Hochwasserschutz an der Unterelbe

Stand und Perspektiven

Die  Unter- und Außenelbe ist der längste tideoffene Strom Deutschlands. Sie bildet ein vielgestaltiges Fluss- und Mündungsgebiet mit reicher maritimer Tradition und hoher ökologischer Bedeutung. Zugleich ist die Elbe als Schifffahrtsstraße für die Revierfahrt zum und vom Hamburger Hafen eine Lebensader für die gesamte Metropolregion.

Topographie der Außen- und Unterelbe

Mit Blick auf die zahlreichen menschlichen Eingriffe in Flusslauf und Uferlandschaft – zur Landgewinnung, zum Schutz vor Hochwassergefahren, zur Gewährleistung schiffbarer Wassertiefen, zur Anlage von Kaimauern und Hafenbecken – ist immer wieder die Frage zu stellen, ob diese Eingriffe mit den natürlichen Vorgängen im Fließgewässer verträglich sind. Und ob sie, auch wenn dies für jede einzelne Maßnahme zu bejahen ist, in der Summe miteinander und nicht etwa gegeneinander wirken. Insbesondere das Verhältnis von strombaulicher Gestaltung und Deichsicherheit ist in den letzten Jahren vielfach und mit Engagement diskutiert worden. Für viele Menschen in den Elbmarschen bilden die großen Sturmfluten von 1962 und 1976 einen ganz persönlichen Erfahrungshintergrund.

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der  Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) und der Hamburg Port Authority (HPA) arbeiten seit Anfang der 1990er Jahre als verantwortliche Planer und Projektträger für Ausbaumaßnahmen in der Unter- und Außenelbe. Beide Institutionen waren auch Antragsteller des Planfeststellungsverfahrens für eine weitere Vertiefung der Fahrrinne.

In dieser Stellung ist das Projektbüro stets ein wichtiger Ansprechpartner für Fragen und skeptische Einwände in Sachen Deichsicherheit gewesen. Es hat in den letzten Jahren gemeinsam mit Gebietskörperschaften, Deich- und Wasserverbänden, Parteien und Vereinen zahlreiche Diskussionsrunden und Informationsveranstaltungen durchgeführt. Dabei wurden die Planungen des Projektbüros erläutert und Prognosen zum Strömungs-, Tide- und Sturmflutgeschehen vorgestellt. Es wurden aber auch Bedenken aufgenommen, zusätzliche Fragestellungen einbezogen und lokale Deichabschnitte gutachterlich untersucht.

Das Projektbüro als Planungsträger gelangte nach sorgfältiger Prüfung aller für die Deichsicherheit bedeutsamen Aspekte zu der Überzeugung, dass eine weitere Anpassung der Elbfahrrinne die gegebene Deichsicherheit an der Unter- und Außenelbe nicht beeinträchtigt. Die Fakten, auf die sich diese Überzeugung stützt, werden im Folgenden zusammenfassend und allgemeinverständlich dargestellt.

 

Diese schematische Darstellung zeigt die verschiedenen hydrologischen Einflussfaktoren, die auf einen Deich einwirken.

Grundlagen des Hochwasserschutzes an der Unterelbe

Über die Jahrzehnte ändern Sturmfluten ihr Tempo, ihre Höhe, ihr Ablaufverhalten und ihre Häufigkeit. Die Überprüfung und ggf. Anpassung der Hochwasserschutzanlagen ist daher eine ständige Aufgabe der staatlichen Daseinsvorsorge. Die drei deutschen Bundesländer an der Unterelbe, Schleswig-Holstein, die Freie und Hansestadt Hamburg und Niedersachsen, ertüchtigen ihre Deiche und sonstigen Hochwasserschutzanlagen laufend und anhand langfristig angelegter Programme. Diese Aktivitäten gründen sich seit 1988 auf gemeinsam erarbeitete Erkenntnisse und Prognosen über die gegenwärtig und auf mittlere Sicht zu erwartenden Sturmflutwasserstände an der Küste und an den Ufern der Tideelbe.

