Turbulenzgesteuertes Erosionsverhalten von Wattsedimenten am Beispiel des Rückseitenwatts der Insel Spiekeroog– Untersuchungen mit hochauflösender Sonar-Technik

Im Rückseitenwatt der Insel Spiekeroog im Ostfriesischen Wattenmeer wurden kleine Messfelder in einer Zeitreihe untersucht, um Sedimenterosionsprozesse während der Überflutungsphase zu erfassen. Kritische Werte der turbulenten kinetischen Energie tke und des Reynolds stress bezüglich einsetzender Erosion auf den Wattflächen wurden anhand von bodennah aufgezeichneten, dreidimensionalen Strömungsdaten eines Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) berechnet. Die lokal auftretende Sedimentmobilisierung wurde mit Echolotprofilen und Seitensichtsonardaten eines hochauflösenden Acoustic Backscatter Systems (ABS) verifiziert. Die Gerätekonfiguration für die in situ-Messungen wurde zuvor mit Laborversuchen in einem Strömungs- und Wellenkanal geeicht. Grundsätzlich bestehen große Unterschiede der Hydrodynamik und der Sedimentmobilität zwischen ruhigen und von Starkwinden geprägten Wetterlagen. Während bei ruhigem Wetter die Tidenströmung bestimmend ist, kommt es bei Windstärken ab etwa 6 Bft zu einer an der Sedimentsohle wirksamen Überlagerung der Tidenströmung mit Wellen. Die Stärke der Welleneinwirkung ist abhängig von der Tidephase, der Windstärke sowie der Windrichtung. Unter ruhigen Wetterverhältnissen wiesen die bodennahen Strömungsgeschwindigkeiten keine Flut- oder Ebbdominanz auf. Bei Geschwindigkeiten von bis zu 20 cm/s fand kein Sohltransport statt. Die im Laborversuch für die Mobilisierung der Sedimentsohle ermittelten kritischen Werte der turbulenten kinetischen Energie von 50 cm²/s² wurden nicht überschritten. Die höchsten Suspensionsgehalte traten kurz nach der Überflutung und kurz vor dem Trockenfallen der Flächen auf. Bei dann geringen Wassertiefen und hoher turbulenter Durchmischung der Wassersäule wurden Schlickpartikel mobilisiert. Bei Windstärken über 6 Bft kam es unter dem Einfluss von Wellen zu einer Sedimentmobilisierung durch die Strömungsoszillation und der resultierenden hohen turbulenten kinetischen Energie. Die räumliche Lage der Wattflächen spielt aufgrund der fetch-Längen und der daraus resultierenden Wellenhöhe eine maßgebliche Rolle für den Erosionsbeginn. Die Windrichtung entscheidet dann über die jeweilige Dominanz von Flut- oder Ebbstrom. Die akustischen Daten zeigen den Zusammenhang erhöhter Sohlschubspannungen durch Wellen und lokaler Erosionsereignisse. Die höchsten Suspensionsgehalte in der Wassersäule traten bei Starkwinden zum Zeitpunkt des Stauhochwassers auf, da dann die Wellenhöhe ein Maximum erreichte und durch Grundberührung maximale Scherkraft ausgeübt wurde. Eine lokale Stabilisierung der Sedimentoberfläche durch Biofilme kann die Sedimentmobilisierung besonders im Sommer durch eine Erhöhung der kritischen Sohlschubspannung abschwächen, so dass die Wattflächen während ruhiger Wetterperioden stabil bleiben. Die Biostabilisierung unterliegt bei Starkwinden allerdings den physikalischen Kräften, so dass mittel- und langfristig Sturmereignisse über die Sedimentverteilung und Sedimentbilanz entscheiden