Übersichtsvortrag Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht (AufMod)

Übersichtsvortrag Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht (AufMod) KFKI Seminar, Bremerhaven 28. November 2012 Dipl. Umweltwiss. Jennifer Valerius Dr. Frank Kösters

Frage: Sind Sedimenttransport und Morphodynamik der Deutschen Bucht mit hoher Aussagekraft langfristig berechenbar? Animation: datenbasiertes Modell (verfügbarer Gesamtzeitraum) Seite 2

Zielsetzung AufMod Allgemeine Zielsetzung des Forschungsaufrufs des KFKI Voraussetzung dafür zu schaffen, den Einfluss des Klimawandels und anthropogener Eingriffe auf die Morphologie und den Sedimenttransport in der Deutschen Bucht modellbasiert abschätzen zu können Zielsetzung AufMod Aufbereitung einer konsistenten Datenbasis für Modelle (Topographie/Morphologie, Sedimentologie) Schließen von Datenlücken und Verbesserung eingesetzter Messmethoden Bestimmung von Anwendbarkeit und Genauigkeit ausgewählter, verfügbarer numerischer Verfahren auf Basis der Berechnung zurückliegender Zeiträume Vertiefung der Kenntnisse sediment- und morphodynamischer Vorgänge in der Deutschen Bucht Abschätzung von Sedimenttransportwegen und mengen Seite 3

Sedimentdynamik Modellierung Vorbedingungen Beschreibung der Datenbasis (Bodenparameter) und Überführung in konsistente Datensätze (Funktionales Bodenmodell) Mathematische Modellierungswerkzeuge Validierung & Anwendbarkeit Hydrodynamik Änderungen in der Morphologie Langfristsimulationen / Klimawandel Sedimenttransport Neue Methoden und Erkenntnisse Seite 4

Funktionales Bodenmodell: Bathymetrie Datenbasis: Vermessungsdaten Raumzeitliche Interpolation Jahr: 2011 1990 Konsistente integrierte Tiefenverteilungen für jeden Ort und Zeitpunkt Seite 5

Confidence [m] Funktionales Bodenmodell: Bathymetrie - Produkte Vertrauenswürdigkeit der Tiefenverteilungen 1.7 1.0 2011 1990 Vertrauenswürdigkeit für raumzeitlich interpolierte Tiefen zum Zeitpunkt 01.01.2006, 50m Raster 0.5 0.1 Seite 6

Funktionales Bodenmodell: Bathymetrie - Produkte Ableitbare morphologische Parameter: Morphologischer Raum 2011 1990 Seite 7

Anzahl Funktionales Bodenmodell: Bathymetrie - Produkte Ableitbare Parameter zur Datengrundlage von Zeitreihenanalysen Anzahl Datensätze 1996-2011 50 2011 1990 12 6 0 Seite 8

Weight-% Funktionales Bodenmodell: Sedimentologie Databasis: Korngrößenverteilungen 100 80 60 40 Interpolation der Kornsummenkurve 20 0 50 500 Diameter [µm] Datensätze statistischer Parameter Data Sources: Germany: AufMod-Fieldwork, BSH, Sam, HZG, BfG; Belgium: MUMM; Denmark: GEUS; Great Britain: BGS; Netherlands: TNO, Sedimentatlas Waddenzee; Norway: NGU Seite 9

Gewichts-% Funktionales Bodenmodell: Sedimentologie - Produkte Median der Kornsummenkurve 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 500 Durchmesser [µm] Seite 10

Gewichts-% Funktionales Bodenmodell: Sedimentologie - Produkte Sortierung (D75-D25)^1/2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 500 Durchmesser [µm] Seite 11

Funktionales Bodenmodell: Sedimentologie - Produkte Gewichtsanteil Sandfraktion 125-177µm Seite 12

Funktionales Bodenmodell Synthese: Konzeptionelles Morphodynamik Modell DB Seite 13

Funktionales Bodenmodell: Sedimentologie - Mobile Deckschicht Sedimenttransport ist abhängig von Sedimentverfügbarkeit Vorläufige Annahme: marine Sedimente/Sande als mobile Deckschicht Holocene base defined from Figge (1980), Asp & Ricklefs (2003), Ahrendt (2005), Zeiler (2000) and as greatest depth from data based model Seite 14

