Küsteningenieurwesen · Wasserbau · Grundbau · Stadthydrologie
IM + P
Küsteningenieurwesen · Wasserbau · Grundbau · Stadthydrologie Gewässerbewirtschaftung · Umweltverträglichkeit · UmweltanalytikAusbau der Zufahrt zum Seehafen Rostock
Durchführung und Auswertung der
Beweissicherungsmessungen 1996, 1998/99 + 1999/2000 Beweissicherungsmessungen 1996, 1998/99 + 1999/2000
Bericht Nr. 126, Textteil
Wasserspiegelauslenkung
1 5 2.0 2.5 3.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station Alpha Station Alpha (Warnowmündung) (Warnowmündung)
Zeit
4.11.98 5.11.98 6.11.98 7.11.98 8.11.98
0.0 0.5 1.0 1.5
Auftraggeber: Wasser- und Schifffahrtsamt Stralsund
April 2001
Stralsund
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Einleitung und Aufgabenstellung ... 1
2 Revier und Lokationen der Messungen ... 2
3 Messtechnik und Messmethodik ... 4
3.1 Eingesetzte Geräte ... 4
3.2 Umfang und Dauer der Messungen ... 6
3.3 Konfiguration der Messdatenaufzeichnung ... 6
3.4 Verwendete Fremddaten ... 8
4 Messdatenaufbereitung und –auswertung ... 10
4.1 Anforderungen und Problemstellungen ... 10
4.2 Auswertesystematik ... 11
4.2.1 Seegang ... 11
4.2.2 Schiffserzeugte Belastungen ... 12
4.3 Konfigurierung der Seegangsauswertung ... 17
4.3.1 Zeitbereich ... 17
4.3.2 Frequenzbereich ... 18
4.4 Konfigurierung der Auswertung schiffserzeugter Belastungen ... 18
4.5 Verwendete Parameter zur Beurteilung des Seegangsklimas ... 19
4.6 Verwendete Parameter zur Beurteilung schiffserzeugter Belastungen ... 19
5 Ergebnisse der Seegangsauswertungen ... 20
5.1 Selektive Kontrolle der gewählten Auswertekonfiguration ... 20
5.1.1 Ergebnisse der verschiedenen Seegangsmessverfahren ... 20
5.1.2 Ergebnisse der Zeit- und Frequenzbereichsauswertung ... 20
5.2 Ergebnisse ausgewählter Parameter im Zeit- und Frequenzbereich ... 21
5.3 Bandbreite ausgewählter Parameter ... 21
5.4 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewerteten Seegangsmessungen ... 23
5.5 Wind/Wellen-Korrelation DWD Warnemünde / Station Alpha ... 31
5.6 Seegangskorrelation zwischen der Station Alpha und den übrigen Stationen ... 35
6 Ergebnisse der Auswertung von schiffserzeugten Belastungen ... 43
6.1 Dokumentation der Ergebnisse aus der automatisierten Auswertung ... 43
6.2 Statistische Betrachtung der schiffserzeugten Belastungen ... 43
6.3 Einzelbetrachtungen ausgewählter Schiffspassagen ... 49
6.3.1 Einlaufender Schiffsverkehr ... 49
6.3.2 Auslaufender Schiffsverkehr ... 51
6.3.3 Ergänzende Betrachtungen zur Schiffsgeschwindigkeit und zum Wasserstand ... 54
6.4 Einzelbetrachtungen ausgewählter Schiffe ... 57
6.5 Entwicklung der schiffserzeugten Belastungsgrößen ... 65
7 Zusammenfassung ... 67 8 Schrifttum ... 70 9 Anlagenverzeichnis ... 71
1 Einleitung und Aufgabenstellung
Die Zufahrt zum Seehafen Rostock ist nach dem Ausbau in den Jahren 1977 bis 1979 für Schiffsgrößen bis 60.000 dwt dimensioniert. Ab einer Schiffslänge von 100 m war dabei der Bereich des inneren Seekanals zwischen der Westmolenspitze und dem Wendebecken im Rostocker Hafen nur einschiffig befahrbar.
Aufgrund der Entwicklung und Prognose des Verkehrsaufkommens, insbesondere im Fähr- verkehr, wurden seit der Grenzöffnung 1989 erhebliche Zuwachsraten erreicht. Diese Ent- wicklung führte im Rahmen einer Ausbauplanung zu einer Vertiefung und Verbreiterung des Seekanals sowie zu einer Änderung des Molensystems im Einfahrtsbereich zum Seehafen Rostock. Als Bemessungsschiff wurde von einem 250 m langen und 40 m breiten Schiff aus- gegangen, das einen Bemessungstiefgang von 13 m aufweist (MEYER und RICKERT, 1995).
Die zur Ausführung vorgesehene Variante des Molensystems wurde in umfangreichen nume- rischen und hydraulischen Modellversuchen bei der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Außenstelle Küste, Hamburg optimiert (BAW, 1992; BAW, 1994a + b). Die Modellergebnis- se lassen in einigen Bereichen nach dem Ausbau eine höhere Wellenunruhe im Vergleich zu der früheren Situation, die bis 1996 Bestand hatte, erwarten. Es wurde daher von der Plan- feststellungsbehörde die Auflage für Beweissicherungsmessungen zur Dokumentation der seegangs- und schiffserzeugten Belastungsgrößen als Teil der Genehmigung angeordnet.
Nach der Entwicklung einer Messstrategie und einer Auswahlphase wurde das Ingenieurbüro Dr.-Ing. Manzenrieder und Partner GbR (IMP), Oldenburg mit Schreiben vom 18. 06. 1996 vom Wasser- und Schifffahrtsamt (WSA) Stralsund mit der Durchführung von Beweissiche- rungsmessungen im Bereich des Hafens Warnemünde und des Seekanals beauftragt.
Die Messungen sollten in verschiedenen Messkampagnen vor, während und nach Beendigung der Baumaßnahme an ausgewählten Lokationen durchgeführt werden. Dabei waren sowohl Seegangs- und Wasserstandsmessungen als auch ausgewählte Messungen der schiffserzeug- ten Wellenbelastungen durchzuführen. An einer Lokation sollten zusätzlich die Strömungsge- schwindigkeiten und –richtungen aufgenommen werden.
In diesem Bericht werden die gesamten Ergebnisse der Beweissicherungsmessungen vor (1996), während (1998/99) und nach der Baumassnahme (1999/2000) zusammenfassend do- kumentiert und bewertet.
2 Revier und Lokationen der Messungen
Die Zufahrt zum Seehafen Rostock erfolgt über den rd. 13 km langen Seekanal. Dieser be- ginnt seeseitig rd. 8 km vor der Westmolenspitze, der innere Seekanal umfaßt den Abschnitt von der Westmolenspitze bis in den Rostocker Hafen.
Westlich des inneren Seekanals, im Alten Strom, liegt der Hafenbereich von Warnemünde.
Der bis 1996 vorhandene sog. Neue Strom in Warnemünde lag östlich des Alten Stroms und war vom Seekanal durch eine separate, stromparallele Mittelmole abgegrenzt (Abb. 1). Die Mittelmole übte gleichzeitig eine Schutzfunktion für den zwischen dem Alten und Neuen Strom liegenden Jachthafen und den DFO-Fähranleger aus.
Als zentraler Teil der Umgestaltung der Zufahrt zum Seehafen Rostock wurde eine Verände- rung des gesamten Molensystems vorgenommen. Neben dem ersatzlosen Abriß der Mittelmo- le zur Aufweitung des inneren Seekanals wurde auch eine Neugestaltung bzw. ein Ausbau der West- und Ostmole in Verbindung mit Nassbaggerarbeiten ausgeführt.
Unter Beachtung der ausgeführten Modellversuche wurden im Rahmen der festgelegten Be- weissicherung, in Abstimmung mit dem WSA und der BAW, 7 Messlokationen für begleiten- de Wasserstands-, Wellen- und Strömungsmessungen ausgewählt und festgelegt.
