Editorial - Bundesanstalt für Wasserbau
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Editorial
Küstenforschungsagenda für Nord- und Ostsee
getragen, dass der Meeresschutz ein vorrangiges
Küsten- und Meeresökosysteme unterliegen seit
gesellschaftliches Interesse darstellt.
jeher einem steten Wandel – zum Teil auch raschen
Veränderungen. Über das bekannte, natürliche Maß Entsprechend den Zielen der Küstenforschungs-
hinaus werden seit einigen Jahrzehnten die vom agenda werden wissenschaftliche Beiträge zu den
Menschen gemachten Veränderungen immer deutli- folgenden vier übergeordneten Leitlinien gefördert:
cher sichtbar. Diese Veränderungen finden auf allen 1. Wissen schaffen zur Nutzung und zum Erhalt von
Ebenen statt, bis hin zu globalen Verschiebungen Ökosystemdienstleistungen der Küstengebiete
atmosphärischer Transporte, Erwärmung des von Nord- und Ostsee unter Berücksichtigung der
Meerwassers und Meeresspiegelanstieg. wachsenden Nutzungsanforderungen und des
Es gilt als gesichert, dass das Ausmaß der bisherigen Klimawandels.
Nutzungen zukünftig weiter zunehmen und zusam- 2. Verbesserung der Abschätzbarkeit von Auswir-
men mit neuen Nutzungsformen den Druck auf die kungen des globalen Wandels auf die Küstenöko-
marine Umwelt und die Ressourcen der Meere systeme sowie der Prognosefähigkeit mit Hilfe
erhöhen wird. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass sich eines modularen Modellsystems Küstenmeer.
der von Menschen beeinflusste Klimawandel immer 3. Schaffen von wissenschaftlichen Grundlagen zur
stärker auswirkt. Bereits jetzt zeichnen sich in den Unterstützung des Aufbaus von Infrastrukturen
Ökosystemfunktionen der Küstenmeere Verände- in der Küstenzone vor dem Hintergrund skalen-
rungen ab, deren Konsequenzen heute nur vage ab- übergreifender Variabilität.
geschätzt werden können. Es besteht daher aktueller 4. Unterstützende Forschung für die wirksame Um-
Forschungsbedarf, um die vielseitigen Wechsel- setzung integrierter Meerespolitik auf nationaler
wirkungen zu erfassen und um darüber verlässliche wie auf europäische Ebene, um optimale Bedin-
Prognosen zur Unterstützung bei anstehenden gungen für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane
Entscheidungsprozessen geben zu können. und der Meere zu schaffen und gleichzeitig
In Anbetracht dessen wird im Rahmenprogramm Wachstum in der maritimen Wirtschaft und in den
“Forschung für Nachhaltige Entwicklungen” (2010- Küstenregionen zu ermöglichen.
2015) des Bundesministeriums für Bildung und Die integrative und querschnittorientierte Küsten-
Forschung (BMBF) die deutsche Küste als eine von forschungsagenda vervollständigt das Portfolio des
weltweit vier Schwerpunktregionen der Erdsystem- BMBF zur Erforschung der Küstengewässer, die sich
forschung benannt, in denen die Folgen des Globalen bislang auf drei Bereiche konzentrierte:
Klimawandels besonders schnell und/oder besonders · Das multinationale Fördernetzwerk BONUS zur
spürbar zu Tage treten. Das BMBF hat sich daher ent- Ostseeforschung der acht Anrainerstaaten mit
schlossen, in diesem Forschungsbereich die Projekt- Unterstützung der EU-Kommission,
förderung zu intensivieren und als eine förderpoliti-
· die Fördermaßnahmen des Kuratoriums für For-
sche Grundlage hierzu die “Küstenforschungsagenda
schung im Küsteningenieurwesen (KFKI) und
für die Nord- und Ostsee” aufzustellen. An der Erar-
beitung der Agenda waren die maßgeblichen wissen- · die bilateralen Kooperationen in der Küsten-
schaftlichen Organisationen und Einrichtungen, ein- forschung mit ausgewählten Industrie- und
schließlich Ressortforschungseinrichtungen des Schwellenländern.
Bundes und der Länder, beteiligt. Flankierend zu diesen Aktivitäten ist eine deutsch-
Übergeordnetes Ziel der Forschungsförderung im niederländische Ausschreibung zur bilateralen
Rahmen der “Küstenforschungsagenda für Nord- und Wattenmeerforschung erfolgt.
Ostsee” ist die Schaffung wissenschaftlicher Grund- Die erste Förderbekanntmachung zur Umsetzung der
lagen für die zukunftsfähige Nutzung der natürlichen Küstenforschungsagenda wird im Dezember 2011
Ressourcen in den Küstenregionen dieser Meeresge- erfolgen.
biete. Die Ergebnisse der Forschungsprojekte sollen Andreas Irmisch | Projektträger Jülich | Geschäfts-
die Umsetzung nationaler und europäischer Meeres- bereich System Erde, Schifffahrt und Meerestechnik
politiken in den deutschen Küstenmeeren unterstüt- Seestraße 15 | 18119 Rostock-Warnemünde |
zen. So wird unter anderem der Erkenntnis Rechnung a.irmisch@fz-juelich.de
KFKI aktuell................................................................ 11. Jahrgang | 02/2011 | Hamburg, Dezember 2011
Forschungseinrichtungen und zuständigen Behörden
vor Ort erscheint den Teilnehmerinnen und -
Küsten 2021 - Gesellschaftliche
teilnehmern unerlässlich.
Relevanz von Umweltverände-
rungen als Herausforderung für Der Workshop hat Wissenschaft und Verwaltung eine
die Deutsche Küstenforschung offene und sehr konstruktive Diskussionsplattform
geboten. In einem weiten Spektrum konnten die
Dr. Dietmar Kraft wissenschaftlichen, fachlichen und auch gesellschaft-
lichen Herausforderungen der Entwicklung der
Institut für Chemie und Biologie des Meeres,
Deutschen Bucht erörtert werden. Die Themen
Oldenburg
reichten von morpho- und hydrodynamischen
Unter diesem Titel veranstaltete der Nordwest- Eigenschaften der Küsten über die Mechanismen der
Verbund Meeresforschung e.V. (NWVM) vom 14. bis Biodiversität insbesondere der Watten bis hin zu
zum 16. November 2011 einen interdisziplinären Nähr- und Schadstoffen in den Küstengewässern.
Workshop. Über siebzig Fachleute aus Forschung und Diskutiert wurden dabei auch die konkreten methodi-
Verwaltung diskutierten in fünf Themenblöcken schen Bedürfnisse des Umweltmanagements.
Aktionspunkte der Küstenforschung der kommenden Anhaltend wichtig erscheinen zudem moderne
zehn Jahre. Infrastrukturen für den Austausch der meistenteils
verteilt vorliegenden Daten aus Forschung und
Die Küste ist ein Hot-Spot des globalen Wandels.
Monitoring – und verlässlich gepflegte Metadaten.
Darüber waren sich alle in der inspirierenden
Besonders intensiv wurde das Wechselspiel Küste und
Umgebung des Hanse-Wissenschaftskollegs einig.
Gesellschaft erörtert. Dem Thema Küstenforschung
Zwischen Land und Meer finden sich weltweit die
wurde eine äußerst hohe gesellschaftliche Relevanz
höchsten Bevölkerungsdichten, die intensivsten
attestiert.
