Beweissicherung

Die Elbe genau im Blick

Wasserstand, Strömung, Leitfähigkeit (Salzgehalt) sowie Sauerstoffgehalt und Trübung – diese gewässerkundlichen Kenndaten werden im Rahmen der  Beweissicherung erfasst und ausgewertet, um die Auswirkungen der Fahrrinnenanpassung von Unter- und Außenelbe und die Wirksamkeit des integrierten  Strombaukonzepts zu überprüfen. Dazu finden regelmäßig Messungen in der Natur statt. Neben den in diesem Text genauer beschriebenen, im engeren Sinne „hydrologischen“ Daten werden auch gewässerökologische und topographische Zustände erhoben.

Welche gewässerkundlichen Parameter werden gemessen?

Wasserstand

Im Minutentakt wird der Wasserstand an 33 Stationen (30 Pegel und 3 Multiparameter-Messstationen) gemessen. Die ermittelten Daten werden als Echtzeit-Rohdaten auf dem Portal PegelOnline der WSV sowie im Portal Küstendaten veröffentlicht. Nach Überprüfung durch die zuständigen Abteilungen der  WSV bzw. der anderen beteiligten Institutionen stehen sie als  plausibilisierte Datenreihen zum Download bereit.

Strömung

Die Dauermessungen der Strömungsparameter (Geschwindigkeit und Richtung) finden im 5-Minuten-Takt statt. Die digitalen Werte der 10 WSV-Messstationen (D1-D4, LZ1a-LZ4c) können teilweise als Echtzeit-Rohdaten online eingesehen werden sowie komplett nach Plausibilitätsprüfung im Download.

Prinzipdarstellung eines Messpfahls (LZ-Stationen) und einer Messboje (D-Stationen)

Die D- und LZ-Messstationen unterscheiden sich technisch. Während die Messapparaturen bei den D-Stationen im inneren Ästuar mit Ankersteinen in Position gehalten werden, sind die Sensoren bei den LZ-Stationen im äußeren Ästuar an einem Messpfahl befestigt, damit sie den dort herrschenden „rauheren“ Bedingungen standhalten. LZ für Langzeitmessung und D für Dauermessung bezeichnen identische Messaufgaben, die unterschiedliche Benennung ist revierbezogen.

Ergänzend werden auf Höhe mehrerer Stationen sowie ergänzender Profile jährlich bzw. zweijährig mit  ADCP-Messungen das Strömungsprofil und der Durchfluss im gesamten Flussquerschnitt gemessen.

Jederzeit online verfügbar – die aktuelle  Pegelstände in der Tideelbe. Der Pfeil zeigt die Tendenz an und beim Klick auf den Pfeil öffnet sich ein Fenster mit den Daten der Station.

Für alle Wasserstraßen, für die die WSV zuständig ist, findet man hier online die  Pegeldaten.

 Plausibilisierte Daten zu den hydrologischen Parametern: Über die Suchmaske können Nutzer*innen Gebiete, Parameter und Zeiträume auswählen.


Historisches Gebäude mit modernem Kern: Der Pegel Glückstadt übermittelt minütlich den Pegelstand redundant an mehrere Pegeldatenzentralen.

ADCP-Messungen ergeben ein Strömungsprofil, das die verschiedenen Strömungs-Geschwindigkeiten im Flussquerschnitt zeigt – hier bei der Station D1 am 3. März 2010 zum Zeitpunkt der maximalen Ebbeströmung.

Leitfähigkeit/Salzgehalt und Wassertemperatur

Diese Parameter erfasst die WSV an den D- und LZ-Messstationen ebenfalls im 5-Minuten-Takt. Hinzu kommen 8 weitere Stationen anderer Institutionen. Die elektrische Leitfähigkeit des Wassers steigt mit zunehmender Wassertemperatur und/oder höherem Salzgehalt. So lässt sich aus den Messwerten von Leitfähigkeit und Temperatur der Salzgehalt im Wasser ablesen. Pro Tide kann so der maximale, minimale und mittlere Salzgehalt ermittelt werden.