Mobile Deckschicht : Erkenntnisse aus Fokusgebieten N Seismisches Profil mit Sedimentkern AL378_K11 (K11) 1 m K11 S K11 N S K11 6925±35BP in -157cm u. GOK Seismische Daten in Verbindung mit Sedimentkernen ermöglichen durchgehende Auskartierungen der mobilen Deckschicht. Bisher 72.206 Werte mit jeweiliger Deckschichtmächtigkeit auskartiert. Datierungen lassen zeitliche Einstufung der einzelnen Schichten zu. Seite 15

Mobile Deckschicht : Mächtigkeit über durchgehender Kieslage m 2.2 2.0 Geringe Deckschichtmächtigkeiten zwischen 0 m und 2.2 m. Inhaltliche Übereinstimmung mit Sidescan-Bildern gegeben. 1.5 1.0 0.5 0.0 Seite 16

Mobile Deckschicht : Sedimentmangelgebiet mit Sorted Bedforms S N G H F E D C SB sind hier Fenster, in denen durchgehende, sonst überdeckte Schichten freigelegt sind. B A Seite 17

Sedimentologie Porosität Relevanz Modelle berechnen den Massentransport, daher wird die Tiefenänderung direkt durch die Porosität skaliert Messung der Porosität Es gibt kein Standardverfahren für Sande Geringe Messgenauigkeit Hohe Variabilität bei gemischt und feinkörnigem Sediment Porositätsprediktoren SediMorph: Aberg, 1992; Piechotta, 2004 Marina: Komura, 1963 p m 0.245 0.0864 0.1 d 0. 21 50 Seite 18

Porosität / % Porosität Elbe Messung vs. Modell Porosität Modell - Messung Elbe 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Marina Fein 2010_11 Misch 2010_11 Sand 2010_11 Fein 2010_08 Misch 2010_08 Sand 2010_08 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 Elbe-km Seite 19

Sedimentdynamik Modellierung Vorbedingungen Beschreibung der Datenbasis (Nordsee / ) Deutsche Bucht Funktionales Bodenmodell Mathematische Modellierungswerkzeuge Validierung & Anwendbarkeit Hydrodynamik Änderungen in der Morphologie Langfristsimulationen / Klimawandel Sedimenttransport Neue Methoden und Erkenntnisse Seite 20

Modellierungswerkzeuge Zeitskala Hydrodynamik Seegang Morphodynamik kurzfristig Tage 12 Monate MARINA (2D) UnTRIM (3D) MARINA UnK MARINA SediMorph mittelfristig 1 10 Jahre Delft3D-FLOW (2D) SWAN DELFT3D-MOR mittelfristig 1 10 Jahre Telemac (2D) Tomawac Sisyphe langfristig 10 100 Jahre Räumliche Skala kleinskalig: O(einzelne Tiderinne, Bodenformen) mittelskalig: O(Ästuare, Tidebecken) großskalig: O(Deutsche Bucht) Fokusmodelle / Detailmodell Basismodell Seite 21

Modellierungswerkzeuge UnTRIM (3D) Marina (2D) Telemac (2D) Basismodell 77.500 Dreieckselemente 80 m 24.000 m Delft3D (2D) Nordsee: 455x489 Elemente, 1,000-19,000 m Deutsche Bucht: 762x1046 Elemente, 100 m - 1,800 m Seite 22

Anfangs- und Randbedingungen Wasserstände Partialtiden aus globalem Modell FES2004 (Lyard et al., 2006) Mittelwasserlage aus dem BSH/DWD Nordatlantikmodell Oberwasserabfluss Täglicher Abfluss (Deutsche Bucht) oder saisonale / langfristiges Mittel Ostsee: konstant Salzgehalt Klimatologie (Janssen et al., 1999) Windschubspannung, Luftdruck DWD Prognosemodell Seegang Windwirklänge an der Modellgrenze Sedimente AufMod Bodenmodell konstante SPM Konzentration (Gayer, 2004) Seite 23