Eine Lokation lag rd. 2 km seeseitig vor den Molenköpfen und bildete die Referenzstation für den anlaufenden Seegang (vgl. Abschnitt 3.4). Die übrigen 6 Lokationen innerhalb des See- kanals und des Hafens von Warnemünde waren wie folgt angeordnet:
- 3 Lokationen im Bereich des Seekanals
- 1 Lokation im Jachthafen
- 2 Lokationen im Bereich des Alten Stroms
Während 5 Lokationen bei allen Messkampagnen zur Sicherstellung objektiver Vergleichs- möglichkeiten unverändert blieben, musste, bedingt durch den Rückbau der Mittelmole im Zufahrtsbereich, eine Position verlegt werden; allein diese Messungen erlauben somit keinen direkten Vergleich der verschiedenen Datenkollektive.
Abb. 1 zeigt in einer Übersicht die Zufahrt zum Seehafen Rostock sowie die Hafenbereiche von Warnemünde für die Zustände vor und nach dem Ausbau der Zufahrt mit den Messloka- tionen im Rahmen des Beweissicherungsverfahrens. Die zu erfassenden Messgrößen an den Positionen sind in Abb. 1 aufgenommen sowie in Tab. 1 zusammengestellt.
Tab. 1: Lokationen und Messgrößen des Beweissicherungsverfahrens
Lokation Kennung Wasser-
stand Welle Strömung Messkampagne
1996 1998/99 1999/2000
Referenzstation Alpha1 Alpha - ⎨ - ⎨ ⎨ ⎨
Mittelmole Nord x1 ⎨ ⎨ - ⎨ - -
Jachthafenmolenkopf x2 ⎨ ⎨ - - ⎨ ⎨
westlicher Fähranleger n4 ⎨ ⎨ - ⎨ ⎨ ⎨
östlicher Fähranleger o8 ⎨ ⎨ - ⎨ ⎨ ⎨
Jachthafen j2 ⎨ ⎨ - ⎨ ⎨ ⎨
Alter Strom w5 ⎨ ⎨ ⎨ ⎨ ⎨ ⎨
Alter Strom (Tankstelle) a2 ⎨ - ⎨ ⎨ ⎨
1Fremddaten durch abgestimmtes Messprogramm
Abb. 1: Übersichtslageplan der Zufahrt zum Seehafen Rostock und des Hafenbereichs Warnemünde mit den Messlokationen
3 Messtechnik und Messmethodik
3.1 Eingesetzte Geräte
Zur Erfassung des Seegangsklimas und der schiffserzeugten Belastungen im Bereich des See- kanals und des Hafens Warnemünde wurden an den abgestimmten Messpositionen i.d.R. je- weils zwei voneinander unabhängig arbeitende Gerätetypen eingesetzt.
Standardmäßig wurden die Wasserspiegelauslenkungen mit Wellendrähten der Fa. Argus, Gesellschaft für Umweltmesstechnik mbH, Oldenburg gemessen. Die Geräte konnten im Messbereich den jeweiligen örtlichen Verhältnissen an den Einsatzorten angepasst werden, die installierten Drahtlängen lagen zwischen 5,0 und 5,6 m.
Als redundante Absicherung der Wellenmessungen kamen während der ersten Messkampag- ne 1996 Druckmessdosen der Fa. Geos, Braunschweig zum Einsatz, die in der zweiten Mess- kampagne (1998/99), zeitlich gestaffelt, durch Geräte der Fa. Althen, Kelkheim ersetzt wer- den mussten. Die Geräte der Fa. Althen, Kelkheim wurden auch für die dritte Messkampagne (1999/2000) verwendet. Die Druckmessdosen waren jeweils für Relativmessungen, d.h. mit Kompensation gegenüber dem Luftdruck ausgelegt, alle Gerätetypen hatten einen einheitli- chen Messbereich von 0 bis 1 bar (rd. 0 bis 10 mWS).
Die Station im Alten Strom (w5) wurde zusätzlich mit einer magnetisch-induktiv arbeitenden 2-Komponenten Strömungssonde der Fa. Argus, Gesellschaft für Umweltmesstechnik mbH, Oldenburg zur Erfassung der Strömungskomponenten ausgestattet. Das eingesetzte Gerät wies in der ersten Messkampagne (1996) einen Messbereich von ± 5 m/s auf, der aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten in der zweiten und dritten Messphase (1998/99 und 1999/2000) auf ± 1 m/s reduziert wurde.
Die installierten Geräte mit den zugehörigen Messbereichen an den verschiedenen Messloka- tionen sind in Tab. 2 zusammengefaßt. Auf Abb. 2 ist die Gerätemontage und –bestückung dargestellt.
Tab. 2: Messbereiche der eingesetzten Geräte
Lokation
Wellendraht Druckmessdose Strömungssonde
Ausgangs- signal
Phys. Mess- bereich
Ausgangs- signal
Phys. Mess- bereich
Ausgangs- signal
Phys. Mess- bereich Mittelmole Nord (x1)
0 – 20 mA
0 – 5,6 m
4 – 20 mA 0 – 1 bar
- -
Jachthafenmolenkopf (x2) - -
westlicher Fähranleger (n4) - -
östlicher Fähranleger (o8) - -
Jachthafen (j2)
0 – 5,0 m
- -
Alter Strom (w5) 0 – 20 mA !5/!1 m/s*
Alter Strom Tankst. (a2) - - - -
* 1996: ! 5 m/s; 1998/99 sowie 1999/2000: ! 1 m/s
Die darüber hinaus aufgenommenen und in diesem Bericht verwendeten Fremddaten im Rahmen der Beweissicherung werden in Abschn. 3.4 beschrieben.
3.2 Umfang und Dauer der Messungen
Die Messkampagne I (1996) diente der Erfassung der Belastungsgrößen vor Beginn der Bau- maßnahmen und wurde über einen rd. fünfmonatigen Zeitraum von Ende Juni bis Dezember 1996 durchgeführt.
Die Messkampagne II (1998/99) über rd. 11 Monate, von Ende April 1998 bis Ende März 1999, ermöglichte die Erfassung und Erstbewertung der ausgeführten Bau- und Rückbaumaß- nahmen an den Molensystemen. Nach dem Zeitplan der Baumaßnahmen sind die planmäßi- gen Ausbautiefen Ende Januar 1999 hergestellt worden, somit dokumentieren die Messungen der zweiten Messkampagne noch weitgehend einen Zwischenzustand. Für die vergleichende Beurteilung möglicher Änderungen der Seegangsverhältnisse und der schiffserzeugten Belas- tungen im Bauzustand wird nachfolgend von dem aufgenommenen Datenkollektiv nur das Zeitfenster von Ende April 1998 bis Ende Januar 1999 betrachtet.
Die beiden verbliebenen Monate der Messkampagne II (Februar und März 1999) wurden bei der Auswertung des Endzustandes im Rahmen der Messkampagne III berücksichtigt.
Die Messkampagne III (1999/2000) umfasst, neben den o.g. zwei Monaten, den Zeitraum Ende Oktober 1999 bis Anfang Juni 2000 und wird für eine umfassende Beurteilung der bau- lichen Veränderungen im Bereich der Zufahrt zum Seehafen Rostock und des Hafenbereiches Warnemünde herangezogen.
Die Betriebs- und Auswertezeiträume an den einzelnen Stationen einschließlich der vorgela- gerten Referenzlokation Alpha sind in Tab. 3 für die beiden durchgeführten Messkampagnen zusammengefasst (Lokationen der Geräte vgl. Lageplan Abb. 1).
3.3 Konfiguration der Messdatenaufzeichnung
Die Konfiguration der Datenaufzeichnung umfasst alle Festlegungen für eine einheitliche Erfassung der Messgrößen. Eine aufgabenkonforme Abstimmung der Datenerfassung ist von besonderer Bedeutung. Zur Gewährleistung einer optimalen Vergleichbarkeit der Messergeb- nisse sollte daher innerhalb eines Projektes immer eine einheitliche Konfiguration vorge- nommen werden.
Für die Aufzeichnung der Messdaten wurde ein semi-zentrales Messkonzept gewählt.
Während der Messkampagne I (1996) wurden die Stationen x1, n4, o8 und a2 jeweils als ei- genständige Insellösungen betrieben, die Signale an den Stationen j2 und w5 an einer Position zentral erfasst. Bei den Messkampagnen II + III (1998/99 und 1999/2000) konnten die Signale der Station x2 der Datenerfassung von den Stationen j2 und w5 zugeschlagen werden, die Messposition x1 musste nach dem Rückbau der Mittelmole aufgegeben werden.
