Zukunft Eider – hydraulisches Modell von Eider und Treene

Zukunft Eider – hydraulisches Modell von Eider und Treene

Im Rahmen des Projekts „Zukunft Eider“ arbeiten das Land Schleswig-Holstein, die zu-ständigen Wasser- und Bodenverbände sowie der Bund, vertreten durch die Wasserstraßen-und Schifffahrtsverwaltung, an einer klimagerechten Anpassung und Erweiterung der wasserwirtschaftlichen Infrastruktur im Einzugsgebiet von Eider und Treene.

Hydrotec erhielt in Kooperation mit Deltares von der Bundesanstalt für Gewässerkunde den Auftrag, ein hydraulisches Modell der Flüsse mithilfe des Softwarepakets SOBEK 3 zu entwickeln. Mit diesem Modell lassen sich Optimierungs- und Lösungsansätze sowie zukünftige Maßnahmen für das Einzugsgebiet der Eider und Treene ableiten. Des Weiteren wird es als operationelles Werkzeug in ein Vorhersagesystem für das Eidergebiet integriert. 

Weitere Informationen zum Projekt „Zukunft Eider“ finden Sie auf dem Portal Nordseeküste der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes.

Aufbau des 1D-Modells in SOBEK 3 

SOBEK ist ein modular aufgebautes Softwarepaket der Firma Deltares, das unter anderem zur Modellierung von 1D-Gerinnehydraulik verwendet wird. Das Modell erlaubt die Simulation von stationären und instationären Abflussverhältnissen und kann komplexe Bauwerkssteuerungen darstellen. 

Für das Projektgebiet wurden die im Modell verwendeten tabulierten Querprofile auf Grundlage des digitalen Geländemodells mit integriertem Wasserlauf (DGMW) abgeleitet. Für die Kalibrierung und Validierung des Modells wurden zehn historische Abflussereignisse analysiert, die ein Spektrum von Niedrig- bis Hochwasser umfassen. Die Wasserstandsverhältnisse sind maßgeblich durch die Bewirtschaftung der zahlreichen Bauwerke beeinflusst. Diese galt es im hydronumerischen Modell entsprechend abzubilden. 

Besondere Herausforderungen des Modellgebiets

Das Modellgebiet umfasst die rund 110 km lange Binnen- und Tideeider zwischen Rendsburg und dem Eider- Sperrwerk, den 50 km langen Abschnitt der Treene unterhalb von Eggebek und Bereiche der Neuen Sorge und Alten Sorge. Mehrere Besonderheiten waren beim Aufbau des Modells zu beachten: 

• die unterschiedliche hydraulische Charakteristik der Gewässe
• der direkte und indirekte Einfluss der Gezeiten der Nordsee
• Steuerungsbauwerke (Eider-Sperrwerk, Nordfeld-Siel, Eidermühle, Lexfähre), die den Abfluss und die Wasserstände beeinflussen
• Modellzuflüsse zu den größtenteils unbeobachteten Teileinzugsgebieten der Binneneider

Modellerstellung und Kalibrierung nach hydraulischer Charakteristik 

Um sicherzustellen, dass das Modell die Verhältnisse korrekt abbildet, wurde es anhand von sechs Ereignissen kalibriert, die das Spektrum von Niedrig- bis Hochwasser abdecken. 

Entsprechend ihrer unterschiedlichen hydraulischen Charakteristik erfolgte die Modellerstellung zunächst in drei Teilmodellen: Tideeider, Binneneider und Treene. Dies ermöglichte, die jeweils dominanten Komponenten detailliert zu betrachten und daraus eine geeignete Abbildung im Modell abzuleiten. 

Für die Tideeider z. B. spielen der Einfluss der Gezeiten und die Steuerung des Eider-Sperrwerks eine zentrale Rolle, während für die Binneneider die generierten Modellzuflüsse und die Steuerung von Nordfeld-Siel und Lexfähre ausschlaggebend sind. 

Die Treene ist von Friedrichstadt bis Hollingstedt rückstaubeeinflusst und befindet sich bis Treia in einem ausgebauten Zustand. Im nicht ausgebauten Abschnitt oberhalb von Treia mäandriert die Treene freifließend durch eine größtenteils durch Grünlandnutzung geprägte Talaue. 

Harmonische Analyse der Gezeiten-Ganglinien

Bei Tidebetrieb des Eider-Sperrwerks ist dieses vollständig geöffnet und lässt damit die Gezeitenströmung in den unteren Gewässerabschnitt der Eider – die Tideeider. Dort überlagert der Tidenhub der Nordsee die abflussabhängigen Wasserstandsänderungen im gesamten Gewässerabschnitt unterhalb vom Nordfeld-Siel. Für die Kalibrierung der Rauheiten in diesem Modellabschnitt wurde daher eine harmonische Analyse der Gezeitenganglinien von Messung und Modell durchgeführt, um die beiden Einflussfaktoren auf den Wasserstand getrennt voneinander auswerten zu können. 

Im Vorfeld der Kalibrierung erfolgte zudem eine Sensitivitätsanalyse für den Einfluss der Sohlgeometrie auf den im Modell gerechneten Wasserspiegel. Grundlage dafür waren Sohlvermessungen der Jahre 1996, 2005 und 2017, die von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) in Form von Digitalen Geländemodellen inklusive des aquatischen Bereiches (DGMW) zur Verfügung gestellt wurden. Die Vergleichsrechnungen haben ergeben, dass die Sohlgeometrie einen signifikanten Einfluss auf die Berechnungsergebnisse des Wasserstands hat. 

Analog zu der Kalibrierung eines 3D-Modells der BAW erfolgt die Beurteilung der Modellgüte anhand der folgenden Parameter der harmonischen Analyse:

• halbtägige Mond-Tide
• halbtägige Haupt-Sonnen-Tide
• vierteltägige Mond-Tide
• Differenzen im zeitlichen Auftreten von Tide-hochwasser und Tideniedrigwasser

Trotz der stärkeren Vereinfachungen im 1D-Modell wurden bei Kalibrierung und Validierung Modellergebnisse in vergleichbarer Modellgüte erzielt, wie die des 3D-Modells.

Integration komplexer Bauwerkssteuerungen 

Besondere Elemente des Modells sind die zahlreichen Bauwerke, die das Fließverhalten beeinflussen. Ein herausragendes Beispiel ist das Eider-Sperrwerk, das an der Mündung der Eider zur Nordsee errichtet wurde, um Schutz vor Sturmfluten zu bieten und die Schifffahrt zu sichern. Die komplexen Steuerungsregeln für Tide-, Siel-und Sperrbetrieb wurden detailliert ins Modell integriert. 

Die Steuerung des Sperrwerks hängt maßgeblich von der Differenz zwischen Binnen- und Außenwasserstand ab. Das Modell bildet diese Prozesse detailliert ab und kann so als Planungswerkzeug für zukünftige Maßnahmen dienen. 

Nächste Schritte – Szenarienanalysen 

Im nächsten Schritt des Projekts werden verschiedene Maßnahmen zur wasserwirtschaftlichen Anpassung, wie die Erhöhung von Deichen oder die Bereitstellung von Poldern, untersucht. Das SOBEK-Modell wird dabei eine zentrale Rolle spielen, indem es verschiedene Szenarien simuliert und die Auswirkungen von baulichen und betrieblichen Veränderungen aufzeigt. Es leistet damit einen wichtigen Beitrag für eine nachhaltige Wasserwirtschaft im Einzugsgebiet der Eider. 

Dr.-Ing. Ellen-Rose Trübger, Hendrik Macher, M.Sc.