Sedimentdynamik Modellierung Vorbedingungen Beschreibung der Datenbasis (Nordsee / ) Deutsche Bucht Funktionales Bodenmodell Mathematische Modellierungswerkzeuge Validierung & Anwendbarkeit Hydrodynamik und suspendiertes Sediment Änderungen in der Morphologie Langfristsimulationen / Klimawandel Sedimenttransport Neue Methoden und Erkenntnisse Seite 24

Validierung Hydrodynamik Seite 25

Bed elevation range Daten basiertes Modell (Messungen 1996-2007) Prozess basiertes Modell (Telemac 1996-2006) Seite 27

Änderungen in der Morphologie - Differenztopographie Bodenmodell Dasimo (01.01.2007-1.01.2006) num. Modell Marina (01.01.2007-1.01.2006) Differenztopographie zeigt geänderte Strukturen aber quantitative Vergleichbarkeit von Messung und Modell punktweise nicht sinnvoll integrale Kenngrößen notwendig Seite 28

Validierung der morphodynamischen Ergebnisse Datenverfügbarkeit in allen Modellen und einer Tiefe < 20 m (Vertrauenswürdigkeit der Peilung) mindestens ein Datensatz innerhalb eines/10 Jahres/-en vor dem 1.1.2006 und nach dem 1.1.2007 1a 10a 1/10 a 2006 1/10 a Dilemma: entweder große Fläche mit geringerer Vertrauenswürdigkeit oder eine kleine Fläche mit höherer Vertrauenswürdigkeit = = Seite 29

Validierung der morphodynamischen Ergebnisse Threshold: 5 cm Maske: Datenverfügbarkeit + MinDT 1a Volumen [Mio.m³] Modell Sed. Ero. Bilanz Dasimo (2006) 213.4-198.9 14.5 Dasimo Mittelwert (1996 2008) 94.4-69.5 24.9 Delft3D (2006) 192.1-174.6 17.5 Marina (2006) 167.7-172.9-5.2 Sedimorph (2006) 56.0-52.1 3.9 Sisyphe (2006) 82.6-74.4 8.2 Threshold: 5 cm Maske: Datenverfügbarkeit + MinDT 10a Volumen [Mio.m³] Modell Sed. Ero. Bilanz Dasimo (2006) 555.5-524.0 31.5 Dasimo Mittelwert (1996 2008) 291.5-183.3 108.1 Delft3D (2006) 470.0-455.3 14.8 Marina (2006) 456.0-454.0 2.0 Sedimorph (2006) 152.5-180.5-28.0 Sisyphe (2006) 288.8-196.9 91.9 Seite 30

Langzeitsimulation 100 Jahre

Szenario Meeresspiegelanstieg (80 cm / 100 Jahren) Sohllage nach 100 Jahren MD Simulation (Telemac) Volumenänderung Nettodeposition 5.5x10 8 m³ Seite 35

Szenario Meeresspiegelanstieg (80 cm / 100 Jahren) Differenz der Sohllage (0 cm +80 cm) nach 100 Jahren Seite 36

Sedimentdynamik Modellierung Vorbedingungen Beschreibung der Datenbasis (Nordsee / ) Deutsche Bucht Funktionales Bodenmodell Mathematische Modellierungswerkzeuge Validierung Hydrodynamik und suspendiertes Sediment Änderungen in der Morphologie Langfristsimulationen / Klimawandel Sedimenttransport Neue Methoden und Erkenntnisse Seite 37

