BÜRGERSCHAFT DER FREIEN UND HANSESTADT HAMBURG Drucksache 21/4602 21. Wahlperiode 03.06.16 Schriftliche Kleine Anfrage des Abgeordneten Ralf Niedmers (CDU) vom 26.05.16 und Antwort des Senats Betr.: Wassertiefenmessung im Hamburger Hafen durch die HPA Durch die von der Hamburg Port Authority (HPA) vorgenommenen Peilungen des gesamten Hafengebiets soll der Ist-Zustand der Wassertiefen regelmäßig erfasst werden. Die Ermittlung der zu baggernden Massen erfolgt grundsätzlich auf Basis der Auswertung dieser regelmäßigen Peilungen. Auf Grundlage dessen werden die zu erbringenden Leistungen von Baggerarbeiten ausgeschrieben und vergeben. Zur Erfolgskontrolle wird seitens der HPA erneut gepeilt und die Wassertiefen für die Schifffahrt freigegeben. Die Abrechnung der Baggerleistung erfolgt laut einer Protokollerklärung vom 30.10.2012 (Drs. 20/6000) „je nach eingesetztem Gerät und vorgefundenem Boden zusätzlich auf der Grundlage genormter Parameter.“ In selbiger Drucksache heißt es vonseiten der HPA: „(…), es gebe ein ausgefeiltes Peilsystem im Hamburger Hafen, das die Wassertiefen regelmäßig feststelle. Es werde vor und nach der Baggerung gemessen, wobei aufgrund gewisser Erfahrungen diese Massen zuverlässig bestimmt werden könnten.“ Weiter führten die Vertreter der HPA in Bezug auf die Messmethoden aus, dass diese zumindest in den letzten 17, 18 Jahren nicht umgestellt worden sei und man nach wie vor in derselben Form messen würde. Vor diesem Hintergrund frage ich den Senat: Der Senat beantwortet die Fragen auf der Grundlage von Auskünften der Hamburg Port Authority (HPA) wie folgt: 1. Mit welcher Messmethode nimmt die HPA die Peilungen/Messungen der Wassertiefen im gesamten Hamburger Hafengebiet vor und wie sieht diese Messmethode im Einzelnen aus? Bitte um ausführliche Darstellung . Der Peildienst der HPA führt im Rahmen der Verkehrssicherungspeilungen, die für die Festlegung der Durchfahrtstiefen der Hafengewässer verwendet werden, flächenhafte Fächerecholotpeilungen im gesamten Hafengebiet durch. Fächerecholote sind eine Erweiterung der Einstrahlecholote. Ein Fächerecholot besteht grundsätzlich aus einer Lotprozessoreinheit, welche die Aussendung der Lotstrahlen (Schallwellen) steuert und die Signalauswertung der empfangenen Lotsignale durchführt, einer Schallwellensende- und -empfangseinheit (Echolotschwinger), die sich bei der Messung ständig im Wasser befinden muss und die Schallwellen aussendet und nach Reflektion am Gewässergrund wieder empfängt. Ein Fächerecholot sendet einen breit gefächerten Schallimpuls (Swath beziehungsweise Fan) und empfängt nach der Reflektion am Gewässerboden eine große Anzahl von Beams mit jeweils einem sehr kleinen Abstrahlwinkel quer zur Schiffsachse. Jedes am Fächerecholot empfangene Schallsignal wird im Rahmen der Signalauswer- Drucksache 21/4602 Bürgerschaft der Freien und Hansestadt Hamburg – 21. Wahlperiode 2 tung prozessiert, sodass für jeden Beam ein Messpunkt digitalisiert wird. Somit werden mit jedem Schallimpuls mit den bei der HPA eingesetzten Echoloten bis zu circa 500 Messpunkte als Profil auf dem Gewässerboden erfasst. Die aktuell eingesetzten Flachwasserfächerecholote können in Anhängigkeit von der Wassertiefe bis zu 50 Schallimpulse je Sekunde aussenden. Durch die Vorwärtsbewegung des Messschiffes wird der Gewässerboden somit kontinuierlich, flächenhaft und berührungslos abgetastet . Die Fächerecholottechnik, die in den 1980er Jahren auf den Markt kam, wurde in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt, sodass mit aktuellen, geometrisch hochauflösenden Systemen nicht nur flächenhaft der Gewässerboden vermessen werden kann, sondern auch Objekte mit sehr geringen Abmessungen detektiert werden können. 