Anpassung der seewärtigen Zufahrt zum Seehafen Rostock Gutachten zu vorhabenbedingten Änderungen schiffserzeugter Belastungen B3955.03.06.10001

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Anpassung der seewärtigen Zufahrt zum Seehafen Rostock

Gutachten zu vorhabenbedingten Änderungen schiffserzeugter

Belastungen

B3955.03.06.10001

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Bundesanstalt für Wasserbau

Auftraggeber: Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Stralsund Wamper Weg 5, 18439 Stralsund

Auftrag vom: 8. März 2016, Az.: Gz: 3115 / 2 - 231.2-Wa2/3-2 Auftrags-Nr.: BAW-Nr. B3955.03.06.10001

Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich Referat: Küsteningenieurwesen (K1) Bearbeiter: Dipl. Geoökol. Marko Kastens

Hamburg, im Mai 2019

Das Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentli- chung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW.

Anpassung der seewärtigen Zufahrt zum Seehafen Rostock

Gutachten zu vorhabenbedingten Änderungen schiffserzeugter

Belastungen

Stand: 14.5.2019

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Zusammenfassung

Mit Schreiben vom 14.04.2009 beantragte das Land Mecklenburg-Vorpommern beim damaligen Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS) den weiteren Ausbau des Seekanals Rostock. Träger des Gesamtvorhabens ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Stralsund.

Das BMVBS erteilte daraufhin am 03.07.2009 einen Planungsauftrag an die damalige WSD Nord.

Am 10.10.2014 wurde der Untersuchungsrahmen von der GDWS festgesetzt. Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) wurde am 8.3.2016 vom WSA Stralsund beauftragt, das Verfahren fachwissenschaftlich zu begleiten. Im Juli 2017 wurde mit dem Träger des Vorhabens (TdV) vereinbart, nur noch die Variante zu untersuchen, die die größten erwartbaren vorhabenbedingten Änderungen erzeugt. Nach einer Analyse der BAW ist das für den Bereich der schiffserzeugten Belastung die Variante 2 (Variante mit dem größten Vertiefungsmaß).

Das vorliegende Gutachten behandelt ausschließlich die Untersuchungen zum Aspekt der schiffserzeugten Belastungen. In weiteren Gutachten der BAW werden u.a. die Themen Hydro- dynamik und Geotechnik behandelt.

Die eingesetzte Untersuchungsmethode zur Bestimmung der vorhabenbedingten Änderungen der schiffserzeugten Belastungen durch ein neues Bemessungsschiff (l=275 m, b=48 m, t=15 m) ist ein computergestütztes numerisches Simulationsverfahren (CFD). Mit diesem Verfahren werden unter Aufteilung des Seekanals von den Molenköpfen bis zur großen Wendeplatte in drei Bereiche mit drei charakteristischen Querprofilen die vorhabenbedingten Änderungen berechnet. Aus den berechneten Werten werden unter Berücksichtigung der Simulationsunsi- cherheiten Prognosewerte abgeleitet.

Unter Einbeziehung der Ergebnisse einer aktuellen Messkampagne zur Erfassung des Ist- Zustandes wird in den drei Bereichen die aktuelle Ist-Situation beschrieben, prägende Prozesse aufgezeigt und die zu erwartenden Belastungsänderungen angegeben.

Der Eingriff zur Herstellung der geplanten Sollsohle findet über die gesamte Länge des in diesem Gutachten untersuchten Teilstücks des Seekanals von den Molenbauwerken bis zur großen Wendeplatte statt. Die damit einhergehende Querschnittsaufweitung des Seekanals durch Ver- tiefung kompensiert nicht die Vergrößerung des Schiffsquerschnittes des neuen Bemessungs- schiffes (l=275 m, b=48 m, t=15 m) im Vergleich zum bisherigen Bemessungsschiff. Daher verringert sich vorhabenbedingt das Querschnittsverhältnis n und die schiffserzeugte Belastung wird vorhabenbedingt steigen.

Durch das gegenüber dem bisherigen Bemessungsschiff größere geplante neue Bemessungs- schiff entstehen höhere Belastungen als bisher. Die BAW prognostiziert auf Basis von numerischen Berechnungen eine vorhabenbedingte schiffserzeugte zusätzliche Belastung, die sich aus einem größeren Absunk von 1,5 dm bis 2 dm sowie einer größeren Rückstromgeschwindigkeit von 3,5 dm/s bis 4,5 dm/s am Böschungsfuß der Fahrrinne ergibt.

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Bundesanstalt für Wasserbau ▪ Anpassung der seewärtigen Zufahrt zum Seehafen Rostock -

vorhabenbedingte Änderungen schiffserzeugter Belastungen ▪ BAW-Nr. B3955.03.06.10001 ▪ Mai 2019

Es muss berücksichtigt werden, dass das bisherige Bemessungsschiff (l=250 m, b=40 m, t=13 m) in der über 16 wöchigen Messkampagne im Jahr 2017 nicht ein einziges Mal den Seehafen Rostock angelaufen hat. Schiffe dieser Größe machen folglich nicht den täglichen Schiffsverkehr aus und bilden keine ständige Belastung. Für die derzeit dominierenden Schiffe – Personenschif- fe wie Kreuzfahrtschiffe und Fähren – wird sich das zukünftige Querschnittsverhältnis kaum ändern bzw. aufgrund der Querschnittsaufweitung tendenziell verbessern. Es ist davon auszu- gehen, dass sich durch diese Schiffe die Wellen- und Strömungsbelastung nicht verschlechtern sondern tendenziell sogar etwas verringern wird, eine gleichbleibende Schiffsgeschwindigkeit von 6,5 kn vorausgesetzt.

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Inhaltsverzeichnis Seite

1 Veranlassung und Aufgabenstellung 1

1.1 Historie der Planung 1

1.2 Aufgabenstellung an die BAW 1

2 Unterlagen und Daten 2

3 Schiffserzeugte Belastung 3

3.1 Allgemeine Bemerkungen 3

3.2 Definition der kennzeichnenden Größen 3

4 Erfassung des Ist-Zustands der schiffserzeugten Belastungen 7

4.1 Messprogramme in der Natur 7

5 Prinzipieller Wirkmechanismus für die schiffserzeugten Belastungen 17

6 Methodisches Vorgehen 18

6.1 Bewertung möglicher Untersuchungsmethoden 18

6.2 Untersuchungsmethode CFD 19

6.2.1 Untersuchungskonzept 19

6.2.1.1 Untersuchungsbereich 19

6.2.1.2 Untersuchte Schiffe 21

6.2.1.3 Untersuchungsbedingungen 22

6.2.1.4 Sensitivitätsstudien 22

6.2.1.5 Einschränkungen der Aussagefähigkeit 23

6.2.2 Modellaufbau 23

6.2.2.1 Modellgeometrie 23

6.2.2.2 Schiffe 26

6.2.2.3 Anfangs- und Randbedingungen 26

6.2.3 Simulationen 27

6.2.4 Analyseparameter 28

6.2.4.1 Wasserspiegeländerungen 29

6.2.4.2 Strömungsgeschwindigkeiten 30

6.2.5 Validierung der CFD-Methode 31

6.2.6 Genauigkeit und Variabilität 32

6.3 Simulationsergebnisse und Schlussfolgerungen 34

6.3.1 Allgemeine Ergebnisse und Schlussfolgerungen 34

6.3.2 Simulationsergebnisse für das Bemessungsschiff 36

6.3.3 Simulationsergebnisse für das häufigste Schiff 40

7 Prognosewerte zur Ermittlung der vorhabenbedingten Änderungen 44

7.1 Prognosewerte 44

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7.1.1 Bemessungsschiff 44

7.1.2 Häufigstes Schiff (RoPax-Fähre) 45

8 Sensitivitätsstudien 47

8.1 Geringerer Wasserstand 47

8.2 Zusätzliche Einengung durch festliegende Kreuzfahrtschiffe 49

8.3 Außermittige Fahrt 50

9 Betroffenheiten 53

9.1 Äußeres Molensystem – Bereich 1 55

9.2 Alter Strom – Bereich 1 55

9.3 Sportboothafen – Bereich 1 56

9.4 Fährtaschen und Kreuzfahrtterminal – Bereich 2 57

9.5 Werfthafen – Bereich 2 58

9.6 Pagenwerder und Zufahrt zum Marinehafen – Bereich 3 59

9.7 Hafenanlagen, Breitling und Peezer Bach 60

9.8 Unterwarnow 61

10 Allgemeine Betroffenheiten 62

10.1 Sport und Kleinschifffahrt 62

10.2 Marinearchäologische Kulturgüter 62

10.3 Fahrrinne und Unterwasserböschungen 62

11 Weitere Bauvorhaben entlang des Seekanals 64

11.1 Erweiterung des Sportboothafens 65

11.2 Umbau des Werfthafens 66

12 Schlussfolgerungen zu den vorhabenbedingten Änderungen 68

13 Literaturverzeichnis 69

Anlagen 70

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Bildverzeichnis Seite Bild 1: Schiffswellen im unbeschränkten Fahrwasser (Draufsicht, schematisch). 4 Bild 2: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme (schematisch). 4 Bild 3: Schiffserzeugte Verdrängungsströmung (schematisch). 5 Bild 4: Darstellung des Teilquerschnitts einer Wasserstraße mit ausgewählten

