SiSchöMo (MU Niedersachsen)

Veranlassung

Die Klimaeinwirkung auf die Küstenwasserwirtschaft an der niedersächsischen Nordseeküste stand im Vordergrund des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „GRoW - goCAM“. In diesem Projekt wurden wesentliche Erkenntnisse zur Salzwasserintrusion und zur Quantifizierung der Binnenent­wässerung erarbeitet. Es hat sich herausgestellt, dass verlässliche Klimaeinwirkungsszenarien eine hydrologische Instrumentierung der Siel- und Schöpfwerkbauwerke (betrieben durch die Boden- und Entwässerungsverbände, Wasserverbandstag e. V. Bremen, Niedersachsen, Sachsen-Anhalt (WVT)) dringend erforderlich machen. Abgeleitet aus diesen wissenschaftlichen Erkenntnissen wurde bereits im GRoW-go-CAM-Verbundprojekt zusammen mit dem Wasser­versorger OOWV (Brake), dem NLWKN (Aurich) und dem Wasserverbandstag e. V. (Hannover) im letzten Drittel der Projektlaufzeit ein Siel- und Schöpfwerkmonitoring am Auslassbauwerk Maadesiel (Wasser- und Bodenverbände Friesland/Wilhelmshaven, Jever) initiiert und mit Messungen von Wasserständen und Durchflüssen begonnen.

Wasser-Extremereignisse im norddeutschen Küstenraum treffen auf miteinander kommunizierende Hydrosysteme. Jedes dieser Hydrosysteme wird durch hydrodynamische und hydrologisch-hydraulische Randbedingungen wie Tidewasserstände, Grundwasserflurabstände, Zuflüsse aus Nachbareinzugsgebieten und durch ein vom Sielzug- und Schöpfwerkbetrieb gesteuertes Durchflussvolumen beeinflusst (Pump- und Sielzugmengen). Die Klimaeinwirkungsprognosen bis zum Jahr 2100 gehen von erheblichen und vielfältigen Auswirkungen auf die Küsteninfrastruktur aus. Höhere hydrodynamische Belastungen auf die Siel- und Schöpfwerke, bedrohte Küstenniederungen durch Überflutungen bei Zunahme von Intensitäten und Zunahmen der Eintrittswahrscheinlichkeiten von Extremereignissen (Starkregen mit zeitgleichen Sturmflutereignissen) sowie eine stetige Abnahme der Sielzugfenster durch stetig steigenden Meeresspiegel sind nur einige Herausforderungen der Siel- und Schöpfwerkverbände und des Küsteningenieurwesens. Die Herausforderungen der Küstenwasserwirtschaft in Niedersachsen liegen im Wesentlichen in der Entwässerung, der Grundwasserförderung zur Trinkwasserversorgung und im Hochwasserschutz. Langjährige Klimaimpaktstudien weisen den Siel- und Schöpfwerk-Volumenströmen und damit der Entwässerung (Abflussbildung mit Drainageabfluss) eine dominante Rolle als Gebietswasserhaushaltskomponente zu.

Die prognostizierte Entwicklung des Entwässerungsbedarfs im Einzugsgebiet des Dangaster Sieltiefs soll am Pegel Neuenburg (Abb. unten) einmal exemplarisch verdeutlicht werden, und zwar am mittleren Abfluss (MQ). Für das RCP 4.5-Szenario ergibt sich etwa bis zum Jahr 2050 im Median eines Ensembles von 17 RCP-basierten Klima- und Wasserhaushaltsprojektionen ein Anstieg des MQs um ca. 10 % gegenüber dem Referenzperiodenmittel von 0,25 m³/s. Diese Entwicklung des MQs ist vergleichbar mit der des RCP 8.5-Ensembles. Im Bereich der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts findet mit dem RCP 4.5-Ensemble keine weitere Zunahme statt. Für das RCP 8.5-Ensemble wird ein weiter Anstieg des MQs um etwa 20 % gegenüber dem Referenzperiodenmittel projiziert. Die Bandbreite der Änderungssignale nimmt hierbei zu, je weiter die Projektion in die Zukunft reicht, und umspannt ab dem Jahr 2025 den Bereich von –10 bis +140 %. Entsprechend sind die Aussagen zu den künftigen Abflussverhältnissen – insbesondere der fernen Zukunft – mit einer erhöhten Unsicherheit behaftet. Die klare Orientierung der Mehrzahl der Ensemble-Member der beiden RCP-Szenarien deutet aber stark darauf hin, dass künftig mit einer Zunahme des MQs am Pegel Neuenburg zu rechnen ist.