Die Kenngrößen vergangener Sturmfluten, die einschlägigen Wirkfaktoren wie Wind,  Windstau,  Fernwellen, Springtiden und Oberwasserzufluss sowie die möglichen Auswirkungen von Klimaveränderungen wurden in wissenschaftlichen Computersimulationen zusammengeführt. Ergebnis ist die sogenannte  Bemessungssturmflut, die für alle Uferbereiche die höchsten zu erwartenden Pegelstände vorgibt. Zum Beispiel ergeben sich aktuell
am Pegel Cuxhaven NHN + 6,28 m
am Pegel St. Pauli-Landungsbrücken NHN + 8,10 m.

Diese Pegelstände sowie örtliche Einflüsse wie Wellenauflauf geben die Sollhöhen für den Hochwasserschutz vor. Durch Sicherheitsüberprüfungen, durch ggf. notwendige Neubemessungen und entsprechende Baumaßnahmen wird dafür gesorgt, dass ein der Bemessungssturmflut entsprechendes Hochwasser an allen Abschnitten der Deichlinie gleich sicher abgewehrt wird. Dabei münden die errechneten Pegelstände in jeweils unterschiedliche Sollhöhen der Anlagen.
Das Motto heißt also: „Gleiche Sicherheit statt gleicher Höhe.“

Sturmflutfaktoren

1. Oberwasser (d.i. das vom Oberlauf herabfließende Wasser): Im Bereich der Tideelbe gibt es einen signifikanten Einfluss des Oberwassers nur zwischen Geesthacht und Glückstadt mit abnehmender Intensität.

2. Meeresspiegelanstig: langfristiger Wirkfaktor

3. meteorologische Einflüsse: Windstau, Fernwellen

4. astronomische Einflüsse: u. a. Springtiden

5. Mittleres Tidehochwasser (MThw)

Deichtypen entlang der Elbe

Hochwasserschutzanlagen sind ingenieurtechnische Bauwerke, in deren Planung und Bau sich Tradition, Erfahrung und wissenschaftliches Vorgehen verbinden. Die Wahl des Materials und des konstruktiven Aufbaus folgt einschlägigen Standards. Im ländlichen Raum dominiert der klassische Deich mit Sandkern und Kleiabdeckung. Sein Nachteil ist sein großer Flächenbedarf, seine Achillesferse die „Nahtstellen“ zu Bauwerken anderer Machart. An dichtbesiedelten Ufern oder flussnahen Hafen- und Industriearealen gibt es daher oft technisch aufwändigere Lösungen mit Spundwänden und beweglichen Fluttoren.

Die Gestaltung der Deichhöhe und ggf. zusätzlicher Schutzelemente bestimmt sich nach den grundlegenden Annahmen zur Höhe der erwarteten Sturmfluten sowie nach den Besonderheiten der Lage im Verhältnis zur Strömung des Gewässers und zur vorherrschenden Hauptwindrichtung. Abschnitte, die einer besonderen Belastung durch Seegang und Wellenauflauf standhalten müssen, werden in der Regel höher ausgelegt als Abschnitte entlang der Hauptwindrichtung. Uferzonen, die in der Nähe der Fahrrinne liegen und der Flut- und Ebbeströmung stärker ausgesetzt sind, erhalten Deckschichten aus Steinen zum Schutz des Deichfußes.

Deichsicherheit und Fahrrinnenanpassung

Beeinträchtigungen der Deichsicherheit können sich aus zwei Prozessen heraus ergeben: Einmal durch die Verstärkung der auf den Deich wirkenden Kräfte und in der Folge seine Überlastung. Zum anderen durch Schäden am Deichbauwerk und den hierdurch bedingten Verlust seiner Schutzfunktion. In den Diskussionen der vergangenen Jahre wurden Fahrrinnenvertiefungen mit einer drohenden Deichüberlastung durch steigende Sturmflutwasserstände in Beziehung gebracht. Eingetretene Deichschäden wurden auf eine Zunahme des Verkehrs besonders großer Schiffe zurückgeführt.

Gefährdung durch höhere Sturmfluten?

Da die Fahrrinnenvertiefungen über die Jahre zu höheren Tidehochwasserpegeln und tieferen Tideniedrigwasserpegeln geführt haben, würde – so eine verbreitete Annahme – die weitere Fahrrinnenanpassung auch einen Anstieg der Sturmflutwasserstände verursachen.

