Computergestützte Gewässermodellierung
Analyse der hydraulischen Auswirkungen einer Deichrückverlegung
Bei Lenzen an der Elbe zeigt sich, dass numerische Modelluntersuchungen vor Baubeginn präzise die später in der Natur eintretenden Ereignisse vorhersagen können.
Seit den 1990er Jahren wurde an der Elbe bei Lenzen durch das Land Brandenburg eine Deichrückverlegung geplant und realisiert. Die Bundesanstalt für Wasserbau hat mit hydraulisch-morphologischen Modelluntersuchungen des Oberflächenabflusses die Umsetzung des Projektes unterstützt. Bei dieser Deichrückverlegung in der Lenzen-Wustrower Elbeniederung westlich von Wittenberge sollten nicht nur der Verlauf des erhöhten Hochwasserdeiches der Elbe verändert und die Flutrinnen im Vorland verkleinert, sondern auch die Lage und Struktur der Auwaldpflanzungen im Rückdeichungsgebiet modifiziert werden. Weiterhin sah die Planung vor, in den an das Deichrückverlegungsgebiet angrenzenden Lütkenwischer und Mödlicher Werder zusätzliche Vorlandanpflanzungen vorzusehen. Vor Projektbeginn wurde die BAW vom Projektträger, dem Bundesamt für Naturschutz (BfN), im November 2006 um Amtshilfe bei der Untersuchung der hydraulischen Auswirkungen dieser Maßnahme gebeten.
Die BAW-Wissenschaftler nutzten für ihre Untersuchungen das hydronumerische Verfahren UnTRIM und erstellten ein zweidimensionales Modell des Untersuchungsgebietes. Nach Fertigstellung der Deichrückverlegung Ende 2009 konnten dann die in den Modellrechnungen prognostizierten Werte für die Veränderung der Wasserspiegel und der in das Deichrückverlegungsgebiet ein- und ausströmenden Wassermengen anhand von vergleichenden Messungen - Wasserspiegelfixierungen, Durchflussmessungen - während der Elbe-Hochwässer im März 2010, Oktober 2010 und Januar 2011 validiert werden: 'Es zeigte sich, dass wir mit dem Computermodell sehr genau die tatsächlich in der Natur eintretenden hydraulischen Verhältnisse im Vorhinein beschreiben konnten', berichtet Dipl.-Ing. Matthias Alexy, Mitarbeiter in der Abteilung Wasserbau im Binnenbereich der BAW.
Das zweidimensionale tiefengemittelte hydronumerische Modell
Da in den speziell zu untersuchenden Vorland- bzw. Rückdeichungsbereichen der Lenzen-Wustrower Elbeniederung Sekundärströmungseffekte vernachlässigbar waren, entschieden sich die BAW-Ingenieure für ein 2D-tiefengemitteltes Modell auf Grundlage des hydronumerischen Verfahrens UnTRIM.
Als Datengrundlage berücksichtigt das BAW-Modell die Geometrie des untersuchten Elbeabschnitts unter anderem anhand des von der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) zur Verfügung gestellten digitalen Geländemodells vom Wasserlauf Elbe (DGM-W Elbe). Zudem wurden Geometriedaten aus Buhnenkataster, digitalen Bundeswasserstraßenkarten, georeferenzierten Luftbildern und weiteren Quellen genutzt. Um die von den bestehenden und geplanten Pflanzungen hervorgerufenen Fließwiderstände berücksichtigen zu können, war es erforderlich, deren Lage und Struktur, insbesondere der neuen Deichschutzpflanzungen und eines neuen Auwaldes, genau zu kennen. Für die hydraulische Variantenrechnung gingen Hauptwerte der Jahresreihe 1971 bis 2000 und vorläufige Hochwasser-Hauptwerte des Landes Sachsen-Anhalt für den Pegel Wittenberge/Elbe in die Modellierung ein. Für die Modellkalibrierung und -validierung zog man möglichst aktuelle Wasserspiegelfixierungen heran. Da das Modell mit stationären Abflussverhältnissen arbeitet, wurden Hochwasserfixierungen gewählt, die bei relativ geringen Abflussschwankungen aufgenommen wurden.
