G U T A C H T E N
Gutachten
zur Anpassung der Seewasser- straße Nördlicher Peenestrom
an die veränderten Anforderungen aus Hafen und Werftbetrieb der Stadt Wolgast
BAW-Nr. A 395 502 10070
zur Anpassung der Seewasserstraße Nördlicher Peenestrom
an die veränderten Anforderungen aus Hafen und Werftbetrieb der Stadt Wolgast
Auftraggeber: Wasser- und Schifffahrtsamt Stralsund Wamper Weg 5
18439 Stralsund
Auftrag vom: 01.11.2005
Auftrags-Nr.: BAW-Nr. A 395 502 10070
Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich Referat: Ästuarsysteme I (K2)
Bearbeiter: Dipl.-Ing. D. Knoch Dr. G. Seiß
Dipl.-Ing. (FH) S. Gärtner Hamburg, 06.08.2007
Das Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffent- lichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW.
Bundesanstalt für Wasserbau · Wedeler Landstr. 157 · 22559 Hamburg · (0 40) 8 19 08 – 0
Zusammenfassung
Das Land Mecklenburg-Vorpommern hat den Ausbau des Nördlichen Peenestroms auf -7,50 mNN Wassertiefe beantragt.
Träger des Vorhabens „Anpassung der Seewasserstraße Nördlicher Peenestrom an die veränderten Anforderungen aus Hafen- und Werftbetrieb der Stadt Wolgast“ ist die Bundesrepublik Deutschland, Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, vertreten durch das Wasser- und Schifffahrtsamt Stralsund.
Für das Planfeststellungsverfahren ist im Auftrag des Wasser- und Schifffahrtsamtes Stral- sund (Geschäftszeichen 2-231.2-PeS2/3-1) von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) eine wasserbauliche Systemanalyse mit dem Ziel einer detaillierten Ermittlung ausbaube- dingter Änderungen der abiotischen Systemparameter zu erstellen.
Die wasserbauliche Systemanalyse der abiotischen Systemparameter umfasst die Ermittlung der maßgebenden Kennwerte der Hydrodynamik und des Salztransports auf der Basis einer hochauflösenden 3D HN-Modellierung eines Vergleichszustandes sowie die Ermittlung der ausbaubedingten Auswirkungen auf die Kennwerte.
Für die geplante Fahrrinnenanpassung des Nördlichen Peenestroms sind zwei mögliche Varianten zur Umsetzung der Maßnahme geplant worden. Im Rahmen der wasserbaulichen Systemanalyse wurden diese Varianten, Landtief-Variante und Osttief-Variante, untersucht.
Der Ausbau des Nördlichen Peenestroms wirkt sich bezüglich der Wasserstände nur im Be- reich des Peenestroms aus, da die Wasserstände im Mündungsbereich aus den Wasserstän- den im Greifswalder Bodden entstehen und diese unbeeinflusst von der Maßnahme bleiben. Im Südlichen Peenestrom ergeben sich nur tendenzielle ausbaubedingte Änderungen. Durch den Sohlsprung bei Wolgast wird die ausbaubedingte Wirkung stark gedämpft.
Die Hochwasserstände erhöhen sich um etwa +1 cm im Nördlichen Peenestrom sowohl bei charakteristischen, häufigen als auch bei seltenen Ereignissen. Die Niedrigwasserstände ver- ringern sich in diesem Bereich ausbaubedingt um weniger als -5 cm. Im Südlichen Peenestrom liegen die Abnahmen bei etwa -1 cm. Die langzeitliche Betrachtung zeigt keine Änderungen im Mittelwasser. Bei kurzzeitigen Ereignissen kann es zu tendenziellen Änderungen kommen.
Die ausbaubedingte Wirkung auf die Strömung kann lokal sehr unterschiedlich sein. So zeigen die Untersuchungen, dass sich im Nördlichen Peenestrom vorwiegend ausbaubedingte Ab- nahmen der maximalen Strömungsgeschwindigkeit von bis zu -0,10 m/s und lokal bis zu -0,15 m/s ergeben. Die Abnahmen resultieren im Wesentlichen aus der ausbaubedingten Querschnittsaufweitung im Nördlichen Peenestrom.
Ausbaubedingte Zunahmen treten überall dort auf, wo der ausbaubedingt erhöhte Durchfluss wirksam wird bzw. die ausbaubedingte Wirkung dominiert. Dies ergibt sich in Gewässerab-
Die Untersuchung des Transportverhaltens der Salzgehalte ergibt eine ausbaubedingte Strom- aufverschiebung der Mischungszone (Bereich, in dem sich Bodden- und Haffwasser mischen).
Die Analyse der maximalen Salzgehalte zeigt eine ausbaubedingte Verschiebung der Mi- schungszone um 1 km bei häufigen, charakteristischen Ereignissen und bei seltenen, außer- gewöhnlichen Ereignissen bis zu 2 km je nach Intensität des untersuchten Ereignisses. Daraus resultieren ausbaubedingte Erhöhungen des Salzgehalts im Bereich von 0,5 PSU (häufige Ereignisse) bis 0,75 PSU (seltene Ereignisse). Die von der Ausbauwirkung betroffene Fläche ist von der Lage und räumlichen Ausdehnung der Mischungszone abhängig. Diese wiederum variiert erheblich je nach untersuchtem Ereignis oder Szenario. Eine ausbaubedingte Änderung des Salzgehalts tritt nur bereichsweise im Peenestrom auf. Änderungen des Salzgehalts wer- den bei allen untersuchten hydrologischen Ereignissen je nach Lage des horizontalen Salzgra- dienten festgestellt.
Inhaltsverzeichnis Seite
1 Veranlassung und Aufgabenstellung 1
2 Verwendete Unterlagen und Daten 3
3 Physikalische Prozesse 5
4 Untersuchungskonzept 8
4.1 Vorbemerkung 8
4.2 Das mathematische Verfahren UnTRIM-3D 9
4.3 Das Modellgebiet 10
4.3.1 Berechnungsgitter und Modelltopographie 11
4.3.2 Der Vergleichszustand 12
4.3.3 Die Ausbauzustände 12
4.4 Modellsteuerung 16
4.4.1 Seeseitiger Rand 16
4.4.2 Landseitiger Rand 17
4.4.3 Meteorologische Randbedingungen 18
4.5 Der Untersuchungszeitraum 23
4.6 Ereignisbezogene Betrachtung des Untersuchungszeitraumes 23 4.7 Vorgehensweise für die Analyse der Simulationsergebnisse 25 4.8 Systemstudien zu synthetischen Hochwasser-Szenarien 27
5 Kalibrierung des Modells 28
5.1 Ergebnisse der Kalibrierung 29
5.1.1 Wasserstand 30
5.1.2 Strömung 32
5.1.3 Salzgehalt 35
5.2 Schlussfolgerungen der Modellkalibrierung 39
6 Simulationsergebnisse und Interpretation der ausbaubedingten Änderungen 40 6.1 Hinweise zur Darstellung der Simulationsergebnisse 40 6.2 Sensitivitätsstudien zu den Varianten und zum Vertiefungsmaß 42 6.3 Ausbaubedingte Änderungen der Wasserstandsverhältnisse 48
6.3.1 Hochwasserstände 48
6.3.2 Niedrigwasserstände 53
6.3.3 Mittelwasserstände 53
6.4.1 Maximale Strömungsgeschwindigkeit 60
6.4.2 Dauer hoher Strömungsgeschwindigkeit 61
6.4.3 Dauer niedriger Strömungsgeschwindigkeit 62
6.5 Ausbaubedingte Änderungen der Salzgehaltsverhältnisse 64
6.5.1 Maximaler Salzgehalt 64
6.5.2 Minimaler Salzgehalt 70
6.5.3 Mittlerer Salzgehalt 72
6.5.4 Verschiebung der Mischungszone 72
6.5.5 Dauer hoher und niedriger Salzgehalte 74
7 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 77
Bildverzeichnis Seite
Bild 1: Übersicht des Untersuchungsgebietes mit Modelltopographie imVergleichszustand (mNN); in schwarz ist die Fahrrinnenachse
gekennzeichnet...2
Bild 2: Topographie des gesamten Modellgebietes...11
Bild 3: Berechnungsgitter - gesamtes Modellgebiet. ...13
Bild 4: Berechnungsgitter - Ausschnitt aus dem Nördlichen Peenestrom. ...13
Bild 5: Differenztopographie zwischen Landtief-Variante (-8,30 mNN) und Vergleichszustand. ...14
Bild 6: Differenztopographie zwischen Osttief-Variante (-8,30 mNN) und Vergleichszustand. ...14
Bild 7: Differenztopographie zwischen Landtief- bzw. Osttief-Variante (-8,30 mNN) und Vergleichszustand im Bereich des Nördlichen Peenestroms. ...15
Bild 8: Offene seeseitige Ränder des Ostseemodells. ...17
Bild 9: Ermitteltes Oberwasser aus Messwerten an der Position Hohensaaten Finow (WSA Eberswalde). ...18
Bild 10: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windgeschwindigkeit an der Messstation Arkona. ...20
Bild 11: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windrichtung an der Messstation Arkona (Nord: 0°bzw. 360°, Ost: 90°, Süd: 180°, West: 270°). ...20
Bild 12: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windgeschwindigkeit an der Messstation Ueckermünde. ...21
