie der

Wirkung zweier extremer Systemvariationen auf die Hydrody-

namik des Jadeästuars. Gutachten 94533393, Bundesanstalt

für Wasserbau.

[BAW (1998)] BAW. 1998. Fedderwarder Priel - Verminderung der Verschli-

ckung des Fedderwarder Priels und des Strandes von Burhave.

Gutachten 97523440, 1, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (1999)] BAW. 1999. Wasserbauliche Systemanalyse Unterweser Er-

mittlung von Auswirkungen möglicher Ausbaupotentiale auf

Hydrodynamik und Salztransport. Gutachten BAW-Nr.

98523456, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (2000)] BAW. 2000. Jade-Port Ergebnisse der wasserbaulichen Sys-

temanalyse für die 1. Ausbaustufe. Gutachten 98 52 3458, 2,

Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (2002a)] BAW. 2002. Ausbau Außenweser Wasserbauliche Systemana-

lyse für die Machbarkeitsstudie. Gutachten 5.02.10011.00, 1,


[BAW (2002b)] BAW. 2002. Ausbau der Außenweser: Bericht über den Ein-

fluss eines Maximalausbaus des Blexer Bogens auf die Tidedy-

namik („Grenzfallbetrachtung Blexer Bogen“). Gutachten, Bun-

desanstalt für Wasserbau.

[BAW (2003)] BAW. 2003. JadeWeserPort - Untersuchungen zum Einfluss

des JadeWeserPorts auf die Morphodynamik der Jade. Gutach-

ten, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (2004)] BAW. 2004. Ausbau Außenweser Variantenuntersuchungen im

Rahmen der Machbarkeitsstudie. Gutachten 5.02.10011.00,


[BAW (2006a)] BAW. 2006. Fahrrinnenanpassung der Unterweser, Fahrrin-

nenanpassung der Außenweser an die Entwicklungen im

Schiffsverkehr sowie Tiefenanpassung der hafenbezogenen


Seite 57

Wendestelle, Summationswirkung der Anpassungen von Unter-

und Außenweser, Gutachten zur ausbaubedingten Änderung

von Transportprozessen und Morphodynamik. Gutachten

A39550210048,2, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (2006b)] BAW. 2006. Fahrrinnenanpassung der Unterweser, Fahrrin-

nenanpassung der Außenweser an die Entwicklungen im

Schiffsverkehr sowie Tiefenanpassung der hafenbezogenen

Wendestelle, Summationswirkung der Anpassungen von Unter-

und Außenweser, Gutachten zur ausbaubedingten Änderung

von Hydrodynamik und Salztransport. Gutachten

A39550210048,1, Bundesanstalt für Wasserbau.

[BAW (2009)] BAW. 2009. Einfluss der Unterhaltung des Blexer Bogens auf

die Hydrodynamik und den Schwebstofftransport. Gutachten,


[Casulli (2009)] Casulli, V. 2009. A high-resolution wetting and drying algorithm

for free-surface hydrodynamics. International Journal for Nu-

merical Methods in Fluids, 60: 391–408.

[Casulli und Walters (2000)] Casulli, V. and Walters, R. A. 2000. An unstructured grid, three-

dimensional model based on the shallow water equations. In-

ternational Journal for Numerical Methods in Fluids, 32: 331–

348.

[Casulli und Zanolli (2002)] Casulli, V. and Zanolli, P. 2002. Semi-Implicit Numerical Model-

ling of Non-Hydrostatic Free-surface Flows for Environmental

Problems. Mathematical and Computer Modelling, 36: 1131–

1149.

[de la Motte (2000)] de la Motte, J. 2000. Tiefenintegrierte Simulation der Wirkung

von Sekundärströmungen in morphodynamischen Modellen.

Diplomarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg.

[Dieckmann (1989)] Dieckmann, R. 1989. Morphologische Strukturen im Wese-

rästuar. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen, 3: 104–

112.

[Dyer (1997)] Dyer, K. R. 1997. Estuaries: a physical introduction. John Wiley

and Sons, 2 nd edition.

