Sandaufspülungen für den Küstenschutz

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1 Sandaufspülungen für den Küstenschutz Das Vorhaben STENCIL F. Staudt (Forschungszentrum Küste) und die STENCIL-Projektpartner HTG Forum Wissenschaft Hamburg,

2 Einleitung Motivation Küstenmanagement erfordert eine nachhaltige, umweltfreundliche Entwicklung der Küstenregionen Sandaufspülung gilt als naturnahe, anpassungsfähige ( weiche ) Küstenschutzmaßnahme Bislang wenig Forschung zu langfristigen ökologischen Auswirkungen; fehlendes Verständnis der biologischen Relevanz verschiedener Prozesse während und nach der Aufspülung Übergeordnetes Projektziel: Entwicklung einer gemeinsamen, interdisziplinären (Küsteningenieurwesen, Geologie, Biologie ) Strategie für die Auslegung und das Monitoring von Sandentnahme und Aufspülung Buhnen u. Deckwerke auf Norderney (Staudt) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 2

3 Einleitung Projektziele Teilprojekte Entwicklung von Werkzeugen (Modelle und Methoden), mit denen umweltfreundliche und nachhaltige Sandaufspülungen geplant und begleitet/überwacht werden können 2. Verbessertes Prozessverständnis und Vorhersage Teilprojekt 1 Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen im Einklang mit dem Ecosystem Approach (EAM) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 3

4 Einleitung Projektziele Teilprojekte Entwicklung von Werkzeugen (Modelle und Methoden), mit denen umweltfreundliche und nachhaltige Sandaufspülungen geplant und begleitet/überwacht werden können 2. Verbessertes Prozessverständnis und Vorhersage von: Morphodynamik Hydrotoxikologischen Auswirkungen Hydrodynamik Auswirkungen auf benthische Habitate Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 4

5 Einleitung Projektziele TP 1: Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen im Einklang mit dem EAM (alle Partner) TP 2: Hydrodynamische Modellierung für umweltfreundliche Sandaufspülungen (LWI) TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen (LuFI) TP 4: Modellierung des Küstenquertransports unter Sturmflutbedingungen (FZK) TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaften und benthischer Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten (AWI) TP 6: Experimentelle Untersuchungen zu hydrotoxikologischen Auswirkungen von Sandentnahme und aufspülung (RWTH) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 5

6 Einleitung Mögliche Umweltauswirkungen Zerstörung der benthischen Habitate an Entnahme- und Aufspülstelle Änderung der lokalen Bedingungen (z.b. Korngröße, Korngrößenverteilung, Hydrodynamik) Veränderung der lokalen Lebensgemeinschaften Auswirkungen auf Prädatoren (Fische, Seevögel, Meeressäuger) Aufspülstellen: einige bekannte key species sind nach etwa einem Jahr wieder angesiedelt Regeneration von Entnahmestellen stark unterschiedlich, abhängig von Entnahmemethode (Flächenentnahme vs. Tiefenentnahme) Benthos im Wattenmeer (Tardent, 1979) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 6

7 Einleitung Sandaufspülungen in Deutschland Verantwortlichkeit: Küstenländer (Niedersachsen, Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern) Strategie: Generalplan/Fachplan/Regelwerk Küstenschutz langfristige Masterpläne zum Erhalt der Küste Technische Aspekte u. Methoden: Entnahmequelle: hauptsächlich marine Sande Mittleres jährliches Aufspülvolumen: ca. 1,9 Mio. m³, davon 1,2 Mio m³ auf Sylt Wiederholungsrate: meist jährlich (Sylt) Vergangenheit: Strandaufspülungen; heute vermehrt Vorstrandaufspülung Monitoring der Effizienz: regelmäßige Aufnahme von Strandprofilen (LKN.SH, 2016) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 7

8 Einleitung Sandaufspülungen in Deutschland Verantwortlichkeit: Küstenländer (Niedersachsen, Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern) Strategie: Generalplan/Fachplan/Regelwerk Küstenschutz langfristige Masterpläne zum Erhalt der Küste Technische Aspekte u. Methoden: Entnahmequelle: hauptsächlich marine Sande Mittleres jährliches Aufspülvolumen: ca. 1,9 Mio. m³, davon 1,2 Mio m³ auf Sylt Wiederholungsrate: meist jährlich (Sylt) Vergangenheit: Strandaufspülungen; heute vermehrt Vorstrandaufspülung Monitoring der Effizienz: regelmäßige Aufnahme von Strandprofilen Strand- vs. Vorstrandaufspülung (MELUR, 2012) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 8