Nutzungen und die deutlichsten Umweltverände-
rungen. Das Organisationsteam um Karen Wiltshire vom
Alfred-Wegener-Institut auf Helgoland, Hildegard
Auch auf die deutschen Küstenzonen nimmt der
Westphal vom Zentrum für Marine Tropenökologie in
Nutzungsdruck stetig zu. Der Ausbau von Häfen und
Bremen und Dietmar Kraft vom Institut für Chemie
die damit einhergehenden Flussvertiefungen, der
und Biologie des Meeres am Standort Wilhelmshaven
Wandel des Klimas und der Meeresspiegelanstieg,
sind bemüht, die vielgestaltigen Ergebnisse des
Offshore-Windparks und Weltnaturerbe: die
Treffens baldmöglichst zu dokumentieren und zu
Notwendigkeit für ein integriertes Management der
einer Broschüre mit Action-Points der Küsten-
Küsten ist offensichtlich. Im Spannungsfeld von
forschung bis 2021 zu verdichten. Über die Webseite
globalisiertem Handel und lokalen Auswirkungen des
des Nordwest-Verbundes
Klimawandels ist Nachhaltigkeit und Umweltverträg-
www.nwv-meeresforschung.de
lichkeit erklärtes Ziel einschlägiger Richtlinien.
werden in Kürze weitere Informationen verlinkt.
Deutliche Umweltveränderungen und zunehmender Bereits für Frühjahr 2012 ist ein weiterer Workshop in
Nutzungsdruck betreffen das Wohlfühl- und Sicher- Vorbereitung, der den Themen der Ressortforschung
heitsbedürfnis der Bevölkerung, und haben somit breiten Raum geben wird.
unmittelbare Folgen für die Gesellschaft. Beobach-
Der Nordwest-Verbund Meeresforschung e. V. ist ein
tung, Analyse und Bewertung der Veränderungen in
Zusammenschluss von Meeresforschungseinrich-
den Küstengebieten und deren kurz-, mittel- und
tungen in den Ländern Bremen und Niedersachsen.
langfristigen Auswirkungen sind somit eine der
Der NWVM versteht sich dabei – in enger Kooperation
zentralen gemeinsamen Aufgaben der Küsten-
mit dem Konsortium Deutsche Meeresforschung KDM
forschung in Deutschland für die kommende Dekade.
– als offene Plattform, die Forscherinnen und
In Zukunft noch intensiver in gemeinsamen Forschern im Nordwesten national, europaweit wie
Arbeitsgruppen und an konkreten Themen Disziplinen international vernetzt, den Wissenstransfer unter-
und Institutionen übergreifend zusammen zu arbei- stützt und einen zentralen Ansprechpartner für
ten, ist ein wesentlicher Action-Point des Workshops Verwaltung, Wirtschaft und Öffentlichkeit in der
Küsten 2021. Eine noch engere Kooperation von Region darstellt.
02
OPTEL (03KIS069)
Entwicklung eines operationellen Tideelbe-
modells auf der Basis des hydrodynamisch-
numerischen Modellverfahrens (BSHcmod) für
die Nord- und Ostsee
Dr. Sylvin H. Müller-Navarra
Ingrid Bork
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie,
Hamburg
Einleitung
Vornehmlich zur Verbesserung der Wasserstandsvor-
Tabelle 1:
hersagen in der Unterelbe wurde unter Federführung Einige gebietsspezifische Charakteristika der Modellgebiete
des Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie und des numerischen Verfahrens
(BSH) zusammen mit Hamburg Port Authority (HPA), erfolgen, damit barotrope und barokline Zeitschritte
Deutscher Wetterdienst (DWD) und Bundesanstalt für gesondert festgesetzt werden können. Sodann wurde
Wasserbau (BAW) im Rahmen des vom Bundesminis- die numerische Einbindung der Staustufe Geesthacht
terium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten erforderlich, denn diese ist in ihrer Höhe einstellbar
Verbundprojektes OPTEL (Förderkennzeichen und wird bei schweren Sturmfluten und großen
03KIS069–72) ein neues drei-dimensionales Modell Oberwassermengen zur Entlastung heruntergefah-
der Elbe von Bleckede bis zur Mündung entwickelt. ren. Die Staustufenfunktion musste vollständig neu
Projektlaufzeit war April 2008 bis März 2011. Mit entwickelt werden, und zwar so, dass die
OPTEL schafft das BSH eine wichtige Voraussetzung Transportalgorithmen weiter funktionieren. Auf den
für einen effizienten Einsatz von tiefgehenden ersten Blick trivial erscheint es, dass mit Einbindung
Schiffen wie Container- und Massengutfrachter, die eines Flusses dessen Sohlhöhe das ungestörte
Fahrtzeiten und -wege genauestens planen müssen, Modellniveau des Meeresspiegels schneidet. Aber
wenn sie gezeitenabhängige Häfen unter Ausnutzung auch hier waren Quelltextanpassungen zur Schaffung
des maximal möglichen Tiefgangs ansteuern. Aber der Allgemeingültigkeit erforderlich.
auch bei Bauvorhaben, für den Kraftwerksbetrieb, die Letztlich konnte das Verfahren rechtzeitig (Ende
Wasserbewirtschaftung und den Katastrophenschutz 2010) während der Projektlaufzeit in den Vorhersage-
bei Sturmfluten sind gute Vorhersagen der wichtigs- modus überführt werden, und einige täglich aktuali-
ten hydrologischen Größen von Bedeutung. Das gilt sierte Ergebnisse sind seitdem auf der Projektseite im
auch für Manöver sehr großer Schiffe im Hafen, bei Internet zu sehen (Abbildung 1 und 2).
denen detaillierte Kenntnisse der tideabhängigen Zur Nutzung des neuen Modells
Strömungsverhältnisse wichtig sind.
Damit war im Projekt Zeit gewonnen für einige
Das Modell grundsätzliche Überlegungen hinsichtlich der sinnvol-
Das BSH entwickelt und benutzt seit vielen Jahren len Nutzung des Modellvorhersagesystems. Im
operationelle numerische Modelle (BSHcmod) der Grunde handelt es sich bei numerischen Vorhersage-
Nord- und Ostsee und der Deutschen Bucht zur Vor- modellen um eine virtuelle Parallelwelt, die es uns
hersage von Wasserstand und Strömung und anderer gestattet, ein klein wenig in die Zukunft zu schauen.
physikalischer Größen. Nun ist dieses System um ein Im Falle von OPTEL beträgt die Vorhersagezeit
interaktiv an das bestehende Nordseemodell gekop- weniger als 24 h; bei größeren Computerkapazitäten
peltes Unterelbemodell ergänzt worden (Tabelle 1). ist das grundsätzlich ausbaubar. Der Blick in die
Bei der interaktiven Anbindung der Tideelbe an die Zukunft ist aber nicht so einfach. Modellergebnisse
Deutsche Bucht waren einige inhaltliche Hürden (direct model output, DMO) können nicht ohne
numerischer Art zu meistern. Zunächst musste eine Nachbearbeitung übernommen werden, denn Modelle
interne Umorganisation des Quellcodes BSHcmod weisen immer auch systematische Fehler auf. Im Falle
03
des Elbemodells liegen z.B. die berechneten Niedrig- virtuellen Parallelwelt – sinnvoll zu nutzen. Hier sind
wasserhöhen im Mittel deutlich über den gemesse- etwaige Nutzer der Modellergebnisse aufgerufen, mit
nen. Offensichtlich wird die Flachwasserdynamik neuen, guten Ideen die verborgenen Schätze aus den
unzureichend wiedergegeben. Werden Punktvorher- Modelldatensätzen zu heben. Nach weiteren techni-
sagen angestrebt, also z.B. die Wasserstände an schen Maßnahmen für den operationellen Betrieb des
Stützstellen entlang einer Fahrrinne, helfen Ver- Elbemodells werden die aktuellen Vorhersagedaten
fahren der Modellausgabe-Statistik (Model Output allen Fachbehörden der Wasser- und Schifffahrtsver-
Statistics, MOS), die schon lange in der Wetter- waltung des Bundes sowie Fachbehörden der Länder
vorhersage genutzt werden, um Vorhersagen auf einem BSH-Server zur Verfügung gestellt.
objektiv zu korrigieren. Mittlerweile ist der Nachweis Die Erfahrungen aus der Entwicklung und dem Betrieb
erbracht, dass dieses auch für Wasserstände in der des Tideelbemodells sowie die IT-Verfahren können
Elbe funktioniert, indem u. a. intensiv von aktuellen nach Abschluss des Projektes auf andere Ästuare
Pegelmessungen Gebrauch gemacht wird (Müller- übertragen werden.
