Zur gekoppelten morphologischen Simulation der Dynamik sandiger Küsten unter Strömungs- und Seegangseinfluss

Simulationen küstennaher Sedimenttransportprozesse helfen Ingenieuren, an der Küste gelegene Bauwerke zu bemessen und den Siedlungsraum Küste für dessen Bewohner sicher zu machen. So erfordern der Bau und der Unterhalt von Deichen, der Fahrrinnenunterhalt und der Fahrrinnenausbau sowie der allgemeine Küstenschutz allein in Deutschland jährlich mehrere hundert Millionen Euro. Dabei ist der Einfluss der Wellen auf den Sedimenttransportprozess gerade im Küstenbereich eine wichtige Größe. Wellenerzeugte Turbulenzen führen zu erheblich gesteigerten Suspensionskonzentrationen und somit auch zu steigenden Sedimenttransportraten. Durch gekoppelte numerische Verfahren für Strömung, Seegang und Morphodynamik kann dieser Prozess simuliert werden. Die Erfahrungen mit dieser vergleichsweise neuen Technik sind noch nicht ausreichend. Daher werden in der vorliegenden Arbeit die Güte sowie die Sensitivität der Simulationsergebnisse mit und ohne Berücksichtigung von Seegang untersucht und bewertet. Zunächst werden die im natürlichen Küstenraum auftretenden Phänomene beschrieben. Dies geschieht für verschiedene Küstenformen mit sandigen Böden. Die auftretenden Prozesse werden im Weiteren, unterteilt nach Strömung, Welle und Sedimenttransport, dargestellt und der aktuelle Stand der Forschung vorgestellt. Unter anderem werden analytische und numerische Ansätze zur Beschreibung von Einzelprozessen sowie von Prozesssystemen aufgezeigt und erläutert. Weiterhin werden die Wechselwirkungen der Einzelprozesse analysiert. Das Morphodynamikmodell TIMOR 3 und das spektrale Wellenmodell WWM II werden gekoppelt betrieben, um die oben beschriebene Dynamik des Küstenraumes simulieren zu können. Hierzu wird ein der ostfriesischen Nordseeküste mit ihren Barriereinseln nachempfundener Testfall entwickelt. Anhand des Testfalls werden Simulationen bei unterschiedlichen Wellen-, Tide- und Wasserstandsbedingungen bzw. mit unterschiedlichen Sandkörnungen durchgeführt. So wird der Einfluss einzelner Faktoren auf das Simulationsergebnis ermittelt. Die Untersuchungen am Testfall zeigen die Abhängigkeit der morphodynamischen Ergebnisse von Wellen und im Besonderen von deren Angriffsrichtung. Bei geringen Fließtiefen von ca. 2 m sorgt der Seegang für eine weitere Vertiefung der durch die Strömung entstehenden Rinnen. Sind bei größeren Tidehüben die durch die Strömung erzeugten Erosionen höher und damit die Fließtiefen größer, wirken die Wellen ausgleichend auf das Bodenrelief. Das entstehende Rinnenprofil verläuft mit Welleneinfluss kontinuierlicher. Unter Seegangseinfluss sind die Rinnenstrukturen im Außenbereich weniger stark ausgebildet als ohne. Die erhöhten Sedimentfrachten bei Seegang – insbesondere der Suspensionstransport – außerhalb der Rinnen, wirkt hier ausgleichend. Im landseitigen Bereich der Inseln ist dieser Effekt durch die Abschattung schwächer ausgeprägt. Jedoch sind auch hier die Rinnen oder Rinnensysteme bei Welleneinfluss schwächer ausgebildet. Die in der Literatur oft genutzten Begriffe Küstenlängs- und Küstenquertransport sind für die in dieser Arbeit genutzten Simulationsmodelle nur eingeschränkt nutzbar. Es sind theoretische iii Definitionen, die entwickelt wurden, als flächige Computermodelle noch nicht existierten. Zur vereinfachten Darstellung der Transportvorgänge wurden diese in küstenparallel und quer zur Küste verlaufende Anteile unterteilt. Die Untersuchungen mit den gewählten Sieblinien liefern die erwarteten Ergebnisse. Grobes Sediment reagiert weit weniger auf den Seegang als Mittel- oder Feinsand. Durch die Einfallsrichtung der einwirkenden Wellen wird insbesondere die Lage der Rinnen bestimmt. Die maximalen Tiefen werden nur gering beeinflusst. Bei aus Nordwesten kommenden Wellen verschiebt sich die Rinne im Seegatt nach Osten. Neben dem Testfall wird in einer weiteren Untersuchung ein Teil des natürlichen Wattsystems der Ostfriesischen Inseln simuliert. Der Bereich zwischen den Inseln Juist und Wangerooge sowie dem Festland wird dazu im Modell zum Simulationsbeginn eingeebnet. Simuliert wird einmal mit dem eingeebneten und einmal mit dem ursprünglichen System. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass ein gekoppeltes Modellsystem in der Lage ist, die qualitative Entwicklung eines Küstengebietes vorherzusagen. Ausgehend von dem eingeebneten Testfall wurde das Gebiet außerdem mit verschiedenen morphodynamischen Beschleunigungsfaktoren modelliert. Die Simulationen zeigen, dass auch bei der Verwendung eines großen Faktors von 350 die Ergebnisse nur sehr geringe Abweichungen gegenüber zehnfach kleineren Faktoren aufweisen. Vervollständigt wird die Untersuchung durch die Anwendung der Simulation für einen natürlichen Küstenraum, wobei eine gemessene Topografie zugrunde gelegt wird. Die Bucht von Paranaguá in Brasilien dient hierfür als Simulationsgebiet. Ziel dieser Simulation ist die Optimierung der Baggerstrategie in der Zufahrt zur Bucht mit Hilfe der gekoppelten Modellierung. Zusätzlich wird der Einfluss eines Leitwerkes entlang der stark sedimentationsgefährdeten Fahrrinne in der Einfahrt zur Bucht untersucht. Für die Bucht von Paranaguá können gute Übereinstimmungen mit den natürlichen Tiefenverteilungen erzielt werden. Der Vergleich verschiedener Klappstellen liefert geeignete Ergebnisse zur Verbesserung der Baggerstrategie. Die Wahl der Klappstellen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Sedimentationen in der Fahrrinne. Das in der Variantenuntersuchung entlang der Fahrrinne installierte Leitwerk liefert als Ergebnis stark verringerte Baggermengen