Kennzahlen und Einflussgrößen im Zusammenhang der schiffserzeugten

Belastungen (schematisch). 6

Bild 5: Positionen zur Messung der schiffserzeugten Belastung (aus Bericht IMP

Ingenieure, U 6). 8

Bild 6: Verteilung der Absunk- Primär- und Sekundärwellenhöhen sowie des Seegangs

an der Messposition Molenkopf (aus U 6). 10

an der Messposition Revierzentrale (aus U 6). 10

an der Messposition Pagenwerder (aus U 6). 11

an der Messposition Peezer Bach (aus U 6). 11

Bild 10: Verteilung der Absunk- und Primärwellenhöhen an der Messposition Alter

Strom (aus U 6). 12

Bild 11: Maximale gemessene Rückstromgeschwindigkeiten an den Messpositionen

Molenkopf, Revierzentrale und Pagenwerder (Daten aus U 6). 14 Bild 12: Maximale Wellenhöhen Hmo und Wellenperioden TP an den Messpositionen

Molenkopf, Revierzentrale, Pagenwerder, Peezer Bach und Alter Strom (aus

U 6). 16

Bild 13: Ausschnitt des Untersuchungsquerschnitts an Profil 2 (Revierzentrale, Bild 14) des Seekanals Rostock mit bisherigem (dunkelgrau) und neuen (hellgrau)

Bemessungsschiff. 17

Bild 14: Die drei Untersuchungsbereiche des Seekanals Rostock (rot umrandet; von Nord nach Süd: Bereich 1 Molenkopf, Bereich 2 Revierzentrale und Bereich 3 Pagenwerder) mit den repräsentativen Querschnitten (gelb), vier Positionen der Messkampagne 2017 (grün; von Nord nach Süd: Pos.1 Molenkopf, Pos.5 Alter Strom, Pos.2 Revierzentrale, Pos.3 Pagenwerder, auf dem Bild nicht zu

sehen ist Pos.4 Peezer Bach) und Kilometrierung. 20 Bild 15: 3D-Volumenkörper der untersuchten Schiffe; links: neues Bemessungsschiff

Bulker; rechts: häufigstes Schiff RoPax-Fähre. 22

Bild 16: Das repräsentative Querprofil Molenkopf, (DGM, schematisiert für den Ist- und

Ausbauzustand). 24

Bild 17: Das repräsentative Querprofil Revierzentrale, (DGM, schematisiert für den Ist-

und Ausbauzustand). 25

Bild 18: Das repräsentative Querprofil Pagenwerder, (DGM, schematisiert für den Ist-

und Ausbauzustand). 25

Bild 19: Schnitt durch die Schiffslängsachse mit Berechnungsgitter. 27

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Bild 20: Die drei charakteristischen Querprofile im Modell mit den Analysepositionen am Böschungsfuß der Fahrrinne West/Ost (schwarze senkrechte Linien für

Wasserstand und rote Kugeln für Strömungsgeschwindigkeiten). 28 Bild 21: Beispiel eines errechneten Wasserstandsverlaufs entlang des Kanals. 29 Bild 22: Beispielhafter zeitlicher Verlauf der Kennwerte Absunk (links) und

Primärwelle (rechts) sowie ihrer Mittelwerte und Vertrauensbereiche in der

Auswertezeitspanne (roter Bereich). 30

Bild 23: Beispielhafte Darstellung der schiffserzeugten Strömungsgeschwindigkeiten zu unterschiedlichen Zeiten der Simulation (blau: 150 s, rot: 175 s, grün: 200 s)

entlang eines Transektes. 31

Bild 24: Beispielhafte maximale Werte der Rückstromgeschwindigkeit über die

Simulationszeit an einer Analyseposition. 31

Bild 25: Häufigkeitsverteilung der Standardabweichungen der Kennwerte; links:

Standardabweichungen der Kennwerte der schiffserzeugten

Wasserstandsänderung, rechts: Standardabweichungen der Kennwerte der

schiffserzeugten Rückströmung. 33

Bild 26: Simulierte Werte des Bugstaus in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit

am Profil 1 im Ist-Zustand. 34

Bild 27: Simulierte Werte des Absunks in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit

am Profil 1 im Ist-Zustand. 34

Bild 28: Simulierte Werte der Heckwelle in Abhängigkeit von der

Schiffsgeschwindigkeit am Profil 1 im Ist-Zustand. 35 Bild 29: Simulierte geschwindigkeitsabhängige Rückstromgeschwindigkeiten am Profil

1 in unterschiedlichen Wassertiefen (s. Kapitel 6.2.4.2). 36 Bild 30: Simulierter Absunk in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit an Profil 1

(Molenkopf) – Bemessungsschiff. 36

Bild 31: Simulierter Absunk in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit an Profil 2

(Revierzentrale) – Bemessungsschiff. 37

(Pagenwerder) – Bemessungsschiff. 37

Bild 33: Simulierte Rückstromgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

Schiffsgeschwindigkeit an Profil 1 (Molenkopf) – Bemessungsschiff. 38 Bild 34: Simulierte Rückstromgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

Schiffsgeschwindigkeit an Profil 2 (Revierzentrale) – Bemessungsschiff. 39 Bild 35: Simulierte Rückstromgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

Schiffsgeschwindigkeit an Profil 3 (Pagenwerder) – Bemessungsschiff. 39 Bild 36: Simulierter Absunk in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit an Profil 1

(Molenkopf) – RoPax-Fähre. 40

(Revierzentrale) – RoPax-Fähre. 41

(Pagenwerder) – RoPax-Fähre. 41

Schiffsgeschwindigkeit an Profil 1 (Molenkopf) – RoPax-Fähre. 42

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Schiffsgeschwindigkeit an Profil 2 (Revierzentrale) – RoPax-Fähre. 42 Bild 41: Simulierte Rückstromgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

Schiffsgeschwindigkeit an Profil 3 (Pagenwerder) – RoPax-Fähre. 43

Bild 42: RoPax-Fähre im Profil 2 (Revierzentrale). 45

Bild 43: Simulierte Werte des Absunks für das neue Bemessungsschiff im Ausbauzustand in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit bei

unterschiedlichen Lagen des Ruhewasserspiegels. 48 Bild 44: Simulierte Werte der Rückstromgeschwindigkeit für das neue

Bemessungsschiff im Ausbauzustand in Abhängigkeit von der

Schiffsgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Lagen des Ruhewasserspiegels. 48 Bild 45: Querschnitt am Profil 2 mit zusätzlicher schematischer Einengung um 38 m

bzw. 44 m durch festliegende Kreuzfahrtschiffe im westlichen Teil des

Querschnitts. 49

Bild 46: Simulierte Werte des Absunks für das neue Bemessungsschiff im

Ausbauzustand in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit bei Einengung

des Querschnitts um 38 m und 44 m. 50

Bild 47: Simulierte Werte der Rückstromgeschwindigkeit für das neue Bemessungsschiff im Ausbauzustand in Abhängigkeit von der

Schiffsgeschwindigkeit bei Einengung des Querschnitts um 38 m und 44 m. 50 Bild 48: Simulierte Werte des Absunks für das neue Bemessungsschiff im

Ausbauzustand in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit bei

außermittiger Fahrt auf der Ostseite. 51

Bild 49: Simulierte Werte der Rückstromgeschwindigkeit für das neue Bemessungsschiff im Ausbauzustand in Abhängigkeit von der

Schiffsgeschwindigkeit bei außermittiger Fahrt auf der Ostseite. 51 Bild 50: Teilquerschnittsverhältnisse im Seekanal im Ist- und Ausbauzustand (AZ)

jeweils für die Seiten westlich und östlich der Fahrrinnenmitte. 54 Bild 51: Teilquerschnittsverhältnisse entlang des Seekanals für den Ist-Zustand, den

Ausbauzustand und dem geplanten Sportboot- und Werfthafen. 64 Bild 52: Ausschnitt aus der Planunterlage zum Sportboothafen (U 7). 65

Bild 53: Umgebung mit dem geplanten Sportboothafen. 65

Bild 54: Ausschnitt aus der Scopingunterlage der Hansestadt Rostock vom 28.8.2017

(aus U 8). 67

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Tabellenverzeichnis Seite

Tabelle 1: Verkehrsaufkommen und Anzahl der maßgebenden Ereignisse (aus U 6) – die Zahlen liegen höher als in der folgenden Tabelle, da hier noch

Mehrfachereignisse enthalten sind. 9

Tabelle 2: Passierabstände zur Messposition und Abstand zur Fahrrinnenmitte (nach U 6). 9 Tabelle 3: Ortsbezogene Höchstwerte der Kennwerte des Primär- und

Sekundärwellensystems für die Dauer der Messkampagne (Werte aus U 6). 12 Tabelle 4: Ortsbezogene Höchstwerte der Kennwerte der Strömung und der signifikanten

Wellenhöhe des Seegangs für die Dauer der Messkampagne (Werte aus IMP-

Bericht, vgl. U 6). 13

Tabelle 5: In der Untersuchung eingesetzte Schiffe mit ihren Hauptabmessungen. 21 Tabelle 6: Randbedingungen für die repräsentativen Profile. 24 Tabelle 7: Prognostizierte Zunahmen des Kennwertes Absunk durch das neue