2. Mit wie vielen speziellen Peilschiffen sind die Messingenieure auf dem Wasser unterwegs, um Untiefen oder Sedimentablagerungen auszumachen ? Die HPA setzt derzeit ganzjährig vier Peilschiffe (Deepenschriewer I-IV) im Hamburger Hafengebiet ein. Zusätzlich wird bei Bedarf ein fünftes Multifunktionsschiff (Reinhard Woltman) eingesetzt. 3. Warum beziehungsweise auf Basis welcher wissenschaftlichen Erkenntnisse verwendet die HPA zur Peilung/Messung der Wassertiefen ausgerechnet diese Methode? Die Messungen des Peildienstes der HPA orientieren sich im Hinblick auf die Messgenauigkeiten an den „IHO Standards for Hydrographic Surveys“, die von der Internationalen Hydrographischen Organisation veröffentlicht werden. Diese Standards werden von den internationalen Mitgliedsstaaten in gewissen Intervallen an den jeweiligen Stand der hydrographischen Messtechnik angepasst. Ziel der Einhaltung dieses Standards ist die Verbesserung der Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs in internationalen Gewässern. Die erste Edition dieses Standards wurde im Jahr 1968 veröffentlicht, ihr folgten weitere vier Editionen, wobei die aktuellste Version aus dem Jahr 2008 stammt. In der aktuellsten Fassung (2008) dieses Standards werden hydrographische Messgebiete in vier Klassen unterteilt, wobei die Klasse „Special Order“ die Messgebiete beschreibt, die sehr geringe Unterkielfreiheiten für Großschiffe in zum Beispiel Hafenbecken und Zufahrten aufweisen und damit für den Hamburger Hafen wirksam ist. 4. Wie unterscheiden sich die einzelnen Peilsysteme/Messmethoden voneinander ? Bitte unter Ausführung des Peilsystems Linienecholot (Singlebeam ) und des Fächerecholot (Multibeam). Was sind die jeweiligen Vorund Nachteile? Das Prinzip der Tiefen- beziehungsweise Entfernungsmessung mittels Echoloten basiert auf der Zeitmessung eines akustischen Signals. Dieses Signal, eine Longitudinalwelle , wird vom Echolot erzeugt und über einen Schwinger an das Medium Wasser weitergeleitet. Diese Schallwelle durchläuft die Wassersäule, trifft auf eine Impedanzschicht , das heißt auf die Trennschicht zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Dichte und Schallgeschwindigkeit, wird dort größtenteils reflektiert und dann wieder vom Schwinger empfangen. Die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Signals am Schwinger ist eine Funktion der Wasserschallgeschwindigkeit und der Wassertiefe. Beim Einzelstrahlecholot wird die Schallwelle vom Schwinger unter einem bestimmten (das heißt frequenzabhängigen) Öffnungswinkel (typischerweise 5° – 15°) in die Wassersäule abgegeben. Trifft diese Welle auf ein Objekt, wird sie reflektiert und zum Schwinger zurückgesendet. Das erste starke zurückkommende Signal wird zur Zeitmessung verwendet. So wird erreicht, dass immer die flachste Tiefe gemessen wird. Die Mehrstrahlecholotung nutzt das Prinzip der Einstrahlecholotung aus, wobei hier mehrere Schwinger an ein Echolot angeschlossen sind. Zeitgleich können alle Schwinger oder Schwingergruppen getriggert werden, sodass ein Vermessungsgebiet flächenhaft streifenweise erfasst werden kann. Durch