Die Küste

Flow and Turbulence over an Estuarine Dune - Large-Scale Flume Experiments

2023-08-18T00:43:39-07:00

Bedforms, such as dunes, are found in large parts of estuaries and coastal areas. Dunes influence hydrodynamics and sediment transport in the flowing water by causing flow resistance, whereby flow energy is dissipated. The characteristics of dune overflow are complex and vary depending on the dune shape. They have rarely been studied for estuarine dunes in particular, although a precise knowledge of the hydrodynamic processes is important, e.g. for a correct representation or parameterization in mathematical hydrodynamic models. Therefore, we conducted the first flume experiments over a typical estuarine dune. The experimental setup allowed for studying dune overflow on a large scale and in a high level of detail. High-frequency measurements using Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) were carried out on a 1:10 scaled, fixed model dune in a closed-circuit flume. Results show that a flow separation zone with a recirculating flow cell and a turbulent wake develop which differ in their orientation and length from those reported for triangular and river dunes. The high-quality experimental dataset including the flow velocity timeseries is freely available at https://doi.org/10.48437/02.2021.K.9900.0001 (Bundesanstalt für Wasserbau 2021) and can be used for further studies, e.g. on the dissipative effect of dunes, or as validation data for laboratory experiments and mathematical models. Overall, we give indication for the need to study hydrodynamic processes related to estuarine dunes in more detail and we provide a full description of the experimental setup and the complete collected dataset to support and facilitate the needed further research.

Englisch

2023-09-24T23:47:54-07:00

Das Leben an den Küsten der Ostsee war und wird von Sturmflutereignissen geprägt (z. B. Petersen & Rhode 1979). Zur Verbesserung der Datengrundlage und somit Entscheidungsgrundlage zum Hochwasserschutz, wird die Integration von Informationen von historischen Ereignissen immer wieder empfohlen (z. B. DWA M-552). Informationen über Wasserstände, besonders von historischen Ereignissen, stehen jedoch oft nur punktuell zur Verfügung. Um also eine valide Grundlage zur Bemessung an Küstenabschnitten ohne Informationen über beobachtete Wasserstände zu erhalten, ist eine hydrodynamische Simulation zur räumlichen und zeitlichen Informationserweiterung oft unerlässlich.

Im November 1872 kam es im Bereich der deutschen und dänischen Ostseeküste zu einer extremen Sturmflut von seitdem nie wieder erreichten Ausmaßen (z. B. Jensen & Töppe 1986; 1990). Die Wasserstände lagen dabei über allen bis dahin bekannten Werten - auch wenn immer wieder in den vergangenen 1000 Jahren von ähnlichen Sturmflutkatastrophen berichtet wurde. Die dennoch oft als „singuläre“ bezeichnete Sturmflut (bzw. Ausreißer) stellt zugleich den Beginn, als auch die größte Herausforderung des modernen Küstenschutzes dar. Neben den außergewöhnlich hohen Wasserständen, ist die erstmalige Messung und Überlieferung der Wasserstände, sowie die detailtreue Beschreibung der Genese, des Verlaufs und der Folgen die Besonderheit dieser Sturmflut (z. B. in Baensch 1875). Jedoch sind die zur Verfügung stehenden Wasserstände nur punktuell verfügbar und ggf. mit Unsicherheiten verbunden. Um ein vollständiges Bild über die Wasserstände dieser Sturmflut zu erhalten und die Unsicherheiten abschätzen zu können, wurde mit Hilfe eines bestehenden hydrodynamisch-numerischen Modells der Ostsee die Sturmflut von 1872 simuliert. Die Simulation, besonders von Extremereignissen, geht oftmals nur mit Kompromissen in der Genauigkeit der Modellergebnisse einher. Um Ergebnisse zu erzielen, die hohen qualitativen Ansprüchen genügen, können modellgenerierte Daten im Anschluss über eine statistische Korrekturfunktion (sog. Biaskorrektur) lokal korrigiert werden, die sich anschließend invers distanzgewichtet auf die Küstenlinie übertragen lässt. Anhand des Beispiels der Sturmflut von 1872 im Bereich der südwestlichen Ostsee wurde hier die statistische Korrektur von Modellergebnissen als geeignetes Mittel zur Optimierung von Modellergebnissen nachgewiesen. Die damit getroffenen Annahmen wurden geprüft und als plausibel gewertet. Dadurch wurde ein semi-statistischer und semi-hydrodynamischer Datensatz für die Küstenlinie der Ostsee im Betrachtungsraum generiert, der die lokal vorhandenen Wasserstandsbeobachtungen während der Sturmflut valide widerspiegelt und hohen Ansprüchen genügt. Dieser kann als Grundlage zur Optimierung für den Küsten- und Katastrophenschutz für die deutsche Ostseeküste genutzt werden.