Ausgehend von dem Anforderungsprofil wurde für die Messdatenaufzeichnung im Seekanal und den Hafenbereichen von Warnemünde bei der Entwicklung der Projektstrategie und dem zug. Angebot von Messungen über konstante Zeitfenster ausgegangen. Mit Beginn des Pro- bebetriebes Ende Juni 1996 war auf dieser Grundlage folgende Konfiguration installiert:
- Abtastrate: 18 Hz - Länge des Messintervalls: 20 Minuten - Auslösung der Messungen:
zeitgesteuert: alle 2 Stunden oder
ereignisgesteuert: nach Überschreitung eines definierten Schwellwertes
Tab. 3: Betriebs- und Auswertezeiträume der Messkampagnen I (1996), II (1998/99) und III (1999/2000)
Innerhalb der rd. 14-tägigen Probebetriebsphase erfolgte für alle Messsignale eine Eignungs- überprüfung der gewählten Systemkonfiguration. Dabei wurden die stationsweise unter- schiedlichen Anforderungen an eine optimierte Schwellwertauslösung, insbesondere zur Er- fassung der schiffserzeugten Wellen, deutlich.
Mit dem erreichten technischen Niveau der Datenerfassung, insbesondere der Größe der Da- tenspeicher wurde, unter besonderer Berücksichtigung der starken Frequentierung des Seeka- nals, die Messstrategie ausgeweitet und eine kontinuierliche Messdatenaufzeichnung gewählt.
Gegenüber der Intervallmessung in der o.a. Form nimmt der Datenumfang um bis zu 300 % zu. Der signifikante Vorteil liegt in der dabei geschaffenen Möglichkeit, die Zeitreihen selek- tiv im Nachgang zu sichten und so, mit leistungsfähigen Programmroutinen, den Datenbe- stand gezielter auswerten zu können.
Weiterhin zeigten die Ergebnisse des Probebetriebes, dass eine Reduzierung der Abtastrate ohne Verlust von Signalinformationen möglich war.
Mit diesen Ergebnissen erfolgte die Messdatenaufzeichnung im Routinebetrieb ab dem 16.
Juli 1996 einheitlich für alle Messkampagnen unter folgenden Randbedingungen:
- Abtastrate: 9 Hz
- Art des Messbetriebes: kontinuierlich
Zur Schaffung einer einheitlichen Datenbasis über den gesamten Untersuchungszeitraum wurden die mit 18 Hz aufgezeichneten Messdaten aus der Probebetriebsphase für die Auswer- tung auf 9 Hz konvertiert.
Die Aufzeichnung erfolgte in einem Binärdatenformat der Fa. Argus, Gesellschaft für Um- weltmesstechnik mbH, Oldenburg (AMDE3-Format) zur Minimierung des Speicherplatzbe- darfs auf den verwendeten PC-Systemen.
Bei Vollausbau der Messkette wurden pro Messtag rd. 42 MB Daten aufgezeichnet, insgesamt sind aus der Messkampagne I (1996) rd. 6 GB, aus der Messkampagne II (1998/99) rd. 13 GB und aus der Messkampagne III (1999/2000) rd. 7 GB Daten verfügbar.
3.4 Verwendete Fremddaten Seegang:
Die Erfassung des einlaufenden Seegangs an der gewählten seeseitigen Referenzstation (Sta- tion Alpha) bildete einen substantiellen Teil des Messprogramms und wurde unter Verwen- dung einer Richtungswellenboje mit zug. Landstation und Telemetrie durchgeführt.
Die Boje wurde im Bereich der vor Warnemünde verlaufenden 10m-Tiefenlinie westlich der Fahrrinne auf der Position 54° 12,16‘ N 12° 4,55‘ O ausgelegt (Position Alpha, s. Lageplan Abb. 1).
Diese eigenständigen Messungen wurden in der ersten Messperiode (1996) von der GKSS, Geesthacht und in der zweiten und dritten Messperiode (1998/99 + 1999/2000) vom Ingeni- eurbüro Fittschen, Hamburg betrieben und ausgewertet. Die Installation wurde vom AG durchgeführt.
Wind:
Vom Staatlichen Amt für Umwelt und Natur (StAUN) Rostock wurden die Zeitreihen der Windmessungen (1-Stundenwerte) an der Station Warnemünde (KKM 145,05) für den Mess- zeitraum I (1996) und II (1998/99) zur Verfügung gestellt.
Bedingt durch die Verlegung der Windmessstation des StAUN Rostock von der Messbrücke auf den Dünengürtel konnte keine hinreichende Stabilität der Messungen für Vergleichsbe- trachtungen erreicht werden. Im Sinne eines objektiven Vergleichs der Windverhältnisse als bestimmende Seegangsgröße mussten die Ergebnisse nach der Auswertung und Überprüfung verworfen werden.
Im Rahmen der Auswertungen zum Beweissicherungsverfahren wurden daher alternativ die stündlichen Winddaten an der meteorologischen Station Warnemünde verwendet, die für alle drei Messzeiträume vom Deutschen Wetterdienst (DWD) mit einer Richtungsauflösung von 10° zur Verfügung gestellt wurden.
Wasserstand:
Vom StAUN Rostock waren für den Messzeitraum I (1996) die Wasserstandsmessungen von der Messbrücke Warnemünde (KKM 145,05) verfügbar.
Darüber hinaus lagen für jede Messkampagne selektierte Zeitreihen des Pegels Warnemünde – Alter Hafen vom WSA Stralsund für den Wasserstandsabgleich der Datenaufzeichnung vor.
Weiterhin wurden vom WSA Stralsund Auszüge aus dem Lotsenbuch der örtlichen Revier- zentrale zur Beurteilung der Verkehrsbelastung auf dem Seekanal bereitgestellt. Aus diesen Aufzeichnungen wurden vom WSA Stralsund die Passagezeiten für zwei ausgewählte Schiffe zur Ermittlung der Schiffswellenbelastung und deren möglicher Änderungen durch den Aus- bau der Zufahrt zum Seehafen Rostock selektiert und für die drei Zeiträume zur Verfügung gestellt.
4 Messdatenaufbereitung und –auswertung
4.1 Anforderungen und Problemstellungen
Um eine höchstmögliche Vergleichbarkeit der Messungen zu erreichen, sind, ähnlich wie bei der Konfigurierung der Messwerterfassung (vgl. Abschn. 3.3), aufgabenkonforme Analyse- methoden und Randbedingungen festzulegen.
Aus den verschiedenen, komplexen Fragestellungen hinsichtlich der Belastungsgrößen im Bereich der Zufahrt zum Hafen Rostock und im Hafenbereich von Warnemünde ergeben sich jedoch unterschiedliche, z.T. widerstrebende Anforderungen bzw. Bedingungen an eine Da- tenaufbereitung und –auswertung.
Als wesentliche Problempunkte können hier genannt werden:
- Die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeitenden Messungen mit Wellendrähten und Druckmessdosen weisen unterschiedliche Charakteris- tiken hinsichtlich der Erfassung von Wellensignalen auf. Bedingt dadurch sind gerade im Bereich niedriger und kurzperiodischer Wellen Unterschiede zwi- schen den Signalen zu erwarten.
Aufgrund des sog. hydraulischen Filters können Wellen mit Druckmessdosen beispielsweise nicht unter Tiefwasserbedingungen (Messebene tiefer als halbe Wellenlänge) gemessen werden. Mit zunehmender Wassertiefe tritt eine Dämpfung der Messgröße (und eine Filterung kurzperiodischer Wellen) aus der Wasserspiegeländerung auf.
Einige Berechnungsansätze berücksichtigen die Wirkung des hydraulischen Filters bei der Seegangsauswertung im Zeitbereich, wobei jedoch zu beachten ist, daß eventuelle Signalstörungen dabei prinzipbedingt verstärkt werden. Eine Vernachlässigung des hydraulischen Filters führt i.d.R. zu niedrigeren Wellen- höhen.
- Ein Problem stellt die Wellenmessung bei geringer Amplitude, wie z.B. in ge- schützten Hafenbereichen, dar. Neben längerperiodischen Einflußgrößen wie Wind und Tide erschweren insbesondere Schwall- und Sunkerscheinungen eine Seegangsauswertung im Zeitbereich.