Der Aufbau des Rechengitters für den zu betrachtenden Elbeabschnitt (El-km 470 - 489,5) sah insgesamt zwei hoch aufgelöste Gitternetze vor. Das erste bildete den Istzustand mit dem vorgefundenen Deichlinienverlauf bei Beginn des Projekts ab. Das zweite Rechengitter stellte den Ausbauzustand mit dem rückverlegten Hochwasserdeich, den Flutrinnen im Vorlandbereich, den Durchstichen im Gandower Fährdamm sowie den öffnungen (insgesamt sechs Schlitzungen) im Altdeich dar.
'Die Abbildung der Buhnenkörper im Modell haben wir mit einer hohen Gitterauflösung im Bereich des Flussbettes erreicht', sagt Matthias Alexy, 'und zwar mit Viereckselementen von 2 m Kantenlänge, sodass die hydraulische Wirkung der Buhnen erfasst wird, ohne dass wir die Elementkanten gezielt auf die Bauwerksgeometrie hätten ausrichten müssen.' Auch im Vorland verzichteten die BAW-Ingenieure weitgehend auf die Ausrichtung der Gitterkanten auf Geländestrukturen, um zu einer effizienten Gitternetzgenerierung zu kommen. Um die hydraulische Wirkung der Flutrinnen, Durchstiche und Deichschlitze trotzdem zu erfassen, wurden auch in diesen Bereichen Viereckselemente mit einer Kantenlänge von 2 m in das Modell eingebaut.
Bild 1 zeigt das Rückdeichungsgebiet (El-km 476,7 - 483,7) als Ausschnitt aus dem Gesamtmodell. Neben den sechs im bisherigen Hochwasserdeich angeordneten Schlitzen ist der quer durch das Rückdeichungsgebiet verlaufende Gandower Fährdamm zu sehen. Insgesamt drei Durchstiche sorgen dafür, dass dieser Damm im Hochwasserfall ausreichend Wasser passieren lässt. Neben der östlichen Flutmulde, welche den Anschluss der mittleren und südlichen Fährdamm-Durchstiche gewährleistet, wurden zur Verbesserung der Abflussverhältnisse im Rückdeichungsgebiet drei weitere Flutmulden angelegt.
Die Modell-Prognose
Mit der 2009 erfolgten Schlitzung des alten Hochwasserdeiches wurde das durch einen neuen Hochwasserdeich begrenzte Vorland zwischen El-km 476,7 und 483,7 abflusswirksam. Zur Simulation des Fließwiderstandes, der durch den dort vorhandenen Bewuchs hervorgerufen wird, gingen entsprechende vegetationstypische Rauheitswerte in das Rechenmodell ein. Bild 2 zeigt die für ein 100-jährliches Hochwasser (HQ100 = 4020 m3/s) berechneten Wasserspiegellagen in der Stromachse für die Zustände ohne und mit Deichrückverlegung.
Durch die Vergrößerung der Abflussflächen infolge der Deichrückverlegung kommt es bei Hochwasserereignissen zu einer deutlichen Absenkung der Wasserspiegellagen. 'Für ein 100-jährliches Hochwasser mit einem Abfluss von 4020 m3/s beträgt der Abfall des Wasserspiegels maximal 0,35 m am ersten Einlaufschlitz bei El-km 477,3 und erreicht an der oberstromigen Modellgrenze bei El-km 470,0 immer noch einen Wert von 0,2 m', sagt Matthias Alexy und erläutert die weiteren Ergebnisse der Modellbetrachtung: Am unterstromigen Rand des Deichrückverlegungsgebietes ergibt sich gegenüber dem Zustand ohne rückverlegten Hochwasserdeich ein Wasserspiegelanstieg von maximal 0,06 m im Bereich El-km 483. Die Ursache für diese lokale Erhöhung der Hochwasserspiegellagen liegt darin begründet, dass ca. 85 % des über das Deichrückverlegungsgebiet abgeführten Abflusses von 1385 m3/s auf relativ engem Raum durch die Schlitze 5 und 6 wieder in den Hauptstrom gelangen. Im Vergleich zum Zustand ohne Rückdeichung wird aber im Flussschlauch deutlich weniger Wasser abgeführt (-1170 m3/s), sodass dort auch geringere Fließgeschwindigkeiten herrschen.
