Sedimentbewegungen in der Deutschen Bucht
Zur Halbzeit eines BAW-Forschungsprojektes zum „Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht" werden erste Ergebnisse sichtbar.
Transportprozesse im Wandel der Zeitläufe
Wie werden sich die Watten und Vorländer der deutschen Nordseeküste anpassen, sollte in Folge des Klimawandels der Meeresspiegel steigen? Eine Antwort auf diese Frage ist nicht nur für die Sicherheit der Seedeiche bedeutsam, sondern auch für die Zufahrten zu den Seehäfen. Einerseits beeinflusst das Flachwasser im Ästuarbereich maßgebend das Tide- und Sedimentregime in den Tideflüssen und hat somit Auswirkungen auf die zukünftige Unterhaltung der Seehafenzufahrten. Zum anderen hat sich gezeigt, dass in einer Betrachtung über Jahrzehnte hinweg die kleinräumigen Transportprozesse in der Deutschen Bucht und in den Außenbereichen der Ästuare auch durch die Transportprozesse, die in der gesamten Nordsee stattfinden, mitgeprägt werden.
Die Dimension dieser weiträumigen Transportprozesse in der Nordsee wird in der Satellitenaufnahme der oberflächennahen Ausbreitung der Schwebstofffahnen aus den Ästuarmündungen deutlich (Bild 1). Allerdings entzieht sich dieses Phänomen noch weitgehend der fachwissenschaftlichen Betrachtung, denn über die tatsächlichen Transportprozesse in der Nordsee, zumal in der Deutschen Bucht, ist wenig bekannt: Es fehlen zum Beispiel grundlegende, flächendeckende Informationen über das anstehende Material an der Gewässersohle, über den Bodenaufbau oder über die relevanten Kräfte, die den Transport antreiben, wie Wind und Seegang. Und schließlich fehlen die geeigneten Werkzeuge, um die komplexen Transportprozesse berechnen zu können.
BAW hat Federführung bei Forschungsprojekt
Im Rahmen eines im Wettbewerb ausgeschriebenen Forschungsschwerpunktes des Kuratoriums für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI) konnte sich die BAW mit einem Forschungsantrag zum Thema „Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der deutschen Bucht (AUFMOD)“ durchsetzen. An dem Projekt unter Federführung der BAW beteiligen sich weitere neun Kooperationspartner. Gestartet Ende 2009, läuft die Förderung zunächst bis 2012 (siehe: www.kfki.de/prj-aufmod/de).
Integraler Ansatz in der Bearbeitungsstrategie
Die Zusammenarbeit der Fachleute aus unterschiedlichen Disziplinen – von Ozeanographie über Geologie bis hin zu den Ingenieurwissenschaften – macht den integralen Ansatz in der Bearbeitungsstrategie des Verbundprojekts aus. Für die Deutsche Bucht nutzen die beteiligten Experten in fünf Teilprojekten mehrere Simulationsmodelle, um die Transportprozesse und deren Wirkungen auf die Bathymetrie, also die topographische Gestalt des Meeresbodens, in einem Multimodellansatz zu berechnen. Grundlage dieser Modellierungen ist ein Bodenmodell zur Beschreibung der zeitvariablen Bathymetrie des Meeresbodens, der Bodenformen sowie der Sedimentzusammensetzung.
Die BAW koordiniert das Verbundprojekt und bearbeitet schwerpunktmäßig das Teilprojekt 3. Hier nehmen die beteiligten Experten eine skalenübergreifende, prozessbasierte 3D-Modellierung des Gesamtsystems der Nordsee, der Deutschen Bucht, der Ästuare und des Wattenmeers in hoher Auflösung vor. In einem weiteren Schritt sollen diese Modelle dann für Zeitspannen, die mehrere Jahre umfassen, auf der Grundlage konsistenter bathymetrischer Daten validiert werden. Und um die Spannweite der möglichen Ergebnisse morphodynamischer Berechnungen aufzuzeigen, setzt die BAW mehrere Modellverfahren gleichzeitig ein: UnTRIM mit SediMorph und K-Modell, Delft3D und SWAN sowie MARINA.
Wechselwirkungen zwischen den Teilprojekten
Das sehr gute Zusammenwirken der verschiedenen Teilprojekte im Verbund ist wesentlich für den Erfolg des Gesamtprojektes. Sowohl die auf Daten basierenden Modelle, als auch die numerischen Simulationsmodelle interagieren auf vielfältige Weise:
Basis der Simulationsmodelle ist die Kenntnis der Bathymetrie, der Sedimentologie (fraktionierte Sedimentbelegung der Sohle) und der Bodenformen (Bodenreibung); sie fließt von den Teilprojekten 1 und 2 in die Teilprojekte 3, 4 und 5 ein. Gleichzeitig liefert die veränderliche Zusammensetzung der Bodensedimente bzw. Ausprägung der Sohlenformen Hinweise, um die morphodynamische Modellierung zur validieren und zu kalibrieren.
In Zusammenarbeit der Teilprojekte 1, 2 und 3 werden das Gitternetz und die dazugehörige Bodenbelegung für das Modell der Deutschen Bucht sowie der Teilgebietsmodelle erstellt und von den Teilprojekten 3, 4 und 5 genutzt. Des Weiteren sind die Simulationsergebnisse aus Teilprojekt 3 Grundlage für die Modellsteuerung und Vergleichsanalysen der Langzeitsimulationen in den Teilprojekten 4 und 5. Schließlich sind die Auswertungen der sedimentologischen Zeitreihen und die Erstellung eines Bodenklassifikationssystems (Teilprojekt 1) sowie die Kenntnis der Dynamik von Bodenformen (Teilprojekt 2) wichtige Bestandteile, um die morphodynamischen Modellierungen in den Teilprojekten 3, 4 und 5 zu bewerten und zu verbessern.