10.5 C Einstrom Atlantik 5.2 A 14.3 C Ausstrom Atlantik 13.3 A Einstrom Ostsee Abschätzungen des Sedimenttransports 25 C Deposition and Ausstrom Ostsee 2 C Deposition 1.4 D 2.61 E Küstenerosion 0.7 B 6.27 E 20 J Küstenerosion 13.6 A 44.4 B Einstrom Engl. Kanal 1 C 4 C 3 C 7.5 C 29.9 I 2 C 3 C,D Deposition 1 G 2.4 H Erosion 20 J Deposition 10 K 27.3 I -51 to 68 L -1.6 to 13.6 L 3.6 to 5.4 L Transport [ Mt / yr ] Eintrag Flüsse: 4.41 F 4.8 D Primärproduktion: 1 H Atmosphärische Deposition: 1 H Ablagerung an Land: 2.7 C Austrag Transport Referenzen A: Pohlmann and Puls (1994) B: McManus and Prandle (1997) C: Eisma and Irion (1988) D: McCave (1987) E: Odd and Murphy (1992) F: Boon et al. (1997) G: van Alphen (1990) H: Eisma (1981) I: Puls et al. (1997) J: de Kok (2004) K: Nauw (2009) L: BAW (unpublished) Seite 38

Sedimenttransport Pfade (Sisyphe) Transport [ ln(m³/m/jahr) ] Seite 39

Sedimenttransport Pfade (Marina) Transport [ ln(m³/m/jahr) ] Seite 40

Sedimenttransport Pfade (SediMorph) Transport [ ln(m³/m/jahr) ] Seite 41

Sedimenttransport Pfade (AufMod) Transport [ ln(m³/m/jahr) ] Seite 42

Holland West Holland Ost Deutsche Bucht West Deutsche Bucht Nord Sedimenttransport Mengen Ärmelkanal Zeitraum 14. - 28.01.2006 starker Wind (ca. 10 m / s) Zeitraum 07. - 21.06.2006 geringer Wind (ca. 5 m / s) Transport in Mt / Jahr Marina Sedimorph Sisyphe Marina Sedimorph Sisyphe Ärmelkanal 180 45 180 80 34 25 Holland West 16 40 55 6 20 4 Holland Ost 17 21 34 2 4 3 DB West 13 20 28 2 10 2 (~40) (~40) (~30) (~30) DB Nord 2 2 3 0.2 0 0.5 Seite 43

-AK (Referat K2) FILE: hview2d0007.cgm Von groß zu klein 10.5 C 5.2 A 14.3 C Einstrom Atlantik Ausstrom Atlantik 13.3 A Einstrom Ostsee 25 C Deposition and Ausstrom Ostsee 2 C Deposition ontour lines for pography 2 msgm061 C 3 C,D -51 to 68 - mean L Deposition adv. suspended load transport 1.4 D 2.61 E Küstenerosion 0.7 B 6.27 E 10 K Küstenerosion 20 J 20 riod: 01/16/2006-00:00 to 01/30/2006-00:00 J 13.6 A 44.4 B Einstrom Engl. Kanal 1 C 4 C 1 G 2.4 H Erosion Deposition 27.3 3 C 7.5 C I 29.9 I -1.6 to 13.6 L 3.6 to 5.4 L Transport in [ Mt / yr ] mmsl Eintrag Austrag Transport 0.00 10.00 20.00 Elbe topography (dry area) mmsl Ems Weser -2.5 0 2.5 mittlerer advektiver mean Schwebstofftransport adv. suspended load transport sum (tiefenintegriert) of all fractions kg/s/m 0 250.00 500.00 km 10E-05 10E-04 0.01 0.1 1. msgm061 - mean adv. suspended load transport period: 01/16/2006-00:00 to 01/30/2006-00:00 contour lines for topography in mmsl 0.00 10.00 20.00 topography (dry area) mmsl Seite 44-2.5 0 2.5 mean adv. suspended load transport sum of all fractions kg/s/m

Sedimentologie Bodenformen: Spiekeroog Bathymetrie x6 (+2 Archiv) + Sedimente x5 20 m/y 2003 2007 2010 MAR 2010 SEP SISYPHE durchschnittlicher Sedimenttransport über 1 Jahr, tideinduziert Seite 46

Datenbasierte Sedimenttransportraten: Spiekeroog Accumulation between MAR 2010 and SEP 2010 20 m/y 195 Budget along given transect with full data coverage Seite 47

