Wasserbau Binnen

Zurzeit ist das Ingenieurbüro Schmid zum zweiten Mal in diesem Jahr im Auftrag der BAW auf der Binnenelbe unterwegs, um Strömungsdaten zu erheben. Die erste Messkampagne fand vom 16. bis 19. April 2021 zwischen El-km 217 und 420 (Wittenberg/Lutherstadt und Havelberg), die zweite vom 25. Mai bis 2. Juni zwischen El-km 217 und 517 (Hitzacker) statt. Der Schwerpunkt dieser Messungen liegt auf dem Erfassen von Durchflüssen, die außerhalb der Streichlinie in Seitenbereichen abgeführt werden. Bei den Abflussverhältnissen beider Kampagnen (zwischen mittlerem Niedrigwasser und Mittelwasser) betrifft das hauptsächlich die Strömung hinter Parallelwerken, durch Buhnenkerben und niedrig angeschlossen Seitenarme.

Diese Strömungssituationen entstanden immer dort, wo die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) meist im Rahmen der Unterhaltung in Abstimmung mit Landesbehörden eine Strukturverbesserung erzielen wollte. Mit solchen Maßnahmen wurden bereits wertvolle Erfahrungen bei der Aufwertung der Lebensräume für Pflanzen und Tieren gewonnen, die mit Blick auf die Erweiterung des Aufgabenspektrums der WSV immer größere Bedeutung erlangen. Diese Aufgabenänderung umfasst die Verpflichtung der WSV zur wasserwirtschaftlichen Unterhaltung als Eigentümer, Initiativen im Rahmen des „Blauen Bandes Deutschland“ und – ganz aktuell – überträgt das „Gesetz über den wasserwirtschaftlichen Ausbau zur Erreichung der Bewirtschaftungsziele der Wasserrahmenrichtlinie“ der WSV Anteile des wasserwirtschaftlichen Ausbaus als hoheitliche Aufgabe. An der Elbe bietet darüber hinaus seit 2017 das „Gesamtkonzept Elbe“ einen Rahmen dafür, dass die unterschiedlichen Ansprüche an den Fluss gleichberechtigt miteinander abgewogen werden.

Um die Erfahrungen mit bisher umgesetzten Maßnahmen für das weitere Handeln nutzen zu können, sind Kontrollen erforderlich, ob und wie die Ziele der Maßnahmen erreicht wurden.  Hier interessieren die BAW die abiotischen Bedingungen wie Strömungsparameter und Veränderlichkeit der Sohlgestalt und des Feststofftransportes. Soll beispielsweise die Strömungsvielfalt vergrößert werden, ist aufzuzeigen, wie sich die Strömung nach der Maßnahme ausprägt. Dazu werden bei den Sondermessungen Fließgeschwindigkeit, Sohlgeometrie und Wasserspiegel flächenhaft gemessen. Dies geschah u. a. in einem Abschnitt bei El-km 217 (siehe Bild oben) bereits bei verschiedenen Abflüssen. Hier wurden vom Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Elbe, Haus Dresden, bei der Unterhaltung von Buhnen z. B. folgende Maßnahmen umgesetzt:

• In Kerben wurde die landseite Böschung nicht gesichert, sodass Uferabbrüche zugelassen werden.
• Eine Insel, die Tieren Schutz vor Prädatoren bietet und die Strömung lenkt für besserer Schifffahrtsbedingungen, wurde geschaffen.
• Eine Buhne wurde stromab statt stromauf ausgerichtet.

Im Bild unten sieht man die Darstellung der mittleren Fließgeschwindigkeiten aus einer flächenhaften Messung im Jahr 2017 bei leicht überströmten Buhnen. Hier sind die Strömung um die Insel und bei Buhnenkerben zu erkennen. 