Navarra & Knüpffer, 2010). Sogar der Fehlerer- Empfehlung für den weiteren Betrieb des hier
wartungswert kann zeit- und tidephasenabhängig vorgestellten Elbemodells
vorhergesagt werden, was wiederum eine Anwen-
Als zusätzliche Variante wird am BSH eine Entkopp-
dung in der Tidefensterproblematik ermöglicht.
lung des Elbemodells aus dem vorgestellten Modell-
Auch die Strömungen aus dem Unterelbemodell
system diskutiert. Die Autoren betrachten dagegen
wurden bereits punktuell ausgewertet und in Form
die seit Ende 2010 im Vorhersagemodus betriebene,
von Gezeitenstromtabellen in die amtlichen Karten
beidseitig und interaktiv gekoppelte Vollversion als
für die Sportschifffahrt “Die Elbe bis Hamburg”
sachgerechte Lösung für den weiteren operationellen
eingearbeitet (Anonymus, 2011).
Betrieb.
Wie sieht es mit einer örtlichen Korrektur systemati-
scher Fehler anderer physikalischer Größen aus? Die Danksagung
Größen Temperatur und Salzgehalt konnten bisher Der Projektkoordinator des Gesamtprojekts OPTEL
nur sporadisch mit Punktmessungen verglichen möchte nicht versäumen, Herrn Dr. Blum vom
werden. Daher kann über systematische Ab- Projektträger Jülich (PTJ) des BMBF für die finanzielle
weichungen keine Aussage gemacht werden. Die Eis- Förderung zu danken. Ein weiterer Dank geht an die
dynamik wird seit dem letzten Winter für das opera- Projektbegleitende Gruppe des KFKI, der wir – die
tionelle Modell des BSH kontinuierlich mit Daten Teilprojektleiter und die Projektmitarbeiter – sehr
verglichen. Für die Elbe warten wir auf den nächsten viele substantielle Diskussionen zu verdanken haben.
Winter. Herrn Dr. Kleine (BSH) danken wir für fundierte
Ganz sicher ist es noch ein weites Feld, die Vorher- Lösungsvorschläge zu numerischen Problemen, ohne
sagen – oder besser die Informationen aus der die das Projekt deutlich weniger erfolgreich gewesen
Abbildung 1: Abbildung 2:
Salzgehalt [g/kg] in der Oberflächenschicht, vorhergesagt Oberflächenströmung [m/s; zusätzlicher Pfeil bei v > 1 m/s]
für den 02.10.2011, 0:00 UTC. in der Oberflächenschicht, gleicher Zeitpunkt wie Abb. 1.
04
wäre. Für wertvolle hydrologische Hinweise zur Elbe extremen Wind- und/oder Oberwassersituationen
oberhalb der Staustufe Geesthacht danken wir Vorhersagen von gleicher Qualität zur Verfügung
besonders Fr. S. Rademacher von der Bundesanstalt stellt. Bei der Konzeption des Vorhersagesystems aus
für Gewässerkunde (BFG) und Fr. U. Behnken vom Atmosphäre, Nordsee und Tideelbe wurde beachtet,
Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche dass eine Übertragung des Vorhersagesystems auf
Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR). die Ästuare von Jade-Weser und Ems jederzeit
Messdaten für die Verifikation des Modells haben das möglich ist.
WSA Cuxhaven und HPA beigesteuert. Dem Land Grundlage des Vorhersagemodells-Elbe von der Bun-
Brandenburg sei gedankt für die laufende Übertra- desanstalt für Wasserbau ist das drei-dimensionale
gung der Wassertemperatur von der Messstation hydrodynamisch numerische Modell UnTRIM (V.
Cumlosen, die als obere Randbedingung benötigt Casulli and R. A. Walters, 2000 bzw. BAW, 2004). Das
wird. mathematische Verfahren UnTRIM eignet sich
Literatur besonders für Anwendungen in geometrisch komple-
Anonymus (2011): Die Elbe bis Hamburg. 13 xen Ästuaren wie der Unterelbe mit regelmäßigem
Kartenblätter für die Sportschifffahrt. BSH Nr. 3010, Überfluten und Trockenfallen der Wattflächen. Das
Hamburg. von UnTRIM verwendete unstrukturierte orthogonale
Dick, S., Kleine, E. , Müller-Navarra, S. H. , Klein, H., Gitter ermöglicht z.B. eine detaillierte Darstellung des
Komo, H. (2001): The Operational Circulation Model Hamburger Hafens (siehe Abbildung 5). Die Kanten-
of BSH (BSHcmod) – Model description and validation. längen der Gitterzellen variieren im BAW-Vorhersage-
Berichte des Bundesamtes für Seeschifffahrt und modell-Elbe zwischen 12 m und 1130 m und die
Hydrographie 29, 49 S. vertikale Auflösung beträgt 2 m.
Kleine, E. (1994): Das operationelle Modell des BSH Das BAW-Vorhersagemodell für die Tideelbe erhält
für Nordsee und Ostsee – Konzeption und Übersicht. Informationen über den vorhergesagten Wind über
BSH Hamburg, 126 S.
der Elbe aus dem Wettervorhersagemodell COSMO-
Müller-Navarra, S. H., Bork, I. (2010): Development
EU des Deutscher Wetterdienst (DWD). Am seeseiti-
of an operational Elbe tidal estuary model. In: Jane
gen Rand zur Nordsee werden Wasserstands- und
McKee Smith, Patrick J. Lynett (Ed.) Proceedings of
Salzgehaltsvorhersagen aus dem Vorhersagemodell
the 32nd International Conference on Coastal
Engineering ICCE 2010, Shanghai, China. BSHcmod des BSH vorgegeben. Als Abfluss für den
Müller-Navarra, S. H., Knüpffer, K. (2010): Improve- Vorhersagezeitraum wird die letzte verfügbare
ment of water level forecasts for tidal harbours by Abflussmessung in Neu Darchau von der Bundes-
means of model output statistics (MOS) – Part I (Skew anstalt für Gewässerkunde (BfG) verwendet. Die vom
surge forecast). Berichte des Bundesamtes für BAW-Vorhersagemodell-Elbe benötigten Schnitt-
Seeschifffahrt und Hydrographie 47. 22 S. stellen zu den genannten Randwerten sind in OPTEL-C
in enger Zusammenarbeit mit OPTEL-A und OPTEL-B
entwickelt worden.
Zur Kalibrierung und Validierung des BAW-Vorher-
OPTEL C (03KIS071) sagemodells-Elbe stehen Messungen von Wasser-
stand, Strömung und Salzgehalt entlang des Ästuares
Entwicklung eines operationellen Tidemodells
sowie Randwerte für sechs Szenarien (SZ) aus den
der Elbe sowie einer Modellkopplung mit dem
Jahren 2006, 2007 und 2008 zu Verfügung. Die
BSH-Vorhersagemodell der Nordsee
Wasserstandsrandwerte stammen zum einen aus
Dr. Christine Kremp Messungen und zum anderen aus dem Vorhersage-
Dr. Elisabeth Rudolph modell BSHcmod des BSH. Die Salzgehaltsrandwerte
werden aus den Vorhersagen von BSHcmod entnom-
Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg
men. Der Wind wird aus den jeweils ersten 12
Vorhersagestunden (COSMO-EU) zusammengesetzt.
