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BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 1
Entwicklung der Tideniedrigwasserstände
im Elbeästuar
• Analyse der Entwicklung in den 80er und 90er Jahren • Ursachenforschung für die Tnw-Absenkung• Einsatz mathematischer Modelle
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 2
Wasserstandim Ästuar
KlimaKlima WetterWetterOberwasserOberwasser
Astronomische Gezeiten
Astronomische Gezeiten
Flachwasser-tiden
Flachwasser-tiden
MorphologischeEntwicklung
MorphologischeEntwicklung
Landhebungen/-senkungen
Landhebungen/-senkungen
BauwerkeBauwerke
Einflussfaktoren auf den Wasserstand im Ästuar
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 3
Siefert, 1998„Tiden und Sturmfluten in der Elbe
und ihren Nebenflüssen“Die Küste Heft 60
normiert mit 25 cm pro 1000 m3/s
Änderung durch KN -13,5 m Ausbau
Ursachen?
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 4
Bestimmung ausbaubedingter Änderungen des Tnw(Bund-Länder Arbeitsgruppe Beweissicherung zum KN -13,5 m Ausbau von Außen- und Unterelbe, Niemeyer 1995)
EPdEPHelEPHelEPEP QcThbbTnwaTnw 0⋅+⋅+⋅=
EP - Elbe-Pegel Hel - Helgoland
Einfaches Prognosemodell durch „best fit“ von 4 Koeffizientenfür einen (z.B. 5 jährigen) Zeitraum vor dem Ausbau• linearer Berücksichtigung von Tidehub und Tideniedrigwasser in Helgoland• nichtlinearer Berücksichtigung des Oberwassers
Bestehendes Verfahren für aktuelle Beweissicherungen
Frage: Steht für dieses Verfahren ein geeigneter Referenzzeitraum vor dem Ausbau zur Verfügung?
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 5
Strategie A - Normieren auf mittleres Oberwasser
1. Normieren der Tnw in der Elbe auf ein einheitliches Oberwasser Q0 Normierungsfaktoren mit HN-Modell ermitteln
2. Tnw am Pegel Helgoland steuert Tnw an den Elbepegeln: Tnw-Differenz zwischen normierten Elbepegeln und Helgoland bestimmen (Einfluss der meteorologisch bedingten Variation abmindern)
3. Ableiten der Tnw-Entwicklung aus der Tnw-Differenz (wie bei Siefert)
4. HN-Modelle auf Grundlage jährlicher Topographien rechnen - Simulation (identische Steuerkurven für Tide und Oberwasser verwenden)
5. Analysieren der Tnw-Entwicklung aus den Modellergebnissen
6. Vergleich der Ergebnisse aus 3. Und 5. ==> Schlussfolgerungen
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 6
1. Die „mittleren Tiden“ am Pegel Helgoland identifizieren durch Auswertung der Thw- / Tnw-Zeitreihen
2. Jährliche Mittelwerte der Tnw nur aus den „mittleren Tiden“ bestimmen - für Helgoland und für alle Elbepegel (Filter 1. Stufe)3. Zusätzlich alle Tiden in der Mittelwertbildung eliminieren, die „extremen“ Oberwasserzuflüssen unterlagen (Filter 2. Stufe)
4. Tnw-Differenz der gefilterten Jahresmittelwerte zwischen den Elbepegeln und Helgoland bestimmen
5. Ableiten der Tnw-Entwicklung aus 4.
6. HN-Modelle auf Grundlage jährlicher Topographien rechnen - Simulation (identische Steuerkurven für Tide und Oberwasser)
7. Analysieren der Tnw-Entwicklung aus den Modellergebnissen
8. Vergleich der Ergebnisse aus 3. und 5. ==> Schlussfolgerungen
Strategie B - Filtern der Zeitreihen
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 7
Jährliches MTnw von 1980 bis 1998 [m]
325
330
335
340
345
350
355
360
365
370
375
380
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
Helgoland
St. Pauli
Cuxhaven
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 8
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Abweichung jährliche MTnw vom 19jährigen Mittelwert 1980 bis 1998 [cm]
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
Helgoland
St. Pauli
Cuxhaven
Mittelwert:• Helgoland • Cuxhaven• St. Pauli
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 9
Abweichung der jährlichen Mittelwerte Tnw St. Pauli undOberwasser Neu Darchau
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
mangelnde Abhängigkeit Tnw = f(Q0)1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
Oberwasser
St. Pauli
[cm] [m3/s]
Mittelwert: • St. Pauli• Neu Darchau
vom jeweiligen 19jährigen Mittelwert 1980 bis 1998
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 10
-2,3-2,2-2,1
-2-1,9-1,8-1,7-1,6-1,5-1,4-1,3-1,2-1,1
-1-0,9-0,8
620 640 660 680 700 720 740Elbe Km
m
MTnw_200MTnw_600MTnw_1200MTnw_2000MinTnw_200MinTnw_600MinTnw_1200MinTnw_2000MaxTnw_200MaxTnw_600MaxTnw_1200MaxTnw_2000
maximale Tnw
mittlere Tnw
minimale Tnw
Simulierte Tnw-Stände - Oberwasser 200 bis 2000 m3/s Spring-Nipp-
Zyklus
Spring-Nipp-
Zyklus
HN-Modell
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 11
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750Elbe Km
D300_200D450_200D600_200D800_200D1200-200D2000_200
Ergebnisse HN-Modells der Elbe (Spring-Nipp-Zyklus)