Anfang November 2021 wurde als wertvolle Fortführung des Monitorings im go-CAM-Projekt eine Vereinbarung für ein Küstenprojekt zwischen dem Niedersächsischen Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz - vertreten durch Minister O. Lies und der Technischen Universität Braunschweig vertreten durch die Präsidentin Frau Prof. Dr. A. Ittel und dem Vizepräsidenten Herrn D. Smyrek - auf den Weg gebracht. Das Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie und Flussgebietsmanagement, vertreten durch Herrn Prof. Dr. H.M. Schöniger wurden beauftragt, das „Siel- und Schöpfwerkmonitoring Niedersächsische Küste bis Oktober 2023 durchzuführen.

Im Zentrum des Pilotprojekts – einem Folgevorhaben des BMBF-GRoW-go-CAM-Verbundprojekts - steht eine Potentialdiagnose zur Umsetzung von konzeptionell-planerischen Maßnahmenoptionen in eingedeichten Küstenniederungsgebieten mit einem steigenden Entwässerungsbedarf auf der einen Seite und einer Hochwasserbewirtschaftung auf der einen Seite. Die aktuellen Siel- und Schöpfwerkvolumen sind von beträchtlicher Höhe, und werden durch Klimafolgen weiterhin steigen (Schöniger & Langmann 2022, Schöniger 2021). Ein weiterer Aspekt beim Betrieb der Entwässerung sind die steigenden Energiekosten für den Pumpenbetrieb.

Nach der „Altonarer Erklärung“ (Konsortium Deutsche Meeresforschung (KDM) mit der Strategiegruppe Küste 2015) und dem BMBF-Rahmenprogramm MARE:N kann das SiSchöMo-Pilotprojekt entsprechend der Forschungsbedarfe gegliedert nach Forschungsfeldern und Querschnittsthemen dem Bereich „Vom Einzugsgebiet zur Küste“ zugeordnet werden (KDM 2018).

Methoden

Im Rahmen des Pilotprojekts „Siel- und Schöpfwerkmonitoring Niedersächsische Küste“ (SiSchöMo) sollen die Messdatengrundlagen geschaffen werden, um die Auswirkungen der Klimaeinwirkungen auf den Gebietswasserumsatz, insbesondere auf das künftige Entwässerungsvolumen, zu quantifizieren und Anpassungsmaßnahmen zu entwickeln. Neben den Seedeichen spielen die Siel- und Schöpfwerke als Regelbauwerke eine entscheidende Rolle für den Küstenschutz und die Entwässerung des Binnenlandes. Eine nachhaltige und sichere Gestaltung dieser Küsteninfrastrukturen gründet auf jahrzehntelangen Systemerkenntnissen der Deich- und Entwässerungsverbände der Küstenbinnenräume sowie deren nachhaltiger Nutzung und Entwicklung.