eine Einmessung ist die Lage der einzelnen Schwinger und des Positionierungssensors in Bezug auf ein schiffsfes- Bürgerschaft der Freien und Hansestadt Hamburg – 21. Wahlperiode Drucksache 21/4602 3 tes Koordinatensystem bekannt. Mit Hilfe des Schiffskurses ist die Positionsbestimmung der Schwinger im übergeordneten Koordinatensystem möglich. Nachteile bei diesen Systemen können entstehen, wenn sich die einzelnen Schwinger gegenseitig stören (akustische Interferenz) oder die Ausleger bei der Peilfahrt aufgrund der starken Kräfte eine Eigendynamik entwickeln, die nicht mehr modellierbar ist. Durch die enormen Ausmaße in der Breite und der dadurch resultierenden verringerten Manövrierfähigkeit des Schiffes kann dieses System nur in großflächigen Peilgebieten eingesetzt werden, wobei es seine Vorteile in sehr flachen Gewässern ausspielt . Da Mehrstrahlecholote meist in Messgebieten mit geringen Wassertiefen eingesetzt werden, liegen die verwendeten Messfrequenzen im Bereich zwischen 100 und 210 kHz. Sidescan-Sonar-Messsysteme dienen der Darstellung des Gewässerbodens durch das Messen der reflektierten und wieder am Sensor empfangenen Schallintensität und der Darstellung dieser in einem Graustufenbild. Die Fächerecholottechnik ist derzeit das genaueste und wirtschaftlichste Verfahren zur flächenhaften Erfassung der Gewässerbodentopographie. Die Vorteile der Fächerecholotung gegenüber der Ein- beziehungsweise Mehrstrahlecholottechnik können wie folgt zusammengefasst werden: - Überdeckung eines Messstreifens am Gewässerboden bis zum 7,5-fachen der Wassertiefe, bei Mehrstrahlecholoten abhängig von der Messauslegerbreite. - Höhere geometrische Auflösung der Objekte am Gewässerboden durch sehr eng gebündelte Beams (Beam Fächerecholot bei 0,5 – 2°, Beam Einzel- beziehungsweise Mehrstrahlecholot 5 – 20°). Kleinere Objekte können nur mit Fächerecholoten detektiert werden. - Durch den großen Öffnungswinkel eines Fächerecholotes (bis zu 150°) können Bereiche erfasst werden, die ansonsten nicht mit einem Schiff passierbar sind (zum Beispiel unter Pontons, unter Schwimmdocks, direkt an Kaimauern, unter anderen Schiffen et cetera). Die Nachteile der Fächerecholotung gegenüber Ein- beziehungsweise Mehrstrahlecholoten liegen in der Komplexität des Messsystems und können wie folgt zusammengefasst werden: - Komplexe Zusatzsensoren wie Bewegungs- und Kurssensor, Sensoren zur Wasserschallgeschwindigkeitsmessung werden zwingend für die Fächerecholotung benötigt, bei Einstrahlecholoten hingegen sind diese nicht zwingend notwendig. - Durch die enormen Messraten (circa 500 Messpunkte pro Ping bei bis zu 50 Pings in der Sekunde) werden große Datenmengen erzeugt. - Die Messsysteme müssen kontinuierlich überwacht und kalibriert werden. - Die Beschaffungskosten für Fächerecholotsysteme sind höher als bei Einstrahlecholotsystemen . - Das Verfahren weist eine messfrequenzabhängige und damit geringe Eindringung der Schallwellen in weiches Sediment auf. Da für viele Fragestellungen neben den nautisch relevanten Tiefen ebenso die Mächtigkeit der Weichsedimente (Schlickdicke) von höchsten Interesse sind, werden im Peildienst zusätzlich zu den Fächerecholoten bereits seit vielen Jahren Mehrfrequenz- Einstrahlecholote eingesetzt, die solche Aussagen zulassen. 