Willamowski, Björn

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Article, Published VersionWillamowski, BjörnAnwendung hydraulischer und fahrdynamischerBewertungskriterien zur Beurteilung der Befahrbarkeit vonFlüssen am Beispiel der Unteren SaaleMitteilungsblatt der Bundesanstalt für WasserbauVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102689Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Willamowski, Björn (2000): Anwendung hydraulischer und fahrdynamischerBewertungskriterien zur Beurteilung der Befahrbarkeit von Flüssen am Beispiel der UnterenSaale. In: Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau 82. Karlsruhe: Bundesanstalt fürWasserbau. S. 51-55.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. 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Sie unterliegen ständigen Veränderungen so-wohl infolge von natürlichen Prozessen als auch durchanthropogene Einflüsse.Die Konkurrenz der verschiedenen Verkehrsträger un-tereinander zwingt die Binnenschifffahrt dazu, ihre Flotteden Bedürfnissen der Kunden immer besser anzupas-sen. Die Schiffe werden moderner, größer und stärkermotorisiert. Ein erheblicher ökonomischer Faktor ist dieoptimale Auslastung der Fahrzeuge, ein Teil davon wie-derum die mögliche Abladetiefe. Es besteht ein sich ste-tig veränderndes Spannungsfeld zwischen Schiff undWasserstraße.Soll die Befahrbarkeit eines natürlichen und durchström-ten Flusses beurteilt werden, so sind viele Zusammen-hänge zu untersuchen. Eine grobe Übersicht des kom-plexen Systems ist im Bild 1 gegeben.Ändert sich eine der Randbedingungen, sind oftmalsAuswirkungen auf alle anderen Bereiche zu erwarten.Aus diesem Komplex wird hier ein Teil herausgegriffenund vorgestellt. Es handelt sich dabei um einen Aspektder Interaktion Schiff-Wasserstraße. Am Beispiel derfreifließenden Unteren Saale wird die hydraulische Be-wertung der Befahrbarkeit  eines Flusses erläutert.Als Kriterien für die Befahrbarkeit sind dabei die folgen-den Größen von Bedeutung:– Gewässerbreite– Krümmungsradien– Wassertiefe– Fließgeschwindigkeit– Abflussquerschnitt– Beschaffenheit der Sohle– Schiffstyp– Hauptabmessung der Schiffe– Antriebsleistung– Verkehrsregelung– Navigatorische ErfahrungenDiese grundlegenden Angaben zur Wasserstraße undzur Schifffahrt bestimmen die zugelassene Schiffsgröße,die Lage der Fahrrinne, die fahrbare Geschwindigkeitund die Abladetiefe. Die daraus resultierenden hydrau-lischen Belastungen definieren u.a. den Umfang derSohl- und Böschungssicherung, den Unterhaltungs-aufwand und auch die Auswirkungen auf das ökologi-sche System.Die Saalestrecke II (Untere Saale) ist der enge, kurven-reiche, frei fließende Abschnitt vor der Mündung in dieElbe (Bild 2). Sie reicht von der Schleuse Calbe (Sl-km20) bis zur Mündung (Sl-km 0). Der Streichlinienabstand(Normalbreite bei MW) wurde 1985 auf bSl = 56,5 m fest-gelegt. Der mittlere Abfluss beträgt Q = 115 m³/s. Dieengsten Krümmungsradien liegen bei R = 220...250 m.Im Bereich des Trabitzer Bogens (Sl-km 14-17) wird dieSchifffahrt durch zwei Felsenstrecken mit entsprechen-dem Steilgefälle im Wasserspiegel beeinträchtig. DieTiefe in der Fahrrinne ist extrem abflussabhängig. AufGrund der Gegebenheiten ist die Schifffahrt auf derUntere Saale nur eingeschränkt möglich. Schiffe miteiner Länge L > 67 m dürfen die Saalestrecke II ein-schiffig befahren. Motorgüterschiffe