Bild 13: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windrichtung an der Messstation Ueckermünde (Nord: 0°bzw. 360°, Ost: 90°, Süd: 180°, West: 270°). ...21
Bild 14: Die Häufigkeitsverteilung der vom DWD gemessenen Windgeschwindigkeit und -richtung an der Station Arkona auf Rügen über einen Zeitraum von 33 Jahren...22
Bild 15: Die Häufigkeitsverteilung der vom DWD gemessenen Windgeschwindigkeit und -richtung an der Station Arkona auf Rügen über den Simulationszeitraum vom 01.11.2005 bis 30.12.2005. ...22
Bild 16: Unterteilung des Untersuchungszeitraumes in verschiedene Analysezeiträume anhand der gemessenen und berechneten Wasserstände am Pegel Ruden. ...25
Bild 17: Wasserstände an der Position Karlshagen für das Hochwasser-Ereignis 1 und die synthetischen Hochwasser-Ereignisse (HW1+20cm und HW1+60cm). ...27
Bild 18: Übersicht der Messstationen (gelbe Markierungen 1 bis 6) der Naturmessungen 2005 sowie der Windmessstationen (orange Markierung). ...29
Bild 19: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Wasserstände an der Position Ruden. ...31
Bild 21: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Wasserstände an der Position
Wolgast. ... 32 Bild 22: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Wasserstände an der Position
Ueckermünde... 32 Bild 23: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Strömung an der Position
Pommersche Bucht in 3 m Wassertiefe. ... 33 Bild 24: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Strömung an der Position
Peenemünde in 3 m Wassertiefe. ... 34 Bild 25: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Strömung an der Position Wolgast in
5 m Wassertiefe. ... 34 Bild 26: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Strömung an der Position Zecheriner
Brücke in 3 m Wassertiefe. ... 35 Bild 27: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Salzgehalte an der Position
Pommersche Bucht in 8 m Wassertiefe. ... 37 Bild 28: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Salzgehalte an der Position
Peenemünde in 3 m Wassertiefe. ... 37 Bild 29: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Salzgehalte an der Position
Karlshagen in 3 m und 8 m Wassertiefe. ... 38 Bild 30: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Salzgehalte an der Position Wolgast in
5 m Wassertiefe. ... 38 Bild 31: Gemessene (rot) und berechnete (blau) Salzgehalte an der Position
Zecheriner Brücke in 3 m Wassertiefe. ... 39 Bild 32: Übersichtskarte zur Lage des Längsprofils (blau) und der Querprofile (rot) im
Peenestrom... 41 Bild 33: Salzgehalt im Längsprofil des Peenestroms entlang der Fahrrinnenmitte -
synoptische Darstellung im Vergleichszustande... 42 Bild 34: Darstellung der Topographie im Vergleichszustand entlang des Längsprofils
und zugehörige Kilometrierung des Längsprofils sowie der Peenestrom-
Kilometrierung... 42 Bild 35: Minimaler Salzgehalt im Analysezeitraum Niedrigwasser-Ereignis 1 für die
Varianten LTV790, LTV830, OTV790 und OTV830 – Ausschnitt Mündung
Peenestrom... 45 Bild 36: Maximaler Salzgehalt im Analysezeitraum Hochwasser-Ereignis 1 für die
Varianten LTV790, LTV830, OTV790 und OTV830 – Ausschnitt Südlicher
Peenestrom und Achterwasser. ... 46 Bild 37: Hoch- und Niedrigwasserstände für die Analysezeiträume Hochwasser-
Ereignis 2 und Niedrigwasser-Ereignis 1 für die Varianten LTV790, LTV830,
OTV790 und OTV830. ... 47 Bild 38: Hochwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung im Analysezeitraum
Hochwasser-Ereignis 1. ... 50 Bild 39: Hochwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung im Analysezeitraum
Hochwasser-Ereignis 2. ... 51
Bild 40: Hochwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung der Hochwasser-
Szenarien (HW1 +20cm und HW1 +60cm) sowie das Hochwasser-Ereignis 1...52 Bild 41: Niedrigwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung im
Analysezeitraum Niedrigwasser-Ereignis 1. ...54 Bild 42: Niedrigwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung im
Analysezeitraum Niedrigwasser-Ereignis 2. ...55 Bild 43: Mittelwasserstände und deren ausbaubedingte Änderung im gesamten
Untersuchungszeitraum...56 Bild 44: Durchfluss an den Querprofilen Peenemünde, Karlshagen, Ziemitz und Lassan
als Zeitreihe für den Vergleichszustand dargestellt (01.11.2005-02:00 –
30.12.2005-00:00). ...58 Bild 45: Durchfluss an dem Querprofil Ziemitz für den Vergleichszustand, die Ausbau-
Variante LTV830 und die ausbaubedingte Änderung als Zeitreihe dargestellt
(21.12.2005-00:00 – 26.12.2005-00:00). ...58 Bild 46: Durchfluss an dem Querprofil Lassan für den Vergleichszustand, die Ausbau-
Variante LTV830 und die ausbaubedingte Änderung als Zeitreihe dargestellt
(21.12.2005-00:00 – 26.12.2005-00:00). ...59 Bild 47: Maximaler Salzgehalt (VGL650) als Mittelwert über die Wassertiefe und
ausbaubedingte Änderungen für die Varianten LTV790, LTV830, OTV790 und OTV830 während der Hochwasser-Ereignisse...66 Bild 48: Maximaler Salzgehalt (VGL650) als Mittelwert über die Wassertiefe und
ausbaubedingte Änderungen für die Varianten LTV790, LTV830, OTV790 und OTV830 während der Niedrigwasser-Ereignisse...67 Bild 49: Maximaler Salzgehalt (VGL650) als Mittelwert über die Wassertiefe und
ausbaubedingte Änderungen für die Variante LTV830, während aller
betrachteten Ereignisse. ...68 Bild 50: Maximaler Salzgehalt (VGL650) als Mittelwert über die Wassertiefe und
ausbaubedingte Änderungen (LTV830-VGL650) für das Hochwasser- Ereignis 1 und die synthetischen Hochwasser-Szenarien HW1+20cm und
HW1+60cm. ...69 Bild 51: Minimaler Salzgehalt (VGL650) und ausbaubedingte Änderungen für die
Variante LTV830, während aller betrachteten Ereignisse. ...71 Bild 52: Mittlerer Salzgehalt (VGL650) und ausbaubedingte Änderungen für die
Variante LTV830, während aller betrachteten Ereignisse. ...73 Bild 53: Verschiebung der Mischungszone analysiert anhand der Verschiebung des
maximalen Salzgehalts für das Hochwasser-Ereignis 1 und die synthetischen Hochwasser-Szenarien HW1+20cm und HW1+60cm. ...74
Tabellenverzeichnis Seite
Tabelle 1: Auflistung der Analysezeiträume. ...24Tabelle 2: Übersicht der Messstationen für die Modellkalibrierung. ...30 Tabelle 3: Übersicht der ausbaubedingten Änderung der Kenngrößen des
Wasserstands. ...77 Tabelle 4: Übersicht der ausbaubedingten Änderung der Kenngrößen der Strömung
(Angaben dienen als Anhaltswerte, lokal können die ausbaubedingten
Änderungen sehr unterschiedlich sein). ...79 Tabelle 5: Übersicht der ausbaubedingten Änderung der Kenngrößen des Salzgehalts
(Angaben dienen als Anhaltswerte, lokal können die ausbaubedingten
Änderungen sehr unterschiedlich sein). ...80
Anlagenverzeichnis
Anlagennummer
Kenngröße Ereignis
Ausschnitt Nördlicher Peenestrom
Ausschnitt Südlicher Peenestrom
Hochwasser 1 1 2
Hochwasser 2 3 4
Niedrigwasser 1 5 6
Niedrigwasser 2 7 8
Stillstand 1 9 10
Stillstand 2 11 12
Maximale
Strömungsgeschwindigkeit
Stillstand 3 13 14
Hochwasser 1 15 16
Hochwasser 2 17 18
Niedrigwasser 1 19 20
Dauer hoher
Strömungsgeschwindigkeiten
(> 0,5 m/s) Niedrigwasser 2 21 22
Hochwasser 1 23 24
Hochwasser 2 25 26
Niedrigwasser 1 27 28
Niedrigwasser 2 29 30
Stillstand 1 31 32
Stillstand 2 33 34
Dauer niedriger
Strömungsgeschwindigkeiten (< 0,1 m/s)
Stillstand 3 35 36
Hochwasser 1 37 38
Hochwasser 2 39 40
Niedrigwasser 1 41 42
Niedrigwasser 2 43 44
Stillstand 1 45 46
Stillstand 2 47 48
Stillstand 3 49 50
Hochwasser 1 +20 cm 51 52
Maximaler Salzgehalt
Hochwasser 1 +60 cm 53 54
Hochwasser 1 55 56
Hochwasser 2 57 58
Niedrigwasser 1 59 60
Niedrigwasser 2 61 62
Stillstand 1 63 64
Stillstand 2 65 66
Stillstand 3 67 68
Hochwasser 1 +20 cm 69 70
Dauer „hoher“ Salzgehalte (> 5 PSU)
Hochwasser 1 +60 cm 71 72
Hochwasser 1 73 74