Im Rahmen des Projektes OPTEL-C wurde das BAW- Die sechs von OPTEL-D ausgewählten Szenarien
Vorhersagemodell-Elbe entwickelt, das eine operatio- beinhalten unterschiedliche meteorologische und
nelle Wasserstands-, Strömungs- und Salzgehalts- hydrologische Situationen, wie mittlere Verhältnisse
vorhersage für die Tideelbe ermöglicht, die auch bei (SZ1), Sturmfluten (SZ5, SZ6), oder sehr hohe (SZ2,
05
Abbildung 1:
Mittelwert der Differenz aus gemessenen und Das BAW-Vorhersagemodell-Elbe läuft seit Januar
vorhergesagten Thw für vier Szenarien in 2006.
Zur Randwertgenerierung des Wasserstandes wurde die
2011 ununterbrochen im präoperationellen Betrieb
Messung Bake Z verwendet. auf dem Rechner des BSH und erzeugt jeden Tag auf
der Grundlage der Vorhersagen von BSHcmod und
SZ3) bzw. sehr niedrige Oberwasserzuflüsse (SZ4).
COSMO-EU eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste
Der Vergleich von Messung und Vorhersage für die
Vorhersage für Wasserstand, Strömung und
sechs Szenarien zeigt die Bedeutung der Randwerte
Salzgehalt für die Tideelbe. Zur Randwertauf-
(Wasserstand am seeseitigen Rand und Wind über
bereitung und Vorhersage der nächsten 24 Stunden
Nordsee und Elbe) für die Güte der Vorhersage
benötigt das BAW-Vorhersagemodell-Elbe derzeit auf
entlang des Ästuares. Wird die Vorhersage der
dem Rechner des BSH 3 Stunden. Mit diesem
Szenarienzeiträume mit Messungen des Wasser-
Rechenzeitaufwand hat das Vorhersagemodell das
standes angetrieben, so werden die Tidehochwasser
Potential, mehr als einmal pro Tag aktualisierte
(Thw) entlang der Elbe auf ± 10 cm (Abbildung 1) und
Vorhersagen mit aktualisierten Randwerten zu
die Tideniedrigwasser (Tnw) entlang der Elbe auf ± 40
erzeugen.
cm vorhergesagt. Bei Sturmflut (SZ5) verbessert sich
Abbildung 4 zeigt beispielhaft für die Elbmündung die
die Vorhersage der Scheitelwasserstände entlang der
Vorhersage des oberflächennahen Salzgehaltes für
Elbe durch den Einsatz der von OPTEL-B bereitgestell-
den 15. Oktober 2011 9:30 UTC (Thw bei Cuxhaven
ten WAsP-Korrekturfaktoren zur Regionalisierung der
Windfelder im BAW-Vorhersagemodell-Elbe.
Der Vergleich zwischen modellierten und gemessenen
Strömungsgeschwindigkeiten zeigt eine gute Über-
einstimmung sowohl für die Zeitpunkte der
Stromkenterung als auch den Strömungsverlauf in
Flut- und Ebbephase (siehe beispielhaft Abbildung 2,
SZ2 bei D2-Juelssand).
Die modellierten Salzgehalte wurden für die
Szenarienzeiträume ebenfalls mit Messungen
verglichen. Abbildung 3 zeigt den Vergleich bei
Cuxhaven für SZ5. Die Zunahme des Salzgehaltes im
Sturmflut-zeitraum 31. Oktober/ 1. November 2006
sowie die Abnahme nach der Sturmflut ist sowohl in
der Messung als auch im Modellergebnis zu sehen.
Der vollständige Vergleich der Modellergebnisse mit Abbildung 2:
Vergleich der bei D2 (Juelssand) in 1,1 m über Grund
Messungen ist im Abschlussbericht OPTEL-C (C. gemessenen und modellierten Strömungsgeschwindigkeit
Kremp und E. Rudolph, 2011) dargestellt. (SZ2, steigender Oberwasserzufluss).
06
Abbildung 3: Abbildung 4:
Vergleich des bei Cuxhaven gemessenen und modellierten Salzgehaltsvorhersage (oberflächennah) für die Elbmündung
Salzgehaltes für SZ5 (Sturmflut 1. November 2006) für den 15. Oktober 2011 9:30 UTC (ca 30 Minuten vor Thw
in Cuxhaven.
10:00 UTC). Mit dem Flutstrom wird salzreiches übertragenen (S. Müller-Navarra and K. Knüpffer
Wasser besonders in der tiefen Fahrrinne stromauf 2010) Model Output Statistics (MOS) systematische
transportiert. Abbildung 5 zeigt für den gleichen Vor- Fehler aus der Modellkette an Punkten mit Pegel-
hersagezeitpunkt die oberflächennahe Strömungsge- messungen eliminiert werden. Durch diese Punkt-
schwindigkeit im Hamburger Hafen. Ca. eine Stunde prognosen erhöht sich die Vorhersagegenauigkeit an
nach Ebbestromkenterung in St. Pauli erkennt man den Pegelstandorten.
noch Ebbeströmung im südlichen Hafen sowie den Literatur
einsetzenden Flutstrom im nördlichen Hafenbereich. BAW (2004): Validation document – Mathematical
Die präoperationelle Phase wird bis zum Ende des Model UnTRIM, Bericht, Bundesanstalt für Wasserbau
Jahres 2011 fortgesetzt. Nach der gemeinsamen – Dienststelle Hamburg. Siehe auch BAWiki auf
Auswertung und Bewertung der Vorhersage- www.baw.de.
ergebnisse für die Elbe durch BSH und BAW wird Casulli, V. and Walters, R.A. (2000): An unstructured,
gemeinsam über den Übergang des BAW-
Vorhersagemodell-Elbe in den operationellen Betrieb
entschieden werden.
Die bisherigen Vorhersageergebnisse des BAW-
Vorhersagemodells-Elbe aus dem präoperationellen
Betrieb zeigen entlang der Elbe, wie aus den
Ergebnissen für den Kalibrierungs- und Validierungs-
zeitraum zu erwarten, in Abhängigkeit von der
Vorhersagegüte des Windes über der Nordsee und des
Wasserstandes auf dem Rand zur Nordsee, sehr
zufriedenstellende Vorhersagen des Thw sowie der
Eintrittszeit des Thw und zufriedenstellende Vorher-
sagen des Tnw. Um die Vorhersagegüte von der
Tidephase unabhängig zu machen, wird an einer
Verbesserung der Kalibrierung des BAW-Vorhersage-
modell-Elbe gearbeitet. Ferner sollen durch eine
Abbildung 5:
Überarbeitung der Wasserstände aus dem Modell mit Vorhersage der Strömungsgeschwindigkeit (oberflächennah)
der in der Meteorologie üblichen (H. R. Glahn and D. für den Hamburger Hafen für den 15. Oktober 2011 9:30 UTC
(ca. 1 Stunde nach Ebbestromkenterung in Hamburg St.
A. Lowry 1972) und in die Wasserstandsvorhersage Pauli).
07
three-dimensional model based on the shallow w a t e r sende Analyse der gesammelten Messdaten, die zeit-
equations. Intern. Jour. Num. Meth. in Fluids, 32, gleich mit drei unterschiedlichen Messsystemen
pp.331-348. (akustisches Messgerät ABS “Aquascatt-Profiler”, op-
Glahn, H.R. and Lowry, D.A. (1972): The use of model tische Trübheitsmesser OBS “Turbidimeter” und me-
output statistics (MOS) in objective weather f o r e c a- chanisches Ansaugsystems TSS) ermittelt wurden.
sting. J.Appl.Meteor., 11, 1203-121.
Daraus konnten wesentliche Erkenntnisse zur Ver-
Kremp, C. und Rudolph, E. (2011): OPTEL-C – Ent-
wendung von unterschiedlichen Messsystemen ge-
wicklung eines operationellen Tidemodells der Elbe
wonnen werden, die für künftige Untersuchungen zur
sowie einer Modellkopplung mit dem BSH-Vorher-
Sedimentbewegung von allgemeinem Interesse sind.
sagemodell der Nordsee.