Bemessungsschiff. 44

Tabelle 8: Prognostizierte Zunahmen des Kennwertes Rückstromgeschwindigkeit durch

das neue Bemessungsschiff. 44

Tabelle 9: Prognostizierte Zunahmen des Kennwertes Absunk durch die RoPax-Fähre. 45 Tabelle 10: Prognostizierte Zunahmen des Kennwertes Rückstromgeschwindigkeit durch

die RoPax-Fähre. 46

Tabelle 11: Zusätzliche Zunahme und Abnahme der Kennwerte Absunk und Rückstromgeschwindigkeit auf der Ost- und Westseite von Profil 2

(Revierzentrale) bei östlicher um 10 m bzw. 20 m außermittiger Fahrt. 52

Anlagenverzeichnis

Anlage 1: Geometrische Querschnittsanalyse der charakteristischen Querprofile 1-3

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Symbolverzeichnis

Zeichen Begriff Einheit

A Querschnittsfläche der Wasserstraße m²

AT Teilquerschnittsfläche der Wasserstraße m²

AS Eingetauchter Hauptspantquerschnitt m²

b Schiffsbreite in Hauptspantebene m

BS Sohlbreite der Wasserstraße m

cB Völligkeitsgrad der Verdrängung eines Schiffes - Frh FROUDEsche Tiefen-Zahl = vS / (g • h)^0,5 bez. auf Wassertiefe - Frl FROUDEsche Längen-Zahl = vS / (g • l)^0,5 bez. auf Schiffslänge -

g Erdbeschleunigung m/s²

h Wassertiefe m

H Wellenhöhe m

HP Primärwellenhöhe m

HS Sekundärwellenhöhe m

l Schiffslänge auf Wasserlinie m

L Passierabstand vom Ufer m

m Böschungsneigung 1:m -

n Querschnittsverhältnis n = A / AS -

nT Teilquerschnittsverhältnis nT = AT / 0,5 • AS -

PU Unterschreitungswahrscheinlichkeit %

Re REYNOLDSzahl = vS• l / ν -

RT,K Gesamtwiderstand eines Schiffes im Kanal -

sB Bugstau / Schwallwelle m

t Schiffstiefgang m

T Wellenperiode s

UKC Under-Keel-Clearance (Kielfreiheit) m

v0 Grundströmung in der Wasserstraße m/s

vR Rückstromgeschwindigkeit m/s

vRES resultierende Strömungsgeschwindigkeit m/s

vS,üG Schiffsgeschwindigkeit über Grund kn

vS,dW Schiffsgeschwindigkeit gegen Wasser kn

zA Absunk des Wasserspiegels m

∆ Differenzgröße -

Anmerkung: kn: Knoten = Seemeilen pro Stunde = 1,852 km/h = 0,51 m/s.

TEU: Containereinheit (20 Fuß-Container)

Tdw: tons dead weight = Tragfähigkeit von Schiffen FdW: Fahrt durchs Wasser

AZ: Ausbauzustand

EFD: experimental fluid dynamics  hydraulisches Modell CFD: computational fluid dynamics  numerisches Modell

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Weitere Begriffsbestimmungen sind dem Glossar der BAW zu entnehmen:

http://www.baw.de/DE/glossar/glossar.html

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1 Veranlassung und Aufgabenstellung

Der Hafenstandort Rostock blickt auf eine über 800 Jahre alte Tradition von der Zeit der Hanse bis in die Gegenwart zurück. Heute ist er ein wichtiger Verkehrsknotenpunkt für den Verkehr nach Skandinavien und das Baltikum (Bauermeister 2008).

Der Seekanal Rostock dient als Zufahrt zum Seehafen Rostock. Bereits heute laufen Schiffe den Seehafen Rostock an, die die Abmessungen des dem heutigen Ausbauzustand zugrunde liegen- den Bemessungsschiffes in der Länge, der Breite und im Maximaltiefgang überschreiten. Daher wurde eine Anpassung der Fahrrinnenabmessungen in den Bundesverkehrswegeplan aufgenommen. Der Ausbauplanung wird ein neues Bemessungsschiff mit den Abmessungen l=275 m, b=48 m, t=15 m zugrunde gelegt (WSV 2017).

1.1 Historie der Planung

Mit Schreiben vom 14.4.2009 beantragte das Land Mecklenburg-Vorpommern beim damaligen Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS) den weiteren Ausbau des Seekanals Rostock. Träger des Gesamtvorhabens ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt (WSA) Stralsund.

Das BMVBS erteilte daraufhin am 3.7.2009 einen Planungsauftrag an die damalige WSD Nord. In einer Machbarkeitsstudie wurden die Auswirkungen der Maßnahme bereits vorläufig abge- schätzt (BAW 2010b). Am 10.10.2014 erfolgte die Festsetzung des Untersuchungsrahmens von der GDWS (U 1 und U 2). Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) wurde am 8.3.2016 vom WSA Stralsund beauftragt, das Verfahren fachwissenschaftlich zu begleiten.

1.2 Aufgabenstellung an die BAW

Für die Umweltverträglichkeitsprüfung erstellt die BAW eine wasserbauliche Systemanalyse zur Ermittlung ausbaubedingter Änderungen der abiotischen Systemparameter. Die zu bearbeiten- den Themenkomplexe umfassen die Hydrodynamik und die schiffserzeugten Belastungen.

Dieses Gutachten behandelt die Parameter der vorhabenbedingten schiffserzeugten Belastung.

Diese Parameter lauten im Einzelnen:

 Änderungen der schiffserzeugten instationären Wasserspielgelauslenkungen (Wellen- bild) und

 Änderungen der schiffserzeugten instationären Strömungsgeschwindigkeiten.

Das Thema Hydrodynamik wird in einem separaten Gutachten bearbeitet.

Im Juli 2017 wurde mit dem Träger des Vorhabens (TdV) vereinbart, nur noch die Variante zu untersuchen, die die größten vorhabenbedingten Änderungen erwarten lässt. Nach einer Analy- se der BAW (U 5) ist das für den Bereich der schiffserzeugten Belastung die Variante 2 (Varian-

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te 2 ist die Variante mit dem größeren Vertiefungsmaß, U 1). Zwar sind in der Variante 3 die Vertiefungen gegenüber der Variante 2 geringer und damit eine zu erwartende Veränderung schiffserzeugter Belastungen größer (größere Wassertiefe -> geringere Schiffswellen), dieser Effekt wird jedoch dadurch überkompensiert, dass das Bemessungsschiff nur teilabgeladen bis zu einem Tiefgang bis 14,3 m zugelassen wird.

2 Unterlagen und Daten

Zur Projektbearbeitung standen der BAW u.a. folgende Unterlagen und Daten zur Verfügung:

U 1: Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Stralsund, Unterlagen zum Scoping-Termin,

„Ausbau des Seekanals Rostock auf NHN -16,xx m - Unterlage zum Scoping-Termin nach § 5 UVP“, Stralsund, 19.2.2014

U 2: Generaldirektion Wasserstraßen und Schifffahrt – Außenstelle Nord – Planfeststellungsbehörde, Unterlagen zum Scoping-Termin, „Festsetzung des Untersu- chungsrahmens nach § 5 UVPG für den Ausbau des Seekanals Rostock auf NHN – 16,xx m“, 10.10.2014

U 3: E-Mail vom WSA-Stralsund an die BAW, „Festlegung der Vergleichsschiffe zur Progno- se vorhabenbedingter Änderungen“, 16.9.2016

U 4: Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Stralsund, „Entwurf und Lieferung von Ver- gleichsschiffen“, digitale Schiffsrisse des DNV-GL aus einer öffentlichen Ausschreibung, Januar 2017

U 5: E-Mail von der BAW an das WSA-Stralsund, „Festlegung Ausbauvariante“, 5.7.2017 U 6: IMP Ingenieure GmbH & Co KG, „Durchführung von Naturmessungen und Auswertung

schiffsinduzierter Wellen- und Strömungsbelastungen im Seekanal in Rostock“, Bericht 374 für das Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Stralsund, Februar 2018

U 7: Teile der Planunterlagen der Hansestadt Rostock zum Umbau des Sportboothafens, E-Mail mit Anhang vom WSA Stralsund, März 2018

U 8: Teile der Planunterlagen der Hansestadt Rostock zum Umbau des Werfthafens, E-Mail mit Anhang vom WSA Stralsund, März 2018

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3 Schiffserzeugte Belastung 3.1 Allgemeine Bemerkungen

Wellen- und Strömungsbelastungen auf die seitlichen Einfassungen von Wasserstraßen sind instationäre hydrodynamische Belastungen. Diese Belastungen können natürlich verursacht sein (z.B. Windwellen oder Gefälleströmung) oder anthropogen (z.B. durch ein fahrendes Schiff).

Letztere werden in diesem Gutachten behandelt.

Die grundsätzlichen physikalischen Zusammenhänge der Wellen- und Strömungsverhältnisse um ein fahrendes Schiff wurden seit Anfang des letzten Jahrhunderts in zahlreichen Veröffentli- chungen behandelt und im Gutachten der BAW zur Fahrrinnenanpassung der Unter- und Au- ßenelbe aufgearbeitet (BAW 1996).

Im Folgenden werden die physikalischen Grundlagen kurz erläutert und zusammengefasst.