Dauer „niedriger“ Salzgehalte
Stillstand 1 81 82
Stillstand 2 83 84
Stillstand 3 85 86
Hochwasser 1 +20 cm 87 88
Dauer „niedriger“ Salzgehalte (< 5 PSU)
Hochwasser 1 +60 cm 89 90
Verzeichnis der Abkürzungen
Abkürzung Vollständige Bezeichnung
BAW Bundesanstalt für Wasserbau
BSH Bundesanstalt für Seeschifffahrt und Hydrologie
BSHcmod Strömungsmodell des BSH
DWD Deutscher Wetterdienst
HN-Modell hydrodynamisch-numerisches Modell HW 1 Analysezeitraum Hochwasser-Ereignis 1 HW 2 Analysezeitraum Hochwasser-Ereignis 2 HW 1 +20cm synthetisches Hochwasser-Szenario +20cm HW 1 +60cm synthetisches Hochwasser-Szenario +60cm
LM Lokal-Modell des DWD
LTV790 Landtief-Variante als Sensitivitätsstudie mit Ausnutzung der Baggertoleranz (-7,90 mNN Fahrrinnensohle im HN-Modell) LTV830 Landtief-Variante als Sensitivitätsstudie zur Herleitung der
Prognosewerte (-8,30 mNN Fahrrinnensohle im HN-Modell) NN Normalnull
NW 1 Analysezeitraum Niedrigwasser-Ereignis 1 NW 2 Analysezeitraum Niedrigwasser-Ereignis 2 S 1 Analysezeitraum Stillstand-Ereignis 1 S 2 Analysezeitraum Stillstand-Ereignis 2 S 3 Analysezeitraum Stillstand-Ereignis 3
OTV790 Osttief-Variante als Sensitivitätsstudie mit Ausnutzung der Baggertoleranz (-7,90 mNN Fahrrinnensohle im HN-Modell) OTV830 Osttief-Variante als Sensitivitätsstudie zur Herleitung der
Prognosewerte (-8,30 mNN Fahrrinnensohle im HN-Modell) VGL650 oder VGL Vergleichszustand mit -6,50 mNN Fahrrinnensohle im HN-
Modell
WSA Wasser- und Schifffahrtsamt
1 Veranlassung und Aufgabenstellung
Mit dem Schreiben vom 16.09.2004 beantragte das Land Mecklenburg-Vorpommern beim Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS; ehemals BMVBW) den Ausbau des Nördlichen Peenestroms auf -7,50 mNN Wassertiefe.
Das Land begründet seinen Antrag zur Vertiefung der seewärtigen Zufahrt mit der dringend notwendigen Erhaltung und weiteren Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit von Werft und Hafen der Stadt Wolgast.
Träger des Vorhabens „Anpassung der Seewasserstraße Nördlicher Peenestrom an die veränderten Anforderungen aus Hafen- und Werftbetrieb der Stadt Wolgast“ ist die Bundes- republik Deutschland, Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, vertreten durch das Wasser- und Schifffahrtsamt Stralsund.
Für das Planfeststellungsverfahren ist im Auftrag des Wasser- und Schifffahrtsamtes Stral- sund (Geschäftszeichen 2-231.2-PeS2/3-1) von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) eine wasserbauliche Systemanalyse mit dem Ziel einer detaillierten Ermittlung ausbaube- dingter Änderungen der abiotischen Systemparameter zu erstellen.
Die wasserbauliche Systemanalyse der abiotischen Systemparameter umfasst die Ermittlung der maßgebenden Kennwerte der Hydrodynamik und des Salztransports auf der Basis einer hochauflösenden 3D HN-Modellierung eines Vergleichszustandes sowie die Ermittlung der ausbaubedingten Auswirkungen auf die Kennwerte.
Als Untersuchungsgebiet wird in der Scopingunterlage die Zufahrtsvariante in den Nördli- chen Peenestrom über das Landtief, das Loch und die Tonnenbank-Rinne vorgeschlagen.
Aus der Festlegung des Untersuchungsrahmens gem. § 5 des Gesetzes über die Umwelt- verträglichkeitsprüfung (UVPG) ergab sich die Notwendigkeit, für die vorliegende Untersu- chung eine zweite Zufahrtsvariante in die Untersuchungen einzubeziehen. Den Forderungen des Umweltministeriums Mecklenburg-Vorpommern entsprechend wurde der Untersu- chungsrahmen auf die Zufahrtsvariante über das Osttief Ost ausgedehnt.
Beide Varianten beinhalten eine Vertiefung der Fahrrinne im Nördlichen Peenestrom auf -7,50 mNN sowie Kurvenaufweitungen in diesem Bereich.
Bild 1: Übersicht des Untersuchungsgebietes mit Modelltopographie im Vergleichszustand (mNN); in schwarz ist die Fahrrinnenachse gekennzeichnet.
2 Verwendete Unterlagen und Daten
Für die Auftragsbearbeitung sind die im Folgenden aufgelisteten Unterlagen und Daten ver- wendet worden.
Zur Erstellung der Modelltopographie verwendete Daten:
• Peilungen des Peenestroms, Landtief, Osttief und Loch von Dez. 2005, WSA Stralsund
• Höhenwerte der topographischen Daten der Ostsee im Raster von 0,5 Seemeilen vom IOW Warnemünde (Institut für Ostseeforschung Warnemünde) [9]
• Tiefenwerte des Oderhaffs im Raster von 100 m, abgeleitet von Seekarten, erhalten über K. Buckmann [3] [4]
• Tiefenlinien (2mNN, 5mNN, 6mNN, 10mNN) digitalisiert von der topographischen Grundkarte 1:100000
• DGM des Peenestroms vom WSA Stralsund
• Trassenverlauf der Fahrrinnen Peenestrom, Landtief, Osttief für geplante Ausbauzu- stände, WSA Stralsund
• Trassenverlauf der Fahrrinnen Peenestrom, Landtief, Osttief für den Vergleichszustand basierend auf einer Peilung von Dez.2005, WSA Stralsund
Randwerte zur Modellsteuerung:
• Daten der Wasserstände und des Salzgehaltes aus dem Vorhersagemodell BSHcnod des BSH (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie) für den Zeitraum 01.11.2005 bis 01.01.2006
• Durchflussdaten der Messstation Hohensaaten-Finow vom WSA Eberswalde für den Zeitraum 15.10.2005 bis 12.2.2006
• stündliche Winddaten aus dem Wettervorhersagemodell LM des DWD [8] durch das BSH übergeben für den Zeitraum 2005
Naturmessungen:
• Messwerte der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung aus dem Klimainformati- onssystem des DWD für die Stationen:
- Arkona (01.01.1973 - 01.08.2006) - Darßer Ort (04.11.1998 - 01.07.2006) - Greifswald (01.01.1978 - 01.08.2006)
- Greifswalder Oie (25.10.2000 - 01.08.2006) - Putbus (01.01.1982 - 01.08.2006)
- Rostock-Warnemünde (01.01.1954 - 01.08.2006) - Ückermünde (01.01.1982 - 01.08.2006)
• Pegelmessungen des WSA Stralsund im Zeitraum 01.10.2005 bis 31.12.2006:
- Stralsund - Sassnitz - Greifswald - Koserow - Ruden - Wolgast - Karnin
- Ueckermünde - Warnemünde
• Pegelmessungen des WSA Lübeck im Zeitraum 01.10.2005 bis 31.12.2006:
- Heiligenhafen - Timmendorf-Poel - Wismar-Baumhaus - Neustadt
- Travemünde
3 Physikalische Prozesse
Der Nördliche Peenestrom verbindet den Greifswalder Bodden mit dem Achterwasser. Die Wasserstandschwankungen der Ostsee, der Impulseintrag durch die lokalen Windfelder und die Oberwasserzuflüsse von Oder und Peene bestimmen die Strömungen im Nördlichen Peenestrom. In Abhängigkeit der wechselnden Wasserspiegeldifferenzen zwischen Greifs- walder Bodden und Achterwasser treten im Nördlichen Peenestrom sowohl Einstromverhält- nisse (Strömungsrichtung vom Greifswalder Bodden in das Achterwasser) wie auch Aus- stromverhältnisse (Strömungsrichtung vom Achterwasser zum Greifswalder Bodden) auf. Die vom sehr variablen Wasserspiegelgefälle geprägten Strömungen können zeitweise durch Dichteströmungen überlagert werden, wenn das salzreichere (schwerere) Boddenwasser in der tiefen Rinne nahe der Gewässersohle einströmen und gleichzeitig das salzarme (leichte- re) Binnenwasser in den oberen Wasserschichten ausströmen kann. Derartige Dichteströ- mungen treten hervor, wenn die Wasserstandsschwankungen im Greifswalder Bodden von untergeordneter Bedeutung sind. Im Nördlichen Peenestrom können somit komplexe dreidi- mensionale Strömungs- und Salinitätsprofile (Dichteprofile) auftreten. Zu beachten ist, dass die Wassertiefen südlich von Wolgast (Tonne PN 58, Südhafen) von derzeit 6,5 mNN (Nörd- licher Peenestrom) auf 2,5 mNN (Südlicher Peenestrom) abnehmen, so dass durch diesen Sprung im Verlauf der Wassertiefen ein sohlnahes Vordringen salzreichen Wassers behin- dert wird. Der Abschnitt des Peenestroms im Süden von Wohlgast bietet mit 2,5 mNN Was- sertiefe einen unveränderten „Engstellenbereich“ hinsichtlich des Wasseraustausches von Achterwasser und Greifswalder Bodden.