MTnw-Differenzen [m] bezogen auf ein Oberwasser von 200 m3/s
Erkenntnis: Auch bei Cuxhaven nochbeträchtliche Oberwasserabhängigkeit
Erkenntnis: Auch bei Cuxhaven nochbeträchtliche Oberwasserabhängigkeit
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 12
-1,65
-1,6
-1,55
-1,5
-1,45
-1,4
-1,35
-1,3
-1,25
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Qo [m3/s]
MTnw [m] an 4 Stationen in Abhängigkeit vom Oberwasser
Km 680
Km 700
Km 720
Km 620
Grundlage zur Normierung der MTnw-Stände auf ein mittleres Q0 = 701 m3/s
Ergebnisse HN-Modells der Elbe (Spring-Nipp-Zyklus)
19 cm pro1000 m3/s
Erkenntnis: im Hamburger Amtsbereich nahezu lineare AbhängigkeitErkenntnis: im Hamburger Amtsbereich nahezu lineare Abhängigkeit
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 13
Entwicklung der normierten (701 m3/s) MTnw-Stände St. Pauli bezogen auf den Pegel Helgoland
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998330
335
340
345
350
355
360
365
370
375
380Delta MTnw: St.Pauli - HelgolandHelgoland MTnwSt.Pauli MTnw (normiert)
1993 und 1998 sehr geringe Tnw-Stände
jähr
liche
s m
ittle
res
Tnw
Diff
eren
z St
. Pau
li - H
elgo
land
[cm
] Strategie A
~12 cm
Trend Tnw-Absenkung St. Pauli ~ 22 cm in 19 Jahren
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 14
-1,7
-1,65
-1,6
-1,55
-1,5-1,45
-1,4
-1,35
-1,3
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel Helgoland1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
[m N
N]
Strategie B
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 15
0,7
0,75
0,80,85
0,9
0,95
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
[m N
N]
Thw Mittelwerte (MW) am Pegel Helgoland1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 16
-1,6
-1,55
-1,5
-1,45
-1,4-1,35
-1,3
-1,25
-1,2
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel St. Pauli1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
[m N
N]
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 17
1,85
1,9
1,95
2
2,052,1
2,15
2,2
2,25
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
Thw Mittelwerte (MW) am Pegel St. Pauli1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau, Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
[m N
N]
Strategie B
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 18
Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw St. Pauli - Tnw Helgoland
siehe Ausschnitt
Delta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
-1,7
-1,6
-1,5
-1,4
-1,3
-1,2
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 -0,1
-0,05
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Diff
eren
z in
m
Mitt
elw
erte
Tnw
St.
Paul
i
Strategie B
Trend Tnw-AbsenkungSt. Pauli
~ 21 cm in 19 Jahren
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 19
Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw St. Pauli - Tnw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
1993 und 1998 sehr geringe Tnw-Stände
~12cm
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 20
Differenz der Mittelwerte Delta Thw = Thw St. Pauli - Thw HelgolandDelta Thw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m nicht dargestellt
2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
1
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
Diff
eren
z in
m
1,20
1,40
1,30
1,10
1,00
Trend Thw-AbsenkungSt. Pauli
< 3 cm in 19 Jahren
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 21
-1,5
-1,45
-1,4
-1,35
-1,3-1,25
-1,2
-1,15
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
Tnw Mittelwerte (MW) am Pegel Stadersand1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
[m N
N]
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 22
1,55
1,6
1,65
1,71,75
1,8
1,85
1,9
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 0
200
400
600
100
300
500
700
[m N
N]
Anz
ahl b
erüc
ksi c
htig
ter T
iden
Thw Mittelwerte (MW) am Pegel Stadersand1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau, Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
Strategie B
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 23
Differenz der Mittelwerte Delta Tnw = Tnw Stadersand - Tnw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
0,20
0,30
0,40
0,25
0,35
Diff
eren
z in
m
1993 und 1998geringe Tnw-Stände
Strategie B
~7cm
Trend Tnw-AbsenkungStadersand
10 cm in 19 Jahren
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 24
Differenz der Mittelwerte Delta Thw = Thw Stadersand - Thw HelgolandDelta Tnw ohne Filterung1.Filter : Bandpass Helgoland, MW - 0,20m bis MW + 0,20m nicht dargestellt
2.Filter : 1. Filter + Oberwasser Neu Darchau Q = 200 m3/s bis 800 m3/s
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
Diff
eren
z in
m
0,8
1,0
0,9
0,7
Trend Thw-AbsenkungStadersand