Dieser Vermutung ist zunächst entgegenzuhalten, dass sich die Wasserstandsveränderungen beim mittleren Tidehochwasser nicht einfach auf Sturmflutereignisse hochrechnen lassen. Sturmfluten füllen ein Vielfaches des Rauminhalts, den ein normales Hochwasser benötigt. Der bei Sturmfluten überströmte Geländequerschnitt von Deich zu Deich ist viel größer als der des Flussbettes bei normaler Tide. Die Auswirkung der ausbaubedingt geglätteten Fahrrinnensohle – eine schnellere Strömung und dadurch vermehrter Wassertransport – vermindert sich daher bei Sturmfluten. Je höher das Wasser steigt, desto größer der Anteil zusätzlich überströmter Flächen, d.h. desto geringer die von der Maßnahmen an der Fahrrinnensohle ausgehende Wirkung auf die Wasserstandshöhe insgesamt. Für die Erhöhungen der Sturmflutscheitel an der Unterelbe in den letzten Jahrzehnten waren ganz überwiegend Vordeichungen und Absperrungen von Nebenflüssen verantwortlich, weniger die Fahrrinnenanpassungen.

Trotzdem ist natürlich die Frage, wie genau in Art und Ausmaß sich Fahrrinnenanpassungen auf die Sturmflutwasserstände auswirken, wichtig und auch klärungsbedürftig.

Die im Elbe-Ästuar auftretenden Sturmfluten werden durch die Gezeiten, die Zugbahn des Sturmtiefs über der Nordsee und durch die Entwicklung der Windgeschwindigkeit sowie den Oberwasserzufluss aus der Mittelelbe beeinflusst. Für die Höhe und den Verlauf einer Sturmflut ist vor allem der zeitliche Zusammenhang zwischen den Gezeiten und der Windentwicklung über der Nordsee entscheidend. Um belastbare Aussagen über die Wirkung einer weiteren Fahrrinnenanpassung erhalten zu können, muss man von den hydrologischen und meteorologischen Merkmalen konkreter Sturmfluten ausgehen.

Die Bundesanstalt für Wasserbau ( BAW) wurde als unabhängige Gutachterin mit entsprechenden Untersuchungen beauftragt. Sie hat alle maßgeblichen Daten der Bemessungssturmflut sowie der historischen Sturmfluten vom 3.1.1976 und 28.1.1994 jeweils auf den heutigen Ist-Zustand der Elbe und auf den geplanten Ausbauzustand projiziert. Diese Modellrechnungen ergaben ein Spektrum verschieden ausgeprägter Sturmflutereignisse, jeweils mit und ohne Fahrrinnenanpassung. Den „schlimmsten Fall“ bildete eine Variante der Bemessungssturmflut mit einem angenommenen extremen Wasserzufluss vom Oberlauf (Oberwasserzufluss) von 4000 m³/sam Pegel Neu Darchau (der Mittelwert liegt hier bei 600–800 m³/s, der höchste jemals gemessene war 3800 m³/s am 7.4.1895). Für alle Szenarien wurden die jeweiligen Sturmflutwasserstände an den Pegelmessorten entlang der Elbe abgebildet.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch die Fahrrinnenanpassung die Sturmflutwasserstände zwar an einigen Orten erhöhen, diese Erhöhung aber im Ausmaß ausgesprochen gering ausfällt. Die BAW kommt zusammenfassend zu dem Urteil, dass sich durch die geplante Fahrrinnenanpassung

  • die Sturmflutpegel weniger als ± 2 cm verändern,
  • die Zeiträume hoher Wasserstände um weniger als ± 5 min verändern,
  • die über die Gesamtbreite des Stroms gemittelten Flut- und Ebbstromgeschwindigkeiten um weniger als ± 10 cm/s verändern.

Diese Ergebnisse führen zu der Bewertung, dass die geplante Fahrrinnenanpassung hochwasserneutral ist. Ihre möglichen sturmflutverstärkenden Effekte sind minimal und z. B. vor dem Hintergrund der viel stärkeren klimabedingten Wasserstandsveränderungen bedeutungslos. Sie werden durch die  Sicherheitsmargen der bestehenden und für die Zukunft geplanten Deichsysteme um ein Vielfaches abgedeckt.

Deich mit Vorland

Scharliegender Deich

Deich mit Spundwand

Die verschiedenen Typen von Hochwasserschutzanlagen, wie sie an der Unter- und Außenelbe vorkommen.

Schädigung bestehender Anlagen?