Im Rahmen der Untersuchung und Prognose der durch den Ausbau des Nördlichen Pee- nestroms bewirkten (ausbaubedingten) Änderungen muss grundsätzlich zwischen den häufi- gen (normalen) und den außergewöhnlichen Systemverhältnissen unterschieden werden.
Die Ausbaumaßnahme des Nördlichen Peenestroms beinhaltet eine Fahrrinnenvertiefung und Kurvenaufweitungen. Die Fahrrinnenvertiefung soll nahezu durchgängig in der gesamten Fahrrinne des Nördlichen Peenestroms durchgeführt werden. Im Mündungsbereich des Peenestroms in den Greifswalder Bodden wird sich die ausbaubedingte Wirkung lokal unter- schiedlich ergeben, da sich die Fahrrinne hier in zwei Zufahrtsvarianten teilt und die Geomet- rie nicht so gleichförmig wie im Nördlichen Peenestrom verläuft.
Bei gleichbleibendem Wasserstand verursacht die Vertiefung eine Zunahme der strömen- den Wassermasse und damit eine Abnahme der Sohlrauheitswirkung auf die gesamte Was- sersäule. Diese Wirkungsweise gilt für Hochwasserstände und Niedrigwasserstände glei- chermaßen. Aufgrund des unterschiedlichen relativen Vertiefungsmaßes (Verhältnis Vertie- fungsmaß zur Hoch- bzw. zur Niedrigwassertiefe vor dem Ausbau) ist dieser Effekt bei nied-
Für die Niedrigwasserstände bedeutet dies eine ausbaubedingte Absenkung der Wasser- stände, da das Wasser bei Ausstromverhältnissen aufgrund verminderter Sohlrauheitswir- kung leichter abfließen kann. Für die Hochwasserstände ergibt sich eine ausbaubedingte Zunahme der Wasserstände, weil das Wasser bei verminderter Sohlreibung leichter einströ- men kann. Die ausbaubedingte Zunahme der Hochwasserstände wird jedoch geringer sein als das ausbaubedingte Absinken der Niedrigwasserstände, weil die ausbaubedingte Ab- nahme der Sohlrauheitswirkung bei niedrigen Wasserständen größer ist, als bei hohen Was- serständen.
Durch eine Kurvenaufweitung wird die Fahrrinne auch in ihrem Böschungsbereich vertieft.
Dies führt lokal ebenfalls zu einer verminderten Dämpfung im System.
Die ausbaubedingte Änderung des Wasserstands wird im Nördlichen Peenestrom bis zur Aufweitung in die Krumminer Wiek über die gesamte Querschnittsbreite auftreten, da der Peenestrom in diesem Bereich verhältnismäßig schmal ist und eine Ausspiegelung über die Gewässerbreite schnell eintritt. Das Mittelwasser wird kaum ausbaubedingte Änderungen zeigen, weil sich die Wasserstände im Greifswalder Bodden durch den Ausbau nicht verän- dern und weil die Veränderungen im Nördlichen Peenestrom für die Hoch- und Niedrigwas- serstände gegenläufig sind.
Die ausbaubedingt abnehmende Dämpfung geht mit einer Erhöhung der hydraulischen Leis- tungsfähigkeit einher. Dies verursacht eine Zunahme der strömenden Wassermenge (Durch- flussmenge) in der Fahrrinne. In der Fahrrinne werden die Strömungsgeschwindigkeiten zunehmen, wenn die Zunahme des Durchflusses die ausbaubedingte Zunahme des Gewäs- serquerschnitts überwiegt bzw. wenn der Durchfluss auch in Gewässerabschnitten zunimmt, in denen kein Ausbau erfolgte, wie z. B. im Bereich der Übertiefen bei Karlshagen oder im Abschnitt südlich von Wolgast. Bei annähernd gleichbleibenden Durchflüssen wird es relativ zur Fahrrinne zu einer Abnahme der Geschwindigkeiten in den Seitenbereichen kommen.
Die ausbaubedingten Änderungen der Strömung werden lokal sehr unterschiedlich ausfallen und die zuvor beschriebene Wirkungsweise ist durch Überlagerung weiterer teilweise entge- gengesetzt wirkender Prozesse geprägt. Es wirken sich auch Schwingungsphänomene und Reflexion auf die Strömung aus.
Anhand der ausbaubedingten Änderungen der Wasserstände, des Durchflusses und der Strömungen können auch die Auswirkungen auf den Salzgehalt abgeschätzt werden. Mit einem Anstieg des Wasserstandes im Greifswalder Bodden fließt salzreiches Boddenwasser in den Nördlichen Peenestrom und schiebt den Wasserköper, in dem sich das süße Haff- wasser mit dem salzigen Boddenwasser durch turbulente Austauschprozesse vermischt, südwärts. Diese sogenannte Mischungszone verlagert sich je nach Dauer und Intensität der Einstrom- und nachfolgenden Ausstromereignisse in unterschiedliche Abschnitte des Pee- nestroms bzw. der Peenestrommündung. Der horizontale Salzgradient in der Mischungszone ergibt sich aus der Salzgehaltsdifferenz zwischen Bodden- und Haffwasser.
Bei Ausstromverhältnissen wird nach einem Hochwasserereignis salzhaltiges Wasser aus dem Peenestrom in den Greifswalder Bodden transportiert und haffartiges Wasser nachge- zogen, bis sich ein neues Niedrigwasserereignis einstellt. Ein ausbaubedingtes Absinken der Niedrigwasserstände (verbunden mit einer Zunahme der Ausstrommenge salzreichen Was- sers) wird deshalb zur lokalen Abnahme des Salzgehaltes im Bereich der Mischungszone führen. Die Mischungszone kann sich ausbaubedingt etwas weiter stromab verlagern. Die Abnahme des Salzgehalts wirkt sich nicht im gesamten Peenestrom aus, sondern nur im Bereich der Mischungszone. In den Bereichen ohne horizontalen Salzgradient bleibt der Salzgehalt von der ausbaubedingten Wirkung unbeeinflusst.
Ein vergleichbares Verhalten zeigt sich bei den Einstromverhältnissen. Hierbei wird salzhalti- ges Boddenwasser in den Peenestrom transportiert und salzärmeres Haffwasser ins Oder- haff gedrängt. Ein ausbaubedingtes Ansteigen des Hochwassers (verbunden mit einer Zu- nahme der Einstrommenge salzreichen Boddenwassers) wird deshalb zur lokalen Zunahme des Salzgehaltes im Bereich der Mischungszone führen. Die Mischungszone kann sich aus- baubedingt etwas weiter stromauf verlagern. Die Zunahme des Salzgehalts wirkt sich nicht im gesamten Peenestrom aus, sondern nur im Abschnitt der stromauf verlagerten Mi- schungszone. In den Bereichen ohne horizontalen Salzgradient bleibt der Salzgehalt von der ausbaubedingten Wirkung unbeeinflusst.
Es wird deutlich, dass sich verschiedene Wirkungsweisen überlagern und teilweise erst die numerischen Simulationen zeigen können, welcher Prozess die ausbaubedingte Wirkung dominiert.
4 Untersuchungskonzept
4.1 Vorbemerkung
In diesem Gutachten werden die Ergebnisse der Untersuchung zur ausbaubedingten Verän- derung der
• Scheitelwasserstände für Hoch und Niedrigwasser,
• Mittelwasserstände,
• maximalen Strömungsgeschwindigkeiten,
• Dauer hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeiten,
• maximalen, mittleren und minimalen Salzgehalte sowie
• Dauer hoher und niedriger Salzgehalte
im Peenestrom dargestellt. Untersucht werden der Vergleichszustand sowie die Ausbauzu- stände Landtief-Variante und Osttief-Variante zum Ausbau des Nördlichen Peenestroms. Der Vergleichszustand berücksichtigt alle baulichen Maßnahmen, die zum Zeitpunkt der Ausfüh- rung der zu untersuchenden Maßnahmen mit hoher Wahrscheinlichkeit realisiert sein wer- den.
