Zielsetzung und Fragestellungen

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, wesentliche wasserbauliche Fragestellungen für ausgewählte Nebenflüsse der Unterelbe auf der Grundlage eines vertieften, umfassenden Systemverständnisses zu beantworten. Die Fragestellungen beziehen sich auf i) den Hochwasserschutz, ii) die Morphodynamik und die morphologische Entwicklung sowie iii) die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf das Abflussgeschehen und die Morphodynamik.

Die Beantwortung dieser Fragestellungen ist sowohl für die zuständigen wasserwirtschaftlichen Institutionen als auch für die Bewohner der Auen und der Einzugsgebiete der Nebenflüsse von besonderem Interesse. Dabei sind die beiden erstgenannten Fragenstellungen aufgrund von aktuellen Geschehnissen, wie z.B. Überschwemmungen und abschnittsweise starken Verlandungen der Gewässersohle, von besonders hoher Bedeutung. Allerdings gewinnt auch die

dritte Fragestellung zu den Auswirkungen des Klimawandels mit dem Fortschreiten der Veränderungen der hydrologischen Rahmenbedingungen (u.a. Anstieg des mittleren Meeresspiegels) zunehmend an Bedeutung, da mittlerweile davon ausgegangen wird, dass sich diese Trends weiter fortsetzen und die aktuellen Probleme weiter verschärfen werden.

Eine fundierte Beantwortung der drei Fragestellungen erfordert aufgrund der vielfältigen Prozesse in den Nebenflüssen selbst sowie der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Nebenflüssen und der Elbe ein umfassendes Systemverständnis. Der Stand des Wissens ist in dieser Hinsicht allerdings nur in Ansätzen vorhanden, d.h. für einzelne Nebenflüsse wurden ausgewählte Fragestellungen isoliert betrachtet. Dementsprechend verfügt diese Arbeit auch nicht über ein eigenständiges Kapitel, das den Stand des Wissens zum übergeordneten Systemverständnis im Bereich der Nebenflüsse der Unterelbe zusammenfasst.

Wesentliche Gründe für das fehlende übergeordnete Systemverständnis sind unter anderem eine stark eingeschränkte Datengrundlage und weitgehend fehlende Instrumente, die eine integrierte Betrachtung der hydrologischen, hydrodynamischen und morphodynamischen Prozesse ermöglichen. Zudem fokussieren bisherige Untersuchungen zur Vertiefung des Systemverständnisses ausschließlich die Unterelbe, die eine weitaus höhere wirtschaftliche und gesellschaftliche Bedeutung hat. Einige wenige Untersuchungen, wie z.B. (BFG 2008), (BFG 2014), behandeln einige Nebenflüsse der Unterelbe zumindest randständig. Die untergeordnete Bedeutung dieser Flüsse wird außerdem deutlich in der niedrigen Priorität im Rahmen der Umsetzung der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie (HWRM-RL). Ein weiterer Aspekt, der teilweise ein bedeutsames Hindernis darstellt, ist die oftmals vorhandene kleinteilige Organisationsstruktur der Zuständigkeiten für Einzugsgebiets-, Gewässer-, Hinterland- oder Deichabschnitte. Diese Diversifikation der Zuständigkeiten führt dazu, dass die Verantwortung für die vergleichsweise kleinen Nebenflüsse auf mindestens fünf Institutionen verteilt sein kann. Ein Extremfall stellt z.B. die Este dar, wo mehr als 10 Institutionen beteiligt sind (Tabelle 1).

Tabelle 1: Wasserwirtschaftliche Aufgaben und Zuständigkeiten an der Este

Aufgabe Lfd.

oberhalb der Tidegrenze 6 Unterhaltungs- und Landschaftspflegeverband (ULV) Este Unterhaltung des Gewässers inkl.

Siele und Schöpfwerke unterhalb der Tidegrenze

7

8 Unterhaltungsverband (UHV) Altes Land (Nds.), Hauptentwässerungsverband der III. Meile des Alten

Landes (HH) Unterhaltung der

Bundeswasserstraße und Betrieb des Inneren Este-Sperrwerks

9 Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt (WSA) Hamburg

Betrieb des Äußeren

Este-Sperrwerks 10 Hamburg Port Authority (HPA)

Unterhaltung der Deiche 11 Deichverband der II. Meile Alten Landes

Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse schließen bestehende Wissenslücken und tragen grundlegend zur Entwicklung eines Systemverständnisses im Bereich der tidebeeinflussten Nebenflüssen der Unterelbe bei. Konkret wird das generierte Wissen dazu eingesetzt, um die eingangs erwähnten und nachfolgend im Detail erläuterten, Fragestellungen zu beantworten.