3.2 Definition der kennzeichnenden Größen

Bei der Fahrt eines Schiffes durch das Wasser treten infolge der durch das Schiff verursachten Verdrängungsströmung (BERNOULLI-Strömung) und der auftretenden Druck- und Was- serspiegeländerungen an Bug, Heck und Schiffslängsseite Wellensysteme mit unterschiedlichen Perioden auf. Sie können auch als sichtbare Größe des Schiffswiderstands verstanden werden.

Die Schiffswellen- und Strömungssysteme sind gekennzeichnet durch

 die Schwallwelle als vorauslaufende Ablösung des Bugstaus,

 den Bugstau sB direkt am Schiffskörper,

 den Absunk zA seitlich am Schiff,

 die Heckwelle als Teil des durch den Absunk angeregten langperiodischen Primärwellensystems HP,

 die kurzperiodischen Sekundärwellen HS,

 die Periode des Primärwellensystems THp (soweit möglich),

 die Sunkzeit TSU (Bugstau bis Absunk),

 die Stiegzeit TST (Absunk bis Primärwelle),

 die Periode der Sekundärwellen THs

sowie

 die Rückströmung vR, mit ihren Komponenten in Abhängigkeit von Bugstau, Absunk, Heckwelle und Sekundärwellen.

Das Wellenbild eines Schiffes in unbeschränktem Fahrwasser ist als Draufsicht in Bild 1 skiz- ziert.

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Bild 1: Schiffswellen im unbeschränkten Fahrwasser (Draufsicht, schematisch).

Die durch die Schiffswellen hervorgerufenen Wasserspiegeländerungen in begrenztem Fahr- wasser zeigt schematisch Bild 2.

Bild 2: Seitliche Ansicht der Schiffswellensysteme (schematisch).

In ihrer zeitlichen Abfolge werden für einen am Ort stehenden Betrachter folgende Änderungen des Ruhewasserspiegels deutlich: Bugstau, Absunk als Differenz von Bugstau (oder Schwallwel-

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le) und maximalem Wasserspiegelabfall, Primärwelle (Heckwelle) sowie das die ausschwingen- de Primärwelle überlagernde Sekundärwellensystem.

Die resultierende schiffserzeugte Verdrängungs- oder Rückströmung ist schematisch in Bild 3 dargestellt. Ausgewählte Kennwerte sind in Bild 4 anhand des Querschnitts einer Wasserstraße in einer stark überhöhten Skizze zusammengestellt.

Die kurzperiodischen Sekundärwellen entstehen – in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindig- keit und besonders der Schiffsform – durch die unterschiedlichen Druckverteilungen an Bug, vorderer und hinterer Schulter sowie Heck. Eine detaillierte Beschreibung und graphische Dar- stellung der verschiedenen Komponenten der Schiffswellen, des Einflusses der Schiffsform und ihrer Überlagerungen sind bei Schneekluth (1988) zu finden.

Bild 3: Schiffserzeugte Verdrängungsströmung (schematisch).

Die Größen der von fahrenden Schiffen erzeugten Wasserspiegelschwankungen und Strömun- gen sind eine Funktion

 von Schiffsgeschwindigkeit vS und Passierabstand L,

 der Schiffsabmessungen (Länge l, Breite b, Tiefgang t, eingetauchter Hauptspantquerschnitt AS, Blockfaktor cB),

 vom Gesamtwiderstand des Schiffes RT,K, (Schiffsform),

 der Fahrwasserverhältnisse (Wasserspiegelbreite B, Sohlbreite BS, Wassertiefe h, Querprofilform und -fläche A sowie Teilquerschnitt AT, Ufergeometrie und Böschungsneigung 1:m),

 der Strömungsverhältnisse in der Wasserstraße v0 (z.B. ve oder vf),

 sonstiger Einflüsse, wie z.B. Krümmungsradius, Driftwinkel, Antriebsart,

 Dichte des Wassers.

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Sowohl Veröffentlichungen als auch eigene Untersuchungen zeigen als wesentliche Größen für die schiffserzeugten Belastungen in inhomogenen Seeschifffahrtsstraßen

 die Schiffsgeschwindigkeit vS,

 der Passierabstand vom Ufer L,

 das Teilquerschnittsverhältnis nT als Funktion des Passierabstands L (nT = AT / 0,5 AS) für die asymmetrische Belastung der Ufer und

 das Verhältnis von Gesamtwassertiefe zum Tiefgang h/t.

Bild 4: Darstellung des Teilquerschnitts einer Wasserstraße mit ausgewählten Kennzahlen und Einflussgrößen im Zusammenhang der schiffserzeugten Belastungen (schema- tisch).

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4 Erfassung des Ist-Zustands der schiffserzeugten Belastungen 4.1 Messprogramme in der Natur

Für den letzten Ausbau der Zufahrt zum Seehafen Rostock wurden Beweissicherungsmessungen in drei Messkampagnen durchgeführt (IM+P GbR 2001). Die erste der drei Messungen erfolgte vom Juni bis Dezember 1996 vor Beginn der Baumaßnahme. Die zweite fand vom April 1998 bis März 1999 statt, während der Baumaßnahme, und die dritte vom Oktober 1999 bis Juni 2000 im Anschluss an den Ausbau des Seekanals. Gemessen wurden an 8 Positionen sowohl Wasser- stand, Seegang als auch Schiffswellen und an einer Position im Alten Strom darüber hinaus auch die Strömung.

Diese Messungen liegen mehr als 15 Jahre zurück, die Schiffsflotte, die den Seekanal derzeit befährt, hat in den letzten Jahren einen Wandel vollzogen und aus heutiger Sicht stehen andere Bereiche im Fokus. Daher hat der TdV im Jahr 2017 Schiffswellenmessungen zur Erfassung der aktuellen schiffserzeugten Belastung ausgeschrieben und beauftragt. Erfasst werden sollten drei charakteristische Messquerschnitte entlang des Seekanals sowie zwei Gebiete mit besonderer Betroffenheit. An folgenden Positionen wurden schiffserzeugte Wellen gemessen (Bild 5):

 Molenkopf

 Revierzentrale

 Pagenwerder

 Peezer Bach

 Alter Strom

Auftragnehmer war die Firma IMP Ingenieure, die im Februar 2018 ihren Bericht an das Wasser- straßen- und Schifffahrtsamt Stralsund übergeben hat (U 6). Die folgende Beschreibung des Ist- Zustandes baut auf diesen aktuellen Messungen und Auswertungen auf und fasst die Ergebnisse zusammen.

Kurzbeschreibung der Messkampagne

An den beschriebenen Positionen wurde vom 4.4.2017 bis zum 23.8.2017 gemessen. Ziel war die Aufnahme eines 16-wöchigen Datenkollektivs mit ungestörten und vollständigen Zeitreihen.

Aus den gemessenen Zeitreihen des Wasserstands und der Strömung wurden die kennzeichnenden Parameter (Kapitel 3.2) sowie der kennzeichnende Seegang bestimmt.

Um Ereignisse zuverlässig werten zu können, müssen sie sich vom Grundrauschen abheben. Das Kriterium war hierfür eine Höhe der Wellen von mehr als 0,1 m für Absunk, Primärwellen- und Sekundärwellenhöhe. Die sehr häufigen Passagen der Kleinfähre über den Seekanal, die an der Messposition 2 (Revierzentrale) aufgenommen wurden, sind nicht ausgewertet worden.

Das Verkehrsaufkommen betrug in der Messzeit an den drei Messpositionen im Seekanal (Posi- tion 1 „Molenkopf“, Position 2 „Revierzentrale“ und Position 3 „Pagenwerder“) zwischen 14000 und etwa 19000 Passagen. Davon haben 10-12 % in den Profilen 1 und 2 maßgebende Ereignis- se im Primärwellensystem (> 0,1 m Absunk und Primärwelle) erzeugt. Im Profil 3 waren es etwa 3 %. Maßgebende Ereignisse für Absunk und Primärwelle wurden erzeugt von etwa 80 % Pas- sagierschiffen, von etwa 15 % Frachtschiffen und von etwa 3 % Tankern.

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Bild 5: Positionen zur Messung der schiffserzeugten Belastung (aus Bericht IMP Ingenieure, U 6).

Für die maßgebenden Ereignisse im Sekundärwellensystem lag der Anteil der Ereignisse > 0,1 m Sekundärwelle bei unter 4 % der Gesamtereignisse, erzeugt von Passagierschiffen (35-55 %), Frachtschiffen (4-10 %) und Tankern (2-6 %).

Für die Position 2 (Revierzentrale) sind beispielhaft das Verkehrsaufkommen sowie die maßge- benden Ereignisse, getrennt nach Schiffstypen in Absolutwerten und prozentualem Anteil, zusammengestellt (Tabelle 1, aus U 6).

Die gemessenen Passierabstände der Schiffe zu den genannten Messpositionen sind in Tabelle 2 aufgelistet. Einen großen Einfluss für die gemessene Wellenhöhe hat neben der Geschwindigkeit des Schiffs, der Größe und Form auch der Passierabstand zur Messposition. Da hier eine große Spannbreite des Passierabstands gemessen wurde, können einfache Zuordnungen wie: „die schnellsten und/oder größten Schiffe machen die größten Wellen“ nicht vorgenommen werden.

Die Messungen sind statistisch als Gesamtbelastung zu interpretieren.