Einige Deichverbände führten in den letzten Jahren aufgetretene Schäden an den  Deckwerken und Deichsackungen auf veränderte Wellen- und Strömungsbedingungen zurück, als deren Ursache sie insbesondere die vorherige Fahrrinnenanpassung (1999) vermuteten. Den Wirkungszusammenhang sahen sie einerseits in der Zunahme des Verkehrs von besonders großen Schiffen mit starken Vibrations-, Sog- und Schwelleffekten, andererseits in der verstärkten Tideströmung und hierdurch verursachten  Vorstranderosionen.

Das Projektbüro Fahrrinnenanpassung ist diesen Vermutungen sorgfältig und umfassend nachgegangen. Es hat wiederum die BAW beauftragt, eine in typischer Weise geschädigte Deichstrecke exemplarisch für die gesamte Unterelbe zu untersuchen und dabei insbesondere die angenommenen Wirkungen auf den Deichkörper messtechnisch zu belegen. Die Untersuchungen fanden entlang des Altenbrucher Bogens bei Otterndorf (Landkreis Cuxhaven) statt, wo große Strömungs- und Seegangsbelastungen auf das Ufer wirken und sich die Fahrrinne in nur geringer Entfernung vom Deckwerk befindet.

Zudem traten hier in der Vergangenheit Deichsackungen und Deckwerksschäden auf.

Die Ergebnisse waren im Einzelnen:

  • Die beobachteten Deichsackungen hatten ihre Ursache in baulichen Mängeln. Schiffswellen und von Motor und Schrauben ausgehende Schwingungen haben keinerlei Einfluss auf den Deichkörper und seine Standsicherheit
  • Die beobachteten Deckwerksschäden sind überwiegend auf Windwellen zurückzuführen. Allerdings vergrößern tiefere Fahrrinnen in gewissem Umfang die Wellenhöhe. Zudem verstärken sie die Tideströmung der Elbe und ihre erosive Wirkung auf den als Wellenbrecher wirksamen Vorstrand. Im Zusammenwirken dieser beiden Effekte kann es am Deckwerk zu höheren Wellen und damit zu einer stärkeren Belastung kommen. Dies beeinflusst die Bau- und Unterhaltungskosten des Deckwerkes, hat aber keine direkten Auswirkungen auf die Deichsicherheit.

Erodierte Deckwerkssteine auf dem Vorstrand östlich Glameyer Stack (Quelle: BWA, 2004)

 

Freiliegende Schotterschicht westlich Glameyer Stack (Quelle: BAW, 2004)

Dämpfung der Tideströmung durch strombauliche Lösungen

Der sich vergrößernde Tidehub in der Elbe und die in der Folge sich verstärkenden Tideströmungen stellen ohne Zweifel Probleme dar, die gelöst werden müssen. Zu diesen Erscheinungen haben neben natürlichen Einflüssen wie dem Meeresspiegelanstieg auch menschliche Maßnahmen beigetragen, neben dem Ausbau der Fahrrinne vor allem die Vorverlegung von Deichlinien in das Fließgewässer hinein oder die Verfüllung von Hafenbecken. Hierdurch wurde dem Tidestrom Raum genommen und Tempo aufgezwungen. Ein Verzicht auf eine weitere Vertiefung würde an dieser Situation kaum etwas ändern. Gleichwohl ist eine nachhaltige Rückführung der Pegel auf frühere Maße wünschenswert, auch im Blick auf eine problemlose Entwässerung des Binnenlandes, die Zugänglichkeit der kleineren Häfen und der Begrenzung der Kosten für Unterhaltsbaggerungen.

Die geeignete Gegenstrategie besteht in umfassenden tidedämpfenden Regulierungsmaßnahmen entlang des gesamten Flusslaufs. Die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes und die HPA haben in Zusammenarbeit mit der BAW hierzu ein integriertes Gesamtkonzept erarbeitet, das bei allen Maßnahmen in und an der Elbe – auch bei der geplanten neuen Fahrrinnenanpassung – zugrunde gelegt und in Gestalt von Teilmaßnahmen umgesetzt wird.

Zu den im Zusammenhang mit der Fahrrinnenanpassung 2019 stehenden Strombauwerken gibt es hier weitere Informationen.

  Strombauwerke
auf www.kuestendaten.de