Eine wichtige Angabe für die Charakterisierung der Abflusssituation ist der Durchflussanteil außerhalb der Streichlinie. Dieser kann aus flächenhaften, aber auch aus Messungen in geeigneten Profilen ermittelt werden. Bei der Messung in 2017 wurden beispielsweise bei einem Gesamtabfluss von 457 m³/s  Durchflüsse von 4 – 6 m³/s in den Kerben und hinter einer Insel gemessen. Mit den Tiefenanalysen der WSV kann parallel geprüft werden, ob die Seitendurchflüsse zu einer Verschlechterung der Schifffahrtsbedingungen führen. So erhofft man sich letztendlich Hinweise, welche Parameter (z. B. Durchflussanteil, Höhe der Sohle) für Seitendurchflüsse bei bestimmten Streckencharakteristika zugelassen werden können. Da man dazu die Wirkung über das maßgebende Abflussspektrum kennen muss, sind viele Messungen erforderlich. Bei großen Maßnahmen werden von der BAW auch Strömungsmodelle zur Prognose der Wirkungen genutzt. Für die Überprüfung der Prognosefähigkeit der Modelle sind die Ergebnisse der Naturuntersuchungen von großem Nutzen.

Eine für den September 2020 organisierte gemeinsame Tagung  der Deutschen Wasserhistorischen Gesellschaft https://www.dwhg-ev.com mit und in der Bundesanstalt für Wasserbau musste abgesagt werden.

Wissen über das Gestern für Aufgaben von heute

Da die Organisation der Tagung weit fortgeschritten war, möchte ich hier auf einige der für die Tagung geplanten Themen hinweisen, da sie so auch später nicht stattfinden wird. Vielleicht stöbern Sie dann selbst ein wenig mit Hilfe der benannten Links und werden auch neugierig auf unsere nächsten Tagungen, die sich mit Sicherheit wieder spannenden Themen widmen werden. Vorbereitet war eine Tagung über die Transformationen des Wissens am Beispiel von Infrastrukturprojekten am Rhein seit Johann Georg Tulla (1770-1828) bis zu aktuellen Planungen. Der 250. Geburtstag des badischen Ingenieurs Johann Gottfried Tulla und der sich um seine „Zähmung“ des Rheins rankende Mythos war der Anlass, auf heutige wasserbauliche Infrastrukturprojekte zu blicken. Im Folgenden möchte ich einen Blick auf einige geplante Vorträge werfen.

Im Spiegel des Wassers – Eine transnationale Umweltgeschichte des Oberrheins  (1800-2000)

Prof. Dr. Christoph Bernhardt (Leibniz-Institut für Raumbezogene Sozialforschung)

Die Gedanken von Prof. Bernhardt lassen sich in der gleichnamigen Veröffentlichung  der Umwelthistorische Forschungen, Band 5. (Köln Weimar Wien: Böhlau, 2016, 569 S.) nachvollziehen. „Das zentrale Anliegen des auf der Habilitationsschrift Bernhardts basierenden Buches ist es, Grundfragen zum Verhältnis von Umweltgeschichte und sozialer Raumentwicklung zu analysieren. Zu diesen Grundfragen zählen etwa die Entwicklung wasserbaulicher Techniken, kollektive Verhaltensmuster in den Rheindörfern, Legenden um Ingenieure, Budgetdebatten um Wasserbauvorhaben und Konflikte zwischen Städten und Regierungen. Das Buch untersucht über das in seiner Zeit gigantische Begradigungsunternehmen hinaus auch die späteren Großprojekte zum Umbau des Oberrheins, von der Regulierung des Flussbetts im frühen 20. Jahrhundert über die Wasserkraftgewinnung in den 1920er Jahren bis zur Auenrenaturierung des späten 20. Jahrhunderts. “ (https://leibniz-irs.de/aktuelles/meldungen/2016/08/im-spiegel-des-wassers-eine-transnationale-umweltgeschichte-des-oberrheins-1800-2000/)

Akkumulationsstrecke Iffezheim – Speyer

Dipl.-Ing.(FH) Peter Hörter (Fachstelle für Gewässerkunde bei der Generaldirektion  Wasserstraßen und Schifffahrt), Dr.-Ing. Andrea Wahrheit-Lensing  (BAW)