-AK (Referat K2) FILE: hview2d0007.cgm Von groß zu klein 10.5 C 5.2 A 14.3 C Einstrom Atlantik Ausstrom Atlantik 13.3 A Einstrom Ostsee 25 C Deposition and Ausstrom Ostsee 2 C Deposition 1.4 D 2.61 E Küstenerosion 1 C 4 C Deposition 3 C 7.5 C 29.9 I 2 C 3 C,D Deposition 27.3 I -51 to 68 L 0.7 B 6.27 E Küstenerosion 20 J 13.6 A 44.4 B Einstrom Engl. Kanal 1 G 2.4 H Erosion 20 J 10 K -1.6 to 13.6 L 3.6 to 5.4 L Transport [ Mt / yr ] Eintrag Austrag Transport Ems mittlerer advektiver Schwebstofftransport (tiefenintegriert) Elbe Weser contour lines for topography msgm061 - mean adv. suspended load transport period: 01/16/2006-00:00 to 01/30/2006-00:00 in mmsl 0.00 10.00 20.00 topography (dry area) mmsl Seite 48-2.5 0 2.5 mean adv. suspended load transport sum of all fractions kg/s/m

Sedimentologie Bodenformen: Jade Bathymetrie + Sedimente x5 + WSA Bathymetrie x37 UnTRIM Tides + waves 2 weeks averaged Seite 49

Datenbasierte Sedimenttransportraten : Jade Accumulation between OCT 2010 and APR 2011 Budget along given transect with available data coverage Seite 50

1.cgm USER: BAW-AK (Referat K2) FILE: hview2d0002.cgm Mittelpriel Sedimentologie Bodenformen: Weser km75 Die asymmetrische Form der identifizierten Bodenformen erlaubt die Darstellung der Richtung des residualen bodennahen Transports Langluetjen NORDENHAM Blexen km58 km56 km54 km52 km70 km60 km62 BREMER- HAVEN km65 km64 km50 km48 km46 34 62. 0 34 64. 0 34 66. 0 Langluetjen 34 68. 0 ka0953 mittlere residuelle Geschiebefracht 34 70. 0 BREMER- HAVEN 34 72. 0 BRAKE km40 km44 Topographie km42 (Watt) mnhn -3. 0 3. mittlere residuelle Geschiebefracht Summe aller Fraktionen E+3 kg/m 10E-04 0.1 Seite 52 10.

Sedimentdynamik Medemrinne im Zeitraum 2001 bis 2011 0m Abgelagertes Sediment: 93*10 6 m³ Erodiertes Sediment: 133*10 6 m³ Sedimentexport: 39,3*10 6 m³ 0m Baggervolumen Cuxhaven bis Brunsbüttel 2001-2011 Nettoexport aus dem Untersuchungsgebiet Seite 54

Sedimentologie Sedimentdynamik: Norderhever Transportrichtung aus Bodenformen Seite 56

Sedimentdynamik Modellierung Vorbedingungen Beschreibung der Datenbasis (Nordsee / ) Deutsche Bucht Funktionales Bodenmodell Mathematische Modellierungswerkzeuge Validierung & Anwendbarkeit Hydrodynamik Änderungen in der Morphologie Langfristsimulationen / Klimawandel Sedimenttransport Neue Methoden und Erkenntnisse Seite 57

Bodenformen: Relevanz in AufMod Bodenformen sind Indikator für bodennahen Transport, und Möglichkeit der Abschätzung von Transportrichtungen und raten Formrauheit : Asymmetrie von Bodenformen muss wegen ihrer hydraulischen Wirkung berücksichtigt werden. Lefebvre et al., 2012 Seite 58

Bodenformen: Evaluation von Prädiktoren Höhen Dünenhöhen von Bodenformen [m] [m] 0.0-0.4 0.4-0.8 0.8-1.2 1.2-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 2.4-2.8 2.8-3.2 Gemessene Höhen (Ernstsen based on Ulrich (1973)) Model predicted dune heights (UnTRIM- SediMorph based on van Rijn) Seite 59