Das seit über 20 Jahren bestehende Leitfähigkeitsmessnetz hat die WSV im Rahmen der  Schutzauflage Obstbau soweit modernisiert, dass alle  Salzgehalte im Wasser in Echtzeit online und als Download zur Verfügung stehen.

Zusätzlich erfasst die Flussgebietsgemeinschaft (FGG) Elbe ca. 6 mal im Jahr u.a. Leitfähigkeitsdaten von Nordertill (Außenelbe, westlich von Cuxhaven) bis Geesthacht. Die Daten basieren auf Wasserproben, die von einem Hubschrauber entlang des Längsprofils der Tideelbe entnommen werden.

Sauerstoffgehalt

An den weiter stromauf zwischen der Störmündung und Wedel gelegenen Stationen D1 bis D4 wird neben Strömung, Leitfähigkeit, Temperatur und Trübung auch der Parameter Sauerstoff gemessen (Messung ebenfalls im 5-Minuten-Takt). Damit werden – in Ergänzung zu Gütemessungen der Länder – Messwerte in dem Bereich der Tideelbe erfasst, in dem es während der Sommermonate zeitweise zu geringen Sauerstoffgehalten kommen kann.

Trübung

Die meisten Dauermessstationen der WSV messen auch den Parameter Trübung. Dabei wird ein optisches Messverfahren eingesetzt, in dem die Reflektion von Licht an Schwebstoffteilchen im Gewässer bestimmt wird. Daraus kann der Schwebstoffgehalt im Wasser errechnet werden. Die Gütemessstationen der Länder und Hubschrauberbefliegungen der FGG Elbe liefern weitere Daten. Gemeinsames Ziel aller Messungen sind bessere Kenntnisse über den Schwebstoff- bzw. Sedimenthaushaltes im Bereich der Tideelbe.

Neue Stationen in der inneren Deutschen Bucht

Um die Veränderungen im Bereich der Tideelbe besser bewerten zu können, hat die WSV in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) und der  Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) im zentralen Bereich der inneren Deutschen Bucht Multiparameter-Messstellen eingerichtet. Sie erfassen seit Herbst 2020 Strömung, Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt, Trübung, Seegang und Druck. Die am Meeresgrund abgesetzten Gestelle werden in regelmäßigen Abständen gehoben, um die gespeicherten Daten auszulesen. Die Messstellen liegen außerhalb des Bereichs von Unter- und Außenelbe und werden mit dazu beitragen, das BAW-Modell der Tideelbe noch präziser zu machen.

Flussgebietsgemeinschaft (FGG) Elbe: Daten und Berichte

Ungefähre Position der BSH-Messstationen in der inneren Deutschen Bucht.

Nicht alles „vom Sessel aus“

Für Interessierte ist es bequem, die Daten zur Hydrologie der Elbe im Internet einzusehen. Auch bei der Datenerfassung läuft heute vieles digital. So werden die Pegelstände automatisch per Funk an das zuständige Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt gesendet. Aber die Beschaffung mancher Daten erfordert nach wie vor auch menschlichen Einsatz. So müssen z.B. alle drei Wochen an den Messstationen D1–D4 die Daten ausgelesen werden. Dafür müssen in Fahrrinnennähe von einem geeigneten Schiff aus die Apparaturen inkl. Ankerstein vom Elbegrund gehoben werden.

Die MPM-Messstation Otterndorf und ein WSA-Mitarbeiter bei der monatlichen Pegelkontrolle.