[Fanger et al. (1985)] Fanger, H.-U., Grabemann, I., Heymann, K., Krasemann, H.

L., Kühl, H., Puls, W., Riethmüller, R. and Schubert, R. 1985.

Datenbericht Masex ´85. Technical Report, GKSS Geofor-

schungszentrum Geesthacht Universität Hannover Universität

Hamburg.

[Grabemann (1992)] Grabemann, I. 1992. Die Trübungszone im Weser-Ästuar:

Messungen und Interpretation. PhD thesis, Universität Ham-

burg.


Seite 58

[Götschenberg und Kahlfeld (2008)] Götschenberg, A. and Kahlfeld, A. 2008. The Jade. Die

Küste, 74: 263–274.

[Janssen et al. (1999)] Janssen, F., Schrum, C. and Backhaus, J. O. 1999. A Clima-

tological Data Set of Temperature and Salinity for the Baltic Sea

and the North Sea. German Journal of Hydrography, Supple-

ment 9.

[Knoch (2004)] Knoch, D. 2004. Die Kopplung von Seegang und Sediment-

transport in morphodynamischen Modellen und Anwendung auf

das Jade-Weser-Ästuar. Diplomarbeit, Technische Universität

Hamburg-Harburg.

[Lang (1990)] Lang, G. 1990. Zur Schwebstoffdynamik von Trübungszonen in

Ästuarien. Bericht 26, Institut für Strömungsmechanik und

Elektron. Rechnen im Bauwesen der Universität Hannover.

[Lang et al. (1989)] Lang, G., Schubert, R., Markofsky, M., Fanger, H.-

U., Grabemann, I., Krasemann, H. L., Neumann, L. J. R. and

Riethmüller, R. 1989. Data Interpretation and Numerical Model-

ing of the Mud and Suspended Sediment Experiment 1985.

Journal of Geophysical Research, 94: 14381–14393.

[Lange et al. (2008)] Lange, D., Müller, H., Piechotta, F. and Schubert, R. 2008. The

Weser Estuary. Die Küste, 74: 275–287.

[Maerker (2006)] Maerker, C. 2006. Die Modellierung der Sinkgeschwindigkeit

kohäsiver Schwebstoffe in Ästuaren. Diplomarbeit, Technische

Universität Hamburg-Harburg.

[Mai (2004)] Mai, S. 2004. Klimafolgenanalyse und Risiko für eine Küsten-

zone am Beispiel der Jade-Weser-Region. PhD thesis, Univer-

sität Hannover.

[Malcherek et al. (2005)] Malcherek, A., Piechotta, F., and Knoch, D. 2005. Morphody-

namical Module SediMorph - Validation Document, Version 1.1.

Technical Report, BAW.

[Marek (2001)] Marek, M. 2001. Simulation des Sedimenttransports in Suspension

und als Geschiebe: Ein Vergleich für das Jade-Weser-Ästuar.

Diplomarbeit, Universität Karlsruhe, Institut für Wasserbau und

Kulturtechnik.

[Masselink und Hughes (2003)] Masselink, G. and Hughes, M. G. 2003. Introduction to

coastal processes and geomorphology. Hodder Education.

[Meyer and Ragutzki (1999)] Meyer, C. and Ragutzki, G. 1999. KFKI Forschungsvorhaben

Sedimentverteilung als Indikator für morphodynamische Pro-

zesse. Technical Report, Niedersächsisches Landesamt für

Ökologie - Forschungsstelle Küste.

[Nittrouer und Wright (1993)] Nittrouer, C. A. and Wright, L. D. 1993. Transport of particles

across continental shelves. Reviews of Geophysics, 32: 85–

113.


Seite 59

[NLWKN (2005)] NLWKN. 2005. Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch -

Weser- und Emsgebiet 2002. Technical Report, Niedersächsi-

scher Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Natur-

schutz.

[Piechotta (2004)] Piechotta, F. 2004. Numerical modelling of the morphodynam-

ics in the area of the Jade - Weser estuary. Investigations on

sediment porosity as a parameter of erosional processes. Dip-

lomarbeit, Universität Kiel.

