BIVA-WATT: Roughness Effects of Oyster Reefs and Blue Mussel Beds in the Field, Hydraulic Model Ex-periments, and Numerical Simulations

Die Bioinvasion der nicht-heimischen Pazifischen Auster (Magallana gigas) hat die Miesmuschelbänke (Mytilus edulis) im deutschen Wattenmeer in starre, ultra-raue biogene Strukturen umgewandelt, die in starkem Maße mit Wellen, Strömungen und Sedimentdynamiken interagieren. Diese Arbeit fasst die Ergebnisse des BMBF-geförderten KFKI-Forschungsprojekts BIVA-WATT zusammen, das untersucht, wie von der Pazifischen Auster und der Miesmuschel gebildete biogene Strukturen die Hydro- und Morphodynamik des deutschen Wattenmeeres beeinflussen. Feldkampagnen, hydraulische Modellversuche und numerische Modellierungen wurden kombiniert, um (i) die topographische Rauheit und räumliche Konfiguration von Muschelbänken und Austernriffen zu parametrisieren, (ii) ihren Einfluss auf Wellenabschwächung, Strömungswiderstand und Sedimentakkumulation zu quantifizieren, (iii) Strömungs- und Kraftmuster im unmittelbaren Grundnahbereich einzelner Rauheitselemente aufzulösen und (iv) Kopplungsstrategien zwischen ökologischen Beschreibungen und prozessbasierten morphodynamischen Modellen zu implementieren.

Hochauflösende Structure-from-Motion-Photogrammetrie, terrestrisches Laserscanning und UAV-Kartierungen offenbarten ausgeprägte intra-riff Strukturklassen und zeigten, dass ausgereifte Austernriffe große, zusammenhängende, ultra-raue Oberflächen bilden, deren vertikales Wachstum und Sedimentakkumulationsraten den lokalen Meeresspiegelanstieg übertreffen. Saisonale Populationsdaten belegten, dass das vertikale Riffwachstum eng an temperaturgetriebene Schalenproduktion und Rekrutierung gekoppelt ist. Zweijährige volumetrische Analysen zeigten Nettozuwächse in Riffausdehnung und -volumen, sofern geeignete Hartsubstrate verfügbar sind, während die laterale Stabilität durch lokale hydrodynamische Exposition sowie episodische Überdeckung und Wiederfreilegung bestimmt wird.

Kleinskalige Laborversuche mit Ersatzmodellen beider biogenen Strukturen zeigten, dass Austernriffe etwa doppelt so viel Wellenenergie dissipieren wie Miesmuschelbänke und dass scharfkantige Rauigkeitselemente entscheidende Treiber für Turbulenzerzeugung, Sohlschubspannung und Reibungsverluste sind. Hochaufgelöste LES-Simulationen um eine einzelne Auster erfassten Wirbeldynamiken und Kraftverläufe.

Ein datenbasiertes Hindcast-Framework wurde entwickelt, um zeitvariable 10-m-Raster von 1996 bis 2020 zu erzeugen und biologisch abgeleitete Rauigkeitsparameter in das MARINA-Modellsystem zu übertragen. Zusammengenommen schaffen diese Fortschritte eine Grundlage für die Bewertung der großräumigen Folgen des anhaltenden Übergangs von Muschelbeständen zu Austernriffen und für eine wissensbasierte Küstenbewirtschaftung unter Bedingungen des Meeresspiegelanstiegs.