Die Analyse dieser gesammelten Messdaten zeigte in
Müller-Navarra, S.H. and Knüpffer, K. (2010): Im-
provement of water level forecasts for tidal harbours den meisten Fällen keine signifikanten Abweichungen
by means of model output statistics (MOS) – Part I zwischen den zeitgemittelten Konzentrationen für die
(Skew surge forecast). Berichte des Bundesamtes für drei unterschiedlichen Messsysteme. Dies setzt
Seeschifffahrt und Hydrographie 47, 22 S. allerdings eine genaue Kalibration jeder dieser
Sonden voraus.
Trotz einer relativ guten Übereinstimmung zwischen
den zeitgemittelten Konzentrationsmessdaten,
ModPro (03KIS060) gemessen mit allen drei Systemen, eignet sich die
akustische Messmethode (ABS) am besten zur
Modellierung hydro- und lithodynamischer
Konzentrationsmessung. Das akustische Gerät ABS
Prozesse in der Küstenzone, Deutsch –
(Aquascatt-Profiler) ist zurzeit das einzige Messgerät,
Russisches Kooperationsprojekt
das mit einer hohen Genauigkeit sowohl ein vollstän-
Prof. Dr.-Ing. Hocine Oumeraci diges vertikales Profil der Konzentrationsmengen als
Technische Universität Braunschweig, auch ein gesamtes Konzentrationsbild suspendierter
Leichtweiß Institut für Wasserbau Sedimente mit ausreichend hoher Auflösung erzeugt.
Joachim Grüne Außerdem weist die zeitabhängige Konzentrations-
Alireza Ahmari messung mit dem Aquascatt-Profiler die Möglichkeit
auf, die Sedimentbewegungsprozesse, insbesondere
Leibniz Universität Hannover,
in den bodennahen Bereichen, detailliert zu untersu-
Forschungszentrum Küste
chen. Die Sedimentbewegung und damit der suspen-
Das Hauptziel der im Projekt geplanten Unter- dierte Sedimenttransport ist ein Produkt der sehr
suchungen bestand in der Entwicklung prozessorien- komplexen Wechselwirkungen zwischen den hydro-
tierter Ansätze zur Beschreibung der Sediment- und morphodynamischen Prozessen in Bodennähe,
suspension und des Sedimenttransports in sandigen wobei die suspendierten Teilchen selbst in diesen
Küstenregionen. Unter Naturbedingungen im Küsten- Prozess einwirken, daher können Fortschritte auf
raum wird die Erzeugung turbulenter Wirbel in Sohl- diesem Gebiet nur mit großmaßstäblichen physikali-
nähe durch die Gruppenstruktur der Windwellen, schen Untersuchungen erzielt werden. Hinzu kommt
durch Infraschwerewellen und durch überlagerte noch die weitere Komplexität des Wellenbrechens,
küstennahe gleichgerichtete Strömungen (z.B. insbesondere durch den enormen Lufteintrag. Die
Küstenlängsströmungen, sohlnahe Rück- und Ripp- Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen
strömungen) beeinflusst. Es wurden großmaßstäbli- haben aufgezeigt, dass im Bereich stark brechender
che physikalische Untersuchungen im Grossen Wellen die vorhandenen Messmethoden an ihre
Wellenkanal (GWK) des Forschungszentrums Küste Grenzen stoßen.
(FZK) gemeinsam mit dem russischen Kooperations- Die in der inneren Brandungszone unter den brechen-
partner (P.P.Shirshov-Institut) durchgeführt, um die den und gebrochenen Wellen erfassten Messdaten
Sedimentsuspension und den Sedimenttransport in sind kaum brauchbar. Die durch das Brechen in die
zeitlich und örtlich hochaufgelösten Zeitintervallen Wassersäule eingedrungenen Luftblasen erzeugen
naturähnlich nachbilden zu können. eine Rückstreuung der von den Messsonden abge-
Ein Schwerpunkt der durchgeführten großmaßstäbli- strahlten optischen bzw. akustischen Signale und
chen physikalischen Untersuchungen war die umfas- beeinflussen die Messdaten stark. Insofern stellen die
08
verwendeten optischen und akustischen Mess- Hochwasserrisiken” (Directive 2007/60/EC, EU-
methoden trotz aller Vorteile noch keine einwandfrei- HWRM-RL). Ziel dieser Richtlinie ist es, die Gefahren,
en und in allen Bereichen nutzbaren Messtechniken die Hochwasser auf die menschliche Gesundheit, die
dar und sind daher weiterhin verbesserungsbedürftig. Umwelt, das kulturelle Erbe und die wirtschaftliche
Ein weiterer Schwerpunkt war die detaillierte Unter- Tätigkeiten ausübt, zu verringern und das
suchung der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Management im Umgang mit den Hochwasser-
suspendierten Sedimentkonzentration (SSK). Es gefahren zu verbessern. Die Umsetzung dieser
wurden die Transportmechanismen sowohl über Direktive ist insbesondere in den Küstengebieten
geriffelten als auch über glatten Sohlen unter regel- Deutschlands von großer Bedeutung. Auf ca. 12.000
mäßigen und unregelmäßigen Wellen für jeweilige km² werden rd. 2,4 Mio. Einwohner durch Küsten-
Wellentypen ausführlich analysiert. schutzanlagen geschützt.
Aus den Versuchen mit regelmäßigen Wellen hat die Für die Umsetzung der EU-HWRM-RL sind die für den
Analyse der hochauflösenden Konturbilder der SSK Bereich des Hochwasserschutzes im Binnenland
über der geriffelten Sandsohle gezeigt, dass wegen entwickelten Methoden nur bedingt anwendbar. Dies
der seewärts gerichteten Sandwirbelablösung und resultiert u.a. aus:
der Phasenverschiebung zwischen dem Zeitpunkt der · Der spezifischen Bedrohung der Küste durch
Wirbelentstehung und dem der Rückströmung der Sturmfluten, die sich in ihrer Charakteristik
Nettofluss suspendierter Sedimente über den geriffel- deutlich von Binnenhochwässern unterscheiden.
ten Sohlen seewärts gerichtet ist. Im Gegensatz dazu · Der erheblichen flächigen Ausdehnung der
ist über den flachen Sandsohlen, wo alle Sand- Küsten- und Überflutungsgebiete.
strukturen wegen der hohen welleninduzierten · Den vorhandenen Küstenschutzsystemen und -
Strömungsenergie an der Sandsohle wegrasiert sind, konzepten.
der durch nahezu brechende Wellen induzierte · Den Auswirkungen des Versagens von Hoch-
Nettotransport der Sedimente, der in Form von wasserschutzanlagen sowohl im Hinblick auf die
Schichtfracht erscheint, landwärts gerichtet. räumliche und zeitliche Entwicklung von Über-
Aus den Versuchen mit unregelmäßigen Wellen zeigen flutungen als auch auf die zu erwartenden
die entsprechenden Konturbilder, wie hochsensibel Schäden.
die bodennahen Suspensionsprozesse auf die turbu- In diesem Zusammenhang ist es das Ziel des von der
lenten welleninduzierten Grenzschichtströmungen Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
über der geriffelten Sohle reagieren und wie rasch (RWTH) Aachen, der Universität Rostock sowie dem
sich die suspendierten Sedimente in den bodennahen Nds. Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten-
Bereichen zeitlich verändern. und Naturschutz (NLWKN) Norden/Norderney in
Im dritten Schwerpunkt der durchgeführten Arbeiten Kooperation geplanten Forschungsvorhabens HoRisK,
wurde damit begonnen, einen integrierten semi- küstenschutzbezogene Ansätze und Methoden für
analytischen Ansatz zur Berechnung welleninduzier- anwendungsorientierte Schadens- bzw. Risikoanaly-
ter Sandsuspension über geriffelten Sandsohlen zu sen als Grundlage für die Erarbeitung von Hoch-
entwickeln. wassergefahrenkarten, Hochwasserrisikokarten und
Hochwasserrisikomanagementplänen abzuleiten.