Die Kalibrierung des numerischen Modells wird für den Zeitraum 01.11.2005 bis 30.12.2005 durchgeführt. Eine detaillierte Beschreibung findet sich in Kapitel 5. Mit dem kalibrierten HN- Modell erfolgt die Untersuchung zur Hydrodynamik und des Salztransports.
Für die Untersuchungen werden im Rahmen der wasserbaulichen Systemanalyse die hydro- dynamischen Zustandsgrößen für den Vergleichszustand und für die Ausbauzustände bei identischen hydrologischen und meteorologischen Situationen mit einem hochauflösenden dreidimensionalen HN-Modell ermittelt.
Die Ergebnisse sind Grundlage für die Berechnung, Analyse und fachwissenschaftliche Bewertung der ausbaubedingten Änderungen. Die Vorgabe identischer hydrologischer Situa- tionen für die Berechnung des Vergleichszustandes und der Ausbauzustände ermöglicht die eindeutige Zuordnung von Veränderungen der Hydrodynamik und des Salzgehalts auf die zu untersuchende Ausbaumaßnahme.
Mit dem mathematischen Strömungsmodell werden die folgenden Systemzustände des Peenestroms untersucht:
• Vergleichszustand (VGL650), Ist-Zustand mit der Solltiefe von -6,50 mNN
• Ausbauzustand der Landtief-Variante (LTV)
• Ausbauzustand der Osttief-Variante (OTV)
Ziel der Untersuchung ist eine zuverlässige Prognose der ausbaubedingten Änderungen, die die Fahrrinnenanpassung der Seewasserstraße Nördlicher Peenestrom verursacht. Anhand von charakteristischen Kenngrößen werden die Änderungen dargestellt. Hierzu werden die beiden Ausbauvarianten Osttief und Landtief in das Modell eingebaut und berechnet. Als Referenz dient der Vergleichszustand. Die Differenz zwischen Ausbauzustand und Ver- gleichszustand ergibt dann die ausbaubedingte Änderung. Mit dieser Methode wird die hohe
„innere Genauigkeit“ der mathematischen Modelle ausgenutzt und unvermeidbare Fehlerein- flüsse (Messfehler, Peilfehler, etc.) werden weitestgehend entfernt und minimiert.
4.2 Das mathematische Verfahren UnTRIM-3D
Die durch die Anpassung des Nördlichen Peenestroms verursachten ausbaubedingten Än- derungen werden mit Hilfe eines numerischen Modells des Nördlichen Peenestroms inkl.
Teilgebieten der Ostsee untersucht. Hierzu wird das hydrodynamische Modellverfahren UnTRIM [5] verwendet. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens findet sich im Mathe- matical Model UnTRIM – Validation Document (BAW, 2004) [1]. UnTRIM ist ein Finite- Differenzen- bzw. Finite-Volumen-Verfahren, das die Flachwassergleichungen auf Grundlage eines unstrukturierten orthogonalen Gitters löst. Grundlage des Verfahrens UnTRIM sind Differentialgleichungen, die eine mathematische Formulierung der physikalischen Erhal- tungssätze für die Wassermasse und den Impuls der Strömung darstellen. Diese Erhal- tungssätze sind:
- Kontinuitätsgleichung inkompressibler Fluide
- Reynolds gemittelte Navier-Stokes-Gleichung für den Impuls
- Advektions-Diffusions-Gleichung (Transportgleichung) für Salz, Temperatur und suspendierte Sedimente
Zur Modellierung der hydrodynamischen und baroklinen Verhältnisse des Nördlichen Pee- nestroms wird die dreidimensionale Version von UnTRIM unter Berücksichtigung des Salz- transportes verwendet.
Mit diesem Berechnungsverfahren können flächendeckend für jeden aktiven Gitterpunkt und Zeitschritt u. a. folgende physikalische Größen berechnet und ausgegeben werden:
- Wasserspiegelauslenkung (bezüglich NN),
- Strömungsgeschwindigkeit (tiefengemittelt und für jede Tiefenschicht) und - Salzgehalt (tiefengemittelt und für jede Tiefenschicht).
Bei der Berechnung der aufgezählten physikalischen Größen berücksichtigt das mathemati- sche Modell des Nördlichen Peenestroms folgende Prozesse:
- Oberwasserzufluss der Oder und Peene, - Sohlreibung,
- Impulseintrag durch Wind, - Corioliskraft,
Die räumliche und zeitliche Variabilität des lokalen Windfeldes erzeugt einen zusätzlichen räumlich und zeitlich variablen Impulseintrag aus der Atmosphäre, welcher Strömung und Wasserstand beeinflusst. Dieser Effekt ist bei großflächigen Flachwassergebieten von gro- ßer Bedeutung und muss bei der vorliegenden hydrodynamischen-numerischen Untersu- chung berücksichtigt werden.
4.3 Das Modellgebiet
Das Modellgebiet wird so groß gewählt, dass der gesamte Einflussbereich der Ausbaumaß- nahmen untersucht werden kann und die ausbaubedingten Änderungen innerhalb des Mo- dellgebietes abgeklungen sind. Es umfasst große Teile der westlichen Ostsee (siehe Bild 2).
Die seeseitigen Modellgrenzen liegen im Westen im Fehmarnbelt, im Osten reicht das Ge- biet bis Bornholm und im Norden bis zum Öresund bei Kopenhagen. Im Süden ist das Gebiet durch die deutsche und polnische Küstenlinie begrenzt. Die Modellgrenzen wurden so ge- wählt, dass eine Beeinflussung der Ränder durch die durchzuführende Maßnahme im Nörd- lichen Peenestrom sowie im Osttief und Landtief auszuschließen ist.
Bild 2: Topographie des gesamten Modellgebietes.
4.3.1 Berechnungsgitter und Modelltopographie
Die Erstellung des Berechnungsgitters und der Modelltopographie ist an die Firma Smile Consult, Hannover, vergeben worden.
Das Berechnungsgitter (siehe Bild 3) ist aus Dreiecks- und Viereckselementen aufgebaut und besteht in der Fläche aus ca. 100.000 Elementen und 65.000 Knoten. Die Fahrrinne des Peenestroms ist mit Viereckselementen abgebildet worden. Die Kantenlänge variiert von 3 m im Fahrrinnenbereich des Nördlichen Peenestroms bis 7.000 m im äußeren Ostseebereich.
Die vertikale Auflösung beträgt 0,50 m bis zu einer Wassertiefe von 12 m und für größere Wassertiefen bis zu 5,0 m.
Im Untersuchungsgebiet des Peenestroms (siehe Bild 4) ist die Gitterauflösung sehr hoch, um hier eine gute Abbildung der topographischen Verhältnisse zu erzielen. Im äußeren Ost- seebereich ist die Diskretisierung sehr grob gewählt, da die Topographie hier meist geringere
lung von hoher zu geringer Auflösung ist die Optimierung des Berechnungsaufwandes. Die Prognosefähigkeit und Prognosequalität des HN-Modells wird dabei nicht eingeschränkt.
4.3.2 Der Vergleichszustand
Der Vergleichszustand (siehe Bild 1) beinhaltet die Topographie entsprechend der Daten- grundlage (siehe Kapitel 2). In der Fahrrinne des Nördlichen Peenestroms ist der derzeit planfestgestellte Soll-Zustand von -6,50 mNN berücksichtigt worden. Der Soll-Zustand baut auf der Topographie der Peildaten des WSA Stralsund vom Dez. 2005 auf und wurde durch Beseitigung der Mindertiefen auf -6,50 mNN und Erhalt der Übertiefen erstellt.
4.3.3 Die Ausbauzustände
Für die geplante Fahrrinnenanpassung des Nördlichen Peenestroms sind zwei mögliche Varianten zur Umsetzung der Maßnahme geplant worden. Die beiden Varianten unterschei- den sich in der Fortführung der Wasserstraße in die Ostsee. In der Landtief-Variante (siehe Bild 5) wird die Wasserstraße westlich von Ruden durch das Landtief fortgeführt und die Osttief-Variante (siehe Bild 6) führt östlich an Ruden vorbei. Im Bereich des Nördlichen Pee- nestroms und Tonnenbank-Rinne unterscheiden sich die Ausbau-Varianten nicht (siehe Bild 7).
Die Bewertung der ausbaubedingten Änderungen wird sich hauptsächlich auf die Landtief- Variante stützen (weitere Erläuterungen siehe Kapitel 6.2). Unterschiede in der Wirkungs- weise der zwei Ausbau-Varianten werden am Beispiel des Salzgehalts in Kapitel 6.2 aufge- zeigt.
Das Niveau der geplanten Sollsohle der Fahrrinne beträgt -7,50 mNN. Zur Ermittlung der ausbaubedingten Änderungen abiotischer Systemparameter wird jedoch im HN-Modell als Systemstudie eine Ausbautopographie mit einer Fahrrinnentiefe von -8,30 mNN verwendet.