< 3 cm in 19 Jahren
Strategie B
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 25
Analyse von Modellergebnissen aus 10 HN-Modellen des Elbeästuars
Modell mit Jahrestopographie 1990
Modell mit einer Linienpeilung 1999
Modell mit Jahrestopographie 1998
Modell mit Jahrestopographie 1991
Modell mit Jahrestopographie 1992
Modell mit Jahrestopographie 1993
Modell mit Jahrestopographie 1994
Modell mit Jahrestopographie 1995
Modell mit Jahrestopographie 1996
Modell mit Jahrestopographie 1997
identische ModellsteuerungSpring-Nipp-Zeitraum / Oberwasser
für mittlere Verhältnisse
Beachte: Eine Jahrestopogrphie ergibtsich primär aus monatlichen Verkehrssicherungspeilungen
1998 umfassende Nullmessung vor der Fahrrinenanpassung
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 26
Delta_H 1995 - 1994
Delta_H 1996 - 1995
Modelltiefen könnennicht flächendeckend
aktualisiert werden
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 27 mittleres Tnw [m NN]
Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999
(identische Steuerkurven)
760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer
- 1.2
- 1.3
- 1.4
- 1.5
- 1.6
1993
1998
St. P
auli
Stad
ersa
nd
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 28 mittleres Tnw [m NN]
~ 6 cm
Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999
Abschnitt km 616 bis km 632
1999 LP2
1991 1990
19931998
St. Pauli
- 1.44
- 1.46
- 1.48
- 1.5
- 1.52
- 1.54 - 1.56
- 1.58
- 1.60
- 1.62
632 630 628 626 624 622 620 618 616 Elbe - Kilometer
Strategie A
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DH - 2001-11 Folie-Nr. 29
~ 6 cm
Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999
Abschnitt km 616 bis km 632
1999 LP2
1991 1990
- 1.44
- 1.46
- 1.48
- 1.5
- 1.52
- 1.54 - 1.56
- 1.58
- 1.60
- 1.62
632 630 628 626 624 622 620 618 616 Elbe - Kilometer
1993
1998
Strategie B
St. Pauli
mittleres Tnw [m NN]
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 30Tnw zur Springzeit [m NN]
Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999
(identische Steuerkurven)
1993
1999 LP2
1998
760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer
- 1.2
- 1.3
- 1.4
- 1.5
- 1.6
- 1.7
- 1.8
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 31Tnw zur Nippzeit [m NN]
Längsschnitt berechneter Tnw-Stände 10 HN-Modelle für die Jahre 1990 bis 1999
(identische Steuerkurven)
19931999 LP2
1998
760 740 720 700 680 660 640 620 Elbe - Kilometer
- 1.2
- 1.3
- 1.4
- 1.5
- 1.6
- 1.7
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 32
Bestimmung jährlicher morphologischer Aktivität
Volumenänderungen zusammenhängender Bereiche
Sedimentation > 20 Mio. m3 (zwei Gebiete)
1993 / 1994
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 33
Volumenänderungen zusammenhängender Bereiche
Sedimentation > 15 Mio. m3 (drei Gebiete)
1994 / 1995
Bestimmung jährlicher morphologischer Aktivität
SedimentationMedemsand !
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 34
Ergebnisse der Analyse
���� 1993 und 1998 sind die Jahre größter Tnw-Absenkung
���� Das „gelaufene“ Oberwassers verstärkt den Trend der Absenkung
���� Das Verfahren zur Beweissicherung (Bund-Länder-AG) erscheint ungeeignet, da der Zeitraum vor dem SKN-14,4 m Ausbau nicht ausreichend stabil ist
���� Die Tnw-Variationen sind in den 90er Jahren größer als vorher Warum?
���� Trend 1980 bis 1998: 21 - 22 cm Tnw-Absenkung Pegel St. Pauli 10 cm Tnw-Absenkung Pegel Stadersand das Thw bleibt nahezu konstant
���� Trend kann durch Simulation teilweise nachvollzogen werden => alleiniger Einfluss der Morphologie (aber am Pegel St. Pauli gedämpfte Variation der Tnw-Stände Verbesserung des Modells - Hamburger Hafen, obere Tideelbe) Genauigkeit und Vollständigkeit der Peilungen hinterfragen
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 35
Häufigkeitsverteilung von Tages-Spitzenböen in Hamburg (aus Klimastatusbericht 1999 des DWD)
Wechselwirkung Ozean - Atmosphäre: Variation Tnw in der Deutschen Bucht
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 36
Zeitlicher Verlauf der Lufttemperatur in Deutschland - Abweichung vom Mittel -zwischen 1761 und 1998 (aus Klimastatusbericht 1998 des DWD)
BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe • Hamburg • Ilmenau
DH - 2001-11 Folie-Nr. 37
Fazit:
1. Verfahren zur Beweissicherung sind zu verbessern (Analyseverfahren)
2. Peilungenauigkeiten sind zu verringern
3. Ursachen für die Tnw-Absenkung sind noch weiter zu untersuchen (Modelle / Analysemethoden)
Fazit:
1. Verfahren zur Beweissicherung sind zu verbessern (Analyseverfahren)
2. Peilungenauigkeiten sind zu verringern
3. Ursachen für die Tnw-Absenkung sind noch weiter zu untersuchen (Modelle / Analysemethoden)