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Tabelle 1: Verkehrsaufkommen und Anzahl der maßgebenden Ereignisse (aus U 6) – die Zahlen liegen höher als in der folgenden Tabelle, da hier noch Mehrfachereignisse¹ enthalten sind.

Tabelle 2: Passierabstände zur Messposition und Abstand zur Fahrrinnenmitte (nach U 6).

Messposition gemessener Passierabstand [m]

Abstand Messposition Fahrrinnenmitte [m]

Profil 1 – Molenkopf 35 – 290 220

Profil 2 – Revierzentrale 25 - 210 100

Profil 3 – Pagenwerder 20 - 360 100

Profil 4 – Peezer Bach 65 - 135 65

Profil 5 – Alter Strom - -

Die Verteilung der Kennwerte (Bild 6 - Bild 10) sowie die gemessenen Maximalwerte (Tabelle 3 und Tabelle 4) geben einen Gesamtüberblick über die erfasste Situation.

1 Zwei oder mehr nahezu zeitgleiche Ereignisse, die nicht einem Schiff eindeutig zugeordnet werden können

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Bild 6: Verteilung der Absunk- Primär- und Sekundärwellenhöhen sowie des Seegangs an der Messposition Molenkopf (aus U 6).

Bild 7: Verteilung der Absunk- Primär- und Sekundärwellenhöhen sowie des Seegangs an der Messposition Revierzentrale (aus U 6).

(25)

Bild 8: Verteilung der Absunk- Primär- und Sekundärwellenhöhen sowie des Seegangs an der Messposition Pagenwerder (aus U 6).

Bild 9: Verteilung der Absunk- Primär- und Sekundärwellenhöhen sowie des Seegangs an der Messposition Peezer Bach (aus U 6).

(26)

Bild 10: Verteilung der Absunk- und Primärwellenhöhen an der Messposition Alter Strom (aus U 6).

Ortsbezogen traten während der Messkampagne folgende Höchstwerte für die Kennwerte auf (Tabelle 3 und Tabelle 4).

Tabelle 3: Ortsbezogene Höchstwerte der Kennwerte des Primär- und Sekundärwellensystems für die Dauer der Messkampagne (Werte aus U 6).

Absunk zA Primärwellen HP Sekundärwellen HS

Messposition Anzahl zA

[-]

max. zA

[m]

Anzahl HP

[-]

max. HP

[m]

Anzahl HS

[-]

max. HS

[m]

Molenkopf 1394 0,68 1307 0,78 78 0,96

Revierzentrale 2068 0,62 1927 0,51 154 0,57

Pagenwerder 445 0,29 373 0,28 497 0,41

Peezer Bach 3 0,24 7 0,27 8 0,17

Alter Strom 1948 0,55 1938 0,65 - -

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Tabelle 4: Ortsbezogene Höchstwerte der Kennwerte der Strömung und der signifikanten Wel- lenhöhe des Seegangs für die Dauer der Messkampagne (Werte aus IMP-Bericht, vgl.

U 6).

Grundströmung v0

Rückströmung vR

sign. Wellenhöhe Hm0 (Seegang) Wellenperiodendauer TP (Schiff) Messposition max. v0

[m/s]

max vR

[m/s]

max. Hm0

[m]

TP

[s]

Molenkopf 0,23 1,74 0,68 2-8

Revierzentrale 0,4 1,23 0,42 2-7

Pagenwerder 0,15 0,71 0,22 1-7

Peezer Bach 0,08 0,5 0,45 1-6

Alter Strom 0,1 0,58 0,18 3-7

Primärwellensystem

Es konnten mehr als 1300 Ereignisse mit einem Absunk und einer Primärwelle größer 0,1 m an der Messposition Molenkopf erfasst werden. Durch Verengung des Querschnitts auf Höhe der Revierzentrale und damit einhergehend größeren Belastungen stieg die Zahl der erfassten Er- eignisse mit einer Wellenhöhe größer 0,1 m auf etwa 2000 an und fiel dann nach einer Quer- schnittsaufweitung an der Messposition Pagenwerder auf knapp 500 Ereignisse. Die Höchstwer- te von Absunk und Primärwellenhöhe von etwa 0,7-0,8 m an der Position Molenkopf nahmen weiter nach Süden hin ab und verringerten sich auf Höhe der Messposition Pagenwerder auf etwa 0,3 m. Nach AIS-Datenauswertung nahm auch die Geschwindigkeit der Schiffe von Nord nach Süd leicht ab.

An der Messposition Peezer Bach waren kaum Ereignisse (< 10 in vier Monaten) vorhanden. Die maximal gemessenen Höhen von Absunk und Primärwelle lagen bei etwa 0,25 m bei einem Passierabstand von 65 m – 135 m.

An der Messposition im Alten Strom traten mehr Ereignisse auf als an der Messposition Mo- lenkopf. Die Belastungen resultierten aus dem lokalen Verkehr und dem Verkehr auf dem See- kanal und der von dort einlaufenden Welle. Durch den längeren Laufweg bis zur Messposition Alter Strom verlor die Primärwelle Energie, so dass die Maximalwerte mit etwa 0,6 m etwas geringer ausfielen als an der Messposition Molenkopf. Als ein mittlerer Dämpfungsfaktor kann ein Wert von 0,85 angenommen werden.

Die Verteilungen für den Absunk und die Primärwellenhöhe (Bild 6 und Bild 10) sind sehr ähn- lich. Fahrzeuge < 170 m Länge, < 27 m Breite und < 5 m Tiefgang lieferten keine maßgeblichen Beiträge (U 6). Das erforderliche Geschwindigkeitsniveau für maßgebende Absunk- und Pri- märwellenereignisse lag bei etwa 6,5 kn.

Sekundärwellensystem

Sekundärwellen größer 0,1 m traten deutlich weniger häufig auf als Primärwellen – maximal etwa 500 Ereignisse bei Pagenwerder (Tabelle 3). Die sie erzeugenden Schiffe hatten Abmes- sungen < 170 m Länge, < 27 m Breite und < 5 m Tiefgang. Das erforderliche Geschwindigkeitsni- veau für maßgebende Sekundärwellen lag bei mindestens 5 kn. Ein Sekundärwellenereignis wurde gegenüber dem Seegang abgegrenzt, wenn die Bedingung HS > 2,25 x Hm0 vorlag.

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Auch die maximale Höhe der Sekundärwellen nahm nach Süden hin ab. Der höchste gemessene Wert von etwa 1 m Wellenhöhe (als Ausnahme, die zweithöchste Sekundärwellenhöhe folgte mit etwa 0,65 m) im Norden nahm auf Höchstwerte um etwa 0,4 m bei Pagenwerder ab.

Am Peezer Bach gab es wenige Ereignisse von gemessenen Sekundärwellen > 0,1 m, bedingt durch den geringen Schiffsverkehr mit geringen Schiffsgeschwindigkeiten. Die Höchstwerte betrugen dort 0,17 m.

Im Alten Strom wurde kein Ereignis von Sekundärwellen > 0,1 m aufgezeichnet.

Strömungen

Die aufgetretenen maximalen Grundströmungen (Tabelle 4) lagen zwischen 0,15 m/s an der Messposition Pagenwerder und 0,4 m/s an der Position Revierzentrale, bedingt durch den verringerten Querschnitt. Die Strömungsverteilung an der Messposition Revierzentrale zeigt, dass Grundströmungen > 0,2 m/s sehr selten (< 1%) auftraten. Generell lag im Seekanal eine geringe Grundströmung vor.

An der Messposition Peezer Bach lagen nur drei Ereignisse vor, die alle eine Grundströmung von weniger als 0,1 m/s anzeigten. Die gemessenen Grundströmungen an der Position Alter Strom betrugen bei allen Ereignissen weniger als 0,1 m/s.

Die gemessenen Rückströmungen vR verteilten sich über die drei Positionen wie in Bild 11 dargestellt. Für etwa 10% aller Ereignisse lag die Rückstromgeschwindigkeit über 0,4 m/s. Rück- stromgeschwindigkeiten > 1m/s wurden insgesamt vier Mal gemessen.

An der Position Molenkopf lagen, bedingt durch den höheren Passierabstand, nur etwa 5 % der Werte über 0,4 m/s. Die höchsten Werte traten, bedingt durch die Querschnittseinengung, an der Messposition Revierzentrale auf.

Bild 11: Maximale gemessene Rückstromgeschwindigkeiten an den Messpositionen Molenkopf, Revierzentrale und Pagenwerder (Daten aus U 6).

(29)

Die drei gemessenen Ereignisse an der Messposition Peezer Bach weisen Rückstromgeschwin- digkeiten von etwa 0,4 – 0,5 m/s auf (Tabelle 4).

Im Alten Strom betrug die maximal gemessene Rückstromgeschwindigkeit etwa 0,6 m/s, wobei 99 % der Ereignisse eine Rückstromgeschwindigkeit von weniger als 0,2 m/s aufwiesen (U 6).

Seegang

Der Parameter Seegang ist nicht Teil dieses Gutachtens. Es ist jedoch bei der Interpretation von schiffserzeugten Wellen erforderlich, die Sekundärwellen der Schiffe von Windwellen zu unter- scheiden. Da der Seegang zu diesem Zweck aufgezeichnet und ausgewertet wurde, wird das Ergebnis der Messungen hier dargestellt.

Die Auswertung des Seegangs erfolgte in einem halbstündigen Zeitraster. In der Auswertung sind auch Sekundärwellen enthalten, die dieselben Periodendauern wie der Seegang aufweisen.