Der Streckenabschnitt des Oberrheins von Iffezheim bis Mainz ist seit dem frühen 19. Jahrhundert von Ausbaumaßnahmen betroffen. Auch wenn die Tullasche Korrektur, die Begradigung des Rheins, von 1817 bis 1876 datiert wird, sind viele weitere Maßnahmen bis in die heutige Zeit erfolgt, um zum einen den von Tulla geplanten Zustand herzustellen, zum anderen die Folgen daraus zu bewältigen. So nehmen auch der Bau und die Anpassung von Buhnen zur Niedrigwasserregelung eine große Zeitspanne ein, die von 1907 bis heute andauert. Die Überlagerung verschiedener Einflussfaktoren, wie z. B. die Entwicklung von Maßnahmenwirkungen oft über Jahrzehnte hinweg, die abflussabhängige Sohlenmorphologie, die im Laufe der Zeit veränderliche Abflussaufteilung zwischen Vorland und Hauptstrom im Fall ausufernder Abflüsse oder der sukzessiven Veränderung der Vorlandstrukturen, erschwert immer wieder die Unterhaltung in der Strecke und die Prognose der Streckenentwicklung. Nach dem Bau der Staustufen im Oberrhein wird seit 1978 eine Geschiebezugabe unterhalb von Iffezheim benötigt, um die Sohlenlage unterhalb der staugeregelten Strecke zu halten, da der natürliche Geschiebedurchtransport an dieser Stelle unterbrochen ist. Eine Übersicht über die Ausbauarbeiten kann Kompendium der Wasserstraßen- und Schifffahrtsdirektion Südwest, Mainz, 2007 mit vielen weiteren Informationen https://hdl.handle.net/20.500.11970/105062) entnommen werden.

Die nunmehr seit fast 200 Jahren andauernden flussbaulichen Maßnahmen lassen sich auch in den Veränderungen der Wasserstände am Pegel Maxau erkennen. In den ersten ca. 50 Jahren nach Beginn der Korrektionen führten diese zu Absunk, danach und bis heute zur Erhöhung der Wasserstände für Niedrig-, Mittel- und Hochwasser. Mit der Einrichtung der Projektgruppe „Regulierungsbereich Iffezheim-Mainz“ wurde seitens der WSV im Jahre 2017 ein auf längere Zeit ausgerichtetes Projekt gestartet, welches bis 2027 die erforderliche Datengrundlage für weiterführende Untersuchungen schaffen und damit die hydraulisch-morphologische Optimierung der Strecke von Iffezheim bis Mainz im Rahmen der Erfolgskontrolle Rhein ermöglichen soll. Die Vorgehensweise ist mit Blick auf zukünftige Entwicklungen ausgerichtet, Datendefizite aus der Vergangenheit lassen sich damit nicht ausräumen.

Über den Rhein vor den Toren von Karlsruhe gibt es einen nicht nur informativen sondern auch sehr ästhetischen Film https: //www.youtube.com/watch?v=UEqNfYc1EuI  Beinahe ersetzt der Film die geplante Exkursion um Karlsruhe – und die „Tomateninseln“ aus dem folgenden Beitrag sind ebenfalls zu sehen.

Neue Inseln, dynamische Ufer und durchströmte Rheinarme am Oberrhein

Dr. Jost Armbruster (Regierungspräsidium Karlsruhe)

Vor der Regulierung gab es am Rhein viele tausend Inseln, mehr oder weniger durchströmte Flussarme, Sand- und Kiesufer. Mit der Regulierung gingen diese verloren. Tier- und Pflanzenarten, die auf diese Flächen angewiesen sind, gingen im Bestand stark zurück. Wegen des Ausbaus der meisten Flüsse in Europa sind viele Arten inzwischen europaweit bedroht. Im Rahmen des Europäischen LIFE+-Projektes „Rheinauen bei Rastatt“ wurden am Oberrhein drei Inseln  neu geschaffen. Zwei Altrheinarme werden wieder stärker durchströmt und Uferstrecken aktiv der dynamischen Entwicklung überlassen. Informationen zum LIFE+ Projekt „Rheinauen bei Rastatt“ erhalten Sie unter www.rheinauen-rastatt.de

Über das Wirken Karlsruher Wasserbauers Theodor Rehbock am Rhein und seinen Nebenflüssen. Ein Überblick anhand der Überlieferung im Archiv des Karlsruher Instituts für Technologie