9 Einleitung Sandaufspülungen in den Niederlanden Verantwortlichkeit: Nationale Ebene, Ausführung durch Rijkswaterstaat Strategie: Langfristiger nationaler Plan zum Erhalt der Küstenlinie von 1990 (u. damit des Küstenvolumens) Technische Aspekte u. Methoden: Entnahmequelle: marine Sande Mittleres jährliches Aufspülvolumen ( ): ca. 12 Mio. m³ Wiederholungsrate: 4 5 Jahre Monitoring der Effizienz: jährliche Aufnahme von Strandprofilen (Gesamtsandmenge im System) Zandmotor 21.5 Mio. m 3 Vorstrandaufspülung Stive et al. (2013) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 9

10 TP 3 Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen

11 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Gesamtziel Wie lässt sich die Effizienz von Aufspülungen erhöhen? Zusammenhang zw. hydrodynamischen Randbedingungen und morphodynamischen Veränderungen: Antriebskräfte, Prozesse und Effekte? 1. Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der Effizienz von Sandaufspülungen 2. Quantifizierung des Einflusses der einzelnen Design-Parameter 3. Empfehlungen für zukünftige Sandaufspülmaßnahmen Erstellen einer Datenbank mit Aufspüldaten und Strandprofilen (NL, DE) Ermittlung der Verweildauer von Aufspülungen Abschätzung der Verweildauer einer Aufspülung mithilfe der Designparameter (Dimensionen/Position des Aufspülkörpers)? Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 11

12 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Ermittlung der Verweildauer von Aufspülungen mit Hilfe von vorliegenden Daten: Niederlande (Jarkus Dataset): Strandprofile Sylt: Strandprofile Mehrere, sehr mobile Sandbänke Einzelne, wenig variable Sandbank Ameland: hauptsächlich Vorstrandaufspülungen Sylt: hauptsächlich Strandaufspülungen Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 12

13 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Unterschiedliche Bewegungsmuster der Strandprofile lassen sich folgendermaßen ausdrücken Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 13

14 Sylt: TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Darstellung der Morphodynamik durch eine stehende Welle Mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse lässt sich die zeitliche Variabilität des Strandprofils darstellen Hauptkomponentenanalyse räumlich f 1 zeigt keine Migration (stehende Welle) w 1 repräsentiert die Abweichung vom mittleren Strandprofil Verweildauer Verweildauer der Aufspülung meist < 1 Jahr (seit 2000) zeitlich Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 14

15 Sylt: TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Darstellung der Morphodynamik durch eine stehende Welle Mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse lässt sich die zeitliche Variabilität des Strandprofils darstellen Hauptkomponentenanalyse räumlich f 1 zeigt keine Migration (stehende Welle) w 1 repräsentiert die Abweichung vom mittleren Strandprofil Verweildauer Verweildauer der Aufspülung meist < 1 Jahr (seit 2000) zeitlich Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 15

16 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Ameland: Darstellung der Morphodynamik durch eine nicht-stationäre Welle Muster wird durch Vorstrandaufspülungen unterbrochen Hauptkomponentenanalyse räumlich Variabilität von f 1 repräsentiert die Offshore-Migration der Sandbank Detaillierte Beschreibung der Methodik in Gijsman et al. (in review) Verweildauer Jahre zeitlich Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 16

17 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen Ameland: Darstellung der Morphodynamik durch eine nicht-stationäre Welle Muster wird durch Vorstrandaufspülungen unterbrochen Hauptkomponentenanalyse räumlich Variabilität von f 1 repräsentiert die Offshore-Migration der Sandbank Detaillierte Beschreibung der Methodik in Gijsman et al. (in review) Verweildauer Jahre zeitlich Gijsman et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 17

18 TP 3: Ursachen und Effekte von mesoskaligen morphologischen Veränderungen 1. Verweildauer der Aufspülkörper (für 1 Strandprofil) anhand der vorliegenden Datensätze ermittelt Sylt (Strandaufspülung): ca. 1 Jahr Ameland (Vorstrand): Jahre 2. Abschätzung der Verweildauer einer Aufspülung mithilfe der Designparameter: Lineares Gleichungssystem: Verweildauer L bn = f(c n, y n, z n, y r,n ) c n Aufspülkonzentration [m 3 /m] y n - Aufspüllänge [m] z n Aufspülhöhe [m] y r,n Relative Position Strandprofil y n z n Gijsman et al. (2018) Nächste Schritte: Quantifizierung des Einflusses der einzelnen Design-Parameter, Empfehlungen für zukünftige Sandaufspülmaßnahmen Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 18

19 TP 5 Monitoring der Sedimenteigenschaften und benthischenhabitate in Aufspül-und Entnahmegebieten

20 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaften und benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Gesamtziel Analyse der kurz- und langfristigen Veränderungen von Sylter Entnahme- und Aufspülstellen Beurteilung des Regenerationspotentials Evaluierung der Auswirkungen der anthropogenen Eingriffe auf die Untersuchungsgebiete Erstellung von Habitatkarten Durch: Halbjährliche Bathymetrien, Sedimentproben und Unterwasseraufnahmen im Sandentnahmegebiet Westerland (W-II/III) Jährliche Luftaufnahmen, Bathymetrien und Strandprofile in Aufspülgebieten bei List Mielck et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 20