Die zumeist üblichen Nulldurchgangsverfahren (Zero-up-crossing, Zero-down- crossing) zur Wellenerkennung versagen bei diesen ungünstigen Randbedin- gungen und führen zu fehlerhaften Belastungsgrößen, insbesondere bei der Wellenperiode.
Die Frequenzbereichsauswertung liefert hierbei stabilere Ergebnisse, jedoch fehlt prinzipbedingt eine Einzelwellenbetrachtung (z.B. Hmax). Bei sehr gerin- ger Seegangsbelastung wird jedoch auch die Peakperiode nicht korrekt ermit- telt. Bedingt durch die Filterung im Start- und Endbereich des Auswertefens- ters (Hanning-Filter) für die Fourier-Transformation wird das Maximum des Energiedichtespektrums (Peakperiode) z.T. mit der Periode über das gesamte Auswertefenster erreicht.
- Ein bislang noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die Trennung von seegangs- und schiffserzeugter Belastung. Bei geringer Seegangsaktivität tritt, insbesondere bei den maximalen Seegangsgrößen, eine Vermischung mit schiffserzeugten Wellen auf und führt zu überproportional hohen Werten. Im Gegenzug werden hohe schiffserzeugte Belastungen, die parallel zu hoher Seegangsaktivität auftreten, nicht mehr hinreichend erkannt.
- Die maßgebende schiffserzeugte Belastung kann sich auch aus der Überlage- rung von Wellenbildern verschiedener Schiffspassagen ergeben, eine klare Trennung ist dann i.d.R. nicht mehr möglich und die verwendeten Parameter zur Beschreibung maximaler Lastgrößen sind nicht mehr eindeutig.
Aus dem Lotsenbuch wurde für den zu untersuchenden Abschnitt eine Ver- kehrsdichte auf dem Seekanal von z.T. mehr als 50 Seeschiffspassagen / Tag ersichtlich.
- Zur Ermittlung maßgebender schiffserzeugter Belastungen, besonders als Ver- gleich unter verschiedenen geometrischen Bedingungen in dem Gewässer, reicht die Betrachtung einzelner, statistisch nicht abgesicherter Schiffspassagen nicht aus.
4.2 Auswertesystematik
Zur vergleichenden Beurteilung der Auswirkungen auf die seegangs- und schiffserzeugten Belastungen im Seekanal und im Hafenbereich Warnemünde durch den Ausbau der Zufahrt und die Änderung des Molensystems wurden geeignete Auswerteverfahren und –systemati- ken verwendet bzw. entwickelt.
Von den aufgelaufenen Daten wurden in einem ersten übergreifenden Schritt zur Erkennung von Störungen und Datenausfällen in den Signallinien Tagesgrafiken erstellt und ausgedruckt, diese dienten der Definition gültiger Messreihen für die nachfolgende automatische bzw.
halbautomatische Auswertung unter Verwendung leistungsfähiger Programmroutinen.
Die Auswertungen erfolgten auf einem herkömmlichen PC. Ein zentrales Werkzeug für die Auswertung war das auf Windowsbasis arbeitende Auswerteprogramm Water Movement Calculation (WMC) in der Version 4.0/4.1, welches von IMP in Zusammenarbeit mit dem Leichtweiß-Institut der TU Braunschweig entwickelt bzw. weiterentwickelt wurde.
Das Programm wurde speziell für die Auswertung dauerhaft betriebener Naturmessungen konzipiert und im Rahmen zahlreicher Projekte zur Ermittlung des Seegangsklimas im Nord- und Ostseebereich eingesetzt.
4.2.1 Seegang
Basiserend auf den Erfahrungen zahlreicher Seegangsmessprogramme wurde ein Auswerte- konzept angewendet, welches auf vergleichenden Betrachtungen unter definierten und jeweils einheitlichen Randbedingungen beruht. In Abb. 3 ist die Vorgehensweise in einem Ablauf- schema dargestellt.
Aus dem vorhandenen Datenkollektiv wurde alle 2 Stunden ein Zeitfenster von rd. 20 Minu- ten herausgeschnitten und nach einer Eingangs- und Plausibilitätskontrolle der eigentlichen Auswertung zugeführt. In einem automatischen Programmlauf konnten so in der Hauptstufe der Auswertung mit dem Auswerteprogramm WMC 4.0/4.1 die Seegangssignale im Zeit- und Frequenzbereich analysiert werden. Bedingt durch die Verwaltung zeitabhängiger Kalibrierfunktionen zur Wandlung der digitalen Messwerte in physikalische Größen wurde mit dem Programm WMC ein hoher Automatisierungsgrad erreicht.
Die Spezifikationen für die Seegangsauswertung, die innerhalb des Programmes WMC defi- niert werden konnten, sind in Abschn. 4.3 zusammengefaßt.
Nach der eigentlichen Seegangsauswertung wurden Wellen-/Wellenkorrelationen für die ein- zelnen Stationen bezogen auf die Seegangsverhältnisse an der vorgelagerten Station Alpha in Abhängigkeit der Wellenanlaufrichtung durchgeführt.
Darüber hinaus wurde auch eine Wind/Wellen-Korrelation zwischen der Windgeschwindig- keit und –richtung an der Station Warnemünde des Deutschen Wetterdienstes und der Wel- lenhöhe und –richtung an der Station Alpha zur Überprüfung der Vergleichbarkeit der Seegangsmessreihen für die verschiedenen Meßkampagnen durchgeführt.
Abb. 3: Ablaufschema der rechnergestützten Seegangsauswertung mit dem Programm WMC
4.2.2 Schiffserzeugte Belastungen
Im Gegensatz zur Seegangsauswertung war für die automatisierte Ermittlung der schiffser- zeugten Belastungen über einen größeren Untersuchungszeitraum bislang kein geeignetes Auswertekonzept und damit auch kein Programm verfügbar, dies führte zu entsprechend ab- gestimmten Entwicklungen (SPINGAT, 1999).
Für eine objektive Position innerhalb derartiger Vergleichsmessungen können nur statistisch abgesicherte Betrachtungen der schiffserzeugten Belastungen eine geeignete Beurteilungs- grundlage darstellen. Mit diesem Ziel wurde, unter Einbindung des Auswerteprogrammes WMC, ein halbautomatisch ablaufendes Analysekonzept entwickelt und, nach Plausibilitäts- prüfung, auf die verfügbaren Messungen angewendet.
Die Vorgehensweise bei der rechnergestützten Auswertung schiffserzeugter Belastungen ist nachfolgend in einem Ablaufschema (Abb. 4) zusammenfassend dargestellt.
DATENKOLLEKTIV
Wind/Wellenkorrelation zur Überprüfung gleichbleibender Eingangsbedingungen Ermittlung richtungsspezifischer
Wellen/Wellenkorrelationen zur Beurteilung der Seegangsbelastung
Fremddaten I Ergebnisse der Messungen von der Richtungswellenboje
an der Station Alpha Seegangsauswertung
Eingangs- und Plausibilitätskontrolle
Fremddaten II Ergebnisse der Wind-
messungen an der Station Warnemünde
Vorstufe
Hauptstufe
Endstufe
Abb. 4: Ablaufschema für die rechnergestützte Auswertung von Schiffswellenereignis- sen
Die Auswertung des verfügbaren Datenkollektives gliedert sich in drei wesentliche Stufen:
- Vorstufe mit Eingangskontrolle und Datensichtung,
- Hauptstufe mit der eigentlichen Auswertung, inkl. einer zugehörigen Seegangsanalyse sowie
- Endstufe mit der statistischen Aufbereitung der Rechenergebnisse zur Ermittlung maßgebender Belastungen.
In der Vorstufe wurden im Rahmen der Eingangs- und Plausibilitätskontrolle die Datensätze hinsichtlich der Merkmale von Schiffswellenereignissen gesichtet.
