BMDV-Expertennetzwerk

Sturmebben in der Tideelbe im Klimawandel

Tara Mahavadi
23. Mai 2022
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Sturmebbe in der HafenCity (HafenCity Zeitung | Michael Baden)

In einer Zusammenarbeit von BAW und BSH im Rahmen des BMDV-Expertennetzwerk Themenfeld 1 wurden Ereignisse untersucht, die im Allgemeinen eher weniger Beachtung finden: „Sturmebben“. Mit diesem von uns verwendeten inoffiziellen Begriff meinen wir das Gegenteil von Sturmfluten, somit also besonders niedrige Wasserstände, welche durch starken ablandigen Wind entstehen. Während dieser Ereignisse kann es zu Einschränkungen des Schiffsverkehrs der in den Ästuaren (tidebeeinflussten Flussmündungen) verlaufenden Bundeswasserstraßen kommen. Außerdem können extrem niedrige Tideniedrigwasserstände die Standfestigkeit von Uferbauwerken gefährden, sodass das NNTnw (niedrigster bekannter Tideniedrigwasserstand) als ein zu berücksichtigender Bemessungsparameter für viele Bauwerke herangezogen wird. Das Fokusgebiet der Untersuchung ist das Elbeästuar, ein wichtiger Verkehrsweg, in dem sich mit dem Hamburger Hafen der größte deutsche Seehafen und drittgrößte Containerhafen Europas befindet.

Ziel der Untersuchung war es herauszufinden, welchen Einfluss der Klimawandel in Zukunft auf Sturmebben haben könnte. Der Klimawandel kann Sturmebben zukünftig hinsichtlich mehrerer Prozesse beeinflussen:  durch eine Veränderung der Wetterlagen- und Abflussverhältnisse sowie den globalen mittleren Meeresspiegelanstieg (SLR) (IPCC 2021). Der SLR wird die Wasserstände in der Deutschen Bucht und der Tideelbe anheben und die Tidedynamik verändern, was wiederum zu einer Veränderung der Watttopographie führen kann. Die Wattgebiete in der Deutschen Bucht haben somit das Potential, zumindest anteilig mit dem SLR mitzuwachsen. Ein mögliches verändertes Niederschlagsverhalten im Einzugsgebiet der Elbe beeinflusst den Abfluss in die Tideelbe, welcher wiederum Einfluss auf die Wasserstände hat. Einige mögliche Einflussfaktoren auf Ästuare der Deutschen Bucht im Klimawandel sind in der nachfolgenden Abbildung skizziert.

Ästuar im Klimawandel (BAW)

Welche Wetterlagen Sturmebben in der Tideelbe begünstigen, und wie sich diese Wetterlagenverhältnisse in Zukunft durch den Klimawandel verändern könnten, wurde im Rahmen des Expertennetzwerkes vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) untersucht, während an der BAW die Wirkung möglicher klimawandelbedingter Änderungen der drei Einflussfaktoren Abfluss, SLR und Wattwachstum auf extrem niedrige Tideniedrigwasserstände während Sturmebben in der Tideelbe untersucht wurde. Um die Wirkung dieser drei Einflussfaktoren zu untersuchen, wurde ein hydrodynamisch-numerisches Modell verwendet. Dieses umfasst das Gebiet der gesamten Deutschen Bucht von Terschelling in den Niederlanden bis Hvide Sande in Dänemark sowie die Ästuare von Ems, Weser und Elbe:

Deutsche Bucht Modell (BAW)

Es wurde eine Sturmebben-Kette aus dem Jahr 2018 und eine Sturmebben-Kette aus dem Jahr 1987 mit dem Modell simuliert.  Dabei wurden sowohl der Referenzzustand, als auch verschiede Abfluss-, SLR- und Topographieszenarien untersucht.

Im Fokus der Auswertungen lag hierbei der niedrigste Tideniedrigwasserstand (NTnw) am Pegel St. Pauli. Dieser Pegel ist charakteristisch für den Hamburger Hafen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der NTnw durch den SLR ansteigt, jedoch nicht in vollem Maße des eingesteuerten SLR. Bei den untersuchten Szenarien mit 10, 30, 50, 80 und 110 cm SLR ohne sowie mit vollständigem Wattwachstum steigt das NTnw 2018 bei St. Pauli um 84-94 %, bezogen auf den jeweiligen SLR. Die Rolle des Abflusses hängt von dessen Stärke ab. Je höher der Abfluss, desto größer ist der Einfluss auf die Wasserstände am Pegel St. Pauli. Bei einem Abfluss von mehr als 1000 m³/s liegt der Einfluss auf das NTnw der Sturmebbe 2018 bei etwa 2,3 cm pro 100 m³/s. Würde das meteorologische Ereignis 1987 bei heutiger Topographie, heutigem mittleren Meeresspiegel und niedrigerem Abfluss (400 m³/s) noch einmal auftreten, so könnte, auf Basis der Modellergebnisse, das bisherige NNTnw am Pegel St. Pauli um ca. 30 cm untertroffen werden.

Vorläufige Ergebnisse des BSH (Jensen et. al. In prep.) deuten darauf hin, dass Sturmebben begünstigende Wetterlagen im Klimawandel zukünftig seltener werden.  

Nach diesen Erkenntnissen wird es im Klimawandel, insbesondere durch den Meeresspiegelanstieg, langfristig zu einer geringeren Beeinträchtigung durch Sturmebben in der Tideelbe kommen. In naher Zukunft können jedoch bisherige extrem niedrige Wasserstände in der Tideelbe untertroffen werden, bevor die Wirkung des Meeresspiegelanstiegs überwiegt.