21 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaftenund benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Langfristiges Monitoring der Bathymetrie im Sandentnahmegebiet Westerland: 25.5 m (12 m unter Meeresboden) 23 m 33 m (19 m unter Meeresboden) Mielck et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 21

22 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaftenund benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Mielck et al. (2018) Abrutschen der steilen Wände unmittelbar nach Entnahme Seit Ende der Materialentnahme (ca. 2008) nur geringfügige Verfüllung der alten Trichter (mit sehr feinem Sediment unbekannten Ursprungs) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 22

23 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaftenund benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Langfristiges Monitoring der Bathymetrie im Sandentnahmegebiet Westerland: Mielck et al. (2018) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 23

24 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaften und benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Langfristiges Monitoring der Bathymetrie im Sandentnahmegebiet Westerland: Standbild Unterwasserkamera Mielck et al. (2018) Besiedlung der alten Entnahmestellen mit Schlangensternen, die dort vorher nicht ansässig waren Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 24

25 TP 5: Monitoring der Sedimenteigenschaftenund benthischen Habitate in Aufspül- und Entnahmegebieten Kurzfristige Änderungen der Bathymetrie zwischen Sept und Frühjahr 2017 Rutschungen an den steilen Hängen der Entnahmetrichter (rot) Ablagerung im Trichter (grün) Neues Entnahmegebiet W-IIIB (oben rechts) mit bis zu 19 m Tiefe (unter Meeresboden) Mielck et al. (2018) Es ist zu erwarten, dass sich auch die neuen Trichter in den nächsten Jahrzehnten nur geringfügig verfüllen Verfüllungsrate stark von lokaler Hydrodynamik und Verfügbarkeit von Sediment abhängig Eine Oberflächenentnahme (wie z.b. in der Ostsee oder vor Norderney durchgeführt) verfüllt sich deutlich schneller, ist aber bei den auf Sylt erforderlichen Sandmengen (die voraussichtlich noch ansteigen werden) keine Option Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 25

26 TP 1 Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen

27 Projektziele Teilprojekte Entwicklung von Werkzeugen (Modelle und Methoden), mit denen umweltfreundliche und nachhaltige Sandaufspülungen geplant und begleitet/überwacht werden können 2. Verbessertes Prozessverständnis und Vorhersage Teilprojekt 1 Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen im Einklang mit dem Ecosystem Approach (EAM) 1. Schritt: Bestehende Praxis weltweit (EU, USA, Australien) Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 27

28 TP 1: Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen 1. Schritt: Vergleich der bestehende Praxis weltweit (EU, USA, Australien) Bewertung und Monitoring von Umweltauswirkungen an Entnahme- und Aufspülstelle (einzuholende Lizenzen, erforderliches Monitoring/Umweltdaten, anschließendes Monitoring) Umweltverträglichkeitsprüfung/UVP (Environmental Impact Assessment, EIA) Gravierende Unterschiede in der UVP-Pflicht! Umsetzung auf Anwenderebene: Teils große Unterschiede in der Durchführung der Umweltverträglichkeitsstudien zu Sandaufspülungen Datenerfassung/ökologisches Monitoring ist zwar (in einem relativ kurzen Zeitraum) vor der Genehmigung erforderlich, wird nach dem Genehmigungsprozess jedoch nur in Ausnahmefällen fortgeführt Land Entnahme Aufspülung Deutschland > 0.25 km² Allgemeine Vorprüfung des Einzelfalls Niederlande Spanien > 5 km² oder > 10 Mio. m³ Immer (Galizien, Kantabrien) > 3 Mio. m³ (andere) > 5 km Länge u. > 250 m³/m (effektiv m³) > m³ Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 28