Neben den Antragstellern sind der Landesbetrieb für
Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz
HoRisK (03KIS079) Schleswig-Holstein (LKN), das Staatliche Amt für
Hochwasserrisikomanagement für den Küsten- Umwelt und Natur, Mittleres Mecklenburg (StALU
raum MM), HKV Hydrokontor sowie die Landwirtschafts-
kammer Niedersachsen als Projektpartner mit
Dr.-Ing. Peter Fröhle
eingebunden.
Universität Rostock, Institut für Umweltingenieur- Grundlage für die Untersuchungen bilden – soweit
wesen, Fachgebiet Küstenwasserbau möglich – verfügbare Daten für den Küstenbereich.
Die europäische Union verabschiedete im Oktober D.h. die Ansätze und Methoden werden auch in
2007 die “Richtlinie der Europäischen Union und des Küstenbereichen anwendbar sein, in denen die
Rates über die Bewertung und das Management von Datenlage auf der Belastungs-, der Bauwerks- und /
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oder der Schadensseite begrenzt ist. Die entwickelten Hierbei werden im Vorhaben schwerpunktmäßig die
Methoden sollen zukünftig für eine Schadens- bzw. Belastungsgrößen Wasserstand und Seegang behan-
Risikoanalyse eine wesentliche Grundlage für die delt. Aktuell werden im AP2 Methoden für die
Umsetzung der Hochwasserrichtlinie für die Küsten- Ableitung von Sturmflutganglinien mit zugehörigen
bereiche an der deutschen Nord- und Ostseeküste Eintrittswahrscheinlichkeiten sowohl für die Nordsee
dienen. als auch für die Ostsee abgeleitet.
Im Rahmen des Projekts werden alle Bausteine von Nach dem derzeitigen Stand der Arbeiten ist es im
Schadens- bzw. Risikoanalyse-Verfahren entspre- Ergebnis möglich, auf der Grundlage der Unter-
chend der Zielsetzung des Vorhabens berücksichtigt. suchungen in Kombination mit Monte-Carlo-Simula-
Die Arbeiten sind in insgesamt 9 Arbeitspakete tionsverfahren i) eine Vielzahl von Sturmflutgang-
eingeteilt: linien für definierte Lokationen und mit definierter
· Ap0:Definition von Begriffen im Zusammenhang Wahrscheinlichkeit abzuleiten sowie ii) mögliche
mit Schadens- und Risikoanalyse-Verfahren Abfolgen extremer Sturmfluten an der Nordsee bzw.
· Ap1:Vergleichende Darstellung und Diskussion Sturmhochwässer an der Ostsee für festgelegte
der verfügbaren Schadens- bzw. Risikoa n a - Betrachtungszeiträume abzuleiten. Daneben ist es
lyse-Verfahren und Küstenschutzstrategien ebenfalls für ausgewählte Lokationen bereits möglich,
· Ap2:Belastungen statistisch zugehörige Seegangsereignisse mit
· Ap3:Versagensmechanismen und Versagens- anzugeben.
wahrscheinlichkeiten Im Arbeitspaket 3 sind die Untersuchungen zur
· Ap4:Konsequenzen des Versagens – Überflutung Weiterentwicklung sowie zur Ableitung neuer praxis-
· Ap5:Schadenspotentiale und Schäden orientierter ingenieurmäßiger Ansätze zur Verbesse-
· Ap6:Risikoanalyse rung des Verständnisses von Versagensmechanismen
· Ap7:Schadens- und Risikominimierung von
· Ap8:Anwendung auf ausgewählte Küsten- · Deichen (u. a. Breschenbildung und -
gebiete in Mecklenburg-Vorpommern, Nie- entwicklung)
dersachsen und Schleswig-Holstein · Dünen
Zentrale Bedeutung der Arbeiten und Unter- · Hochwasserschutzmauern und -wänden
suchungen im Vorhaben besitzt die Fokussierung auf · Vorländern und Sommerdeichen
Anwendungsorientierung und Umsetzbarkeit aber · 2. Deichlinien
auch die Abschätzung der Aussageschärfe sowie der · Deichscharts und -stöpen
zu erwartenden Unsicherheiten der Ergebnisse. · Sielen und Schöpfwerken
Beispielhaft werden die Methoden in vier Projekt- · Sperrwerke
gebieten mit 7 Lokationen angewendet. · Schleusen
Derzeit (Stand November 2011) ist die Bearbeitung · Kombinationen von Bauwerken
der Arbeitspakete AP0 und AP1 im Wesentlichen als Grundlage für ein Schadens- bzw. Risikoanalyse-
abgeschlossen. Schwerpunktmäßig laufen derzeit die Verfahren zusammengefasst. Zudem wird der
Arbeiten in den Arbeitspaketen AP2, AP3, AP4 und
AP5 sowie begleitende Untersuchungen im AP6. Der
aktuelle Stand der Arbeiten in AP2, AP3 und AP4 wird
im Folgenden zusammenfassend dargestellt.
Im Arbeitspaket 2 werden Untersuchungen zu den
Gefährdungen und Belastungen als Grundlage und
Eingangsgrößen für schadensbasierte und/oder risi-
kobasierte Ansätze und Methoden in einer Risiko-
analyse bzw. einer Schadensanalyse durchgeführt.
Wesentliche Belastungsgrößen sind:
· Wasserstände,
· Seegang,
· Strömungen,
Abbildung 1:
· Eisgang Projektgebiete im Vorhaben HoRisK
10Einfluss des menschlichen Versagens mit berücksich-
tigt. Ziel ist es dabei, die maßgebenden Versagens-
mechanismen für die verschiedenen Bauwerkstypen AufMod (03KIS082-03KIS088)
zu identifizieren, da es nur so möglich ist, ein in der
Praxis umsetzbares Verfahren der Risiko- und Das Bodenmodell zwischen Datenerhebung
Schadenanalyse zu entwickeln. und Modellierung zur Analyse der langfristigen
Nach dem derzeitigen Stand der Untersuchungen im Morphodynamik in der Deutschen Bucht
AP3 sind die maßgebenden Versagensmechanismen Dr. Manfred Zeiler
für ausgewählte Bauwerkstypen analysiert und
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie,
werden derzeit als Grundlage für die Risikoanalyse im
Hamburg
AP6 programmtechnisch aufbereitet.
Eine wesentliche Grundlage für die Schadens-
ermittlung (AP5) bildet die Beurteilung von Überflu- Ziel des FuE-Vorhabens AUFMOD (Aufbau integrierter
tungsflächen, Einstaudauern, Einstauhöhen sowie Modellsysteme zur Analyse der Morphodynamik in der
Strömungsgeschwindigkeiten und möglichen mor- Deutschen Bucht) ist die Weiterentwicklung von
phologischen Veränderungen als Folge des Versagens Datengrundlagen und Modellwerkzeugen, um
von Hochwasserschutzbauwerken. Diese Arbeiten morphologische und sedimentologische Verände-
sind im AP4 zusammengefasst. Hier werden auf der rungen in der Deutschen Bucht künftig besser
Grundlage umfangreicher Sensitivitätsunter- beurteilen und prognostizieren zu können.
suchungen die relevanten Prozesse sowie die maßge- In einem interdisziplinären Verbund aus Naturwissen-
benden Einflussfaktoren identifiziert und bewertet. schaftlern und Ingenieuren werden sowohl bathyme-
Hierzu zählen: trische als auch sedimentologische Datenbestände in
· Auswirkung von unterschiedlicher Breschen- der Fläche und als Zeitreihen zusammengetragen
entwicklung bei Deichen und Versagensformen bzw. fortgeführt. Nach einer Plausibilisierung stehen
von Bauwerken im Deich auf die Überflutung diese für die morphodynamische Modellanwendungen
· Wirkung von Küstenschutzsystemen (z.B. zur Verfügung. In einem integrierten Ansatz werden
Vorland, Sommerdeiche, 2. Deichlinie, Polder, in drei Teilprojekten verschiedene hydrodynamisch-
System HW-Schutzdüne – Deich) numerische Modelle auf ihre Anwendung in Bezug auf
· Untersuchungen zum Einfluss der Topographie die Untersuchung großräumiger und langfristiger
der geschützten Bereiche wie z. B. Gelände- morphodynamischer Prozesse in der Deutschen Bucht
höhen, linienhaften Strukturen wie Dämmen und überprüft und getestet.