deren Hauptab-messungen (L x B) 85 x 9,50 m überschreiten undSchubverbände mit L x B > 100 x 9,50 m benötigeneine besondere Genehmigung (Sondertransporte).Die traditionell im Industriedreieck Halle-Leipzig-Bitter-feld angesiedelte Chemie- und Baustoffindustrie würdedie Wasserstraße Saale für Transporte nutzen, wenn inder Saalestrecke II eine bessere Fahrrinnentiefe vorhan-den wäre [1]. Seitens der Wasser- und Schifffahrtsver-waltung wird deshalb ein Ausbau der Unteren Saale be-absichtigt. Um der Binnenschifffahrt jedoch kurzfristiggrößere Abladetiefen anbieten zu können, wurden Zu-schusswasserabgaben über das Wehr Calbe unter-sucht. Für einen Zeitraum von 1,5 bis 2 Stunden kannmit dieser Methode die Fahrrinnentiefe in den entschei-denden Felsenstrecken um etwa 20 cm verbessert wer-den.Anwendung hydraulischer und fahrdynamischerBewertungskriterien zur Beurteilung der Befahrbarkeit von Flüssen am Beispiel der Unteren SaaleDIPL.-ING. BJÖRN WILLAMOWSKI, BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAUBild 1: Zusammenhänge bei der Befahrbarkeitsanalyse52 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000)Willamowski:  Anwendung hydraulischer und fahrdynamischer Bewertungskriterien ...Um den tatsächlichen Nutzen für die Schifffahrt aus die-ser lokalen Wasserspiegelanhebung zu ermitteln, muss-te zuerst analysiert werden, worin die eigentlichen Be-hinderungen bestehen.Die Fragen, die in diesem Zusammenhang zu beant-worten waren, lauten:– Welcher Art sind die Schwierigkeiten für die Schiff-fahrt im Flussabschnitt,– können sie durch eine Zuschusswasserabgabe ge-mindert oder beseitigt werden?Das Bild 3 zeigt die Verhältnisse in der Fahrrinne beieinem mittleren Niedrigwasserabfluss von Q = 55 m³/s.Im Wasserspiegellagenverlauf sind die Steilgefälle un-terhalb der Felsen bei Trabitz (Sl-km 15,0) und Stein-flügge (Sl-km 16,8) zu erkennen. Die mittlere Sohlen-lage in der Fahrrinne ist als gepunktete Linie dargestellt.Wichtig ist der jeweils höchste Punkt der Sohlenlage inBild 2: Übersichtsplan der Saale zwischen Calbe und der MündungBild 3: Wasserspiegel- und Sohlenlagen zwischen Calbe und MündungMitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000) 53Willamowski:  Anwendung hydraulischer und fahrdynamischer Bewertungskriterien  ...der Fahrrinne (dicke, gestrichelte Linie). Die Fehltiefensind entlang der Saalestrecke II gleichmäßig verteilt.Es handelt sich dabei überwiegend um Innenuferberei-che in Krümmungen mit entsprechenden Anlandungen.Sie stellen, wie die Schifffahrt auf Grund der diszipli-nierten Fahrweise auf der engen Saale beweist, keinebesondere Behinderung dar. Es ist zu erkennen, dassder durch die Schifffahrt eindeutig als Problemstelle be-schriebene Bereich des Trabitzer Felsens in Bezug aufdie Lage der Sohle nicht besonders auffällt. Allerdingssteht hier felsiges Material an, was die Schiffsführer zugrößerer Vorsicht zwingt. Als dünne, durchgezogeneLinie ist der Gesamttiefgang (Tiefgang in Ruhelage zu-züglich der berechneten Bugtauchung bei kritischerSchiffsgeschwindigkeit) eines mit T=1,20 m abge-ladenen Bergfahrers unter dem Wasserspiegel darge-stellt. Die Methode der Beurteilung der Befahrbarkeiteines Flusses kann am Beispiel dieses zu Berg fahren-den Schiffes gut verdeutlicht werden.Der Bergfahrer hatte eine Länge L = 67 m, eine BreiteB = 8,20 m und einen Tiefgang T = 1,20 m. Die amtlicheFahrrinnetiefe