Statistische Einordnung seltener Schließereignisse im Unterlauf

Viele der größeren Nebenflüsse der Unterlebe sind im Bereich ihrer Mündung mit einem Sturmflutsperrwerk versehen. Es ist Aufgabe der Sperrwerke höhere Wasserstände, wie z.B. im Fall von Sturmfluten in der Unterelbe, zu kehren. Allerdings führen die Sperrwerke nicht dazu, dass keinerlei Hochwassergefahr mehr besteht. Hinter den Sperrwerken kann es zu Hochwassersituationen kommen, wenn der Binnenabfluss während einer lange andauernden Sperrwerksschließung im Nebenfluss aufgestaut wird. Dies führt zu einem fortwährenden Anstieg des Binnenwasserstandes, der erst durch die Wiederöffnung bei Spiegelgleichheit von Binnen- und Außenwasserstand gestoppt wird, d.h. je länger die Sperrung, desto höher der Wasserstand.

Lange Sperrzeiten werden vor allem durch Kettentiden, d.h. zwei oder drei Tiden, bei denen die Sperrwerke auch bei Tideniedrigwasser (Tnw) geschlossen bleiben, hervorgerufen. Der Gradient des Wasserspiegelanstiegs im Fall einer Sperrung hängt sowohl von dem Binnenabfluss als auch dem verfügbaren Stauraum binnenseitig des Sperrwerks ab und ist für jeden Nebenfluss eine individuelle Größe.

Die Ermittlung des maßgebenden Hochwasserstandes auf der Binnenseite der Sperrwerke erfordert zunächst eine Definition der maßgebenden Lastfallkombination aus Binnenzufluss und Schließdauer. Im Rahmen der Umsetzung der HWRM-RL, die von der Bundesregierung im Zuge der Novellierung in das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) übernommen wurde, ist zudem die Erstellung von Hochwassergefahrenkarten erforderlich. Die Hochwassergefahrenkarten sollen Informationen zu Hochwasserereignissen unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit enthalten. Diese Karten sind auch für die tidebeeinflussten Abschnitte einiger³ Nebenflüsse der Tideelbe zu erstellen. Um die Karten erstellen zu können, müssen relevante Hochwasserereignisse festgelegt und statistisch eingeordnet werden. Das gilt auch für die Lastfallkombination aus Binnenzufluss und Schließdauer.

Während zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit für ein Binnenhochwasserereignis standardisierte und gut dokumentierte Verfahren existieren (DVWK 1999), gibt es zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit für das kombinierte Auftreten eines Binnenhochwasserereignisses mit einer langandauernden Sperrwerksschließung bislang keine fachlich fundierte und zudem praxistaugliche Methode.

Im Rahmen der Berechnung von Überschwemmungsgebieten wurde für die meisten Nebenflüsse der Tideelbe eine Lastfallkombination zu Grunde gelegt. Diese setzt sich aus einem Zusammentreffen eines Binnenhochwassers mit einem Wiederkehrintervall von fünf bzw. zehn Jahren mit einer sturmflutbedingten Sperrwerksschließung über drei Sperrtiden zusammen. Eine nach dem Stand des Wissens berechnete Wahrscheinlichkeit wird für die Kombination nicht explizit angegeben. Stattdessen erfolgte zumeist eine Abschätzung auf der sicheren Seite. In der Konsequenz führt dies jedoch zu unnötig hohen Wasserständen, die wiederum unnötig hohe

3 Stör, Krückau, Pinnau, Oste

Kosten für den Bau oder für die Ertüchtigung von Hochwasserschutzanlagen verursachen. Ein Teilziel dieser Arbeit ist es daher, eine Methodik zur Berechnung des Wiederkehrintervalls unterschiedlicher Lastfälle und Lastfallkombinationen zu entwickeln und diese beispielhaft anzuwenden.

Morphodynamik und morphologische Entwicklung

Die Berufsschifffahrt ist an nahezu allen Nebenflüssen der Unterelbe stark rückläufig.