Entwässerungssystemen auf die Überflutungs- Mittlerweile liegt ein umfangreicher, quasi-
ausbreitung im Versagensfall konsistenter Datenbestand zur Bathymetrie und
· Ausgewählte / typische Lokationen und syste- Sedimentologie in Form geeigneter Bodenmodelle
mische Sensitivitätsuntersuchungen zum vor. Weiterhin werden in sog. Fokusgebieten reprä-
Einfluss von Poldergrößen bzw. zur Wirkung von sentative Gebiete für den Schelf bzw. Vorstrand, die
2. Deichlinien Wattgebiete und Ästuare mit modernen Sonarver-
· Sensitivitäten der Methodik der Überflutungs- fahren einschließlich eines sog. “Ground Truthings”
modellierung (z.B. einfache Kaskaden- untersucht. Diese flächendeckenden Informationen
modellierung – 2D, unterschiedliche Modellver- über die Verteilung und Dynamik der Sedimentver-
fahren) teilung liefern damit wichtige Beobachtungsdaten
Derzeit werden Sensitivitätsanalysen für verschiede- sowohl für die Beurteilung numerischer Modeller-
ne Beispiellokationen durchgeführt und es wurde die gebnisse als auch für das vertiefte Verständnis
Auswirkung der Nutzung unterschiedlicher numeri- sediment- und morphodynamischer Prozesse.
scher Modelle für das Projektgebiet Markgrafenheide Im Hinblick auf die numerischen Modellwerkzeuge
bewertet. kommen prozessbasierte und –orientierte Verfahren
Die Arbeiten zu den übrigen Arbeitspaketen wurden zur Anwendung, die Betrachtungszeiträume von 10
erst im Laufe des Jahres 2011 begonnen, so dass bzw. 100 Jahren umfassen. Die jeweiligen “modellie-
wesentliche Zwischenergebnisse derzeit noch nicht renden” Arbeitsgruppen verwenden plausibilisierte
vorliegen. bathymetrische und sedimentologische Daten aus
11dem sog. “funktionalen Bodenmodell” auf einem zuständig sind. Insgesamt arbeiten 12 befristet
einheitlichen Modellgitter. Erste Ergebnisse aus eingestellte Kolleginnen und Kollegen an den in der
Modellläufen veranschaulichen das Potenzial der Abbildung 1 gezeigten Standorten.
jeweiligen Werkzeuge, verdeutlichen aber auch Die Zusammenführung von Informationen aus den
gleichzeitig den Bedarf an einem intensiven thematisch und sektoral ausgerichteten Aufgaben-
Austausch von Expertenwissen zwischen den Natur- bereichen des KFKI, des Meeresschutzes, des mari-
und Ingenieurwissenschaften. nen Naturschutzes, der Raumordnung sowie der
Durch die enge Verzahnung mit dem FuE-Vorhaben Küstenforschung bedarf der Vernetzung der wesentli-
“MDI-DE” wird sichergestellt, dass die plausibilisier- chen Datenquellen an der Küste. Ziel des MDI-DE
ten Daten aus den Bodenmodellen im Fach- Projektes ist es, die Entwicklungen von Informations-
informationssystem “Shelf Geo-Explorer” archiviert systemen beim BSH (GeoSeaPortal - Geodaten für
werden und über MDI-DE recherchier- und verfügbar Meer und Küste) und das gemeinsam von Bundes-
gemacht werden. und Küstendienststellen aufgebaute Nord-Ostsee-
Küsten-Informations-System (NOKIS) sowie weitere
Informationssysteme mit unmittelbarem Bezug zu
Meer und Küste in konzeptioneller, technologischer
MDI-DE (03KIS089)
und inhaltlicher Form zu einem übergreifenden,
nationalen Meeres- und Küsteninformationssystem
Zielsetzungen für den Aufbau der Marinen
zu integrieren.
Dateninfrastruktur Deutschland
Mit dem entstehenden nationalen Meeres- und
Johannes Melles Küsteninformationssystem werden die wesentlichen
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Datenquellen über Fach-, Behörden-, Instituts- und
Hamburg Verwaltungsgrenzen hinweg nutzbar. So wird es
Dr.-Ing. Rainer Lehfeldt zukünftig möglich, in einem ökonomisch vertretbaren
Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg Aufwand die umfassende Bereitstellung von
Fachdaten und Informationen aus dem Küsten- und
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung Meeresbereich für Wissenschaft, Planung, Öffentlich-
(BMBF) fördert von Juli 2010 bis Juni 2013 den Aufbau keit, Politik und Verwaltung gemäß den Anforde-
der Marinen Daten-Infrastruktur für Deutschland, rungen an eine integrierte europäische Meerespolitik
(MDI-DE). An dem Projekt sind 11 Bundes- und umzusetzen.
Landesbehörden beteiligt, die für das Küsten- Um die Anforderungen der Meeresstrategierichtlinie
ingenieurwesen, den Küstengewässerschutz, den (MSRL) und der Europäischen Geodaten-
Meeresumweltschutz und den Meeresnaturschutz Infrastruktur INSPIRE zu erfüllen, sind einheitliche,
Abbildung 1:
Das Netzwerk der Marinen Dateninfrastruktur in der deutschen Küstenzone. Antragsteller A1: BAW, A2: BSH, A3: BfN, A4: Uni Rostock.
Partner P1: LKN, P2: NLWKN, P3: NLPV, P4: WSD NW, P5: WSD N, P6: LLUR, P7: LUNG.
12grenzüberschreitende Datenmodelle erforderlich, die unter der URL www.mdi-de.org betrieben. Neben
bisher nicht verfügbare blattschnittfreie, harmoni- dem Portal “Meer und Küste” sind hier die Veröffent-
sierte Datenbestände voraussetzen. Mit Hilfe von lichungen aus dem Projekt sowie Materialien zu den
standardisierten Metadaten werden synoptische begleitenden Workshops online zugänglich. Anhand
Verzeichnisse mariner Datenbestände zur Hydro- von exemplarischen Daten aus den beteiligten
graphie, zu ökologischen Parametern sowie zu Dienststellen wird der Fortschritt bei der
Nutzungen und Belastungen angelegt, die vorhande- Zusammenführung der vorhandenen Küstendaten
ne verteilte Datenhaltungen gemeinsam zugänglich dokumentiert. Nach knapp einem Jahr Laufzeit stehen
machen. bei allen Projektpartnern erste Datensätze in der
Einheitliche Datengrundlagen für Modellierungen, angestrebten technischen Form zur Verfügung, um
Analysen und Visualisierungen beinhalten zunächst voraussichtlich ab Dezember 2011 in das neue Portal
die syntaktische Interoperabilität von Daten mit eingebunden zu werden.
kompatiblen Formaten und standardisiertem Zugang.
Für eine gemeinsame Nutzung ist darüber hinaus die
Harmonisierung der verteilten Datenbestände
zwingend notwendig.
