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Küstenhydrologie

Ansprechpartner: Dr. habil. Ulrich Barjenbruch, Dr. Hartmut Hein

Das Aufgabengebiet der Küstenhydrologie umfasst sämtliche hydrologischen Fragestellungen an der Küste. Im Zusammenhang mit den Aufgaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung sind folgende Fragen von besonderem Interesse:

  • Beschreibung der Tidewasserstände und -strömungen
    Pegeldaten von ca. 150 Messstellen bilden die Grundlage der Analyse der Tidewasserstände an den deutschen Küsten und Ästuaren. Aus diesen Daten werden unter anderem die Hauptwerte wie Tidehoch- und -niedrigwasser abgeleitet. Für die Beurteilung der Tideströmungen stehen eine Vielzahl von Dauermessungen an ausgewählten Standorten zur Verfügung. Zudem verwenden wir linien-/flächenhafte Daten, die während einzelner Kampagnen per ADCP-Messung erhoben wurden. Hieraus ergibt sich u.a. der Reststrom, d.h. die verbleibende Strömung an einem Punkt nach Abzug der Gezeitenbewegung.
  • Beschreibung der Seegangsverhältnisse
    Bojen, Drucksensoren und Radarsensoren liefern die Daten für die Analyse der Seegangsverhältnisse an den Bundeswasserstraßen. Im Vergleich zu den Wasserstandsmessungen, welche über viele Jahrzehnte vorliegen, sind Langzeit-Seegangsmessungen nur an sehr wenigen Stationen verfügbar. Der Einsatz von Radarsensoren an vorhandenen Pegelstandorten bietet für die Zukunft eine deutlich verbesserte Datenlage. Um auch Aussagen über das Seegangsklima der Vergangenheit treffen zu können, werden numerische Seegangsmodelle eingesetzt.

In aktuelle Forschungsarbeiten zur Küstenhydrologie ist das Referat M1 über das Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI) eingebunden.

Seegang am Pegel Borkum-Südstrand während der Sturmflut am 01.11.2006

Radarsensoren am Pegel Borkum-Südstrand liefern hochauflösende Messungen der Wasserspiegelauslenkungen, die anschließend mit Hilfe des Zero-Downcrossing-Verfahrens in Einzelwellen zerlegt werden. Dies ermöglicht es, den Seegang zu erfassen: aus der Verteilung der Wellenhöhen und -perioden der Einzelwellen werden charakteristische Seegangsparameter abgeleitet, wie z.B. die maximale, signifikante oder mittlere Wellenhöhe bzw. die mittlere Wellenperiode.

Während der sehr schweren Sturmflut am 01.11.2006 mit Wasserständen von etwa NN + 3,8 m und Windgeschwindigkeiten von ca. 22 m/s sind am Pegel Borkum-Südstrand Wellenhöhen von bis zu 3,80 m bei mittleren Wellenperioden von 6 s aufgetreten.

Bild des Pegels mit Ganglinien des Wasserstands etc.Radarsensoren am Pegel Borkum-Südstrand (li.), Autzeichnung des Seegangs, Sturmflut am 01.11.2006 (re.)

Seegangsausbreitung in der Außenems

Die Seegangsverhältnisse können nicht nur auf der Grundlage von Seegangs-Messungen beschrieben werden. Eine Alternative ist die Ableitung der Seegangsparameter aus den Windverhältnissen mit Hilfe numerischer Seegangsmodelle. An der Bundesanstalt für Gewässerkunde wird dazu das an der TU Delft entwickelte Programm SWAN (Simulating Waves Nearshore) eingesetzt. Die Berechnung der Seegangsausbreitung erfolgt unter Vorgabe des meteorologischen Antriebs, d.h. des Windfeldes, sowie der Tidewasserstände und -strömungen unter unter Berücksichtigung der seegangsbeeinflussenden Prozesse, wie Shoaling, Refraktion, Wellenbrechen, Bodenreibung und Diffraktion.

Die Abbildung stellt die Seegangsverhältnisse in der Außenems für eine Bemessungssturmflut da. Die signifikante Wellenhöhe nimmt von See von über 8 m auf etwa 3,5 m bei Borkum bzw. auf etwa 2 m bei Knock ab.

Mit SWAN ist es unter anderem möglich, den Einfluss von Baumaßnahmen auf die Seegangsausbreitung im Küstenvorfeld zu untersuchen oder den Seegang für selten auftretende, extreme Sturmfluten abzuschätzen. Simulationen sind damit auch ein wesentliches Hilfsmittel für die Bemessung von Wasserbauwerken, wie Leitwände oder Deckwerke.

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