Noch anspruchsvoller ist das Auslesen der Daten an den LZ- und MPM-Stationen im Elbe-Außenbereich. Hier sind die Geräte an Messpfählen untergebracht, die stabil genug sind, um auch Sturmfluten standzuhalten. Alle vierzehn Tage werden die Messgeräte ausgetauscht. Der häufige Wechsel ist notwendig wegen des starken Bewuchses, insbesondere mit Seepocken. Bei Anfahrt des Wartungsschiffes hebt die ferngesteuerte Winde die Messsensoren aus dem Wasser. Das Schiff fährt mit seinem Arbeitsdeck unter den Ausleger mit den Messsensoren, diese werden dann gewechselt.. Im Anschluss werden die neuen Sensoren ferngesteuert wieder abgesenkt. Reinigung, Wartung, Austausch der Batterien und Speicherkarten sowie Vorbereitung für den nächsten Einsatz werden dann in der Werkstatt des Wasserstraßen- und Schifffahrtsamtes vorgenommen.

Die Datenerfassung – egal wie viel personellen Einsatz sie erfordert – ist immer nur der erste Schritt. Es folgt die Prüfung und Aufbereitung, um aus den Daten greifbare Erkenntnisse ableiten zu können.

 

Die Messboje D1 wird gehoben, um ihre Daten auszulesen und die Apparatur zu warten.

In dem schwarzen Zylinder der D-Messbojen befinden sich die Sonden für die verschiedenen Parameter.

Was passiert mit den Daten?

Die gewässerkundlichen Messungen liefern hydrologische Kenngrößen der einzelnen Messstationen. Die gemessenen Zeitreihen lassen sich für bestimmte Zeiträume, ausgewählte Datenbereiche und Untersuchungsgebiete auswerten. So kann man z.B. die Entwicklung des Tidehochwassers, des Tideniedrigwasserts und des  Tidehubs an den  Pegeln verdeutlichen. Die Grafiken zeigen die Entwicklung seit dem Jahr 1900 in Cuxhaven, Glückstadt und Hamburg-St. Pauli.

Die Analyse der gewässerkundlichen Parameter Wasserstand, Strömung, Leitfähigkeit (Salzgehalt) sowie Sauerstoffgehalt und Trübung (Schwebstoffgehalt) erlaubt eine grundlegende Beschreibung von Entwicklungstendenzen im Bereich der Tideelbe. Hierbei werden ergänzend verfügbare Messdaten der Länder mit betrachtet. Im Rahmen der Beweissicherung für die laufende Fahrrinnenanpassung ist gleichzeitig die Frage zu beantworten, welche Veränderungen bzw. welche Anteile sich dem Fahrrinnenausbau zuordnen lassen bzw. welche anderen Faktoren wie z.B. Meeresspiegelanstieg (Klimawandel), langanhaltende Windlagen (z.B. vom Atlantik oder aus Osten) oder ein niedriger  Oberwasserzufluss wirken.

Um während sowie nach dem Ausbau aktuelle ausbaubedingte Entwicklungen und grundlegende Veränderungen voneinander trennen zu können, ist ergänzend zu den Messungen ein modellbasiertes Untersuchungskonzept notwendig. Die Grundlage des Konzeptes besteht in der Simulation der aktuellen Hydrodynamik und des aktuellen Salztransportes. Für diese modellbasierten Untersuchungen betreibt die BAW in Hamburg ein mathematisches 3D-Modell der Tideelbe. Es bezieht neben den hydrologischen Messergebnissen auch topografische Daten mit ein.

Insbesondere sollen die langfristigen Messungen und Modelluntersuchungen zeigen, ob das als integrierter Bestandteil der Fahrrinnenanpassung planfestgestellte Strombaukonzept funktioniert. Das Strombaukonzept nutzt das Baggergut aus dem Ausbau, um die  Morphologie der Elbe positiv zu verändern. So sollen z.B.  Unterwasserablagerungsflächen als Bodenschwellen wirken und Tidehubveränderungen und dem Stromauftransport von Sedimenten entgegen wirken.

April 2021

Im Zeitraffer wird die Entwicklung von Ebbe und Flut zwischen Cuxhaven und Hamburg sichtbar. Der Tidehub bezeichnet den Höhenunterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Pegelstand.

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