DATENKOLLEKTIV
Ermittlung der Seegangs- belastung Hm0 Rechengang 2
zur Ermittlung der Primärwelle HP
Rechengang 3 zur Ermittlung der Sekundärwelle HS Rechengang 1
zur Ermittlung des Absunkes zA
Ermittlung der Tagesmaximalwerte für den Absunk (zA), die Primär-
(HP) und Sekundärwelle (HS)
Ermittlung der Verteilungsfunktion für die Tagesmaximalwerte des Absunkes (zA) sowie der Primär-(HP)
und Sekundärwelle (HS)
Ausschluß von Sekundärwellen- ereignissen bei einer Seegangs-
belastung Hm0 > Hm0,Grenz Halbautomatische Datensichtung
und Festlegung der auszuwertenden Ereignisse
Eingangs- und Plausibilitätskontrolle
Hauptstufe Vorstufe
Endstufe
Als signifikante Merkmale können sowohl Schwall und Sunk als auch das mit einer Schiffs- passage verbundene plötzliche Auftreten seegangsähnlicher Wellen (Sekundärwellen) ange- sehen werden. Das Wellenbild eines fahrenden Schiffes mit der Definition kennzeichnender Größen zur Ermittlung maßgeblicher Parameter zur Schiffswellenbelastung in einem quasi- stehenden Gewässer ist in Abb. 5 zusammengefasst.
RWS
SB ZA
HP HS
Bugstau Absunk
Primärwelle Sekundärwelle
RWS
Fahr- linie
α
FAHRTBEREICHE a) unterkritisch b) überkritisch
90°α
19°28'
0 1 2 3
a b
FRS
VSchiff
Primärwellen Sekundärwellen
Bugstau
A
B
C
Abb. 5: Wellenbild eines fahrenden Schiffes mit Definition der kennzeichnenden Größen
Die Erkennbarkeitsgrenze für Schwall- und Sunkwellen liegt im Bereich von rd. 5-8 cm wäh- rend die entsprechende Grenze bei Sekundärwellen, je nach überlagerten Seegangsverhältnissen, bei rd. 10 bis 20 cm liegt.
In Flüssen und Kanälen mit begrenzten Querschnitten kann i.d.R. Schwall und Sunk besser erkannt werden und stellt damit das einfachere Auswahlkriterium dar.
Für die Auswertung der schiffserzeugten Belastungen im Rahmen der hier durchgeführten Beweissicherungsmessungen wurden die Schiffspassagen über eine Visualisierung der kom- pletten Messreihen an dem zugehörigen Absunk erkannt. Diese Zeitpunkte werden in einer Liste („Ereignisliste“) abgelegt, die die Basis einer rechnergestützten Auswertung bildet.
Bei verschiedenen Messpunkten in einem umfassenden Untersuchungsprogramm wird die
„Ereignisliste“ für die automatisierte Auswertung nur für eine Station benötigt. Diese Station sollte eine zentrale Lage in dem Untersuchungsraum aufweisen und, für die einfachere Erken- nung der Schiffswellenereignisse, zu den höherbelasteten Positionen gehören.
In der Hauptstufe mit der eigentlichen Auswertephase, die, wie bei der Seegangsanalyse schon lange üblich, vollautomatisch abläuft, wird eine Zeitbereichsanalyse zur Bestimmung der maximalen Wellenhöhe unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt.
Entsprechend den Freiheitsgraden bei der Signalbehandlung innerhalb des Analyseprogramms WMC 4.0/4.1 wurden, in Abhängigkeit der zu bestimmenden Parameter, spezifische Randbe- dingungen für die gezielte Aufbereitung und Auswertung festgelegt und über den gesamten Auswertezeitraum für die Schaffung einer objektiven Datenbasis beibehalten.
In Abb. 6 sind beispielhaft die aufgezeichneten Messdaten sowie deren Beeinflussung durch die verschiedenen Signalaufbereitungsverfahren zur Ermittlung der Parameter Absunk, Pri- mär- und Sekundärwelle grafisch dargestellt; die zugrundegelegten Aufbereitungsparameter sind in Abschn. 4.4 zusammengefaßt.
Die verwendeten Verfahren für die Wellenerkennung und –festlegung (vgl. z.B. EAK, 1993) sind im Rahmen von Zeitbereichsauswertungen winderzeugter Wellen vielfach erprobt und werden hier nicht ausführlich erläutert.
Für die kontrollierte Ermittlung der Sekundärwellenbelastung wird die Analyse des vorherr- schenden Seegangsklimas notwendig. Resultierend aus der nur kurzen Wirkdauer des Sekun- därwellensystems gegenüber der Primärwellenbelastung, die somit das zu berücksichtigende Auswertefenster festlegt, ergeben sich auch bei relativ hoher Sekundärwellenbelastung für das gesamte Auswerteintervall nur geringe Einflüsse auf die Ermittlung maßgebender Kenngrö- ßen für die Seegangsbelastung (z.B. Hm0, H1/3).
Abb. 6: Signalaufbereitung für die Auswertung der verschiedenen Parameter zur Beur- teilung schiffserzeugter Belastungen
Mit dieser Begründung kann über die Definition eines Schwellwertes die zeitgleich wirkende Seegangsbelastung bei der Sekundärwellenauswertung kontrolliert werden. Bei Überschrei- tung des Schwellwertes wird dann die ermittelte Sekundärwelle verworfen; daher kann die Grundgesamtheit der Sekundärwellenbelastung von der Anzahl der erkannten Schiffspassagen auch deutlich abweichen.
Für eine abgesicherte Auswertung der schiffserzeugten Belastungen wurden Tagesmaximal- werte bestimmt, für die dann statistische Verteilungsfunktionen ermittelt werden konnten. Der Vergleich der statistischen Verteilungen bildet dann die objektivierende Grundlage für die Bewertung von Veränderungen bei den schiffserzeugten Belastungen vor und nach dem Aus- bau der Zufahrt zum Seehafen Rostock. Das Auswerteverfahren ist auch bei SPINGAT (1999) näher beschrieben.
0 s 60 s 120 s 180 s 240 s 300 s 360 s 420 s 480 s -0.50
-0.25 0.00 0.25
0.50 Wasserspiegelauslenkung [m]
Aufgezeichnetes Signal 1 2
0 s 60 s 120 s 180 s 240 s 300 s 360 s 420 s 480 s
Gedämpftes Signal
-0.50 -0.25 0.00 0.25
0.50 langperiodische Wasserspiegeländerung [m]
Zero-Upcrossing zur Erfassung der Absunkes zA
T1 T2
H1
H2
zA =
0 s 60 s 120 s 180 s 240 s 300 s 360 s 420 s 480 s
Gedämpftes Signal
-0.50 -0.25 0.00 0.25
0.50 langperiodische Wasserspiegeländerung [m]
Zero-Downcrossing zur Erfassung der Primärwelle HP
T1 T2
H1
H2
= HP
Ermittlung
schiffserzeugter Belastungen
A U S W E R T E K O N Z E P T
zur rechnergestützten
0 s 5 s 10 s 15 s 20 s 25 s 30 s
-0.75 -0.50 -0.25 0.00
0.25 Wasserspiegelauslenkung [m]
Crest-to-Crest zur Erfassung der Sekundärwelle HS
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
H3 H4
H5 H6 H7
H8
H2
H1
1
= HS
0 s 5 s 10 s 15 s 20 s 25 s 30 s
-0.50 -0.25 0.00 0.25
0.50 Wasserspiegelauslenkung [m]
Crest-to-Crest zur Erfassung der Sekundärwelle HS 2
T1 T2 T3 T4 T5 T6
H1 H2 H3 H4 H5
H6
Darüber hinaus können, ausgehend von dem Gesamtkollektiv der Daten, auch Einzelbetrach- tungen der höchsten Ereignisse oder, bei Zuordnung über das Lotsenbuch, für bestimmte Schiffe durchgeführt werden.
Die Auswertung der schiffserzeugten Belastungen nach der zuvor beschriebenen Methode war mit Beginn der kontinuierlichen Datenaufzeichnung ab dem 16. Juli 1996 möglich, die vorher aufgelaufenen Daten wurden bei der Auswertung schiffserzeugter Belastungen nicht berücksichtigt.
Insgesamt wurden auf diese Weise in der Messkampagne I (1996) rd. 4000, in der Messkam- pagne II (1998/99) rd. 5600 und in der Messkampagne II (1999/2000) rd. 6050 Schiffspassa- gen detektiert und einer Analyse unterzogen.