Wellenhöhen und -periodendauern für alle Messpositionen zeigt das Bild 12.

Der höchste Seegang aus der Ostsee wurde für den Parameter Hm0 mit etwa 0,7 m im Norden an der Position Molenkopf gemessen. Nach Süden nahm die Seegangsbelastung auf maximale Werte von etwa 0,2 m ab. Die Messpositionen Molenkopf und Revierzentrale wiesen Periodendauern von 2 bis 7 Sekunden auf, während an der Position Pagenwerder auch kürzere Periodendauern erfasst wurden, was auf lokalen Seegang hinweist.

An der Position 4 (Peezer Bach) war nahezu nur lokaler, kurzperiodischer Seegang mit einer maximalen signifikanten Wellenhöhe von 0,4 m vorhanden. Die wenigen gemessenen Sekun- därwellen lagen unterhalb von 0,2 m (U 6 und Tabelle 3). Damit spielte der lokale Seegang die dominante Rolle an dieser Messposition.

Im Alten Strom wurden maximale signifikante Wellenhöhen von kleiner als 0,2 m gemessen.

Bei den Werten für den Seegang muss beachtet werden, dass die Messkampagne zwischen April und August lag, in einer Zeitspanne, in der üblicherweise eher geringe Seegangsereignisse vorliegen. Diese Daten bilden somit nicht das volle Jahresspektrum des Seegangs ab.

In IM+P GbR 2001 wurden längere Zeitspannen betrachtet, so dass ergänzend zu den aktuellen Messungen noch die länger zurückliegenden Informationen aus der Messkampagne 1999/2000 verwendet werden, um einen besseren Eindruck über die maximalen Seegangsverhältnisse zu bekommen. Ähnliche Messpositionen zu denen der letzten Messung lagen für die Messposition x2 aus 1999/2000 vor der Einfahrt im Alten Strom (vergleichbar mit der Messposition Mo- lenkopf) sowie die Messposition o8 in der östlichen Fährtasche (vergleichbar mit der Messposi- tion Revierzentrale) vor. Diese Positionen wiesen in der Messkampagne 1999/2000 Höchstwer- te für Hm0 von etwa 1,6 m (x2) bzw. 0,4 m (o8) auf.

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Bild 12: Maximale Wellenhöhen Hmo und Wellenperioden TP an den Messpositionen Molenkopf, Revierzentrale, Pagenwerder, Peezer Bach und Alter Strom (aus U 6).

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5 Prinzipieller Wirkmechanismus für die schiffserzeugten Belastungen

Das neue Bemessungsschiff (l=275 m, b=48 m, t=15 m) wird gegenüber dem bisherigen Bemes- sungsschiff (l=250 m, b=40 m, t=13 m) nicht nur länger und tiefer, sondern auch breiter (Bild 13).

Bild 13: Ausschnitt des Untersuchungsquerschnitts an Profil 2 (Revierzentrale, Bild 14) des Seekanals Rostock mit bisherigem (dunkelgrau) und neuen (hellgrau) Bemessungs- schiff.

Der Hauptspantquerschnitt des Schiffes AS vergrößert sich von 510 m² auf 706 m² (+38 %).

Auch der Querschnitt des Seekanals wird durch den Ausbau verändert (Bild 13, die weiße Fläche unter der hellblauen Fläche kommt durch den Ausbau hinzu) und vergrößert sich am Profil 2 von 2797 m² auf 3039 m² (+9 %). Durch die ungleiche Zunahme der Querschnitte verschiebt sich das Querschnittsverhältnis n (A/AS), hier von n=5,5 vor der Maßnahme auf n=4,3 nach der Maßnahme. Auch das verdrängte Volumen des Bemessungsschiffs ändert sich von 111.340 m³ auf 171.434 m³ mit einer Differenz von etwa 60000 m³ (+54 %). Bei einer Fahrt von 6 kn werden, vom derzeitigen Bemessungsschiff vereinfacht dargestellt, etwa 1500 m³/s Wasser ver- drängt, bei dem neuen Bemessungsschiff sind es bei gleicher Geschwindigkeit etwa 2000 m³/s und damit etwa 500 m³/s (+ 33 %) mehr als zuvor. Durch die deutliche Erhöhung des verdräng- ten Volumens bei nahezu gleichem durchflossenem Querschnitt ist eine Belastungszunahme zu erwarten.

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6 Methodisches Vorgehen

6.1 Bewertung möglicher Untersuchungsmethoden

Mögliche Bearbeitungsmethoden zur Prognose der vorhabenbedingten Änderung der schiffserzeugten Belastung sind:

 Empirische und analytische Berechnungsmethoden,

 Prognose auf Basis von Messungen in der Natur,

 Versuche im hydraulischen Maßstabsmodell (EFD: Experimental Fluid Dynamics),

 Numerische Berechnungsverfahren (CFD: Computational Fluid Dynamics).

Alle aufgeführten Methoden sind ausführlich in (BAW 2018) beschrieben und sollen hier nur kurz zusammengefasst wiedergegeben werden².

Empirische und analytische Berechnungsmethoden

Theoretisch hergeleitete oder empirisch entwickelte Berechnungsansätze können aufgrund der begrenzten Anzahl von gewählten physikalischen Parametern die Wechselwirkung zwischen Wasserstraße und Schiffspassage für zusammengesetzte unregelmäßige Profile nur unzu- reichend beschreiben.

Für eine quantitative Abschätzung der schiffserzeugten Belastung durch die seegängige Groß- schifffahrt auf den großen inhomogenen Seeschifffahrtsstraßen sind die bekannten empirischen und analytischen Berechnungsansätze nicht anwendbar. Eine abgesicherte rechnerische Ermitt- lung vorhabenbedingter Änderungen der schiffserzeugten Belastung kann deswegen mit diesen Ansätzen nicht erfolgen.

Prognose auf Basis von Messungen in der Natur

Messungen in der Natur können nur den Ist-Zustand erfassen. Prognosen zu den Änderungen der schiffserzeugten Belastung sind allein auf der Basis von Messungen in der Natur nicht mög- lich.

Versuche im hydraulischen Maßstabsmodell

Abgesicherte, quantitative Prognosen der vorhabenbedingten Änderungen von schiffserzeugten Belastungen im extremen Flachwasser von inhomogenen Wasserstraßen sind wie in den letzten Jahrzehnten mit der Methode des hydraulischen Modellversuchs in einem fachlich hinreichen- den Maßstab gewährleistet.

2 Weiterführende Informationen sind auch auf den Internetseiten der BAW verfügbar:

https://www.baw.de/DE/wasserbau/methoden/wasserbaul_versuchswesen/schiffserzeugte_belastunge n/schiffserzeugte_belastungen.html

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Numerische Berechnungsverfahren

Numerische Berechnungsverfahren (CFD) sind einsetzbar und liefern belastbare Ergebnisse, sofern gezeigt werden kann, dass die Ergebnisse in einem ähnlichen physikalischen Umfeld validiert worden sind. Unter dieser Voraussetzung sind sie als gleichwertig zu hydraulischen Maßstabsmodellen einzustufen.

6.2 Untersuchungsmethode CFD

Die in dieser Untersuchung verwendete Methode ist das CFD-Softwareverfahren StarCCM+.

Diese Software wird seit vielen Jahren in den verschiedensten Technologiesektoren der Indust- rie weltweit eingesetzt, so auch im marinen Bereich. Seit etwa 2009 wird sie in der BAW in FuE- Projekten eingesetzt. Auf die Validierung des Verfahrens wird in Kapitel 6.2.5 eingegangen.

6.2.1 Untersuchungskonzept

Die Untersuchungen wurden so konzipiert, dass sie den Vorgaben aus dem Scopingtermin genü- gen (U 1 und U 2).

Aus technischen Gründen musste für die CFD-Untersuchung ein Maßstab gewählt werden, da die Abmessungen in der Natur nicht direkt in der Software umgesetzt werden konnten. Der Maß- stab 1:40 wurde gewählt, da in diesem bereits einige Projekte in der BAW durchgeführt wurden, das CFD-Verfahren damit validiert ist und somit Erfahrungswerte für diesen Maßstab vorliegen (siehe auch Kapitel 6.2.5). Die berechneten Werte wurden auf Naturmaßstabswerte umgerech- net.

Die Untersuchung gliedert sich in drei Teile: Im ersten Teil wurden die vorhabenbedingten Veränderungen auf Grundlage der Bemessungsschiffe ermittelt. Im zweiten Teil wurden die Änderungen mit dem häufigsten Schiff untersucht und der dritte Teil umfasste Sensitivitätsun- tersuchungen, um die Variabilität der Belastungsgrößen bei veränderten Randbedingungen im CFD-Modell zu ermitteln.

6.2.1.1 Untersuchungsbereich

Der Untersuchungsbereich für die schiffserzeugten Belastungen ist der Seekanal von den Molen- köpfen (etwa km 6,8) bis zur großen Wendeplatte (km 4,0; Bild 14).

In der großen Wendeplatte und der Zufahrt zum Öl- und Chemiehafen zwischen km 2,0 und km 4,0 ist wegen der sehr geringen Fahrgeschwindigkeit der Schiffe mit keinen messbaren schiffserzeugten Belastungszunahmen zu rechnen. Dieser Abschnitt wurde somit hier nicht weiter betrachtet. Die häufigsten Schiffe (RoPax-Fähren) verkehren nicht in diesem Abschnitt.