betrug h Fahrrinne = 1,27 m.Nach der Berechnung der geometrischen und hydrauli-schen Parameter des Flussabschnittes sind die fahr-dynamischen Größen im Zusammenhang mit dem berg-fahrenden Schiff ermittelt worden. Zuerst wurde diedynamische Tiefertauchung von Bug und Heck nachdem Verfahren von RÖMISCH für die kritische Schiffs-geschwindigkeit berechnet. Das völlige Binnenschiffvertrimmt buglastig.Fährt ein Schiff in einem allseitig begrenzten Fahrwas-ser, so muss das durch den eingetauchten Schiffskör-per verdrängte Wasser hinter dem Schiff wieder ersetztwerden. Zwischen Bug und Heck baut sich ein Wasser-spiegelgefälle auf, durch das eine Ausgleichsströmungentsteht (Rückstrom), die das Wasser entlang desSchiffskörpers nach hinten abführt. Die Rückstrom-geschwindigkeit ist vom verbleibenden Abflussquer-schnitt und der Schiffsgeschwindigkeit abhängig. Ge-genüber einem geschleppten Fahrzeug wird die Rück-strömung beim Binnenschiff durch die Propulsions-strömung beeinflusst. Im Falle von unterkritischerSchiffsgeschwindigkeit (hier vorausgesetzt) wird dasWasser strömend am und unter dem Schiff abfließen.Entsprechend der damit geltenden BERNOULLI- undKontinuitätsgleichung entsteht neben dem Schiff durchdie hohe Rückstromgeschwindigkeit ein Wasserspiegel-absunk (∆h). In diesem Wasserspiegelabsunk liegt einTeil der dynamischen Tiefertauchung des Schiffes be-gründet. Die Schiffsformparameter und eine strömungs-bedingte Veränderung der Druckverteilung stellen ei-nen weiteren Anteil dar [3].Es gilt für die kritische Schiffsgeschwindigkeit im Kanal-fall unter Berücksichtigung der Propulsionsströmung undbei mittiger Fahrt [2] [3] [5]:mit:Vkrp = kritische Schiffsgeschwindigkeit mit Propul-sionseinfluss bei mittiger Fahrt [m/s]cp = Propulsionsbeiwert [-]C* = Beiwert = f (n) [-]n = Querschnittsverhältnis (AM/AS) [-]AM = ungestörter Profilquerschnitt [m²]AS = eingetauchter Hauptspantquerschnitt (B x T)[m²]B = Schiffsbreite [m]T = Schiffstiefgang [m]g = Gravitationskonstante [m/s²]hm = rechnerische mittlere Wassertiefe (AM/bWS) [m]bWS = Wasserspiegelbreite [m]Für die dynamische Tauchung für Bug und Heck giltder für die Kanal- und Flachwasserfahrt anwendbareAnsatz nach RÖMISCH [2][3]:mit:∆TB,H = dynamische Tiefertauchung (Bug und Heck)[m]CF,B = Formbeiwert für Bugtauchung (CF,B=f(L/B); CB)[-]CF,H = Formbeiwert für Hecktauchung (CF,H=1) [-]CV = Geschwindigkeitsbeiwert [-]h = Wassertiefe in der Fahrrinne [m]L = Schiffslänge [m]B = Schiffsbreite [m]T = Schiffstiefgang [m]CB = Blockkoeffizient [-]Die zuvor genannten Erscheinungen treten schon beider Kanalfahrt durch stehendes Wasser auf. Bei derBergfahrt auf einem natürlichen Fluss überlagern siesich außerdem mit der Strömungsgeschwindigkeit desFlusses in der Fahrrinne.Das o.g. zu Berg fahrende Schiff hatte mit seiner äu-ßerst knapp bemessenen Tiefgangsreserve (h Fahrrinne –T = 1,27 - 1,20 = 7cm) den Flussabschnitt direkt unter-halb des Trabitzer Felsens erreicht. Dort kam es nichtmehr von der Stelle. Der Schiffsführer konnte seine vor-handene Antriebsleistung nicht voll aktivieren, weil erdurch den sofort einsetzenden dynamischen Absunk(“Ansaugeffekt”, auch verbunden mit dem Loslösen vongrößeren Steinen aus der Sohle) Schäden am Schiffs-boden und der Schraube befürchtete.Diese Situation wird im Bild 4 deutlich. In der Grafikstellt die obere, durchgezogene Kurve die wirtschaftli-che