Das gewählte Analysekonzept weist verbleibende Schwachstellen bei der Analyse kurzperio- discher Wellenbelastungen mit sehr geringer Wellenhöhe (H < 0,05 m) auf. Hier werden, be- dingt durch das Crest-to-Crest Wellenerkennungsverfahren keine repräsentativen Ergebnisse erzielt. Entsprechende Wellenhöhen sind als Lastgrößen jedoch auch nicht weiter von Bedeu- tung.
Darüber hinaus ist eine Trennung von sich überlagernden Schiffswellenereignissen auch mit dieser Auswertesystematik nicht möglich. Für Bemessungsfragen in der Praxis ist jedoch zu begründen, dass die tatsächlich auftretende Wellenbelastung und damit nicht in jedem Falle eine isolierte Betrachtung einzelner Ereignisse für die Bewertung relevant ist.
Die Spezifikationen für die automatisierte Auswertung der Messungen mit dem Programm WMC zur Ermittlung schiffserzeugter Belastungen sind in Abschn. 4.4 zusammengefasst.
4.3 Konfigurierung der Seegangsauswertung 4.3.1 Zeitbereich
Die gewählten Randbedingungen für die Seegangsauswertung im Zeitbereich werden wie folgt zusammengefasst:
Auswertelänge: 10800 Werte ≅ 20 Minuten
Datenfilterung: 5-Werte Medianfilter, 5-Werte Mittelwertfilter Mindesthalbwellendefinition: 4 Werte ≅ Minimale Wellenperiode
von 0,88 s Wellenerkennungsverfahren: Zero-down-crossing
Berücksichtigung des hydrau-
lischen Filters bei Druckmessdosen: ALCM-Verfahren (Advanced-local-curvature- method, vgl. auch OELERICH und OTAY, 1989)
4.3.2 Frequenzbereich
Die Randbedingungen für die Seegangsauswertung im Frequenzbereich mit der Fast-Fourier- Transformation (FFT) werden wie folgt angegeben:
Auswertelänge: 9984 Werte ≅ 18,5 Minuten
Datenfilterung: 5-Werte Medianfilter, 5-Werte Mittelwertfilter Anzahl der Auswertefenster: 11
Länge der Auswertefenster: 1024 Werte ≅ maximale Wellenperiode von 56,9 s Überlappung der Auswertefenster: 128 Werte
Berücksichtigung des hydrau-
lischen Filters bei Druckmessdosen: nicht möglich
4.4 Konfigurierung der Auswertung schiffserzeugter Belastungen
Die Bestimmung der kurz- und langperiodischen Wellenanteile unterscheidet sich durch die gewählten Randbedingungen bei der Filterung des Messsignals und dem gewählten Wellen- erkennungsverfahren.
Für die Analyse der einzelnen Komponenten der Schiffswellen wurden die nachfolgend in Tab. 4 aufgeführten Auswertebedingungen gewählt.
Tab. 4: Auswertebedingungen für die Ermittlung schiffserzeugter Belastungen
Auswertebedingung Bestandteil der Schiffswelle
Absunk Primärwelle Sekundärwelle
Auswertelänge: 16200 Werte
≅ 30 Minuten Datenfilterung: 19-Werte Medianfilter
135-Werte Mittelwertfilter
5-Werte Medianfilter 5-Werte Mittelwertfilter Definition der
Mindesthalbwelle:
200 Werte
≅ Minimale Wellenperiode von 22 s
4 Werte
≅ Minimale Wellen- periode von 0,88 s Verfahren zur Wellen-
erkennung: Zero-up-crossing Zero-down-crossing Crest-to-Crest Berücksichtigung des
hydraulischen Filters bei Druckmessdosen:
ALCM-Verfahren (Advanced-local-curvature method, vgl. auch OELERICH und OTAY, 1989)
Für die Erkennung möglicher, zeitgleich aufgetretener und nicht zu vernachlässigender Seegangsbelastungen wurden die Messreihen ebenfalls einer Spektralanalyse unterzogen (vgl.
Abschn. 4.2.2). Die dafür gewählten Randbedingungen entsprechen den Festlegungen in Abschn. 4.3.2, wobei allein der insgesamt längere Datensatz mit 16 Fenstern (Fensterweite 1024 Werte) analysiert wurde. Mit der entsprechenden Überlappung ergibt sich damit eine Auswertelänge von 14464 Werten (≅ 26,8 Minuten).
Als Grenzkriterium für den lokalen Seegang bei der Ermittlung maximaler schiffserzeugter Belastungen wurde eine Wellenhöhe Hm0 = 0,25 m definiert.
4.5 Verwendete Parameter zur Beurteilung des Seegangsklimas
Das für die automatische Seegangsauswertung verwendete Programm WMC 4.0/4.1 ermittelt zur Beschreibung des Seegangsklimas rd. 60 Kenngrößen im Zeit- und Frequenzbereich.
Für eine abgesicherte Beurteilung der Seegangsverhältnisse werden i.d.R. jedoch wesentlich weniger Parameter gebraucht.
Nachfolgend sind die verwendeten Parameter sowie die benutzten Kurzbezeichnungen in Tab.
5 zusammengestellt.
Tab. 5: Verwendete Seegangsparameter
LfdNr. Parameter Kennung Einheit
Zeitbereichsparameter
1 Mittlere Wellenhöhe Hm [m]
2 Maximale Wellenhöhe Hmax [m]
3 Mittlere Wellenhöhe der 33 % höchsten Wellen H1/3 [m]
4 Mittlere Wellenperiode Tm [s]
5 Mittlere Wellenperiode der 33 % höchsten Wellen TH1/3 [s]
Frequenzbereichsparameter
7 Wellenhöhe Hm0 [m]
8 Peakperiode TP [s]
9 Wellenperiode Tm02 [s]
4.6 Verwendete Parameter zur Beurteilung schiffserzeugter Belastungen Die Auswertung der schiffserzeugten Wellenbelastung erfolgte, wie zuvor erläutert, ebenfalls mit dem Programm WMC 4.0/4.1. Für die Auswertung wurden drei verschiedene Rechenläu- fe mit unterschiedlicher Signalaufbereitung und –filterung durchgeführt (vgl. Abschn. 4.4).
Die in Tab. 6 zusammengefassten Kenngrößen wurden zur Beurteilung schiffserzeugter Be- lastungen herangezogen.
Tab. 6: Verwendete Parameter zur Erfassung schiffserzeugter Belastungen
LfdNr. Parameter Kennung Einheit
1 Absunk als maximale Wellenhöhe nach Abschn. 4.4 zA [m]
2 Primärwelle als maximale Wellenhöhe nach Abschn. 4.4 HP [m]
3 Sekundärwelle als maximale Wellenhöhe nach Abschn. 4.4 HS [m]
5 Ergebnisse der Seegangsauswertungen
5.1 Selektive Kontrolle der gewählten Auswertekonfiguration
Ziel der zuvor vorgestellten Auswertekonfiguration ist die Ermittlung stabiler Parameter zur hinreichenden Beschreibung der Seegangssituation im Zufahrts- und Hafenbereich von War- nemünde.
Eine unmittelbare Vergleichbarkeit der mit verschiedenen Geräten gemessenen Wellenbelas- tungen ist von besonderer Bedeutung. Bei einer Redundanz durch parallel betriebene Mes- sungen (Wellendraht und Druckmessdose) können die Ergebnisse bei Geräteausfällen als gleichwertig angesehen werden, mögliche Datenlücken lassen sich somit minimieren.
Darüber hinaus werden für die Lösung ingenieurspraktischer Fragestellungen oftmals spezifi- sche Bemessungsparameter benötigt, so dass die Verifikation entsprechender Zusammenhän- ge von verschiedenen Parametern ebenfalls von Bedeutung ist. Unter Berücksichtigung der in Abschn. 4.1 erörterten Schwachstellen bei der Parametrisierung von Seegangsbelastungen im Zeit- und Frequenzbereich werden wesentliche Kenngrößen gegenübergestellt.
5.1.1 Ergebnisse der verschiedenen Seegangsmessverfahren
Die Seegangsmessstationen waren, mit Ausnahme der Station a2, jeweils mit einem Wellen- draht und einer Druckmessdose ausgerüstet, so dass an diesen Stationen Vergleiche der para- metrisierten Seegangsgrößen durchgeführt werden konnten. Die vollständige Dokumentation der Seegangsauswertung ist in Anlage 1.1 zusammengefasst.