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Bild 14: Die drei Untersuchungsbereiche des Seekanals Rostock (rot umrandet; von Nord nach Süd: Bereich 1 Molenkopf, Bereich 2 Revierzentrale und Bereich 3 Pagenwerder) mit den repräsentativen Querschnitten (gelb), vier Positionen der Messkampagne 2017 (grün; von Nord nach Süd: Pos.1 Molenkopf, Pos.5 Alter Strom, Pos.2 Revierzentrale, Pos.3 Pagen- werder, auf dem Bild nicht zu sehen ist Pos.4 Peezer Bach) und Kilometrierung.

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Der Untersuchungsbereich (km 4,0 – km 6,8) kann in drei charakteristische Abschnitte aufgeteilt werden. Diese Abschnitte folgen den Messpositionen im Seekanal (Bild 5), haben durchgehend ähnliche geometrische Profilabmessungen und lassen sich wie folgt gliedern (Bild 14):

 Bereich 1 (Molenkopf): von den Molenköpfen im Norden bis zu den alten Fähranlegern bei etwa km 6.

 Bereich 2 (Revierzentrale): der anschließende engere Abschnitt bis zum WSA- Stützpunkt einschließlich der heutigen Fährtaschen in der Nähe der Revierzentrale. In diesem Bereich liegen ebenfalls das Kreuzfahrtterminal und der Werfthafen.

 Bereich 3 (Pagenwerder): von der Einfahrt zum Marinehafen und der Insel Pagenwerder auf der Ostseite des Seekanals und dem sich aufweitenden Querschnitt auf der Westseite bis zur großen Wendeplatte.

In diesen drei Bereichen wurde je ein repräsentativer Querschnitt ausgewählt, der nahe an der jeweiligen Messposition liegt und möglichst keine besonderen lokalen Gegebenheiten wie Kolke und/oder Auflandungen aufweist. Für diese drei Querschnitte wurden die vorhabenbedingten Veränderungen in Systemversuchen in einem numerischen CFD-Modell ermittelt.

6.2.1.2 Untersuchte Schiffe

Die Hauptabmessungen der für die Untersuchung zu betrachtenden Schiffe wurden vom TdV vorgegeben (U 3). Da keine Schiffsrisse zu den vorgegebenen Abmessungen vorlagen, hat die BAW daraufhin eine Ausschreibungsunterlage für eine öffentliche Vergabe zum Schiffsentwurf der Untersuchungsschiffe erarbeitet und dem TdV zur Verfügung gestellt. Als Ergebnis dieser Ausschreibung wurden der BAW vom TdV Schiffsentwürfe mit digitalen Schiffsformen für ihre Untersuchung zur Verfügung gestellt (U 4).

Folgende Schiffstypen wurden als Bemessungsschiffe bzw. als das am häufigsten verkehrende Schiff eingesetzt (Tabelle 5 und Bild 15):

Tabelle 5: In der Untersuchung eingesetzte Schiffe mit ihren Hauptabmessungen.

Schiffstyp Länge (l)

[m] Breite (b)

[m] Tiefgang (t)

[m] Bemerkung

Tanker 250 40 13 Bemessungsschiff für den Ausbau 1998/99

Bulker 275 48 15 Bemessungsschiff für den geplanten Ausbau

RoPax-Fähre 169,5 25,4 5,6 häufigstes Schiff (ab 2016)

Der Tanker, der mit den genannten Hauptabmessungen als Bemessungsschiff des letzten Aus- baus 1998/99 fungierte, wurde nach aktuellen Maßgaben neu entworfen und hat eine Verdrän- gung von 111.340 m³. Er wurde in dieser Untersuchung als Vergleichsschiff der Ist-Variante eingesetzt.

Als neues Bemessungsschiff kam ein Bulker – ebenfalls nach aktuellen Gesichtspunkten konstru- iert - mit einer Verdrängung von 171.434 m³ zum Einsatz (Bild 15).

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Die häufigsten Schiffe bis 2015 waren die RoPax-Fähren „PRINS JOACHIM“ und „KRONPRINS FREDERIK“ mit einer Länge von l=143,2 m. Diese wurden mittlerweile durch die Hybridfähren

„COPENHAGEN“ und „BERLIN“ mit einer Länge von l=169,5 m ersetzt.

Da die alten Fähren zum Zeitpunkt dieser Untersuchung nicht mehr verkehrten, wurde als Ver- gleichsschiff in der Untersuchung der häufigsten Schiffe sowohl für den Ist-Zustand als auch für den Ausbauzustand nur die RoPax-Fähre mit l=169,5 m verwendet (Bild 15).

Bild 15: 3D-Volumenkörper der untersuchten Schiffe; links: neues Bemessungsschiff Bulker; rechts:

häufigstes Schiff RoPax-Fähre.

6.2.1.3 Untersuchungsbedingungen

Die Wellenbilder und Strömungen der Vergleichsschiffe wurden im Ist-Zustand und im Ausbau- zustand (AZ) in den jeweiligen charakteristischen Profilen errechnet.

Die Wassertiefe bei der Berechnung befand sich auf dem Bezugsniveau von 0 m NHN. Da es keine ausgeprägte Grundströmung im Seekanal gibt (Kapitel 4.1), fuhren die Schiffe in der Simu- lation durch ruhendes Wasser. Dabei fuhren die Schiffe entlang der Fahrrinnenachse (mittig).

Die Schiffsgeschwindigkeiten variierten zwischen 3 kn und 8 kn in Ein-Knoten-Schritten. Die maximal zulässige Geschwindigkeit von 6,5 kn wurde mit 8 kn deutlich überschritten, um den Anstieg der Belastungen bei einer weiteren Geschwindigkeitszunahme zu verdeutlichen.

6.2.1.4 Sensitivitätsstudien

Sensitivitätsstudien wurden durchgeführt, um das Systemverständnis der Wechselwirkung von Schiff und Wasserstraße zu erhöhen. Konkret konnten so Einflussfaktoren auf das Ergebnis

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ermittelt und quantifiziert werden. Um das zu erreichen, wurden die oben beschriebenen Unter- suchungsbedingungen leicht variiert und mit veränderten Randbedingungen wiederholt.

Folgende Einflussfaktoren wurden untersucht:

 Einfluss des Wasserstandes: In den oben beschriebenen Untersuchungsbedingungen lag der Wasserstand auf 0 m NHN. Ein geringerer Wasserstand verringert den durchfluss- wirksamen Querschnitt und erhöht damit tendenziell die Belastung. Zur Quantifizierung dieses Effekts wurden zusätzlich Simulationen mit einem Wasserstand von -0,25 m NHN und -0,5 m HNH durchgeführt.

 Weitere Einengung durch festliegende Kreuzfahrtschiffe: Im Bereich Revierzentrale (Be- reich 2/Profil 2) liegt das Kreuzfahrtterminal. Dieser Bereich ist der engste der drei untersuchten Bereiche. Liegen am Terminal Kreuzfahrtschiffe, so kommt es durch diese Kreuzfahrtschiffe zu einer weiteren Querschnittseinengung. Diese weitere Einengung des Querschnitts von seitlich 38 m und 44 m wurde untersucht.

 Außermittige Fahrt: Wenn ein Schiff nicht auf der Fahrrinnenachse fährt, sondern au- ßermittig, dann sind die Uferbelastungen auf der ufernäheren Seite des Schiffs höher. Die Größe der vorhabenbedingten Belastungen wurde bei außermittiger Fahrt um 10 m und 20 m ermittelt.

6.2.1.5 Einschränkungen der Aussagefähigkeit

Die ermittelten vorhabenbedingten Veränderungen beziehen sich auf den Böschungsfuß der Fahrrinne, der sich auf jeder Seite 55 m von der Fahrrinnenmitte entfernt befindet. Die Modell- ergebnisse für Positionen jenseits des Böschungsfußes sind nur begrenzt belastbar: Die sich dort in der Realität ergebenden Belastungen sind durch Umformungsprozesse der Wellen aufgrund der lokalen Böschungs- und Ufergeometrie beeinflusst. Im numerischen Modell wurde nicht die reale Geometrie des Seekanals durchfahren, sondern die Modellgeometrie. Diese blieb entlang der Fahrrinnenachse für jeden charakteristischen Bereich konstant.

6.2.2 Modellaufbau 6.2.2.1 Modellgeometrie

Die repräsentativen Querprofile für die in Kapitel 6.2.1.1 beschriebenen Bereiche wurden aus einem digitalen Geländemodell (BAW DGM vom 9.10.2017) bestimmt und extrahiert. Anschlie- ßend erfolgte eine Schematisierung der Profile, um die ggf. in ihnen enthaltenen lokalen Beson- derheiten wie beispielsweise Übertiefen o.ä. anzupassen. Zusätzlich wurden folgende Randbe- dingungen mit in die Schnitte eingearbeitet (Tabelle 6).