Die zusätzlichen 80 cm im Vergleich zur geplanten Ausbautiefe setzen sich aus 40 cm Bag- gertoleranz und einem weiteren Aufschlag von 40 cm, der im Sinne eines Sicherheitsauf- schlags der Prognosesicherheit der Untersuchungen dient, zusammen. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die berechneten ausbaubedingten Änderungen auf der sicheren Seite liegend ermittelt werden.
Eine Gegenüberstellung der Sensitivitätsstudien „Sohltiefen unter Ausnutzung der Baggerto- leranz“ (7,90 mNN im HN-Modell) und „Sohltiefe zur Herleitung der Prognosewerte“
(8,30 mNN im HN-Modell) wird in Kapitel 6.2 aufgezeigt.
0 km 100 km Detailausschnitt
Bild 3: Berechnungsgitter - gesamtes Modellgebiet.
Ruden
Peenemünde
Karlshagen Ruden
Peenemünde
Karlshagen
Bild 5: Differenztopographie zwischen Landtief-Variante (-8,30 mNN) und Vergleichszustand.
Ruden
Peenemünde
Karlshagen Ruden
Peenemünde
Karlshagen
Bild 6: Differenztopographie zwischen Osttief-Variante (-8,30 mNN) und Vergleichszustand.
Bild 7: Differenztopographie zwischen Landtief- bzw. Osttief-Variante (-8,30 mNN) und Ver- gleichszustand im Bereich des Nördlichen Peenestroms.
4.4 Modellsteuerung
4.4.1 Seeseitiger Rand
Die offenen seeseitigen Ränder werden mit Wasserstandsganglinien gesteuert, die für den Simulationszeitraum aus dem BSHcmod-Modell der Ostsee [6] extrahiert wurden. Das BSHcmod-Modell ist ein großräumiges HN-Modell zur Vorhersage von Wasserständen, Salzgehalten und Strömungen. Dem Bericht zur Beschreibung und Validierung des BSH- Modells [6] ist zu entnehmen, dass die prognostizierten Wasserstände um 20 cm von den gemessenen Wasserständen abweichen können. Dies hat sich für den vorliegenden Simula- tionszeitraum bestätigt, da im Zuge der Kalibrierung des BAW-Modells festgestellt wurde, dass die aus dem BSHcmod-Modell entnommenen Wasserstandsganglinien für eine gute Modellkalibrierung wie folgt abgemindert werden müssen:
- Ostrand: 0.154 m
- Bornholmer Rinne: 0.154 m - Fehmarn-Belt: 0.171 m
- Öresund: 0.171 m
Diese Werte liegen im Bereich der vom BSH angegebenen Vorhersagegenauigkeit [6].
Bornholmer Rinne
Ostrand Fehmarn-
Belt
Öresund
Oberwasser Peenestrom
Oberwasser offene Ränder Oder
Bornholmer Rinne
Ostrand Fehmarn-
Belt
Öresund
Oberwasser Peenestrom
Oberwasser offene Ränder Oder
Bild 8: Offene seeseitige Ränder des Ostseemodells.
4.4.2 Landseitiger Rand
Landseitig befinden sich zwei weitere Modellränder an denen eine Steuerung des Modells stattfindet. Die Mündung der Peene in den Peenestrom und an der Oder bei Stettin. Über diese Ränder wird ein Oberwasserzufluss eingesteuert. Für die Peene ist ein konstanter Oberwasserzufluss von 10,0 m³/s angesetzt, der etwa dem Jahresmittel entspricht (Messun- gen lagen für das Oberwasser der Peene nicht vor).
Zur Steuerung des landseitigen Randes bei Stettin wird der Oderabfluss der Station Hohen- saaten Finow verwendet. Dieser Oberwasserzufluss wurde vom WSA Eberswalde aus ge-
Oberwasserzufluss Hohensaaten-Finow 200
225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500
01.11.05 06.11.05 11.11.05 16.11.05 21.11.05 26.11.05 01.12.05 06.12.05 11.12.05 16.12.05 21.12.05 26.12.05 31.12.05
Q [m³/s]
Bild 9: Ermitteltes Oberwasser aus Messwerten an der Position Hohensaaten Finow (WSA Eberswalde).
4.4.3 Meteorologische Randbedingungen
Ein maßgebender Antrieb der Hydrodynamik (Wasserstand, Strömung, Salzverteilung) in der Ostsee ist der Wind. Es ist daher notwendig, den Einfluss des Windes im Untersuchungsge- biet im HN-Modell ausreichend gut abbilden zu können.
Für die numerische Simulation werden Windfelder des Wettervorhersagemodells LM des DWD [8] als Randwerte verwendet. Diese Windfelder sind räumlich variabel und zeigen die Abhängigkeit von der großräumigen Wetterlage, der Topographie sowie der räumlichen Verteilung von Wasser und Land. Die räumliche und zeitliche Variabilität des Windfeldes (räumliche Auflösung ca. 7 km x 7 km) erzeugt einen räumlich und zeitlich veränderlichen Impulseintrag aus der Atmosphäre.
Zur Beurteilung der Güte der für den vorliegenden Simulationszeitraum eingesteuerten Wind- felder wurden an den Positionen Arkona und Ueckermünde die als Prognose berechneten Daten des LM-Modells den gemessenen Daten gegenübergestellt (siehe Bild 10, Bild 11, Bild 12 und Bild 13). Die Vorhersagewerte von Windgeschwindigkeit und -richtung an der Position Arkona stimmen sehr gut mit den gemessenen Werten überein. An der Position Ueckermünde sind die berechneten Windgeschwindigkeiten tendenziell höher als die ge- messenen Werte. Die Windrichtung erweist sich entsprechend der Position Arkona als gute Vorhersage.
Abweichungen zwischen Vorhersagemodell und Messung werden bei der Interpretation der Berechnungsergebnisse zur Kalibrierung des HN-Modells für den Peenestrom berücksichtigt.
Die vorhergesagten Windfelder aus dem LM des DWD geben die tatsächlich eingetretenen Windgeschwindigkeiten und -richtungen ausreichend genau wieder und können somit zum Modellieren des Impulseintrags aus der Atmosphäre für das Ostsee-Modell der BAW ver- wendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Beurteilung der Windverhältnisse ist die Einordnung des Simulati- onszeitraums in langjährige Windbeobachtungen. Hierzu sind Häufigkeitsanalysen von ge- messenen Zeitreihen der Windmessstation Arkona über einen Zeitraum von 33 Jahren und über den Simulationszeitraum gemacht worden (siehe Bild 14 und Bild 15). Die gemessenen Daten stammen vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und sind stündliche Mittelwerte aus den letzten zehn Minuten zur vollen Stunde. Die Häufigkeitsanalyse gibt sowohl eine Vertei- lung der Windrichtung als auch der Windgeschwindigkeiten je Richtung wieder.
Die Windmessstation Arkona auf Rügen hat eine relativ exponierte Lage, so dass nur der Wind aus Süd Landeinfluss zeigt. Die Hauptwindrichtungen liegen im betrachteten Zeitraum von 33 Jahren im Richtungssektor West (~16%), West-Süd-West (~12%) und Ost (~12%).
Die maximalen Windgeschwindigkeiten treten für die Windrichtung West auf.
Im Simulationszeitraum ergeben sich die Hauptwindrichtungen zu West (~12%), Süd-West (~14%) und Süd (~13%). Die maximalen Windgeschwindigkeiten treten auch hier im Sektor West auf. Die Dominanz der westlichen und südwestlichen Winde ist in beiden Zeiträumen vorhanden, nur der Anteil an östlichen Winden ist im Simulationszeitraum deutlich geringer.
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
01.11.05 00:00
06.11.05 00:00
11.11.05 00:00
16.11.05 00:00
21.11.05 00:00
26.11.05 00:00
01.12.05 00:00
06.12.05 00:00
11.12.05 00:00
16.12.05 00:00
21.12.05 00:00
26.12.05 00:00
[ m/s ]
Bild 10: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windgeschwindigkeit an der Messstation Arkona.
0.00 45.00 90.00 135.00 180.00 225.00 270.00 315.00 360.00
01.11.05 00:00
06.11.05 00:00
11.11.05 00:00
16.11.05 00:00
21.11.05 00:00
26.11.05 00:00
01.12.05 00:00
06.12.05 00:00
11.12.05 00:00
16.12.05 00:00
21.12.05 00:00
26.12.05 00:00
[ Grad ]
Bild 11: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windrichtung an der Messstation Arkona (Nord: 0°bzw. 360°, Ost: 90°, Süd: 180°, West: 270°).
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00
01.11.05 00:00
06.11.05 00:00
11.11.05 00:00
16.11.05 00:00
21.11.05 00:00
26.11.05 00:00
01.12.05 00:00
06.12.05 00:00
11.12.05 00:00
16.12.05 00:00
21.12.05 00:00
26.12.05 00:00
[ m/s ]
Bild 12: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windgeschwindigkeit an der Messstation Ueckermünde.