Schiffsgeschwindigkeit [km/h] dar. In der Regel wirddiese mit 90 % der kritischen Schiffsgeschwindigkeit an-(1)           [m/s]     * mpkrp hgCcV ⋅⋅⋅=(2)                 [m]       155,0),(, TThCCT VHBFHB ⋅⋅=∆54 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000)Willamowski:  Anwendung hydraulischer und fahrdynamischer Bewertungskriterien ...genommen. Die untere Kurve zeigt die Strömungsge-schwindigkeit in der Fahrrinne [km/h]. Bei der Bergfahrtwirkt sie entgegen der Fahrtrichtung. Zwischen beidenKurven lässt sich die mögliche Fahrt des Schiffes überGrund ablesen (siehe auch [4]). Es ist zu erkennen, dassdie Schiffsgeschwindigkeit nicht hoch genug ist, um dieStrömungsgeschwindigkeit im Felsenbereich zu über-winden.Im Beispielfall wurde beschlossen, über das Wehr CalbeZuschusswasser abzugeben, um dem Schiff die Weiter-fahrt zu ermöglichen. Mit einer Wehrabsenkung übereinen Zeitraum von ca. drei Stunden wurde eine Zu-schusswasserabgabe durchgeführt, die es dem Binnen-schiff ermöglichte, die Steilgefälle- und Felsenstreckemit eigener Kraft zu überwinden. Die Kurven im Bild 5entsprechen denen im Bild 4. Die Passage des Felsen-abschnittes war trotzdem nur mit extrem kleiner Ge-schwindigkeit möglich.Die Untersuchung zeigte, dass die durch die Schifffahrtimmer wieder genannte Problemstelle am Trabitzer Fel-sen auch analytisch nachzuweisen war. Die Behinde-rung für die bergfahrende Schifffahrt ergibt sich aus derKombination von:- geringer Fließfläche mit geringer fahrbarer Ge-schwindigkeit- Steilgefälle und hoher Strömungsgeschwindigkeit- einer geringen Wassertiefe und speziell an dieserStelle felsigem UntergrundEs wurde deutlich, dass eine derartige differenzierte Be-trachtung notwendig ist, um die flussbaulichen Unter-suchungen zu ergänzen. Die Wechselwirkung zwischenBinnenschiff und begrenztem Fahrwasser ist unverzicht-barer Bestandteil einer ganzheitlichen Systemanalyse.Bild 4: Situation vor der ZuschusswasserabgabeBild 5: Situation während der ZuschusswasserabgabeMitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 82 (2000) 55Willamowski:  Anwendung hydraulischer und fahrdynamischer Bewertungskriterien  ...Literatur[1] Verein zur Hebung der Saaleschifffahrt e.V.: Ver-kehrsweg für Wirtschaft und Umwelt - Vollendungdes Ausbaus – Warum? Halle (Saale), Dezember1997[2] Römisch, K.:  Der „Squat“ im begrenzten Fahrwas-ser – Betrachtungen aus hydromechanischer Sicht.Schiff & Hafen/Seewirtschaft, Heft 10/1993[3] Römisch, K.:  Erreichbare Fahrgeschwindigkeit undTauchung eines Schiffes auf flachem Wasser - einBeitrag zur optimalen Bemessung von Binnen- undSeewasserstraßen. Mitteilungen der Forschungsan-stalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau, Berlin.Schriftenreihe Wasser- und Grundbau, Heft 24, Ber-lin 1969[4] BAW:  Vorträge zum BAW-Kolloquium „Flussbauli-che Untersuchungen“ zur Stabilisierung der Ero-sionsstrecke der Elbe am 9. März 1995 in Berlin.Mitteilungsblatt der BAW Nr. 74, März 1996[5] Fuehrer, M.:  Untersuchungen zur hydraulischenBeanspruchung der Wasserstraßen durch die Schiff-fahrt. Mitteilungsblatt der BAW Nr. 77, Mai 1998

Anwendung hydraulischer und fahrdynamischer Bewertungskriterien zur Beurteilung der Befahrbarkeit von Flüssen am Beispiel der Unteren Saale

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/102689/1/willamowski.pdf

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