Bedform length (m) L/H Bedform height (m) Mean leeside slope ( ) Mean bedform length (m) Mean bedform height (m) Weser disch. Dynamik von Bodenformen Primäre Bodenformen sind vom Abfluss abhängig (Nasner) Anti-proportionale Kopplung von Bodenformhöhe und Abfluss! Längen sind wenig variabel 3.5 3.0 2.5 y = -0.0185x + 3.0501 R² = 0.4481 2.0-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Migration rate (m/month) 110 BF 105 werden steiler >hydraulisch wirksamer 100 in Zeiten mit geringem 95 Abfluss 90 85 Are a 4 y = 0.2254x + 95.624 R² = 0.1099 80-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Migration rate (m/month) 1500 1000 500 0 3.5 2.5 1.5 130 110 90 70 14 12 10 8 6 4 50 40 30 20 L/H Seite 60

th Bedform height H/L Leeside slope Bedform length Bedform height Weser disch. Dynamik von Bodenformen Auch in der Außenweser: linearer Zusammenhang der primären Bodenformen vom Abfluss!? Area 1 1500 1250 1000 750 500 250 0 4.0 3.0 2.0 1.0 120 100 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 y = -0.0013x + 2.7424 R² = 0.5232 0 200 400 600 800 1000 Mean Weser discharge/30days 80 12 10 8 6 4 2 60 40 20 110.0 105.0

Parametrisierung der SSS-Daten Seite 62

Parametrisierung der SSS-Daten: Erzeugung numerischer Werte für Modelle Überführung der Sedimentbeschaffenheit in numerische Werte Gemittelte Kornverteilung über Oberflächenproben auskartierter Polygone Seite 63

Parametrisierung der SSS-Daten: Erzeugung numerischer Werte für Modelle Berechnung statistischer Parameter: Bsp: D50 D50 Standardabweichung Seite 64

Mobilitätsparameter: Methodenentwicklung in der Geologie Mobilisierbarkeit abhängig von: Korngröße Konsolidierungsgrad Bindigkeit Organik. Lanice conchilega Einführung eines Mobilitätsparameter: Faktor zur Erhöhung der Grenzschubspannung (Verzögerung des Bewegungsbeginns) Seite 65

Mobilitätsparameter: Methodenentwicklung in der Geologie Ansatz: Abstufung der Mobilisierbarkeit nach Sedimenteigenschaften, zunächst ohne Vergabe numerischer Werte Mobile Sedimente - stehen für großräumige Morphodynamik zur Verfügung Bedingt mobile Sedimente Stehen für Morphodynamik innerhalb des Verbreitungsgebietes zur Verfügung Schwer mobilisierbare Sedimente bilden Härtlinge im System und stehen damit schneller Erosion entgegen. Seite 66

Phänomen Schlickgerölle: Auswirkungen auf Sedimentdynamik hoher Bedeckungsgrad setzt Mobilität der Sedimentmatrix herab Verändert die Aussagekraft der Sedimentprobe bei z.b. sandiger Matrix mit feinkohäsiven Schlickgeröllen gehäuftes Vorkommen von Schlickgeröllen: 1. Nahe von Liefergebieten (Erosionskanten, Trübungszone mit Fluid Mud Bildung) 2. In Gebieten mit Präsenz von Sohlformen <2m Höhe Seite 67

Zielsetzung AufMod Allgemeine Zielsetzung des Forschungsaufrufs des KFKI Voraussetzung dafür zu schaffen, den Einfluss des Klimawandels und anthropogener Eingriffe auf die Morphologie und den Sedimenttransport in der Deutschen Bucht modellbasiert abschätzen zu können Zielsetzung AufMod Aufbereitung einer konsistenten Datenbasis für Modelle (Topographie/Morphologie, Sedimentologie) Schließen von Datenlücken und Verbesserung eingesetzter Messmethoden Bestimmung von Anwendbarkeit und Genauigkeit ausgewählter, verfügbarer numerischer Verfahren auf Basis der Berechnung zurückliegender Zeiträume Vertiefung der Kenntnisse sediment- und morphodynamischer Vorgänge in der Deutschen Bucht Abschätzung von Sedimenttransportwegen und mengen Seite 68

Datenbasierte Modellierung BSH, September 2011 Telemac Seminar Uni BW, Dezember 2011 Messverfahren FTZ Büsum, Mai 2012 AufMod Workshop HWK Delmenhorst, Juli 2012 Seite 69