Dr. Klaus Nippert (Karlsruher Institut für Technologie  – KIT – Archiv)

Herr Nippert ist Leiter des KIT-Archivs,  das das Langzeitgedächtnis des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist und in dem Informationen zur Geschichte der Einrichtungen sowie zu den Personen, die hier gelehrt, geforscht oder studiert haben, aufbewahrt werden (https://www.archiv.kit.edu/index.php). In der BAW ist Theodor Rehbock (1864-1950) insbesondere als Gründer des später nach ihm benannten Flussbaulabors in der TH Karlsruhe bekannt. Der im KIT-Archiv verwahrte Fotonachlass von Theodor Rehbock zeigt aber auch Aspekte seines Wirkens in Deutsch-Südwestafrika eingeordnet in den Archivführer  Deutsche Kolonialgeschichte. Auf diesen Teil der deutschen Geschichte wird gerade aktuell ein kritischer Blick gelenkt.

Lok im Rhein – Die Lok, die aus ihrem Dornröschenschlaf erweckt wird

Prof. i. R. Dr. Bernhard Forkmann (TU Bergakademie Freiberg)

Vor über 160 Jahren versank im Rhein bei Germersheim die Dampflokomotive „Rhein“. Die Suche nach der 1852 versunkenen Keßler-Lok 205 ist unmittelbar verknüpft mit dem Wandel einer Flusslandschaft im Zuge des Jahrhundertprojekts Tullas zur Rektifizierung des Rheins. Dabei konnten und mussten sich geophysikalische Methoden bewähren. Auch Rückschläge wie der gescheiterte Bergungsversuch von 2018 ließen das Suchteam nicht aufgeben. Nach einer erfolgreichen Bergung wäre die Lok „Rhein“ immerhin die älteste erhaltene Dampflok Deutschlands. Die Lok wurde 1852 in Karlsruhe bei der „Maschinenbau-Gesellschaft Emil Keßler“ für die Düsseldorf – Elberfelder Eisenbahngesellschaft gebaut. Der für den Transport eingesetzte Segler „Stadt Coblenz“ geriet in der Nähe der Stadt Germersheim in einen schweren Sturm, die Ladung verrutschte und die Lok versank. Mehr Informationen finden Sie unter  https://www.bahnwelt.de/projekte/lok-rhein

Engpassanalyse am Jungferngrund

Dipl.-Ing. Thorsten Hüsener (BAW)

Ein Ausgangspunkt für die Organisation einer gemeinsamen Tagung von DWhG und BAW in Karlsruhe, war das Interesse an einem gerade in einer großen Wasserbauhalle betriebenen Modell des Rheins im Bereich des Jungferngrunds. Das Modell ist Teil einer Untersuchung, mit dem die BAW das Projekt „Abladeoptimierung Mittelrhein“ der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) unterstützt. Das lang anhaltende Niedrigwasser im Jahr 2018 mit der damit einhergehenden Einschränkung der Rheinschifffahrt hatte die Bedeutung einer Entschärfung der Tiefenengpässe zwischen Mainz und St. Goar verdeutlicht. Einen ausführlichen Bericht zu den verschiedenen Untersuchungen der BAW findet man unter https://izw.baw.de/publikationen/geschaeftsberichte/0/BAW_Geschaeftsbericht_2018_web.pdf

Für die hydraulisch-morphodynamischen Untersuchungen wurde ein hybrider Modellierungsansatz gewählt, bestehend aus einem dreidimensionalen numerischen Strömungsmodell und einem gegenständlichen Geschiebetransportmodell mit teilbeweglicher Sohle. Das gegenständliche Modell (Längenmaßstab 1:60, Höhenmaßstab 1:50) bildet die Strecke bei Oberwesel, Rhein-km 549,0 bis 553,4 ab und erstreckt sich im Labor über insgesamt 85 m mit allen Ein- und Auslaufbauwerken. Die stark zerklüftete Felssohle im Untersuchungsgebiet hat einen signifikanten Einfluss auf die hydraulische Rauheitswirkung und die morphologischen Prozesse. Um die hochaufgelösten Sohldaten in Felsbereichen im gegenständlichen Modell zu berücksichtigen, wurde ein neues Herstellungsverfahren unter der Verwendung von CNC-gefrästen Formbauteilen entwickelt. Die Bereiche der Sohle, die eine Auflage aus Sand und Kies aufweisen,  wurden mit verschiedenen Kunststoffgranulaten unterschiedlicher Dichte aufgebaut, um die verschiedenen Geschiebefraktionen nachzubilden.