Die Ergebnisse der Seegangsmessungen weisen aus, dass, mit partiellen Ausnahmen in 1996 an den Stationen n4 und o8, sehr gute Übereinstimmungen zwischen den beiden Messsyste- men erzielt werden konnten. Die größten Streuungen traten bei Wellenhöhen < 20 cm auf, dieser Bereich ist jedoch für die weitergehende Auswertung des Seegangsklimas von unterge- ordneter Bedeutung.
An den Stationen n4 und o8 sind bei der Messkampagne I (1996) noch verbliebene, durch die Datenreinigung nicht behebbare Signalstörungen erkennbar, die eine generelle Verwendung der Messungen mit dem Wellendraht nicht erlauben.
Die Störungen konnten während der Messkampagne I (1996) lokalisiert werden. Diese stan- den mit Masseänderungen durch den Kontakt von Dalben (mit Wellendraht) und Schiff (Fäh- re) im Zusammenhang. Durch eine Modifikation der Wellendrahthaltekonstruktion konnte das Problem im September 1996 dauerhaft behoben werden.
Für eine möglichst umfassende Analyse der Seegangsverhältnisse einerseits und dem besseren Vergleich andererseits wurden aber an den Stationen n4 und o8 ausschließlich die Seegangsmessungen mit den Druckmessdosen verwendet.
5.1.2 Ergebnisse der Zeit- und Frequenzbereichsauswertung
Für eine vergleichende Betrachtung der Zeit- und Frequenzbereichsauswertung wurden die Parameter Wellenhöhe Hm0 und H1/3 herangezogen. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Anlage 1.2 zusammengestellt.
Die beiden Wellenhöhenparameter weisen einen linearen Zusammenhang auf, der mit folgen- der Beziehung beschrieben werden kann:
H1/3 = 0,90 bis 0,95 · Hm0
Ein Vergleich mit zugänglicher Fachliteratur (vgl. z.B. EAK, 1993) bestätigt für natürliche Seegangsbedingungen den o.g. Zusammenhang.
5.2 Ergebnisse ausgewählter Parameter im Zeit- und Frequenzbereich
Zur übersichtlichen und umfassenden Dokumentation der Wind-, Wasserstands- und Seegangsverhältnisse im Bereich des Seekanals und des Warnemünder Hafens wurden Mo- natsgrafiken mit selektierten Kenngrößen erstellt und jeweils auf 4 Seiten (vgl. Tab. 7) in An- lage 2 zusammengefasst.
Tab. 7: Verwendete Messreihen zur Dokumentation der Seegangs- und Windmessun- gen im Rahmen des Beweissicherungsverfahrens
Messgröße Parameter Bez. Lokation
Hydrologische Hauptwerte
Wind stündliche mittlere Windgeschwindigkeit v DWD Warnemünde stündliche mittlere Windrichtung R
Seegang Wellenhöhe Hm0
Alpha
Wellenanlaufrichtung Θ
Wasserstand Wasserstand W Warnemünde
Seegangsmessungen 1 (Frequenzbereichsauswertung)
Seegang Wellenhöhe Hm0
Alpha, x1 bzw. x2
Wellenperiode Tm02
TP
Seegangsmessungen 2 (Frequenzbereichsauswertung)
Seegang Wellenhöhe Hm0 n4, o8, j2, w5, a2
Seegangsmessungen 3 (Zeitbereichsauswertung)
Seegang Wellenhöhe Hm
H1/3
Hmax
n4, o8, j2, w5, a2
5.3 Bandbreite ausgewählter Parameter
Für die beiden Untersuchungszeiträume standen, wie in Abschn. 3.4 dargestellt, stündliche Messwerte der Windgeschwindigkeit und –richtung an der Station Warnemünde des Deut- schen Wetterdienstes zur Verfügung. Für eine differenzierte Betrachtung der Windverhältnis- se wurden die jeweils höchsten Werte während der Messkampagnen, ausgehend von dem vor- liegenden 10°-Richtungsraster, in Tab. 8 zusammengefaßt. Bei signifikanten Windgeschwin- digkeitsunterschieden (Δv ƒ 2 m/s) zwischen den Messkampagnen in den einzelnen Sektoren sind die höheren Werte in Tab. 8 gesondert gekennzeichnet.
Tab. 8: Höchste Windgeschwindigkeiten (Stundenmittel) aus den einzelnen Richtungs- sektoren (36er-Teilung) während der Messkampagnen I (1996), II (1998/99) und III (1999/2000)
Wind- richtung
Messkampagne I (1996) Messkampagne II (1998/99) Messkampagne III (1999/2000) v [m/s] Datum/Zeit v [m/s] Datum/Zeit v [m/s] Datum/Zeit
0° 11,8 10.09.1996 22 Uhr
11.09.1996 0 Uhr 11,2 17.11.1998 7 Uhr 12,5 21.01.2000 17 Uhr 10° 11,7 28.11.1996 10 Uhr 9,8 16.11.1998 20 Uhr
30.01.1999 0 Uhr 12,6 21.01.2000 16 Uhr 20° 12,3 11.09.1996 2 Uhr 9,6 29.01.1999 1 Uhr 13,6 11.03.1999 1 Uhr 30° 12,6 28.11.1996 6 Uhr 8,9 19.11.1998 19 Uhr 16,0 19.11.1999 18-20 Uhr 40° 11,9 28.11.1996 5 Uhr 9,6 29.01.1999 0 Uhr 15,0 19.11.1999 21 Uhr 50° 9,4 28.11.1996 4 Uhr 8,8 28.01.1999 20 Uhr 11,0 19.11.1999 23 Uhr 60° 7,3 21.09.1996 16 Uhr 7,9 28.01.1999 21 Uhr 13,0 19.11.1999 17 Uhr 70° 5,4 21.09.1996 13/20 Uhr 5,6 28.01.1999 16 Uhr 5,9 30.03.2000 12 Uhr 80° 5,8 23.09.1996 14 Uhr 6,1 06.10.1998 18 Uhr 4,6 29.03.2000 17 Uhr 90° 5,3 22.09.1996 10 Uhr 7,4 06.10.1998 16 Uhr 4,0 20.11.1999 1 Uhr 100° 5,4 23.09.1996 13/15 Uhr 7,3 02.10.1998 11 Uhr 6,5 21.10.1999 12 Uhr 110° 5,0 26.11.1996 5 Uhr 6,8 01.10.1998 9 Uhr 7,5 21.10.1999 15 Uhr 120° 5,3 26.11.1996 1 Uhr 7,2 12.08.1998 5 Uhr 7,0 21.10.1999 20 Uhr 130° 6,4 25.11.1996 23 Uhr 12,4 01.10.1998 10 Uhr 8,8 28.04.2000 16 Uhr 140° 8,8 25.11.1996 18/19 Uhr 8,3 30.12.1998 16 Uhr 8,8 13.03.1999 10 Uhr 150° 8,2 25.10.1996 12 Uhr 8,6 30.12.1998 20 Uhr 7,1 30.10.1999 19 Uhr 160° 6,6 23.07.1996 15 Uhr
04.12.1996 0 Uhr 8,8 24.10.1998 23 Uhr 8,5 23.12.1999 1 Uhr 170° 6,5 04.12.1996 2 Uhr 8,7 25.10.1998 2 Uhr 8,0 11.12.1999 21 Uhr 25.12.1999 3/6 Uhr 180° 7,0 01.12.1996 23 Uhr 6,7 27.12.1998 1 Uhr 8,1 25.12.1999 7/8 Uhr 190° 9,0 06.11.1996 10 Uhr 8,7 26.12.1998 4 Uhr 10,4 17.12.1999 13 Uhr 200° 9,9 06.11.1996 11 Uhr 8,7 16.01.1999 16 Uhr 12,6 17.12.1999 16 Uhr 210° 8,9 06.11.1996 14 Uhr 9,6 26.12.1998 6 Uhr 11,0 03.12.1999 16/17 Uhr 220° 8,6 05.11.1996 14 Uhr 9,0 25.01.1999 16 Uhr 10,1 03.03.2000 8 Uhr 230° 9,5 06.11.1996 21 Uhr 8,5 25.01.1999 17 Uhr 11,0 03.12.1999 18 Uhr 240° 10,3 06.11.1996 22 Uhr 9,9 26.12.1998 7 Uhr 15,0 03.12.1999 20 Uhr 250° 7,1 30.09.1996 17 Uhr 10,4 27.12.1998 10 Uhr 14,0 03.12.1999 21/22 Uhr 260° 11,5 07.11.1996 14 Uhr 12,2 28.10.1998 11 Uhr 19,0 04.12.1999 0 Uhr 270° 15,8 29.10.1996 21 Uhr 15,1 13.12.1998 14 Uhr 21,0 04.12.1999 1 Uhr 280° 20,4 29.10.1996 22 Uhr 16,5 28.10.1998 17 Uhr 21,2 30.01.2000 7 Uhr 290° 20,9 21.11.1996 18 Uhr 18,8 06.11.1998 12 Uhr 21,7 30.01.2000 8 Uhr 300° 21,2 21.11.1996 19 Uhr 16,0 13.12.1998 16 Uhr 19,6 05.02.2000 18 Uhr 310° 18,5 30.10.1996 9 Uhr 18,3 06.11.1998 13 Uhr 16,5 15.03.2000 1 Uhr 320° 15,1 22.10.1996 6 Uhr 17,3 06.11.1998 14 Uhr 16,4 15.03.2000 5 Uhr 330° 11,4 19.11.1996 6 Uhr 14,8 06.12.1998 21 Uhr 16,0 05.12.1999 15 Uhr 340° 12,2 22.10.1996 8 Uhr 15,4 06.12.1998 23 Uhr
07.12.1998 0 Uhr 15,6 18.01.2000 18 Uhr 350° 12,3 12.09.1996 23 Uhr 14,6 07.12.1998 9 Uhr 15,0 21.01.2000 11 Uhr
Für eine generelle Beschreibung der Wasserstandsverhältnisse während der drei Messkam- pagnen ist die Bandbreite der Werte in Tab. 9 zusammengestellt.