29 Fazit: Die Nachhaltigkeit von Sandaufspülungen Physikalische Nachhaltigkeit Schnelle Konstruktion, effektiver Schutz, Anpassung an Änderungen der lokalen Hydrodynamik Vorstrandaufspülungen: längere Lebensdauer als Strandaufspülungen (TP3) Best practice: häufige Wiederholung von kleinen Aufspülvolumen (TP1) Kompatibler Aufspülsand ist eine begrenzte Ressource! (TP1, TP5) Können Sandaufspülungen Teil einer nachhaltigen, zukunftsfähigen Küstenmanagementstrategie sein (Aufspülung vs. Meeresspiegelanstieg)? Sind Aufspülungen nur Teil einer temporären Lösung, an deren Ende andere Maßnahmen ergriffen werden müssen? Ökologische Nachhaltigkeit Entnahmetrichter verfüllen sich auch nach 30 Jahren nicht! (TP5) UVP-Pflicht hat sehr unterschiedliche Kriterien, Auswirkungen werden während/nach der Aktivität häufig nicht mehr überwacht (TP1) Bestätigung der Regenerationsprognosen nicht möglich! (Wie) kann man die Umweltverträglichkeit von Entnahme und Aufspülung bewerten, wenn man die langfristigen Auswirkungen (noch) nicht abschätzen kann? Massive Auswirkungen auf die Küstenumwelt, die sich bisher nur schwer abwägen lassen keine grüne oder weiche Maßnahme Langfristige Aufspülstrategien (z.b. entlang der US Westküste oder Nordseeküste) haben über Jahrzehnte hinweg denselben kumulativen Effekt wie ein Mega Nourishment (Armstrong & Lazarus, 2019) Low regret? No regret? Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 29

30 TP 1: Strategie für das umweltverträgliche Management von Sandaufspülungen - OUTLOOK 2. Schritt: SWOT-Analyse (strenghts, weaknesses, opportunities, threats) Stärken Reduktion der Wellenenergie Anpassung an Veränderungen der Hydrodynamik (Meeresspiegel, Wellen, Strömung) möglich Erhalt des naturnahen Charakters des Strandes Kein Fremdkörper, lediglich Umlagerung von natürlichem Material innerhalb des Systems Chancen Attraktivitätssteigerung für Strandbesucher Habitat für natürlich an Sandstränden vorkommenden Benthos Schwächen Im Gegensatz zu harten Strukturen: kurze Verweildauer regelmäßige Wiederholungsaufspülungen erforderlich Laufende Kosten (s. Verweildauer) Schutzpotential der Maßnahme nur begrenzt wahrnehmbar Risiken Langfristige ökologische Beeinträchtigung der Entnahmestelle und der Aufspülstelle möglich Langfristige Beeinflussung des Sedimentbudgets am gesamten Küstenabschnitt Ressourcenverfügbarkeit, steigende Kosten Gefahr, dass Aufspülungen als langfristige, vermeintlich nachhaltige Lösung in dicht besiedelten Küstenregionen akzeptiert werden, ohne Alternativen zu entwickeln Risiken müssen abgeschätzt und minimiert werden! Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! STENCIL-Team: FZK: Stefan Schimmels, Franziska Staudt, Huichen Zhang LUFI: Torsten Schlurmann, Jan Visscher, Rik Gijsman LWI: Nils Goseberg, David Schürenkamp, Johanna Wolbring AWI-Sylt: Karen Wiltshire, Christian Hass, Finn Mielck RWTH Aachen: Holger Schüttrumpf, Henner Hollert, Catrina Brüll, Caroline Ganal, Björn Deutschmann

32 Literatur Armstrong, S.B., Lazarus, E.D., Masked Shoreline Erosion at Large Spatial Scales as a Collective Effect of Beach Nourishment. Earth s Future. 7, doi: /2018ef Gijsman, R., Visscher, J., Schlurmann, T., A METHOD TO SYSTEMATICALLY CLASSIFY DESIGN CHARACTERISTICS OF SAND NOURISHMENTS. Coast. Eng. Proc. 1, 95. doi: /icce.v36.papers.95 Gijsman, Visscher, Schlurmann, The lifetime of shoreface nourishments in fields with nearshore sandbar migration (in review) LKN.SH, Küstenschutz auf Sylt. Sandaufspülungen Broschüre. Mielck, F., Hass, H.C., Michaelis, R., Sander, L., Papenmeier, S., Wiltshire, K.H., Morphological changes due to marine aggregate extraction for beach nourishment in the German Bight (SE North Sea). Geo-Marine Lett. doi: /s MELUR-SH, Generalplan Küstenschutz des Landes Schleswig-Holstein (Fortschreibung 2012). Kiel. Stive, M.J.F., de Schipper, M.A., Luijendijk, A.P., Aarninkhof, S.G.J., van Gelder-Maas, C., van Thiel de Vries, J.S.M., de Vries, S., Henriquez, M., Marx, S., Ranasinghe, R., A New Alternative to Saving Our Beaches from Sea- Level Rise: The Sand Engine. J. Coast. Res. 290, doi: /jcoastres-d Tardent, P., Meeresbiologie. Eine Einführung. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart. Vanden Eede, S., Van Tomme, J., De Busschere, C., Vandegehuchte, M.L., Sabbe, K., Stienen, E.W.M., Degraer, S., Vincx, M., Bonte, D., Assessing the impact of beach nourishment on the intertidal food web through the development of a mechanistic-envelope model. J. Appl. Ecol. 51, doi: / Franziska Staudt HTG Forum Wissenschaft 32