Im Zweijahresrhythmus finden BAW/BfG-Kolloquien zur ökologischen Durchgängigkeit statt. In diesem Jahr trafen sich ca. 150 Teilnehmer aus WSV, von Landesbehörden, Ingenieurbüros, Hochschulen und Universitäten sowie aus der (Energie-)Wirtschaft in der BfG in Koblenz. Und nein: es wurde nicht über die sportlichen Fähigkeiten der Teilnehmer diskutiert! Grundthema des Kolloquiums war die Standardisierung von Fischaufstiegsanlagen, sowie Notwendigkeit, Möglichkeiten und Grenzen dieser Standardisierung.

Die Vorträge reichten von der Definition eines „Standards“ als Wort über den Weg zur Festlegung von Standards bis hin zu verschiedenen Arbeitsergebnissen im Bereich Standardisierung, sowohl als nationale oder internationale Regelwerke als auch als Planungsempfehlungen. Die Zuhörer erfuhren, dass sich Standards auf ganz verschiedene Bereiche beziehen können: Prozessstandards, Bemessungsstandards, Bauteilstandards und auch Standards für die Qualitätssicherung – entweder für einzelne Verfahren bzw. Messmethoden, Messdaten oder für die eingesetzten Messwerkzeuge. Durch neue Erkenntnisse können und müssen sich  Standards weiter entwickeln. In einem aufwändigen Prozess fließen diese ggf. in entsprechende Veröffentlichungen wie Regelwerke, Merkblätter o.ä. ein. Durch die Notwendigkeit die EU-Wasserrahmenrichtlinie zügig umzusetzen und die gleichzeitigen Wissensdefizite erfolgen Umsetzungsmaßnahmen (Bau von Fischauf- und Fischabstiegsanlagen) und entsprechende Forschung in parallelen Prozessen, die sich gegenseitig befruchten.

Der Blick über den Tellerrand hinaus wurde insbesondere durch die Vorträge internationaler Experten ermöglicht. Und da kommen dann die körperlichen Wanderfähigkeiten der Fische ins Spiel. Prof. Tony Farrell von der University of British Columbia in Kanada stellte seine Erfahrungen von den verschiedenen Sockeye-Lachs-Populationen am Fraser-River vor. Selbst innerhalb dieser Art fand er Marathonläufer und Couch-Potatoes. Nach Prof. Farrells Überzeugung haben sich durch die unterschiedlich langen Wege der Populationsgruppen zu ihren Laichgründen unterschiedliche Fähigkeiten ausgebildet, sodass ein Sockeye-Lachs, der aus einem der mündungsnäheren Laichgebiete stammt eine geringere Leistungsfähigkeit aufweist als ein Sockeye-Lachs, der mehrere hundert Kilometer weiter schwimmen muss um seine Laichgründe zu erreichen.

Vor diesem Hintergrund und der Anforderung nicht nur einer Fischart, sondern möglichst allen Arten der ursprünglichen lokalen Fischzönose Wanderungen zu ermöglichen, zeigen sich die Grenzen der Standardisierung. Umgekehrt lassen sich aber ohne Standardisierung kaum die Erwartungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie an eine schnelle Umsetzung der ökologischen Durchgängigkeit erfüllen. In diesem Spannungsfeld befinden sich Planung, Forschung und Entwicklung und letztlich auch die Qualitätssicherung im Bereich ökologische Durchgängigkeit. Damit ergibt sich auch immer wieder die Notwendigkeit verfügbare Standards am individuellen Standort zu hinterfragen. In Analogie zum Sport: Sowohl die Fische als auch Planer und Entwickler von Fischwanderanlagen brauchen Zähigkeit, Energie, Durchhaltevermögen und manchmal auch Mut, um ihr Ziel zu erreichen.