Das Profil 3 (Pagenwerder) wurde bei der Schematisierung gesondert angepasst. Das originale Querprofil an der Position hat aufgrund des Breitlings eine Länge von mehr als 2000 m nach Osten. Die Gewässersohle steigt ab Fahrrinnenkante bis etwa zur Insel Pagenwerder auf, schnei- det diese nur knapp und sinkt dann im Bereich des Breitlings wieder ab. Der östliche, absinken- de Teil des Profils spielt bei der Beurteilung von schiffserzeugten Belastungen keine Rolle, da die Querschnittsfläche hinter dem Sohlanstieg für die Verdrängungsströmung des Bemessungs- schiffs nicht mehr relevant ist. Daher wurde in der Modelluntersuchung die Querschnittsfläche in der östlichen Verlängerung des Querschnittes nicht berücksichtigt.

(38)

Tabelle 6: Randbedingungen für die repräsentativen Profile.

Profil 1

(Molenkopf) Profil 2

(Revierzentrale) Profil 3 (Pagenwerder)

Böschungsneigung West 1:2 Spundwand Spundwand

Böschungsneigung Ost 1:2 1:2 1:14

Fahrrinnentiefe Ist 14,7 m 14,5 m 14,5 m

Fahrrinnenbreite Ist 120 m 120 m 120 m

Fahrrinnentiefe AZ 16,8 m 16,6 m 16,6 m

Fahrrinnenbreite AZ 110 m 110 m 110 m

Die Fahrrinnensohle im simulierten Ist-Zustand entsprach nicht den aktuellen Peilungen aus dem DGM, sondern es wurde die etwas höher gelegene nautische Sohle verwendet. Damit wurde dem Worst-case-Grundsatz aus U 2 (V.1) entsprochen: Die Differenz zwischen Ist-Zustand und Ausbauzustand wird so größer und die vorhabenbedingten Veränderungen für die schiffserzeugten Belastungen liegen damit auf der sicheren Seite.

Die sowohl für den Ist-Zustand als auch den Ausbauzustand abgeleiteten Profile für die Berech- nung zeigen die folgenden Bilder (Bild 16 bis Bild 18).

Bild 16: Das repräsentative Querprofil Molenkopf, (DGM, schematisiert für den Ist- und Aus- bauzustand).

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Bild 17: Das repräsentative Querprofil Revierzentrale, (DGM, schematisiert für den Ist- und Ausbauzustand).

Bild 18: Das repräsentative Querprofil Pagenwerder, (DGM, schematisiert für den Ist- und Ausbauzustand).

Eine detaillierte geometrische Auswertung der repräsentativen Querprofile befindet sich in den Anlagen (Anlage 1).

Neben den Profilquerschnitten musste für die Modelluntersuchung zusätzlich noch die Länge des Simulationsgebietes festgelegt werden. Diese wurde in diversen Vorversuchen ermittelt und betrug 230 m im Modellmaßstab 1:40 (Naturabmessungen 9,2 km).

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6.2.2.2 Schiffe

Die in Kapitel 6.2.1.2 beschriebenen Schiffe wurden im Maßstab 1:40 verwendet. Neben den Rümpfen wurden ebenfalls die mitgelieferten Ruderblätter eingesetzt. Die Propellerwirkung wurde mit einem in der Software implementierten Ersatzmodell (Actuator Disc) simuliert. Die- ses Ersatzmodell bestimmt anhand von Kennlinien des Propellers den Schub je nach Anströmsi- tuation. Die Kennlinien waren Teil der Vergabe des TdV und wurden vom Auftragnehmer mitge- liefert. Zur Bestimmung des Propellerschubes musste in Vorversuchen eine Schub- Geschwindigkeitsbeziehung aufgestellt werden. Mithilfe dieser Beziehung und den Kennlinien war es dann möglich, das Propellerersatzmodell in den Simulationen hinreichend genau zu betreiben.

6.2.2.3 Anfangs- und Randbedingungen

Das CFD-Modell benötigt Anfangs- und Randbedingungen, um daraus das gesamte Strömungs- und Druckfeld ausrechnen zu können. Als Anfangsbedingung lag der Ruhewasserspiegel als hydrostatische Randbedingung vor. Die Strömungsgeschwindigkeit im Modellgebiet betrug 0 m/s, da die Schiffe durch ruhendes Wasser fahren sollten. Als Randbedingungen kamen ein Geschwindigkeitseinlass mit 0 m/s sowie eine Druckauslassrandbedingung zum Einsatz.

Das Schiff wurde am Anfang der Simulation entlang eines sigmoiden Geschwindigkeitsverlaufs von 0 m/s auf die Endgeschwindigkeit (zwischen 3 und 8 kn) beschleunigt. Im Anschluss fuhr es mit konstanter Geschwindigkeit weiter durch das schematisierte Querprofil.

Das Propellerersatzmodell lief während der gesamten Simulation mit und erzeugte der Ge- schwindigkeit entsprechend einen naturähnlichen Impulseintrag. Der Vorteil dieser Modellsteu- erung liegt in der konstanten Geschwindigkeit und damit in einer höheren Aussagegenauigkeit gegenüber einem mit Propeller selbstangetriebenen Schiff, das eine leichte Geschwindigkeitsun- ruhe aufweist.

Das Ende der Simulationszeit wurde in Vorversuchen auf 225 Sekunden festgelegt. Diese Zeit- spanne enthält die Beschleunigungsphase (0-35 s), die Einschwingphase, in der sich das Wellen- system um das Schiff herum ausbildet und stabilisiert (35-150 s) und die Analysephase (150- 190 s).

Modellgitter

Das Simulationsgitter hatte für die Luft- und Wasserphase, an der Phasengrenze sowie am Schiff eine unterschiedliche Auflösung. Die Auflösung der Wasserphase betrug in allen drei Raumrich- tungen 1,6 m (4 cm im Modell) in der Luftphase sind es bis zu 3,2 m (8 cm im Modell). An der Grenzfläche der Phasen (Wasserspiegellage) wurde die Auflösung in der Vertikalen auf 0,4 m (1 cm im Modell) erhöht, um eine gute Abbildung des Wellenbildes zu gewährleisten. Da die Sekundärwellenbelastung in dieser Untersuchung auf Grund der geringen Fahrgeschwindigkeit der Schiffe von bis zu 8 kn nicht von Bedeutung war, konnte auf eine noch feinere Auflösung zur Abbildung des Sekundärwellenfeldes verzichtet werden.

Um das Schiff herum wurde das Modellgitter feiner diskretisiert: Die Auflösung in der Vertikalen wurde auf 0,8 m (2 cm Modell) bzw. zum Kiel und zur Sohle hin auf 0,2 m (0,5 cm im Modell) erhöht. Im Bereich des Propellerstrahls lag die Auflösung isotrop bei 0,4 m (1 cm im Modell).

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Zusätzlich wurde die Schiffsform und die Kanalsohle mit einer prismatischen Gitterschicht um- hüllt, um Wandeffekte ausreichend abbilden zu können.

Die für die drei Profile und die drei unterschiedlichen Schiffe erstellen Berechnungsgitter haben eine Zellenanzahl von etwa 30–50 Mio. Zellen. Das Bild 19 zeigt einen Längsschnitt durch Kanal und Schiff im Nahbereich mit dem Berechnungsgitter.

Bild 19: Schnitt durch die Schiffslängsachse mit Berechnungsgitter.

Modelleinstellungen

Das Simulationsmodell wurde in drei Dimensionen im Maßstab 1:40 aufgebaut. Dieser Maßstab wurde gewählt, da in diesem die meisten Erfahrungen vorlagen und bereits Validierungsstudien (s. Kapitel 6.2.5) durchgeführt wurden.

Für den Bewegungsansatz wurde die Overset-Methode eingesetzt: Das Schiff befand sich in einem eigenen Gitter (Bild 19, rotes Gitter) und bewegte sich durch ein Hintergrundgitter (Bild 19, schwarzes Gitter). Durch den Einsatz dieser Bewegungsmethode kann sich das Schiff – wie in der Realität auch – durch ruhendes Wasser bewegen.

Für die Abbildung des Propellers mit dem Propellerstrahl wurde ein Actuator-Disc-Modell ge- wählt. Dieses bildet den Impulseintrag durch den Propeller anhand einer vorgegebenen Schub- Drehmomentkurve (Kennlinien) ab.

Als Turbulenzmodell wurde das im marinen Bereich sehr häufig verwendete k-e-SST-Modell verwendet. Dieses ist am besten geeignet, um Turbulenzproduktion und Ablösungen am Schiff abzubilden. Eine zusätzliche Beaufschlagung einer Reibung (beispielsweise an der Sohle) wurde nicht vorgenommen.

Die verwendete Schrittweite des Simulationszeitschritts betrug 20 ms bei einer Gesamtsimulati- onszeit von 225 Sekunden. Die Simulationsdauer einer Simulation mit 256 CPUs betrug zwischen 80 und 120 Stunden.

6.2.3 Simulationen

Es wurden zahlreiche Vorversuche durchgeführt, um die Simulationsparameter einzustellen und zu optimieren. Wesentliche Parameter waren die Länge des Modellgebietes und die Berech- nungsgitterauflösung. Beide wurden so eingestellt, dass die Simulationen stabil und effizient durchgeführt werden konnten. Zu den Vorversuchen zählte auch die Aufnahme einer Schub- Geschwindigkeitsbeziehung für jedes Schiff als Voraussetzung für einen naturähnlichen Einsatz des Propellers bei der Simulation.

Für die jeweiligen Projektteile wurden die im Folgenden beschriebenen Simulationen durchge- führt.