Genauere Informationen zu den verwendeten Daten, Methoden und Ergebnissen können in dem vor kurzem erschienen gemeinsamen Bericht „Sturmebben in der Tideelbe im Klimawandel“  (https://doi.org/10.18451/expn_2022_01) nachgelesen werden.

Referenzen:

IPCC (2021) Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate

Jensen et. al. (in prep.)  Negative storm surges in the Elbe estuary – Large-scale meteorological conditions and future climate change. In: atmosphere.

Verfasst von Tara Mahavadi

Anwender-Workshop im BMDV-Expertennetzwerk

Jörg Bödefeld
20. Mai 2022
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Forschende freuen sich, wenn ihre Ergebnisse Verwendung finden. Damit Forschung kein Selbstzweck bleibt, wird auch im Rahmen des BMDV-Expertennetzwerkes dem Austausch mit Anwendern ein hoher Stellenwert eingeräumt.

So hat auch die BAW am Vormittag des 16.05.2022 mit 15 Vertretern aus GDWS und BAW einen virtuellen Anwenderworkshop veranstaltet. Vorgestellt wurden Werkzeuge, die zur Priorisierung von Instandhaltungsmaßnahmen verwendet werden können. Entstanden sind sie im Rahmen des Arbeitspakets 4 des Schwerpunktthemas 302 im BMDV-Expertennetzwerk.

Ist denn eine Priorisierung von Instandhaltungsmaßnahmen wirklich erforderlich und sinnvoll? Die Überlagerung von Bauwerksalter, Bauwerkszustand und zur Verfügung stehenden Ressourcen wie Personal, Geld und Zeit lassen keinen Zweifel daran. Die Teilnehmer bestätigten dies aus Sicht der Praxis. Die aktuelle Vorgehensweise wurde als Feuerwehrstrategie bezeichnet, bei der nur die Bauwerke instandgesetzt werden, bei denen ein zeitnaher Ausfall erwartet wird. Also müssen Modelle und Kennzahlen her, die Entscheidern bei erforderlichen Entscheidungen helfen können und die WSV perspektivisch zu einer vorausschauenden Instandhaltung bringen.

Filigrane Lebenszyklusmodelle zum Infrastrukturmanagement sind sehr datenhungrig, die Datenbeschaffung stellt dann häufig ein Problem dar. In einem ersten Teil des Projektes hat die BAW daher versucht, vorhandene Daten der Bauwerksinspektion besser zu nutzen und daraus weitere Kennzahlen zu generieren. Bereits etabliert sind Zustands- und Teilnoten, die über die von Schäden betroffenen Bauteile aggregierte Kennzahlen berechnen. Mit einer Adaption der FMEA-Methodik, üblicherweise im industriellen Produktionsbereich eingesetzt, können diese Noten geschärft werden. Es entstehen modifizierte Noten, die zeigen, inwieweit die Tragfähigkeit, die Gebrauchstauglichkeit und die Dauerhaftigkeit von den entdeckten Schäden betroffen ist. Defizite im Bereich der Tragfähigkeit können weitreichende Konsequenzen bis hin zum Bauwerksversagen haben. Es macht daher Sinn, Bauwerke mit einer entsprechenden Benotung prioritär zu behandeln, mindestens im Hinblick auf weitere Untersuchungen, unter Umständen aber auch im Hinblick auf erforderliche Maßnahmen.

Modifizierte Zustandsnoten

Aber auch die modifizierten Noten führen weiterhin zu einer Gruppierung der Bauwerke, viele Bauwerke haben die gleiche modifizierte Note. Gibt es auch die Möglichkeit, weitere Kriterien bei einer Priorisierung zu berücksichtigen, um zu einer tatsächlichen Reihung zu kommen?

Mit der Anwendung von multikriteriellen Entscheidungsmethoden, kann diese Frage mit „ja“ beantwortet werden. Multikriterielle Entscheidungsmethoden ermöglichen eine Unterstützung von Entscheidungen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kriterien. Die BAW hat die TOPSIS-Methode für die beschriebene Problematik adaptiert und Ansätze der Fuzzy-Methode integriert. Für eine beispielhafte Anwendung wurden drei Kriterien und fünf Bauwerke ausgewählt. Final müssen genau diese Kriterien und ihre Gewichtung intensiv zwischen den Beteiligten diskutiert werden. Zusätzlich ist es möglich, Expertenwissen sehr strukturiert abzufragen und zu verwenden, was von den Workshopteilnehmenden begrüßt wurde. Im Ergebnis entsteht ein transparentes, nachvollziehbares und objektives Informationsmodell zur Entscheidungsunterstützung.

Die unterschiedlichen Aspekte wurden eingehend von den Teilnehmern diskutiert. Da nicht für alle Details gebührend Zeit zur Verfügung stand, soll die Diskussion in einem Folge-Workshop fortgesetzt werden. Für die Forschenden war der Workshop motivierend, denn -wie eingangs ausgeführt- die Anwendung der Forschungsergebnisse ist unser Ziel.

Verfasst von Jörg Bödefeld

Im Referat Infrastrukturmanagement treibt uns die Frage um, wie wir Entscheidungen unterstützen können, die das Wasserstraßennetz als Gesamtes im Auge haben. Dazu benötigen wir Informationen, weshalb wir parallel die Digitalisierung vorantreiben. Aus detaillierten Informationen aggregierte Kennzahlen für Entscheidungsträger zu entwickeln ist dann die spannende Herausforderung.