5. Hat es in den vergangenen 20 Jahren eine Umstellung dieser Messmethode gegeben? Wenn ja, wie sah diese in der Vergangenheit aus und wann genau hat es diese Umstellung aus welchen Gründen gegeben? Bitte unter Nennung der genauen Daten. Drucksache 21/4602 Bürgerschaft der Freien und Hansestadt Hamburg – 21. Wahlperiode 4 Im Jahr 1996 wurde das erste Fächerecholot in einer deutschen Verwaltung auf dem Deepenschriewer III (DIII) installiert. Im Jahr 1997 wurde die Deepenschriewer I (DI) durch einen Neubau ersetzt. Im Jahr 1999 wurde die Deepenschriewer II (DII) mit einem Satellitenpositionierungssystem (GPS) ausgestattet, sodass unabhängig von an Land markierten Querprofilen und Polarortungssystemen gemessen werden konnte . Im Laufe der folgenden Jahre wurden auch die übrigen drei Messschiffe mit dieser Satellitenpositionierungstechnik ausgestattet, die mittels Empfang von Korrekturdaten eine dezimetergenaue Positionierung erlaubte. Im Jahr 2004 begann die Umstellung in der Peildatenauswertung auf ein neues Auswertungssystem. Die Schiffe DI und DIII wurden mit neuen Fächerecholoten bestückt und das Mehrstrahl- beziehungsweise Mehrschwingersystem auf dem DII wurde erneuert. Neben den Fächerecholoten wurden auf allen Schiffen weiterhin Vertikalecholote als Zweifrequenzsysteme für besondere Messaufgaben eingesetzt. Ab dem Jahr 2005 erfolgte die Einführung einer neuen Datenerfassungssoftware auf den Messschiffen. Im Jahr 2009 wurde die Deepenschriewer IV (DIV) durch einen Neubau ersetzt. Auch dieses Messschiff wurde mit einem Fächerecholot ausgestattet und erhielt als erstes Messschiff in der deutschen Verwaltung ein Inertialmesssystem. Solche Systeme erlauben auch bei kurzzeitigem GPS-Ausfall eine zentimetergenaue Positionierung des Messschiffes. Im Folgejahr wurden die Messschiffe DI – DIII ebenfalls mit dieser Technik ausgestattet, sodass die Positionierung über landgestützte Polarortungssysteme aufgegeben werden konnte. Im Jahr 2010 wurde die DII zusätzlich zum Mehrstrahlecholotsystem ebenfalls mit einem neuen Fächerecholot ausgestattet. Die Echolotsysteme der anderen Schiffe wurden in diesem Zuge auch auf den aktuellsten Stand der Technik gebracht. Im Jahr 2012 konnte ebenfalls als deutsches Pilotsystem ein mobil eingesetzter Laserscanner auf dem DIII zur Erfassung der Uferbebauung in Ergänzung zu den „nassen“ Echolotdaten in Betrieb genommen werden. Im Jahr 2013 wurde in der Peildatenerfassung eine Rheologie- und Dichtemesssonde beschafft, die von da an auch Aussagen über die physikalischen und geotechnischen Eigenschaften der Hamburger Elbsedimente zuließ. Parallel dazu wurde für das Messschiff DIV ein aktuelles Sedimentecholot installiert, welches das nicht mehr zeitgemäße Zweifrequenzecholot ersetzte. In den Jahren 2015 und 2016 wurde auf den Schiffen DII und DIII die Fächerecholottechnik erneuert. Zusätzlich wurde der DII auch in 2016 mit einem neuen Sedimentecholot ausgestattet. 6. Wie und durch welche Messmethode wird in anderen europäischen Häfen die Peilung/Messung der Wassertiefen vorgenommen? In allen europäischen Häfen und Wasserstraßen werden die in der Antwort zu 4. beschriebenen hydroakustischen Messverfahren zur Bestimmung der nautisch sicheren Wassertiefen angewendet. Der Peildienst der HPA steht mit vielen europäischen Häfen sowie mit den verschiedenen Wasserstraßenverwaltungen im kontinuierlichen Informations- und Erfahrungsaustausch . 