0.00 45.00 90.00 135.00 180.00 225.00 270.00 315.00 360.00
01.11.05 00:00
06.11.05 00:00
11.11.05 00:00
16.11.05 00:00
21.11.05 00:00
26.11.05 00:00
01.12.05 00:00
06.12.05 00:00
11.12.05 00:00
16.12.05 00:00
21.12.05 00:00
26.12.05 00:00
[ Grad ]
Bild 13: Vergleich der gemessenen (rot) und vom Lokal-Modell des DWD berechneten (blau) Windrichtung an der Messstation Ueckermünde (Nord: 0°bzw. 360°, Ost: 90°, Süd:
180°, West: 270°).
Programm ROSE 01.09.2006
3.0 % 6.0 %
9.0 % 12.0 %
15.0 % 18.0 %
W O
S N
Stationsname: Arkona FF 03005 Zeitraum der analysierten Messung:
01:00-01.01.1973 24:00-01.08.2006
von 0 bis 2. m/s von 2. bis 4. m/s von 4. bis 6. m/s von 6. bis 8. m/s von 8. bis 10. m/s von 10. bis 12. m/s von 12. bis 14. m/s von 14. bis 16. m/s von 16. bis 18. m/s von 18. bis 20. m/s
> 20. m/s
skalare Windgeschwindigkeit
Bundesanstalt fuer Wasserbau - Dienststelle Hamburg - Winddaten des DWD
NNO
NO
ONO
OSO
SO
SSO SSW
SW WSW WNW
NW NNW
Bild 14: Die Häufigkeitsverteilung der vom DWD gemessenen Windgeschwindigkeit und -richtung an der Station Arkona auf Rügen über einen Zeitraum von 33 Jahren.
Programm ROSE 04.09.2006
3.0 % 6.0 %
9.0 % 12.0 %
15.0 %
W O
S N
Stationsname: Arkona FF 03005 Zeitraum der analysierten Messung:
02:00-01.11.2005 00:00-30.12.2005
von 0 bis 2. m/s von 2. bis 4. m/s von 4. bis 6. m/s von 6. bis 8. m/s von 8. bis 10. m/s von 10. bis 12. m/s von 12. bis 14. m/s von 14. bis 16. m/s von 16. bis 18. m/s von 18. bis 20. m/s
> 20. m/s
skalare Windgeschwindigkeit
Bundesanstalt fuer Wasserbau - Dienststelle Hamburg - Winddaten des DWD
NNO
NO
ONO
OSO
SO
SSO SSW
SW WSW WNW
NW NNW
Bild 15: Die Häufigkeitsverteilung der vom DWD gemessenen Windgeschwindigkeit und -rich- tung an der Station Arkona auf Rügen über den Simulationszeitraum vom 01.11.2005 bis 30.12.2005.
4.5 Der Untersuchungszeitraum
Der Untersuchungszeitraum umfasst fast zwei Monate im Winter 2005 (01.11.2005-02:00 – 30.12.2005-00:00). In diesem Zeitraum wurden Messungen in der Natur vom WSA Stralsund und der BAW durchgeführt. Die Messungen in der Natur sind im Gewässerkundlichen Be- richt zum Peenestrom dokumentiert [7] und standen als Kalibrierungsdatensatz für das HN- Modell zur Verfügung. Der Untersuchungszeitraum beinhaltete charakteristische Systemzu- stände wie Einstrom, Ausstrom und Stillstand sowie häufig auftretende Hoch- und Niedrig- wasser-Ereignisse.
4.6 Ereignisbezogene Betrachtung des Untersuchungszeitraumes
Wasserstandsdifferenzen zwischen Pommerscher Bucht und Oderhaff führen im Pee- nestrom als Ausgleichsgerinne zu hochvariablen Wasserstandsschwankungen und Strö- mungen, die durch Wind und barokline Prozesse noch überlagert werden.
Die Abfolge von Niedrigwasser und Hochwasser sowie von dynamischen und beruhigten Zeiträumen ist im Peenestrom unregelmäßig, vielfältig und hoch variabel geprägt.
Daher ist es sinnvoll für die Betrachtung und Beurteilung der ausbaubedingten Änderungen aus dem zweimonatigen Untersuchungszeitraum (01.11.2005-02:00 – 30.12.2005-00:00) charakteristische und systemprägende Ereignisse auszuwählen, um eine gezielte Analyse der Simulationsergebnisse hinsichtlich einer längerfristigen Übertragbarkeit auf die natürli- chen systemprägenden Ereignisse machen zu können. Insbesondere die unterschiedliche Wirkungsweise auf den Salztransport kennzeichnet die ausgewählten Abschnitte des Unter- suchungszeitraums. Die Analysezeiträume der Ereignisse sind in
Tabelle 1 aufgelistet.
Das Niedrigwasser-Ereignis 1 erreicht einen Scheitelwasserstand von etwa -0,80 mNN bei Ruden und etwa -0,45 mNN bei Wolgast. Allerdings zeigt der Vergleich mit langjähriger Statistik, dass dieses Ereignis nicht das mittlere Niedrigwasser erreicht [7]. Es wird als jähr- lich auftretendes Ereignis eingestuft [7]. Das Niedrigwasser-Ereignis 2 ist deutlich schwä- cher, aber länger andauernd als das erste Niedrigwasser-Ereignis. Durch die vorwiegenden Ausstromverhältnisse wird das salzreiche Boddenwasser aus dem Peenestrom heraus transportiert und Haffwasser prägt die Salzverhältnisse im Peenestrom.
Das Hochwasser-Ereignis 1 zeichnet sich besonders durch die Vorprägung von Wasser- ständen und Salz des starken Niedrigwasser-Ereignisses 1 aus. Der Wasserstand ist zu Beginn auf einem sehr niedrigen Niveau. Mit dem folgenden Hochwasser wird der Pee- nestrom mit salzreichem Boddenwasser gefüllt, somit sind auch weit stromauf hohe Salzge- halte von 7 PSU zu finden. Die Wasserstände sind während des gesamten Analysezeit-
Im letzten Abschnitt des Untersuchungszeitraumes halten Hochwasserverhältnisse fast über zwei Wochen an. Die Wasserstände haben ein hohes Niveau und unterliegen häufigen Schwankungen, die einen häufigen Wechsel von Ein- und Ausstrom signalisieren. Dieser Zeitraum ist das Hochwasser-Ereignis 2. Besonders während der letzten vier Tage des Ana- lysezeitraums steigen die Wasserstände noch bis +0,80 mNN bei Karlshagen. Auch bei diesem Hochwasser-Ereignis wird salzreiches Wasser weit stromauf transportiert.
Die Stillstand-Zeiträume zeichnen sich durch geringe Strömungsgeschwindigkeiten im Pee- nestrom aus. Während des Stillstand-Ereignisses 1 liegt die Strömungsgeschwindigkeit bei Peenemünde im Bereich von 0,40 m/s und bei Wolgast im Bereich von 0,20 m/s. Auch in der davorliegenden Woche herrschen ähnliche Verhältnisse. Dies ist demnach ein Zeitraum mit lang anhaltenden schwachen Strömungsverhältnissen. Das Stillstand-Ereignis 2 hingegen ist kürzer, zeigt aber noch etwas geringere Strömungsgeschwindigkeiten. Das dritte Ereignis Stillstand-Ereignis 3 weist Strömungsgeschwindigkeiten von 0,20 m/s bei Peenemünde und Wolgast auf. Die niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten sind demnach in diesem Zeitraum im gesamten Nördlichen Peenestrom vorhanden.
Während der Stillstand-Ereignisse ist der entscheidende Prozess für den Salztransport nicht mehr die Advektion sondern die Dichteströmung. Je länger diese Verhältnisse andauern, desto stärker wird Salz durch Konzentrationsausgleich stromauf transportiert.
Stillstand-Ereignis 1 11.11.2005-20:00 bis 14.11.2005-14:00 66 h Niedrigwasser-Ereignis 1 14.11.2005-14:00 bis 15.11.2005-22:00 32 h Hochwasser-Ereignis 1 16.11.2005-08:00 bis 24.11.2005-20:00 204 h Stillstand-Ereignis 2 27.11.2005-00:00 bis 30.11.2005-00:00 72 h Stillstand-Ereignis 3 04.12.2005-00:00 bis 07.12.2005-00:00 72 h Niedrigwasser-Ereignis 2 10.12.2005-19:00 bis 13.12.2005-05:00 58 h Hochwasser-Ereignis 2 15.12.2005-17:00 bis 29.12.2005-20:00 339 h
Tabelle 1: Auflistung der Analysezeiträume.
- 1.00 - 0.80 - 0.60 - 0.40 - 0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
01.11.05 08.11.05 15.11.05 22.11.05 29.11.05 06.12.05 13.12.05 20.12.05 27.12.05 mNN
Messung Simulation
S 1 NW 1 HW 1 S 2 S 3 N 2 HW 2
Bild 16: Unterteilung des Untersuchungszeitraumes in verschiedene Analysezeiträume anhand der gemessenen und berechneten Wasserstände am Pegel Ruden.
