Evaluation of Changes in the Tidal Regime of the Ems-Dollard and Lower Weser Estuaries by Mathematical Modelling

摘要

In den Ästuaren von Ems-Dollart und Unterweser wurden Untersuchungen Vergleich der historischen und aktuellen Zustände des hydrodynamischen Regimes durchgeführt. Auf der Basis historischer und aktueller Topographien wurden für beide Ästuare numerische Modelle erstellt, um die räumliche und zeitliche hydrodynamische Entwicklung auszuwerten. Für das Ems-Dollart-Ästuar dient dafür als Referenzzustand das Jahr 1937, welches den Zustand vor den umfassenden anthropogenen Eingriffen wie Begradigung und Vertiefung darstellt. Den Vergleich mit dem aktuellen Zustand ermöglicht eine Modelltopographie des Jahres 2005. Der natürliche, historische Zustand der Unterweser wurde aus Topographiedaten des Jahres 1887 rekonstruiert, unmittelbar vor der Weserkorrektion nach Ludwig Franzius. Topographische Daten von 2000 repräsentieren den aktuellen Zustand. Die Modellergebnisse ermöglichen einen Vergleich hydrodynamischer Parameter und somit die Quantifizierung der Veränderungen von Wasserständen, Strömungsgeschwindigkeiten, Tidevolumen, Tidedurchfluss und Dauer der Tidephasen. An der Unterems wurden hydrodynamische Parameter als Zeitreihen an einer Position für einen Tidezyklus ausgewertet und als zeitlich gemittelte Werte längs des Fahrwassers. Tidedurchfluss, Tidevolumen und Strömungsgeschwindigkeiten sind im Zeitraum 1937 bis 2005 signifikant angestiegen, während die Dauer der Tidephasen zumindest im Abschnitt zwischen Leerort und Pogum annähernd gleich geblieben ist. In Längsrichtung betrachtet hat die Differenz zwischen mittlerem Flut- und Ebbdurchfluss seit 1937 zugenommen. Für die Außenems zeigt ein räumlicher Vergleich der Tideströmungsgeschwin-digkeiten die Unterschiede von Strömungsmuster und -intensität Die Strömungsgeschwindigkeiten haben seit 1937 leicht zugenommen bei einer Konzentration auf die vertiefte Flussmündung und die tiefen Rinnen. Die räumliche Diversität der Strömungsgeschwindigkeiten und strömungsberuhigte Flachwasserbereiche im Mündungsbereich sind seit 1937 signifikant vermindert. Für das Ems-Dollart-Ästuar und insbesondere die Unterems ist eine dramatische Veränderung des Tideregimes aufgrund anthropogener Faktoren festzustellen. Die Vertiefung und Begradigung des Ästuars stromauf des Dollarts hat langfristige morphodynamische Prozesse geschaffen, die noch immer von Bedeutung sind. Die natürlichen und anthropogenen Eingriffe der letzten Jahrhunderte im Dollart führten zu einer starken Reduzierung des Tideprismas, das für die Veränderungen des Tideregimes im äußeren Ems-Dollart-Ästuar verantwortlich ist. Für das Weserästuar verdeutlicht die Auswertung hydrodynamischer Parameter in Eängsrichtung zwischen Bremen und Bremerhaven einen signifikanten Anstieg des mittleren Tidedurchflusses und des mittleren Tidevolumens seit 1887. Aufgrund der Verlagerung der natürlichen Flutstromgrenze von Vegesack nach Bremen zeigen die Tidephasendauern in diesem Bereich heutzutage einen steilen Gradienten, was eine plötzliche Verkürzung der Ebbdauer bzw. Verlängerung der Flutdauer bedeutet. Die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen beiden Modellzuständen 1887 und 2000 zeigt die massiven Auswirkungen von Flussbegradigung und Abtrennung von Nebenarmen. Der starke anthropogene Einfluss hat Flachwasserbereiche und Rinnen mit geringer Strömung in ein begradigtes Fahrwasser mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwandelt.%Investigations for the Ems-Dollard and the Lower Weser esmaries have been done to compare the hydrodynamic regimes for historical and recent states. The research incorporates the identification of long-term spatial developments on the basis of historical and recent bathymetrical data and the application of process-based numerical modelling in order to hindcast the hydrodynamic regime. For the Ems-Dollard estuary the bathymetrical state of 1937 was reconstructed. This reference state represents the estuary prior to the main anthropogenic impacts of channel streamlining and deepening. A model bathymetry of the year 2005 was applied for comparison. For the Lower Weser estuary a historical state of 1887 was reconstructed and compared to the situation of the year 2000. Here, 1887 represents the situation prior to the "Weser correction" by Ludwig Franzius. Model results enable the comparison of hydrodynamic parameters and thus allow the quantification of changes in water levels, current velocities, tidal volumes, tidal discharges and the duration of tidal phases. In the Lower Ems, the comparison of hydrodynamic parameters is assessed in the time domain at one specific location during one tidal cycle and for time-averaged values at a longitudinal section. Tidal discharges, volumes and current velocities have significantly increased between 1937 and 2005, whereas the duration of the tidal phases has remained almost constant in time for at least the section between Leerort and Pogum. For the aforementioned longitudinal section, the difference between mean flood and mean ebb discharges has increased from 1937 until now. In the outer Ems, a spatial comparison of tidal current velocities shows the differences in flow pattern and magnitudes. Comparing the present to the historical model state, tidal current velocities have slightly increased and the current patterns are more concentrated on the deepened tidal inlet and channels. The diversification of current magnitudes on a spatial scale has been significantly reduced with respect to 1937. Shallow water areas with reduced current velocities have almost disappeared in the tidal inlet. The Ems-Dollard estuary and particularly the Lower Ems experienced a dramatic change of its tidal regime due to human interferences. The estuarine deepening and streamlining upstream of the Dollard Bay created long-term morphodynamical processes being still of importance. In the last centuries, natural and anthropogenic interferences in the Dollard Bay resulted in a strong reduction of tidal prism being responsible for changes to the tidal regime in the outer Ems-Dollard estuary. For the Lower Weser estuary, the evaluation of hydrodynamic parameters along a longitudinal section between Bremen and Bremerhaven reveals a significant increase in mean tidal discharges and mean tidal volumes since 1887. Due to the shift of the natural flood current limit from Vegesack to Bremen, the duration of tidal phases nowadays feature a steep gradient in exactly this area, which means a sudden decrease in ebb duration and thus increase in flood duration. The spatial distribution of depth-averaged current velocities for the model states of 1887 and 2000 shows the enormous effect of streamlining the waterway and cutting-off of secondary channels since 1888. The strong anthropogenic impacts changed shallow water areas and secondary channels of relatively low current conditions into one straightened waterway characterized by high current magnitudes.