RefTide: The Reflection and Resonance Behaviour of Tide Dominated Estuaries

2023-04-11T02:53:29-07:00

Tidal waves entering estuaries are amplified or attenuated due to processes resulting from
cross-sectional convergence, friction, reflection and resonance. While there is a basic un-
derstanding of the processes of reflection and resonance of tidal waves, there is a
knowledge gap in the quantification of the processes for tidal waves in estuaries and espe-
cially of the effects of multiple reflections and re-reflections. Within the BMBF-funded
KFKI-research project RefTide these gaps have been addressed with the aim to improve
the system and process understanding of reflection and resonance in tide dominated estu-
aries. The Elbe estuary was chosen as the study area. In RefTide a comprehensive analysis
of the tidal dynamics of the Elbe estuary (and the influence of different factors on the tide
generated oscillations) is carried out by combining advanced analytical and numerical mod-
els with empirical studies based on available time series of water level and flow data. In
addition, in RefTide methods for resonance analysis were (further) developed and applied
to the Elbe estuary.
The reflection behaviour of tidal waves was investigated model-based using a self-de-
veloped analytical model as well as on a large number of model tests with different hydro-
dynamic numerical models (principal models, Elbe estuary model).
The results of the investigations improve the knowledge on the formation of the tide
generated oscillatory system and clarify the importance of reflection, resonance and dissi-
pation of tidal waves in estuaries. In addition, the effects of various influencing factors on
the oscillatory system were determined and described. Resonance is a consequence of re-
flection and represents the formation of a standing oscillatory system in which, as a result
of a maximum possible constructive superposition at the reflector, the largest possible am-
plitudes related to the amplitudes at the entrance to the system of a wave occurs. This
condition has not been reached in the Elbe estuary so far. However, there are signs that
the resonance case is being approached.
The following contribution presents selected key parts of the research results from the
RefTide project. A detailed version of the final report (Hamburg Port Authority and
Technische Universität Hamburg 2022) is available from the Leibniz Information Centre
for Science and Technology University Library.

Update of the Schleswig-Holstein State master plan for coastal flood defense and coastal protection with a focus on climate change adaptation

2022-05-03T02:41:09-07:00

Im Jahre 1963 verabschiedete die schleswig-holsteinische Landesregierung unter dem Eindruck einer katastrophalen Sturmflut, die 1962 die Nordseeküste Deutschlands traf, den ersten Generalplan Küstenschutz. Nachfolgende Landesregierungen schrieben den Plan in den Jahren 1977, 1986, 2001 und 2012 fort, um sozioökonomische und natürliche Entwicklungen sowie den technischen und wissenschaftlichen Fortschritt zu berücksichtigen. In dieser Abhandlung wird die fünfte Fortschreibung von 2022 vorgestellt, die einen klaren Fokus auf die Anpassung an den Klimawandel hat.

Ohne Küstenhochwasserschutz könnte etwa ein Viertel Schleswig-Holsteins mit 333.000 Einwohnern und 60 Milliarden EURO an Sachwerten bei sehr schweren Sturmfluten überfluten. Darüber hinaus besteht die 1.110 km lange Küstenlinie fast ausschließlich aus nicht-kohäsiven leicht zu erodierenden Sedimenten. Diese Zahlen belegen die große gesellschaftliche Bedeutung des Küstenschutzes und die Notwendigkeit einer nachhaltigen Klimaanpassung in Schleswig-Holstein. Die im Generalplan Küstenschutz enthaltene Anpassungsstrategie besteht aus drei Elementen: technische Maßnahmen, Raumordnung und die Nutzung von Ökosystemleistungen. Bei der Bemessung von technischen Hochwasserschutzmaßnahmen wird generell ein Klimazuschlag von 0,5 m zur Berücksichtigung des künftigen Meeresspiegelanstiegs aufgeschlagen. Die Verstärkung von Landesschutzdeichen beinhaltet darüber hinaus die Abflachung der äußeren Deichböschung, um den Wellenauflauf zu reduzieren und Baureserven für weitere Anpassungen zu schaffen. Klimazuschlag, flache Außenböschung und Baureserven können insgesamt einen Meeresspiegelanstieg von bis zu zwei Metern ausgleichen. In Regionalplänen ausgewiesene Vorranggebiete für Küstenschutz und Klimafolgenanpassung an den Küsten sichern die Verfügbarkeit von Platz für Verstärkungen sowie von nutzungsfreien Pufferzonen hinter Steilufer, Dünen und Strandwällen für den zu erwartenden Küstenrückgang. Schließlich wird durch die Anwendung ökosystembasierter Maßnahmen wie das integrierte Vorlandmanagement die hohe natürliche Resilienz bzw. die Anpassungsfähigkeit von Küstenökosystemen an einen beschleunigten Meeresspiegelanstieg anerkannt und im Sinne eines nachhaltigen Küstenschutzes eingesetzt.