Dementsprechend wurde auch der Unterhaltungsaufwand angepasst. In diesem Zusammenhang wurde in den letzten Jahren die Frage aufgeworfen, wie die morphologische Entwicklung der Nebenflüsse unter reduzierten Unterhaltung voranschreiten wird. Im Allgemeinen wird zumindest abschnittsweise ein fortschreitender Verlandungstrend erwartet, denn aus der Praxis ist bekannt, dass aufgeweitete Abschnitte, wie z.B. Häfen oder der sperrwerksnahe Bereich, zu Auflandungen tendieren. Fundierte, generelle Aussaugen zur morphologischen Entwicklung der tidebeeinflussten Unterläufe der Nebenflüsse existieren bislang jedoch nicht. Eine sehr allgemeine Aussage zur morphologischen Entwicklung der Nebenflüsse findet sich in (Entelmann und Gätje 2012). Sie schreiben diesbezüglich:

„Aufgrund der Entwicklung in Nebenelben und Nebenflüssen (Aufsedimentationsprozesse,

„Verschlickung“), des Anstiegs von Feinmaterialbaggerungen im Bereich des Hamburger Hafens sowie der Verschiebung von WSV-Baggerschwerpunkten für Feinmaterial nach weiter stromauf wird von einer Aufweitung der Trübungszone bzw. einer Zunahme des Schwebstoffgehaltes insbesondere an ihrem stromauf gelegenen Ende in den letzten Jahrzehnten ausgegangen. Die Veränderungen und die den Veränderungen zugrunde liegenden Wirkprozesse können jedoch nicht zufriedenstellend beschrieben werden, da keine hinreichenden Messdaten aus der Vergangenheit zur Verfügung stehen. Grundlegende quantitative Fragen zum Feinsedimenthaushalt der Tideelbe sind nicht ausreichend beantwortet“

Die Autoren gehen demnach davon aus, dass die Nebenflüsse tendenziell verlanden. Die Intensität, mit der die Verlandungen voranschreiten, ist allerdings ebenso unklar wie die genauen Wirkprozesse.

Eine signifikante Verlandung in den Nebenflüssen hätte vor allem weitreichende Konsequenzen für die Wasserwirtschaft. Grundsätzlich führt eine Verlandung der Gewässersohle zu einer Reduktion des abflusswirksamen Querschnittes und begünstigt damit einen Anstieg des Tideniedrigwassers. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf die Vorflutverhältnisse im Nebenfluss. Da die Entwässerung der tiefliegenden Gebiete maßgeblich von den Wasserständen im Vorfluter abhängt, wäre in diesem Fall mit einer Verschlechterung der Entwässerungssituation zu rechnen. In der Folge wäre ein weiterer Ausbau der Schöpfwerkskapazitäten erforderlich, was wiederum hohe Kosten verursachen würde.

Die morphologische Entwicklung wird u.a. durch die Tide- und Sedimentdynamik der Elbe sowie durch den Abfluss und die Schwebstoffzufuhr aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Auch der Betrieb der wasserwirtschaftlichen Anlagen, wie z.B. Schöpfwerke und Sperrwerke, haben einen Einfluss auf die morphologische Entwicklung.

Für die Krückau führte Donner Untersuchungen zum Einfluss von Sperrwerksschließungen bei niedrigen und hohen Oberwasserzuflüssen durch und zeigte mit Hilfe von

hydrodynamisch-numerischen Modellrechnungen, dass Sperrwerksschließungen tendenziell Auflandungen begünstigen, bzw. die Erosion reduzieren (Donner 2014). Außerdem wurden kurzfristige morphologische Änderungen der Krückau auf der Grundlage von Fächerecholotpeilungen beschrieben. Allerdings war der zugrunde gelegte Datensatz zu kurz, um mittel- oder langfristige Trends oder gar komplexere Zusammenhänge abzuleiten. Genau dies ist ein weiteres Teilziel dieser Arbeit. Hierfür ist zunächst das Systemverständnis hinsichtlich der morphologischen Entwicklung der Unterläufe zu verbessern. Dazu muss diese möglichst exakt erfasst und beschrieben werden. Anschließend sind relevante Einflussfaktoren zu identifizieren. Dazu sind zum einen langjährige Messzeitreihen auszuwerten und zu analysieren. Zum anderen sind systematische Modelluntersuchungen (Sensitivitätsstudien) zum Einfluss der äußeren Rahmenbedingungen (Tide, Oberwasserzufluss, Schwebstoffkonzentration) und von Parametrisierungen (Rauheit, Sinkgeschwindigkeit, kritische Schubspannungen) auf die Dynamik des Schwebstofftransportes erforderlich.