7. Welche Standards liegen der verwendeten Messmethode zugrunde? Der verwendeten Messmethode liegen folgende Standards zugrunde: International Hydrographyc Organization (IHO) C-13, Manual On Hydrography, IHO S-5, Standards Of Competence For Hydrographic Surveyors, IHO S-44, Standards For Hydrographic Surveys, DIN 18710, Ingenieurvermessung aQua, Angewandtes Qualitätsmanagement in der Gewässervermessung U.S. Army Corps of Engineers, Hydrographic Surveying. Im Übrigen siehe Antwort zu 3. Bürgerschaft der Freien und Hansestadt Hamburg – 21. Wahlperiode Drucksache 21/4602 5 8. Wie stellt die HPA sicher, dass die verwendete Messmethode zur Peilung /Messung der Wassertiefen keine Abweichungen/Fehlinformationen von der tatsächlichen Wassertiefe liefert? Die beim Peildienst eingesetzten Messgeräte entsprechen den internationalen Standards und erfüllen die Genauigkeitsanforderungen. Abweichungen und Fehlinformationen innerhalb der Fächerecholotungen können durch zufällige und systematische Fehler innerhalb des Gesamtmesssystems entstehen. Zufällige Fehler liegen innerhalb des Messrauschens der eingesetzten Systeme und können durch Wiederholungsmessungen gefunden und eliminiert werden. Die eingesetzten Messsysteme besitzen hersteller- und gerätespezifische Genauigkeitsangaben, die das Messrauschen und damit die Wahrscheinlichkeit von zufälligen Fehlern beschreiben. Systematische Fehler können durch eine unpräzise Bestimmung von Einbau- und Messparametern entstehen. Zur Minimierung dieser Messunsicherheiten beziehungsweise Abweichungen setzt der Peildienst der HPA hochgenaue Messinstrumente ein. Durch verschiedenste kontinuierliche Kalibriermaßnahmen werden alle Sensoren räumlich und zeitlich zueinander referenziert. Durch spezielle technische Kontrollmechanismen werden alle erfassten Daten sowohl während der Peilung als auch zusätzlich in der Datenauswertung plausibilisiert und qualitätsgesichert. 9. Welchen Einfluss haben Strömungsverhältnisse oder Schwebstoffe auf die Messmethode beziehungsweise das Ergebnis der Peilung/Messung? Sind der HPA in den letzten fünf Jahren Abweichungen von der ursprünglichen Peilung/Messung und der tatsächlichen Wassertiefe bekannt geworden? Wenn ja, welche? Durch die Fächerecholotung wird ein Horizont detektiert, der dem Übergang zwischen dem Elbwasser und dem physikalisch nächst dichterem Material entspricht. Es kann bei starkem Sedimentationsgeschehen dazu kommen, dass aufgrund von lokal begrenzten, bodennahen, hochkonzentrierten Suspensionsschichten keine eindeutige Trennschicht, sondern ein Übergangsbereich zwischen Elbwasser und teilkonsolidierter Sedimentschicht existiert, der eine eindeutige Tiefenmessung mit dem Fächerecholot erschwert. Aufgrund der seit 1996 bei der HPA eingeführten und seitdem nicht mehr geänderten Definition der „tatsächlichen“ beziehungsweise nautisch relevanten Wassertiefe gab es in den letzten Jahren per Definition keine Abweichung zwischen der ursprünglichen Peilung und der nautisch sicheren Wassertiefe. Im Rahmen der Unterhaltung der Wassertiefen wurden aufgrund der Veränderungen des Strömungsgeschehens im Hamburger Hafen in den letzten Jahren vermehrt lokal begrenzte Abweichungen zwischen dem baggerfähigem und dem nautisch sicheren Wassertiefe detektiert. 10. Wie erfolgt im Einzelnen die Abrechnung der tatsächlich erbrachten Baggerleistungen? Abhängig von der Baggeraufgabe und der darauf abgestimmten Vertragsgestaltung gibt es unterschiedliche Abrechnungsgrundlagen. Häufig werden verwendet: bewerteter Laderaum-Kubikmeter, Leistungsstunden.