Vielversprechende Projektergebnisse
Um zu einer umfassenden Übersicht über die Abläufe des Sedimenttransports in der Deutschen Bucht zu gelangen, galt es, zunächst die großräumigen und langfristig stattfindenden geomorphologischen Veränderungen zu analysieren. Kein leichtes Unterfangen, denn um die Prozesse, die diese Veränderungen bewirken, vor dem Hintergrund einer physikalisch plausiblen Wirkungskette bearbeiten zu können, war es notwendig, alle verfügbaren Daten für die marine und küstennahe Bathymetrie (einschließlich lokal auftretender Bodenformen) und vor allem auch für die Sedimentologie zu sammeln und für die Zwecke des Projekts aufzubereiten. Zudem war es erforderlich – zur Unterstützung der morphodynamischen Analysen – für verschiedene, auch im Verlauf des Projekts ggf. noch festzulegende zurückliegende Zeitverläufe konsistente Daten der Sohlenmorphologie zu gewinnen.
Deshalb fiel im Projekt sehr frühzeitig die Entscheidung, ein umfassendes softwaregestütztes Bodenmodell zu generieren, das die Daten zur Bathymetrie und Sedimentologie gemeinsam verwaltet und funktional, d. h. nach spezifischen Vorgaben, verarbeiten und dem Anwender anforderungsgerecht zur Verfügung stellen kann. Die Entscheidung für diese Vorgehensweise bedeutete, zu Beginn des Forschungsprojektes diese recht aufwendige, grundlegende Aufbauarbeit zu leisten. Sie wird sich im weiteren Projektverlauf jedoch auszahlen, zumal das funktionale Bodenmodell mit Methoden für datenbasierte Analysen ausgestattet werden kann. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler und Ingenieure auch daran gedacht, in dem Verbundprojekt a priori Wege zu gehen, die zu einsatzfähigen Produkten in den am Projekt beteiligten Ressortforschungseinrichtungen führen können.
Auch Nordsee-Anrainerstaaten liefern Daten
Die Sedimentprozesse in der Deutschen Bucht müssen einerseits im Zusammenhang mit der Nordsee insgesamt betrachtet werden. Hierfür war es notwendig, auch umfangreiche Daten der Anrainerstaaten heranzuziehen und in das funktionale Bodenmodell zu übernehmen. Andererseits können lokale, teilweise zeitlich beschränkte Prozesse die großräumigen und langfristigen Sedimentbewegungen beeinflussen. Deshalb liegt im Gesamtvorhaben der Fokus auch auf bestimmten, lokal eingegrenzten Gebieten. Hierzu gehören Regionen auf dem Shelf bzw. im Küstenvorfeld, im Vorstrandbereich, im Umkreis von Inseln und im Wattenmeer. Von besonderem Interesse sind auch die Seewasserstraßen, primär die Mündungsbereiche der Ästuare, sowie bestimmte sedimentologische Auffälligkeiten, wie z. B. die Genese der Schlicklinse im Süden von Helgoland, wo sich in einer sich drehenden Strömung die Sedimente in einem flachen Hügel ablagern. Um die vor Projektbeginn bereits an unterschiedlichen Orten verteilt vorhandenen Daten zu ergänzen, werden für das Vorhaben mit speziellen Messmethoden zusätzliche Daten erhoben; so lässt sich in einer an Messergebnissen orientierten Analyse das mit Modellen erzielbare Prozessverständnis nachhaltig verbessern. Die gegenwärtig stattfindende Auswertung der aktuellen Messfahrten für das Projekt ist zeitaufwändig, und die Ergebnisse dienen primär der direkten Interpretation. Im letzten Projektjahr wird zu prüfen sein, inwieweit diese Daten noch Eingang in die Simulationsmodelle finden können.
Im Rahmen der Anwendung deterministischer Prozessmodelle verfolgen die Forscher im Projekt einen konsequenten Multi-Modell-Ansatz mit Simulationsmodellen unterschiedlicher Prozessauflösung, um die Streubreite der Ergebnisse abschätzen zu können. Diese Prozessmodelle teilt man von ihrem grundlegenden Ansatz her in prozessbasierte und prozessorientierte Simulationsmodelle ein. Für solche Modelle, die auf unstrukturierten Modellverfahren basieren, werden überwiegend identische Gitternetze und Randwerte verwendet. Soweit möglich wird auch ein einheitliches Post-Processing durchgeführt, um den Vergleich der Modellergebnisse mit einheitlichen Methoden zu ermöglichen. Diese im Gesamtvorhaben getroffenen Vereinbarungen und Regelungen sollen gewährleisten, dass die Formulierung „integriertes Modellsystem“ nicht nur eine leere Worthülse bleibt.
Inzwischen ist der Aufbau des integrierten Modellsystems erfolgreich gelungen und wird im Laufe des Jahres 2011 abgeschlossen sein. Die Fortführung der Simulationsprojekte für die beabsichtigten Untersuchungszeitspannen (Jahr, Jahrzehnt, Jahrhundert) wird noch eine Herausforderung in der zweiten Projekthälfte darstellen. Im dritten Projektjahr wollen die Forscher eine abschließende Synthese erarbeiten, die alle relevanten Ergebnisse der Teilprojekte einbeziehen soll. Schließlich geht es um eine übergreifende, gemeinsame Bewertung, um das von der KFKI formulierte Forschungsziel zu erreichen: eine umfassende Übersicht über die Sedimentbewegungen in der Deutschen Bucht zu erhalten.