[Putzar (2003)] Putzar, B. 2003. Prognose von Dünenstrecken mit Tidekenn-

werten. Studienarbeit, Technische Universität Hamburg-

Harburg.

[Putzar (2004)] Putzar, B. 2004. Kalibrierung von HN-Modellen unter Vorgabe

von sedimentologischen und morphologischen Daten. Diplom-

arbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg.

[smile consult (2009)] smile consult. 2009. Weser-Gitter für Systemszustände der

letzten 4 Dekaden - Erstellung von Gitternetzen für das Modell-

verfahren UnTRIM. Technical report, smile consult GmbH.

[STOWA/RIZA (1999)] STOWA/RIZA. 1999. Smooth Modelling in Water Management,

Good Modelling Practice Handbook. STOWA report 99-05,

Dutch Dept. of Public Works, Institute for Inland Water Man-

agement and Waste Water Treatment.


Seite 60

8 Anlagen

8.1 Glossar

Abkürzung /

Begriff

Erläuterung

BAW Bundesanstalt für Wasserbau

BfG Bundesanstalt für Gewässerkunde

Thb Tidehub, mittlerer Höhenunterschied zwischen Thw und den beiden

benachbarten Tnw

Thw Tidehochwasser, höchster Wert der Tidekurve zwischen zwei aufeinan-

derfolgenden Tnw

Tmw Tidemittelwasser, Wasserstand der waagerechten Schwerelinie einer

Tidekurve

Tnw Tideniedrigwasser, niedrigster Wert der Tidekurve zwischen zwei auf-

einanderfolgenden Thw

TKE Turbulente Kinetische Energie

vfm mittlere Flutstromgeschwindigkeit, Mittelwert der Ganglinie über die

Flutstromdauer

vfx maximale Flutstromgeschwindigkeit, Maximalwert der Ganglinie über

die Flutstromdauer

vem mittlere Ebbestromgeschwindigkeit, Mittelwert der Ganglinie über die

Ebbestromdauer

vex maximale Ebbestromgeschwindigkeit, Maximalwert der Ganglinie über

die Ebbestromdauer

WSA / WSÄ Wasser- und Schifffahrtsamt / Wasser- und Schifffahrtsämter

WSV Wasser- und Schifffahrtsverwaltung


Seite 61

8.2 Zeitreihenvergleich von Messung und Rechnung

8.2.1 Vergleich berechneter und gemessener Wasserstände an Pegelpositio-

nen

Bereich Unter- und Außenweser

Bild 37: Wasserstand am Pegel „Leuchtturm Alte Weser“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 62

Bild 38: Wasserstand am Pegel „Dwarsgat Unterfeuer“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 39: Wasserstand am Pegel „Robbensüdsteert“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 63

Bild 40: Wasserstand am Pegel „Bremerhaven Alter Leuchtturm" für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 41: Wasserstand am Pegel „Nordenham Unterfeuer“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 64

Bild 42: Wasserstand am Pegel „Rechtenfleth" für Messung und Modell (oben) und Diffe-renz Messung - Modell (unten)

Bild 43: Wasserstand am Pegel „Brake“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 65

Bild 44: Wasserstand am Pegel „Elsfleth“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 45: Wasserstand am Pegel „Farge“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 66

Bild 46: Wasserstand am Pegel „Vegesack" für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 47: Wasserstand am Pegel „Oslebshausen“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 67

Bild 48: Wasserstand am Pegel „Große Weserbrücke“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bereich der Jade

Bild 49: Wasserstand am Pegel „Mellum Plate“ für Messung und Modell (oben) und Diffe-renz Messung - Modell (unten)


Seite 68

Bild 50: Wasserstand am Pegel „Schillig“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 51: Wasserstand am Pegel „Hooksielplate“ für Messung und Modell (oben) und Diffe-renz Messung - Modell (unten)


Seite 69

Bild 52: Wasserstand am Pegel „Voslapp“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 53: Wasserstand am Pegel „Wilhelmshaven Neuer Vorhafen“ für Messung und Mo-dell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 70