4.7 Vorgehensweise für die Analyse der Simulationsergebnisse
Die hydrodynamische numerische Simulation wird dreidimensional durchgeführt, um insbe- sondere die baroklinen Prozesse im Peenestrom reproduzieren zu können. Aufgrund des Aufeinandertreffens von salzarmen Haffwasser und salzreichem Boddenwasser im Pee- nestrom stellen sich sowohl horizontale als auch vertikale Salzgradienten je nach Gewässer- dynamik ein. Für die Analyse der dreidimensionalen Simulationsergebnisse (Salzgehalte und Strömungen) werden diese aufgrund der überwiegend starken vertikalen Durchmischung tiefengemittelt.
Aus den vom numerischen Modell berechneten Zustandsgrößen (Wasserstand, Strömung und Salzgehalt) werden Kennwerte dieser physikalischen Größen wie folgt für die in Kapi- tel 4.6 definierten Analysezeiträume berechnet:
- Hochwasserstand: Höchster Wert der Wasserstände innerhalb eines Analy- sezeitraums (DIN 4049-3).
- Niedrigwasserstand: Niedrigster Wert der Wasserstände innerhalb eines Analysezeitraums (DIN 4049-3).
- Mittelwasserstand: Arithmetischer Mittelwert der Wasserstände innerhalb ei- nes Analysezeitraums (DIN 4049-3).
- Maximalwert des Salzgehalts: Höchster Wert der Salzgehalts innerhalb ei- nes Analysezeitraums.
- Minimalwert des Salzgehalts: Niedrigster Wert des Salzgehalts innerhalb eines Analysezeitraums.
- Mittelwert des Salzgehalts: Arithmetischer Mittelwert des Salzgehalts inner-
- Dauer „hohen“ Salzgehalts: Zeitraum, für den innerhalb eines Analysezeit- raums der Salzgehalt an einem bestimmten Ort einen vorgegebenen Grenz- wert überschreitet. (hier: 5 PSU nach Abstimmung mit Umweltgutachter) - Dauer „niedrigen“ Salzgehalts: Zeitraum, für den innerhalb eines Analyse-
zeitraums der Salzgehalt an einem bestimmten Ort einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. (hier: 5 PSU nach Abstimmung mit Umweltgutach- ter)
- Maximalwert der Strömungsgeschwindigkeit: Höchster Wert der Strö- mungsgeschwindigkeit innerhalb eines Analysezeitraums.
- Dauer hoher Strömungsgeschwindigkeit: Zeitraum, für den innerhalb eines Analysezeitraums die Strömungsgeschwindigkeit an einem bestimmten Ort einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. (hier: > 0,50 m/s)
- Dauer niedriger Strömungsgeschwindigkeit: Zeitraum, für den innerhalb eines Analysezeitraums die Strömungsgeschwindigkeit an einem bestimmten Ort einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. (hier: < 0,10 m/s)
Weitere Informationen zu den Analyseverfahren und -parametern sind ausführlich auf den Internetseiten der BAW dokumentiert, siehe:
http://www.baw.de/vip/abteilungen/wbk/Methoden/kenn/kenn-de1.html
Für die Bestimmung der ausbaubedingten Änderungen werden zunächst für alle untersuch- ten Varianten an den einzelnen Gitterpunkten im Modellgebiet die Kennwerte analysiert und graphisch dargestellt.
Die Berechnung der ausbaubedingten Änderungen der physikalischen Kenngrößen erfolgt dann durch Differenzbildung der Analyseergebnisse der Ausbau-Variante abzüglich der Ergebnisse des Vergleichszustandes. Durch diese Relativbetrachtung wird die hohe „innere Genauigkeit“ der Modelle genutzt, indem unvermeidbare Fehlereinflüsse, z. B. aus Peilfeh- lern, Messfehlern, Randsteuerung etc., weitgehend eliminiert bzw. minimiert werden, die in den untersuchten Vergleichs- und Ausbauzuständen vorhanden sind. Aus diesem Grund ist es fachlich zulässig, Änderungen der verschiedenen Kennwerte sehr detailliert auszuwerten.
Bei der Bewertung und Interpretation der ausbaubedingten Änderung ist neben der berech- neten Änderung auch immer der dazugehörige Vergleichszustand als Referenz einzubezie- hen.
Die Rechenwerte aus der Modellsimulation und -analyse bedürfen der fachwissenschaftli- chen Interpretation („wasserbauliches Expertenwissen“), um fundierte Prognosen über die Ausbauwirkungen abzugeben. Die Berechnungsergebnisse sind somit nicht die alleinige Grundlage der gutachterlichen Aussagen, weil sowohl die gewässerkundlichen Erkenntnisse über das Untersuchungsgebiet als auch die revier- und methodenspezifischen Erfahrungen des Gutachters in der wasserbaulichen Systemanalyse mit in die Bewertung einfließen müs- sen.
4.8 Systemstudien zu synthetischen Hochwasser-Szenarien
Innerhalb des Peenestroms stellt sich ein Salzgradient ein, der durch aufeinandertreffendes Haff- und Boddenwasser entsteht. Die Lage dieser Mischungszone ist abhängig von dem jeweiligen hydrologischen Ereignis.
Der Untersuchungszeitraum vom 01.11.2005 bis zum 30.12.2005 beinhaltet charakteristi- sche, häufig auftretende Ereignisse. So können beispielsweise das Niedrigwasser-Ereignis 1 und das Hochwasser-Ereignis 2 als jährliche Ereignisse interpretiert werden [7]. Während des Hochwasser-Ereignisses 2 wird die Mischungszone bis auf Höhe der Mündung Achter- wasser transportiert.
Zur Beurteilung der ausbaubedingten Wirkung auf die Mischungszone bzw. Verschiebung dieser, sollen mit Hilfe von Systemstudien Szenarien erzeugt werden, bei denen die Mi- schungszone auch über das Achterwasser hinaus stromauf gelangt. Die Szenarien sollen außergewöhnliche, seltene Ereignisse repräsentieren. Diese Form der Untersuchung trägt zum Systemverständnis bei und unterstützt die Beurteilung der Wirkungsweise der Ausbau- maßnahme.
Für diese Systemstudien wurden an den Modellrändern höhere Wasserstände eingesteuert.
Für das erste Szenario (HW1+20cm) wurden die Wasserstände um +20 cm und für das zweite um +60 cm (HW1+60cm) angehoben. Im Peenestrom erzeugt die Veränderung der Randwerte eine ähnlich starke Anhebung der Wasserstände (siehe grüne Graphen, Bild 17).
Dem synthetischen Hochwasser-Szenario wurde das Hochwasser-Ereignis 1 zugrunde ge- legt (siehe blauer Graph, Bild 17).
Die Analysen und Bewertungen der ausbaubedingten Wirkungen erfolgen für diese System- studie hauptsächlich in Bezug auf den Salzgehalt.
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200
0:00:00 16:00:00 32:00:00 48:00:00 64:00:00 80:00:00 96:00:00 112:00:00 128:00:00 144:00:00 160:00:00 176:00:00 192:00:00 HW 1 reales Ereignis HW 1 +20cm synth. Ereignis HW 1 +60cm synth. Ereignis HW 1 reales Ereignis HW 1 +20cm synth. Ereignis HW 1 +60cm synth. Ereignis
5 Kalibrierung des Modells
1Zur Kalibrierung des Modells stehen umfassende Naturmessungen für den Zeitraum No- vember und Dezember 2005 zur Verfügung. Diese Messungen wurden von der BAW in Zusammenarbeit mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Stralsund durchgeführt. Der Messum- fang umfasst Wasserstände, Strömungsgeschwindigkeiten und Salzgehalte in unterschiedli- chen Wassertiefen. Zusätzlich steht noch eine Reihe von Pegeldaten zur Verfügung, die vom Wasser- und Schifffahrtsamt bereitgestellt wurden. Eine weitergehende Beschreibung und Diskussion der durchgeführten Naturmessungen sind dem Gewässerkundlichen Bericht 2007-1 des WSA Stralsund zu entnehmen [7]. Eine Übersicht der Dauermessstationen ist in Bild 18 zu sehen.
1 „Kalibrierung“ bezeichnet die Vorgehensweise mit der beim Anpassen verschiedener Parameter eines numerischen Modells ein möglichst realitätsnahes Modellverhalten erzielt wird. Das ortsspezifi- sche numerische Modell wird dabei bewusst verändert.
Bild 18: Übersicht der Messstationen (gelbe Markierungen 1 bis 6) der Naturmessungen 2005 sowie der Windmessstationen (orange Markierung).
5.1 Ergebnisse der Kalibrierung
Die Messungen der Strömungsgeschwindigkeit und des Salzgehaltes wurden je nach Station in zwei bis drei unterschiedlichen Tiefen durchgeführt. Die hydrodynamisch-numerische Simulation wird dreidimensional mit einer vertikalen Auflösung von 0,50 m durchgeführt, so können für jede Messposition die entsprechenden Modelldaten in der jeweiligen Tiefen- schicht abgegriffen werden.
In der