Mögliche⁴ Auswirkungen des Klimawandels

In der Fachwelt gilt es mittlerweile als gesichert, dass anthropogene Emissionen von Treibhausgasen die Entwicklung des weltweiten Klimas beeinflussen (Stocker et al. 2013). Selbst wenn das Zwei-Grad-Ziel, dem sich die internationale Politik verschrieben hat, erreicht werden sollte, sind für Europa steigende mittlere Temperaturen, extremere Höchsttemperaturen im Sommer sowie häufigere und intensivere Starkregenereignisse zu erwarten (Vautard et al. 2014).

Dies gilt auch für den Bereich Norddeutschland (ebd.). Die veränderten Rahmenbedingungen werden sich u.a. auf das Abflussgeschehen, die Wasserstände und auf den Schwebstofftransport in den Flüssen auswirken. Eine Folge des globalen Anstiegs der mittleren Temperatur ist der Anstieg des globalen Meeresspiegels (Stocker et al. 2013). Dieser wird sich über die Nordsee und die Ästuare bis in die Nebenflüsse ausbreiten und vor allem zu einer veränderten Tide- und Sedimentdynamik führen.

Vor diesem Hintergrund wird die Frage aufgeworfen, in welcher Ausprägung sich die Veränderungen in den Nebenflüssen zeigen werden. Eine frühzeitige Einschätzung der möglichen zukünftigen Situation ist aus wasserwirtschaftlicher und hochwasserschutztechnischer Sicht unbedingt erforderlich, um ausreichend Zeit zur Planung und Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen zu haben.

Voraussetzung zur Einschätzung zukünftiger Situationen ist die Kenntnis der Entwicklung des zukünftigen Klimas. In diesem Bereich gab es im Bereich der Forschung vor allem im vergangenen Jahrzehnt deutliche Fortschritte, so dass die erforderliche Wissens- und Datengrundlage bezüglich der treibenden Prozesse sowie die erforderliche Modelltechnik mittlerweile zur Verfügung stehen. Mit Hilfe von Regionalen Klimamodellen kann die unter Annahme definierter Szenarien zu erwartende Veränderung der Klimaparameter bestimmt werden. Für Mitteleuropa liegen mittlerweile die Ergebnisse mehrerer Rechenläufe in

4 Die Formulierung „mögliche Auswirkungen“ ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die Änderung der Klimaparameter als auch die Größenordnung der Änderung des Meeresspiegels auf Grund verschiedener Unsicherheitsfaktoren nicht vorhersagbar ist. Dementsprechend ist auch das Ausmaß der Folgen nicht vorhersagbar. Allerdings ist es möglich die Auswirkungen im Rahmen der zu erwartenden Bandbreiten zu ermitteln.

vergleichsweise hoher räumlicher (rd. 10x10km) und zeitlicher Auflösung (1h) vor. Diese Datengrundlage ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen auf kleine Flusseinzugsgebiete wie die der Nebenflüsse der Unterelbe, die sich im Allgemeinen durch kurze Reaktionszeiten auszeichnen.

Bezüglich des globalen Meeresspiegelanstiegs existiert mittlerweile ebenfalls eine Vielzahl an Studien, die Angaben bezüglich des zu erwartenden Anstiegs bis zum Jahr 2100 und darüber hinaus machen. Außerdem existieren einige Studien, aus denen der zu erwartende Meeresspiegelanstieg in der Nordsee abgeleitet werden kann. Eine darauf aufbauende Systemanalyse zur Reaktion der Tideelbe auf verschiedene Szenarien zum Meeresspiegelanstieg (Holzwarth et al. 2011) bildet eine gute Ausgangslage für Untersuchungen an den Nebenflüssen.

Erste Erkenntnisse bezüglich der Auswirkungen auf den Hochwasserschutz und möglichen Anpassungsmaßnahmen an Nebenflüssen der Unterelbe wurden von (Nehlsen et al. 2014) am Beispiel der Krückau dargestellt. Die Grundlage für die präsentierten Ergebnisse bilden umfassende, detaillierte Untersuchungen mit Hilfe hydrologischer und hydrodynamisch-numerischer Modelle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden weitere und tiefergehende Erkenntnisse für die Nebenflüsse der Unterelbe dargestellt. Die Grundlage hierfür bilden detaillierte Untersuchungen am Beispiel der Krückau und der Este. Die Schwerpunkte der Untersuchungen liegen dabei zum einem im Bereich des Hochwasserschutzes und zum anderen im Bereich der Dynamik des Schwebstofftransportes. Ein Ziel im Rahmen dieser Arbeit ist die Beschreibung der Auswirkungen der veränderten Rahmenbedingungen auf hydrologische sowie morphodynamische Prozesse sowie auf den Hochwasserschutz.