Bild 54: Wasserstand am Pegel „Wilhelmshaven Alter Vorhafen“ für Messung und Modell (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 71

8.2.2 Vergleich gemessener und berechneter Salzgehalte

Bild 55: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat" in der Tiefe -4.0 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 72

Bild 56: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat" in der Tiefe -7.5 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (un-ten)

Bild 57: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat" in der Tiefe -10.5 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (un-ten)


Seite 73

Bild 58: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Robbensüdsteert" in der Tiefe -4.3 mNHN (oben) und Differenz Messung - Mo-dell (unten)



Seite 74


Bild 61: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Messpfahl Bremerhaven" in der Tiefe -1.4 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 75

Bild 62: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Messpfahl Bremerhaven" in der Tiefe -4.4 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 63: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Messpfahl Bremerhaven" in der Tiefe -7.4 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten). Achtung: Nur aus Konsistenzgründen dargestellt, es liegen hier im betrachten Zeitraum keine Messungen vor.


Seite 76

Bild 64: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Nordenham" in der Tiefe -3.8 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)



Seite 77


Bild 67: Vergleich des Salzgehaltes zwischen Modell und Messung an der Messposition "Rechtenfleth" in der Tiefe -9.3 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 78




Seite 79

8.2.3 Vergleich gemessener und berechneter Strömungsgeschwindigkeiten

Bild 70: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat Unterfeuer" in der Tiefe -4.0 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)

Bild 71: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat Unterfeuer" in der Tiefe -7.5 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 80

Bild 72: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Dwarsgat Unterfeuer" in der Tiefe -10.5 mNHN (oben) und Diffe-renz Messung - Modell (unten)

Bild 73: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Robbensüdsteert" in der Tiefe -4.3 mNHN (oben) und Differenz Messung - Modell (unten)


Seite 81




Seite 82

Bild 76: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Messpfahl Bremerhaven" in der Tiefe -1.4 mNHN (oben) und Diffe-renz Messung - Modell (unten). Wie unter 5.3.3 beschrieben, sind die Messun-gen in diesem Bereich nur eingeschränkt mit dem Modell zu vergleichen.



Seite 83


Bild 79: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Rechtenfleth" in der Tiefe -9.3 mNHN (oben) und Differenz Mes-sung - Modell (unten)


Seite 84




Seite 85

Bild 82: Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Modell und Messung an der Messposition "Nordenham" in der Tiefe -3.8 mNHN (oben) und Differenz Mes-sung - Modell (unten)



Seite 86


8.2.4 Vergleich von Trübungsmessungen mit berechneten Schwebstoffgehal-

ten

Bild 85: Vergleich der gemessenen Trübung (MES) und dem berechneten Schwebstoff-gehalt (MOD) an der Messposition "Dwarsgat Unterfeuer" in der Tiefe -4.0 mNHN


Seite 87




Seite 88

Bild 88: Vergleich der gemessenen Trübung (MES) und dem berechneten Schwebstoff-gehalt (MOD) an der Messposition "Robbensüdsteert" in der Tiefe -4.3 mNHN



Seite 89


Bild 91: Vergleich der gemessenen Trübung (MES) und dem berechneten Schwebstoff-gehalt (MOD) an der Messposition "Messpfahl Bremerhaven" in der Tiefe -1.4 mNHN


Seite 90




Seite 91

Bild 94: Vergleich der gemessenen Trübung (MES) und dem berechneten Schwebstoff-gehalt (MOD) an der Messposition "Nordenham" in der Tiefe -3.8 mNHN



Seite 92


Bild 97: Vergleich der gemessenen Trübung (MES) und dem berechneten Schwebstoff-gehalt (MOD) an der Messposition "Rechtenfleth" in der Tiefe -9.3 mNHN


Seite 93



Documents

Validierung des Basismodells „Jade-Weser-Ästuar“ für das ... · baw (2004)] Neben diesen gutachterlichen Tätigkeiten konnten im Rahmen von betreuten Diplom- und Studienarbeiten