KLIWAS
Das MDI-DE Portal “Küste und Meer” soll als gemein- Mögliche Folgen des Klimawandels für die
samer Zugang der Einstiegspunkt zu verteilten Daten Wasserstraßen - Untersuchungen zur Lage der
und Informationen aus der deutschen Küstenzone Brackwasserzone in Abhängigkeit vom
und den angrenzenden Meeresgebieten werden und Oberwasserzufluss
folgende Funktionalität bereitstellen:
Dr. Rita Seiffert
· Recherche unter Verwendung von Thesaurus und
Fred Hesser
Gazetteer,
Ingrid Holzwarth
· intersektoral gleichartige Strukturen zur inter-
Dr. Annette Schulte-Rentrop
disziplinären Sicht auf die marinen Daten,
· Web-Services und Download für den Daten- Dr. Elisabeth Rudolph
zugriff, Dr. Guntram Seiß
· Realisierung eines exemplarischen Auswer- Dr. rer. nat. Norbert Winkel
tungsdienstes. Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg
Das MDI-DE Portal greift über das im Aufbau befindli-
che Netzwerk für Meeresdaten auf die verteilten Im Forschungsprogramm KLIWAS werden die
Datenbestände an den lokalen Knoten der Auswirkungen des Klimawandels auf die deutschen
Projektteilnehmer zu. Der bereits in NOKIS eingerich- Küsten, Wasserstraßen und Häfen untersucht und
tete lokale Knoten für Schleswig-Holstein wird als Anpassungsoptionen entwickelt. KLIWAS besteht aus
Prototyp für weitere Implementierungen in den mehreren Projekten. An der Bundesanstalt für
Küstenländern entwickelt. Wasserbau in Hamburg untersuchen wir die mögli-
Web- und Download Services ermöglichen den chen Folgen des Klimawandels für die Nord- und
Datenzugriff. Die MDI-DE stellt auch Dienste von Ostsee sowie für die Ästuare Ems, Jade-Weser und
Partnern zur Verfügung, die bei wasserbaulichen, Elbe. Unser Ziel ist die Bestimmung der Betroffen-
raumplanerischen, naturschutzfachlichen, wissen- heiten für die Schifffahrt und den Küstenschutz und
schaftlichen und ökologischen Systemanalysen und darauf basierend die Entwicklung möglicher
zur Unterstützung der Schifffahrt verwendet werden. Anpassungsoptionen. Hierzu ermitteln wir die
Derzeit besteht noch ein erheblicher Forschungs- und klimabedingten Änderungen, welche die Schifffahrt
Entwicklungsbedarf, um die vorhandenen und und den Küstenschutz beeinträchtigen könnten, und
zukünftigen flächendeckenden Küstendaten in entwickeln potentielle Lösungsansätze.
vernetzte Informationssysteme einzubinden, darüber Für unsere Untersuchungen verwenden wir dreidi-
bereitzustellen und nutzbar zu machen. Dies gilt auch mensionale hydrodynamisch-numerische Modelle
für Untersuchungsszenarien mit numerischen (UnTRIM, Casulli (2000)). Diese Modelle berechnen
Modellen bei der BAW. den Wasserstand, die Strömungsgeschwindigkeiten,
Das neue MDI-DE Portal wird dauerhaft beim BSH den Salzgehalt sowie den Schwebstoffhaushalt.
13Aufgrund des Klimawandels werden sich voraussicht- Literatur
lich mehrere externe Faktoren ändern. Dazu zählen Casulli, V. and Walters, R. A. (2000): An unstructur-
der Meeresspiegel in der Nordsee, die Oberwasser- ed, three dimensional model based on the shallow
zuflüsse und die Windverhältnisse. Eine Änderung der water equations. International Journal for Numerical
Windverhältnisse spielt insbesondere während Methods in Fluids, 32, S.331 - 348.
zukünftiger Sturmfluten eine wichtige Rolle. Der
Oberwasserzufluss hat einen direkten Einfluss auf die
Verteilung des Salzgehalts und den Sediment-
Neueste Entwicklungen in der
transport in den Ästuaren. Ein Anstieg des Meeres-
Hydrodynamik und Morphologie
spiegels beeinflusst in erster Linie den Wasserstand
bei Deltares
und die Tidedynamik. Eine veränderte Tidedynamik
wirkt wiederum auf den Salz- und Sedimenttransport.
Der Meeresspiegel, die Oberwasserzuflüsse und der Dr. Herman Gerritsen
Wind fließen als externe Größen in unsere Modelle ein. Deltares
Um den möglichen Einfluss von klimabedingten
Änderungen auf die Ästuare abzuschätzen, variieren Von Delft Hydraulics zu Deltares:
wir in mehreren Sensitivitätsstudien diese externen warum und wie
Größen gezielt. Dies ist möglich, da sich die Systeme
relativ schnell auf veränderte äußere Einflüsse Wenn man die Niederlande hinsichtlich ihrer
einstellen. Geophysik betrachtet, kann man schlicht sagen, dass
In einer dieser Sensitivitätsstudien untersuchen wir das Land aus Wasser und Böden mit hohem
die Abhängigkeit der Lage der Brackwasserzonen in Wassergehalt besteht. Bis vor kurzem waren mehrere
Ems, Jade-Weser und Elbe von den Oberwasserzu- unabhängige Forschungsorganisationen und –institu-
flüssen. Die Lage der Brackwasserzone ist nicht nur te dafür verantwortlich, die gesamte Wissensbasis
für die Schifffahrt von Bedeutung, sondern auch eine und praktische Expertise zu pflegen und weiterzuent-
wichtige Information für Landwirtschaft und die wickeln, die nötig sind, damit die Niederlande ein
Grundwasserbewirtschaftung. Aufgrund des Klima- umweltverträgliches und sicheres Land bleiben. Delft
wandels könnten in Zukunft längere Trockenperioden Hydraulics (1927 gegründet) zählte mit Schwerpunkt
mit wenig Niederschlag zu lang anhaltenden niedri- auf Wasser hierzu.
gen Oberwasserzuflüssen führen. In diesem In den frühen Jahren des 21. Jahrhunderts beschloss
Zusammenhang stellt sich die Frage, wie weit die die niederländische Regierung, die institutionelle
Brackwasserzonen in den drei Ästuaren unter diesen Infrastruktur zu reorganisieren, um ein gesondertes
Bedingungen maximal stromauf wandern. Weiterhin Institut für Wasser und Bodenmechanik zu schaffen.
ist von Bedeutung wie schnell die Strömungs- Hintergrund dieser Reorganisation war die Tatsache,
verhältnisse und die Transporteigenschaften der dass die Regierung die ständig steigende Komplexität
Ästuare auf veränderte Oberwasserverhältnisse von Umweltausgaben und –herausforderungen und
reagieren. Zur Beantwortung dieser Fragen führen wir die Notwendigkeit für interdisziplinäre Ansätze
mehrere Modellläufe mit unterschiedlichen Ober- erkannte.
wasserzuflüssen durch. Ausgehend von einem Deltares wurde offiziell am 1. Januar 2008 ins Leben
quasistationären Zustand mit einem mittleren Ober- gerufen. Es vereinigt drei Forschungsinstitute, die auf
wasserzufluss werden in zwei Szenarien die den Gebieten Wasser und (schwache) Böden tätig
Oberwasserzuflüsse gesenkt und die Salzgehaltsver- sind: Delft Hydraulics (Wasser), GeoDelft (Bodenme-
teilungen untersucht. chanik), Teile von TNO (oberflächennaher Untergrund
Die Auswertung der einzelnen Szenarien gibt und Grundwasser) sowie die zwei staatlichen
Aufschluss wie der Klimawandel die Salzverteilung in Forschungsressorts für Marine- und Binnengewässer
den Ästuaren beeinflussen könnte. Insbesondere die RIKZ und RIZA. Genauso wie GeoDelft and Delft
Analyse ausgewählter Tidekenngrößen, wie des Hydraulics zuvor, ist Deltares eine unabhängige
mittleren maximalen Salzgehalt, macht mögliche Stiftung für angewandte Forschung und Experten-
Betroffenheiten sichtbar und damit die Entwicklung beratung. Obwohl es sich auch mit spezifischen
von Anpassungsoptionen möglich. “nationalen Aufgaben” beschäftigt, findet der größere
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