Tab. 9: Bandbreite der eingetretenen Wasserstände während der Messkampagnen 1996, 1998/99 und 1999/2000
Bezeichnung Messkampagne I (1996)
Messkampagne II (1998/99)
Messkampagne III (1999/2000)
Wasserstand Datum/Zeit Wasserstand Datum/Zeit Wasserstand Datum/Zeit maximaler
Wasserstand HW NN + 0,67 m 28.11.1996
8 Uhr NN + 0,78 m 06.12.1998
20 Uhr NN + 0,86 m 19.01.2000 2 Uhr minimaler
Wasserstand NW NN – 1,05 m 07.11.1996
6 Uhr NN – 0,58 m 10.10.1998
12 Uhr NN – 1,69 m 04.12.2000 6 Uhr
Abschließend werden auch noch die aufgetretenen, maximalen Seegangsereignisse anhand entsprechenden Höchstwerte der Seegangsparameter Hm0 und H1/3 an den einzelnen Lokatio- nen zur Charakterisierung in Tab. 10 zusammengefasst. Bei signifikanten Unterschieden in den Wellenhöhenparametern (ΔH ƒ 0,2 m) zwischen den Messkampagnen an den einzelnen Stationen wurden die höchsten Werte in Tab. 10 gesondert gekennzeichnet.
Eine grafische Dokumentation maximaler Seegangsereignisse, die an der Station Alpha eine Wellenhöhe von Hm0 = 2 m überschritten haben, ist in Anlage 5 zusammengestellt.
5.4 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewerteten Seegangsmessungen Für eine kompakte Übersicht aller Ergebnisse zur Beschreibung der Seegangsverhältnisse wurden die Frequenzbereichsparameter Wellenhöhe Hm0 und Wellenperiode Tm02 für die ein- zelnen Stationen in Abb. 7 (1996), Abb. 8 (1998/99) und Abb. 9 (1999/2000) sowie die Er- gebnisse der Zeitbereichsauswertung für die Wellenhöhe H1/3 und die Wellenperiode TH1/3 in Abb. 10 (1996), Abb. 11 (1998/99) und Abb. 12 (1999/2000) zusammengefasst.
Tab. 10: Höchstwerte der Wellenhöhen im Zeit- und Frequenzbereich für die Messkampagnen 1996, 1998/99 und 1999/2000 mit zu- gehöriger Wellenanlaufrichtung (WAR) an der Wellenmessboje Station Alpha Messkampagne III (1999/2000) Datum Zeit - - 09.02.00 16 Uhr 04.12.99 2 Uhr 21.01.00 16 Uhr 05.02.99 16 Uhr 05.02.99 16 Uhr 06.02.99 2 Uhr
WAR Alpha [°] - - 304 301 357 301 301 302
H1/3 [m] - - 1,42 0,62 0,37 0,69 0,27 0,18
Datum Zeit 04.12.99 0 Uhr - 09.02.00 16 Uhr 04.12.99 2 Uhr 04.12.99 2 Uhr 05.02.99 16 Uhr 06.02.99 2 Uhr 04.03.00 0 Uhr
WAR Alpha [°] 294 - 304 301 301 301 302 284
Hm0 [m] 2,97 - 1,59 0,69 0,41 0,78 0,32 0,29
Messkampagne II (1998/99) Datum Zeit - - 06.11.98 14 Uhr 06.12.98 22 Uhr 07.12.98 10 Uhr 13.12.98 16 Uhr 07.12.98 8 Uhr 07.12.98 8 Uhr
WAR Alpha [°] - - 304 332 339 304 337 337
H1/3 [m] - - 1,13 0,53 0,36 0,44 0,33 0,16
Datum Zeit 06.11.98 14 Uhr - 06.11.98 14 Uhr 05.12.98 18 Uhr 07.12.98 10 Uhr 06.11.98 14 Uhr 07.12.98 8 Uhr 06.11.98 14 Uhr
WAR Alpha [°] 304 - 304 312 339 304 337 304
Hm0 [m] 2,32 - 1,20 0,57 0,36 0,51 0,36 0,22
Messkampagne I (1996) Datum Zeit - 30.10.96 10 Uhr - 09.07.96 18 Uhr 30.10.96 12 Uhr 21.11.96 20 Uhr 09.07.96 16 Uhr 02.07.96 4 Uhr
WAR Alpha [m] - 306 - 300 309 292 305 284
H1/3 [m] - 2,58 - 0,24 0,27 0,24 0,34 0,20
Datum Zeit 30.10.96 11 Uhr 30.10.96 10 Uhr - 30.10.96 12 Uhr 30.10.96 12 Uhr 30.10.96 12 Uhr 09.07.96 18 Uhr 09.07.96 18 Uhr
WAR Alpha [°] 307 306 - 309 309 309 300 300
Hm0 [m] 2,80 2,91 - 0,22 0,28 0,28 0,38 0,20
Station Alpha x1 x2 n4 o8 j2 w5 a2
06. - 12. 1996 Wellenhöhe: Hm0 Wellenperiode: Tm02
Stationsbezogene Seegangscharakteristik
ZUFAHRT ZUM SEEHAFEN ROSTOCK - Beweissicherung: Seegangsmessungen - IM + P
0 3 6 9 12 15
Wellenperiode Tm02 [s]
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station Alpha (Warnowmündung)
0 3 6 9 12 15
Wellenperiode Tm02 [s]
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station x1 (Mittelmole Nord)
0.0 0.5 1.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station n4 (westl.Fähranleger)
0 3 6 9 12 15
Wellenperiode Tm02 [s]
0.0 0.5 1.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station o8 (östl.Fähranleger)
0 3 6 9 12 15
Wellenperiode Tm02 [s]
0.0 0.5 1.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station j2 (Jachthafen)
0.0 0.5 1.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station w5 (Alter Strom)
0 3 6 9 12 15
Wellenperiode Tm02 [s]
0.0 0.5 1.0 [m]
Wellenhöhe Hm0
Station a2 (Alter Strom)
Abb. 7: Zusammenfassende Übersicht der erfassten Seegangsverhältnisse 1996 (Fre- quenzbereichsauswertung)