Mit dem lokal durch die Schlitze 5 und 6 aus dem Rückdeichungsgebiet zuströmenden Wasser steigt der Abfluss plötzlich wieder auf 4020 m3/s an. Die zusätzliche Wassermenge kann wegen der geringeren Fließgeschwindigkeit zunächst nur über eine Vergrößerung des Fließquerschnittes und damit die Erhöhung der Wasserspiegellagen abgeführt werden. Erst nach einer Beschleunigung der Strömung über das durch den Aufstau hervorgerufene stärkere Wasserspiegelgefälle werden die ursprünglichen Wasserstände unterhalb des Rückdeichungsgebietes schließlich wieder erreicht. Deshalb stellt sich auch im unterstromigen Bereich des Deichrückverlegungsgebietes ein zusätzlicher Aufstau ein, der dazu führt, dass der Wasserspiegel bis zu 0,08 m höher als im Hauptstrom liegt.
Neben den Berechnungen für die Bewuchssituation im Jahr 2009 wurden Prognosen für unterschiedliche Vegetationsentwicklungen erstellt. Unter der Annahme einer im Jahr 2090 voll entwickelten Vegetation kommt es bei einem 100-jährlichen Hochwasser in der Modellbetrachtung zu einer maximalen Wasserspiegelanhebung im oberstromigen Bereich des Rückdeichungsgebietes in der Größenordnung von etwa 0,12 m gegenüber dem Bewuchszustand des Jahres 2009. Damit liegt der Wasserspiegel dann jedoch immer noch ca. 0,25 m unter dem Wasserspiegel für den Zustand ohne die Rückdeichung.
Die Wasserspiegellagen des im Unterstrom gelegenen Mödlicher Werder (El-km 485 - 487) werden durch die Deichrückverlegung nicht beeinflusst. Die hier vorgesehenen Pflanzungen (Galeriewald auf der Uferrehne, verstreute Baumgruppen auf dem Vorland) weisen einen sehr geringen Fließwiderstand auf, sodass die Wasserspiegelanhebungen rechnerisch mit wenigen Millimetern an der Nachweisgrenze liegen.
Für das im Oberstrom gelegene Lütkenwischer Werder (El-km 474 - 476) ist durch die Deichrückverlegung eine deutliche Absenkung der Hochwasserspiegellagen in der Größenordnung von ca. 0,30 m bei einem Abfluss von 4020 m3/s zu erwarten, sodass die durch Anpflanzungen berechnete Anhebung der Wasserstände in der Größenordnung von 0,01 m praktisch vernachlässigt werden kann.
Hochwasser: Der Praxis-Test für das Rechenmodell
Anlässlich eines Hochwassers im März 2010 konnten die ersten Naturmessungen im neuen Ausbauzustand nach der Ende des Jahres 2009 beendeten Deichrückverlegung für eine Modellvalidierung genutzt werden. 'Bis auf wenige technisch bedingte Abweichungen am oberen Modellrand fanden wir eine sehr gute übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung', berichtet Matthias Alexy. Weitere Hochwasserereignisse im Oktober 2010 (Bild 3) und im Januar 2011 bestätigen die gute übereinstimmung zwischen den im Modell berechneten und den in der Natur beobachteten Wasserspiegellagen und Strömungsverhältnissen. Alexy: 'Unsere Erfahrungen mit dem Modell fließen nun in das KLIMZUG NORD - Verbundvorhaben ein, und werden uns helfen, hier zusammen mit unseren Forschungspartnern ein klimaangepasstes integriertes Flussauenmanagement im Biosphärenreservat Niedersächsische Elbetalaue zu entwickeln.' Unter Verwendung unterschiedlicher Szenarien zur möglichen Entwicklung des Klimas soll hier anhand des von der BAW aufgebauten numerischen Modells simuliert werden, wie sich die Wasserstände der Elbe unter veränderten Abfluss- und Vegetationsbedingungen entwickeln. 'Für künftige klimabedingte Extremhochwässer legen wir in unseren Modellbetrachtungen zurzeit Abflusswerte von bis zu 5000 m3/s' zu Grunde.'
Kontakt: wasserbau-binnen@baw.de
