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TP 4: Änderungen der Hydro- und Sedimentdynamik im Ostfriesischen Wattenmeer

Aufbauend auf den hydro- und sedimentdynamischen Modellierungsarbeiten der DFG-Forschergruppe „BioGeoChemie des Wattenmeeres” werden mögliche Auswirkungen unterschiedlicher regionalisierter Klimaszenarien zu verschiedenen Zeitpunkten in diesem Jahrhundert (2030 bis 2100) auf die morphodynamischen und hydrodynamischen Gegebenheiten in dem Gebiet der Ostfriesischen Inseln und des Wattenmeeres simuliert und analysiert. Es sollen „robuste” Vorhersagen zur Änderung der Hydro- und Sedimentdynamik in Abhängigkeit von den im TP 1 für Klimaänderungsszenarien ermittelten Küstenklimaten für das ostfriesische Küstengebiet geliefert werden.

Um diese Ziele zu erreichen, wird das auf unstrukturierten Gittern beruhende hydrodynamische Modellsystem FVCOM-SWAVE verwendet, dass neben einem hydro- und sedimentdynamischen Modul auch ein komplexes Seegangsmodul beinhaltet. Für die betrachteten Klimaszenarien und singulären Extremereignisse werden relevante Parameter, wie z.B. Wellenenergie an den Ostfriesischen Inseln und im Wattenmeer, Extremwasserstände und Trends zu morphologischen Veränderungen berechnet und analysiert.

Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit des Modellsystems zeigen die folgenden Abbildungen den Einfluss des Seeganges auf die Ostfriesischen Inseln während eines Extremereignisses.

Abb.1: Wellenenergiefluss auf die Ostfriesischen Inseln während des Sturmes „Britta“ am 31. Oktober 2006 um 16.00 Uhr.

Abb.2: Durch Seegang induzierte Strömungen im Bereich des Seegattes zwischen den Inseln Langeoog und Spiekeroog während des Sturmes „Britta“ am 31. Oktober 2006 um 16:00 Uhr.

In Abb. 1 sieht man den Wellenenergiefluss während des Sturmes Britta Anfang November 2006. Es wird deutlich, dass ein Großteil der Wellenenergie vor den Inseln absorbiert wird, die somit als „Energie-Barriere“ für das Ostfriesische Festland wirken. Für sedimentdynamische Prozesse von großer Bedeutung sind die durch den Seegang induzierten Strömungen im Küstenvorfeld der Inseln und in den Seegatten. In Abb. 2 sieht man diese Strömungen zu einem Zeitpunkt während des Sturmes Britta im Bereich der Inseln Langeoog und Spiekeroog.

 

Das folgende Video zeigt die Ergebnisse der Modellierungen zur Entwicklung der Leybucht:

 

Durch menschliches Eingreifen in das Ökosystem Wattenmeer kam es in der Vergangenheit zu massiven Veränderungen der Tidedynamik und der morphologischen Entwicklung im Wattenmeer. Die hier vorgelegte Untersuchung befasst sich mit einem Bereich des Wattenmeers, der Leybucht. Im Jahre 1984 ist die Halbinsel Leyhörn entstanden. Die morphologischen Entwicklung der Leybucht, durch den Einbau der neuen Halbinsel Leyhörn ist mit dem numerischen Delft3D-Modell berechnet worden. Die Simulationen erstrecken sich über einen Zeitraum von 15 Jahren, von 1975 bis 1990. Die daraus berechneten Bewegungen der Flusssohle werden in den drei beigefügten Videos dargestellt:

Szenario 1:
Wasserstandsrandbedingung und Verwendung einer einheitlichen Santkorngröße von 0.2 mm (D50)

Szenario 2:
Wasserstandsrandbedingung und Verwendung einer Sedimentverteilung, bestehend aus Schlick, feinem Sand (D50 = 0.25 mm) und groben Sand (D50 = 0.60 mm)

Szenario 3:
Wasserstands- und Wellenrandbedingung und Sedimentverteilung wie in Szenario 2

Die Untersuchungen der gemessenen Sohlveränderung von 1975 bis 1990 zeigen einen verstärkten Eintrag von Sedimenten in die Leybucht nach Fertigstellung der Halbinsel Leyhörn. Aus diesem Grund verändert sich die Form des Zulaufpriels zunehmend (sichtbar in dem südwärts gerichteten Priel), wo hingegen der ostwärts gerichtete Priel die Veränderungen in der Morphologie dominiert. Diese Veränderung ist auf das Geschwindigkeitsfeld zurückzuführen, welches sich nach der Erstellung der Halbinsel stark veränderte. Dies wird dargestellt durch den Vergleich von Strömungsmustern vor und nach dem Bau. Die daraus folgende Sohlveränderung wird gezeigt durch die Querschnittsveränderung des Priels: A, B, C und D (stark verminderte Tiefe von A zu D). Anhand der gemessenen Werte ist eine starke Sedimentbewegung in allen Querschnitten zu beobachten.

Die vorhergesagte Sohlentwicklung ist stark abhängig von der Sohlumlagerung und den angegebenen Randbedingungen. Szenario 1 weist den geringsten Sedimenteintrag in die Bucht auf, was zu einem schmalen und tiefen Priel führt. Im Gegensatz zu Szenario 1 zeigt Szenario 2 einen deutlich aufgeweiteten und flacheren Priel, wie es die Messungen ebenfalls zeigen. Speziell am Querschnitt D (flachster Bereich) wurde beobachtet, dass das Querschnittsprofil am gleichen Ort bestehen bleibt und die Tiefe nicht zunimmt, wie es in Szenario 1 der Fall ist. Verglichen mit dem ersten Szenario zeigt dieses eine deutlich verstärkte Sedimentationsrate. Szenario 2 berechnet mit Seegangseinfluss (Szenario 3) zeigt einen deutlichen Anstieg an Sedimentationsanlandungen entlang der Küstenlinie der Bucht. Letztendlich werden außerhalb der beiden Kanäle der Bucht starke Sedimentationsraten beobachtet. In den Querschnitten B und C, die den ostwärts gerichteten Kanal zeigen, konnten die gemessenen Ergebnisse nach dem Bau der Halbinsel nicht durch das Modell reproduziert werden. Dieses Phänomen wird auf Baggerungs- und Verklappungsmaßnahmen zurückgeführt, die während der Arbeitsmaßnahmen zur Errichtung der Halbinsel unternommen wurden.

TP-Leiter: Prof. Dr. J.-O. Wolff, Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Carl von Ossietsky-Universität Oldenburg

Bearbeiter: Dr. K. Lettmann, Dipl-Phys. S. Grashorn