Drei Hauptarbeitspakete stehen im SiSchöMo-Pilotprojekt im Vordergrund:

• Planung, Beschaffung und Inbetriebnahme von hydrologischen Messeinrichtungen zur kontinuierlichen Erfassung von Wasserständen, Fließgeschwindigkeiten und Schöpfmengen an vier Auslassbauwerken (s. Tabelle unten). Datenübertragung und Datenspeicherung der digitalen Messdaten.
• Wissenschaftliche Datenaufbereitung: Ausgabe von Gesamtdurchflussmengen sowie Differenzierung nach Sielzugmengen und Pumpraten, jährliche/halbjährliche Siel- und Schöpfmengen, Ganglinien und Summenkurven, See- und Binnenwasserstandsganglinien, z.T. auch elektrische Leitfähigkeiten
• Weitergehende Studien zu Gebietswasserhaushalt und möglichen Anpassungsmaßnahmen (Entwässerung, Eindeichung, Polderung) auch auf der Erkenntnisgrundlage der klimaszenarienbasierten Gebietswasserhaushaltsberechnungen (Schöniger & Langmann 2021), vgl. z.B. Pegel Neuenburg (Zeteler Tief, Friesische Geest, 28,6 km²)

Zur Ermittlung von Durchflüssen an Stichtagen, welche zur Kontrolle der kontinuierlichen Radarmessung dienen, wurde Anfang 2023 ein mobiles ADCP angeschafft (RiverPro ADCP mit Trimaran). Somit können gezielt Sielzugmessungen für bestimmte Zeitabschnitte erhoben werden. Dieses Großgerät zur Fließgeschwindigkeitsmessung ist aufgrund seiner Dimensionen und Messtechnik geeignet, in den großen Sielläufen mit z.T. hohen Fließgeschwindigkeiten verlässliche Messdaten zu generieren. In die Berechnung des Gesamtdurchflusses an den komplexen Auslassbauwerken mit Siel- und Schleusenlauf sowie mehrerer Großpumpen müssen die Schöpfmengen eingehen. Diese werden im Falle des Maadesiels aus detaillierten Aufzeichnungen der Pumpenbetriebszeiten, des Anstellwinkels der Pumpenschaufeln, der Hubhöhe und der Pumpenkennlinie programmiersprachenbasiert berechnet.

In Ergänzung zu den bestehenden Erkenntnissen der Klimaeinwirkungen auf das Küstenbinnenland wird mit dem Siel- und Schöpfwerkmonitoring ein wesentlicher Beitrag geleistet, die Messdatengrundlagen am und im unmittelbaren Umfeld dieser Küstenregelbauwerke für die Entwässerung des Küstenbinnenraumes zu erheben. Die digitale kontinuierliche Erfassung der Siel- und Schöpfwerkvolumen an ausgewählten Bauwerken wird derzeit auch durch Binnen- und Seewasserstandsmessungen ergänzt. In einem weiteren Schritt sind auch digitale Datenerfassungssysteme im Entwässerungsraum an Tiefs und ausgewählten Gräben vorgesehen. Sielformeln, wie sie vielerorts angewendet werden, können in ihrer derzeitigen Form nur bedingt in die vorhandenen Küstenhydrosystemmodelle einfließen und sind für eine digitale, vernetzte, ereignisbezogene Verwendung nur sehr bedingt geeignet. Die Ganglinien der einzelnen hydrologischen Messgrößen sind in der untenstehenden Abbildung exemplarisch für das Siel- und Schöpfwerk Maadessiel dargestellt.

Das Pilotprojekt "SiSchöMo" wird in fachlicher Kooperation mit der Fa. W.A.S. Systemtechnik GmbH, Braunschweig, durchgeführt.

Projektlaufzeit und Förderung

• Projektlaufzeit: 
  • Phase 1: November 2021 - Oktober 2023
  • Phase 2: November 2023 - Mai 2025
• Förderung durch das Niedersächsische Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz
• Vorprojekt "go-CAM" (Implementierung strategischer Entwicklungsziele im Küstenzonenmanangent, Förderung durch BMBF, 06-2017 bis 06-2021)
• Ab April 2023 enge fachliche Kooperation mit dem Teilprojekt InWas des vom MWK geförderten Zukunftslabor Wasser (ZLW)