Modelling of sediment dynamics in the Dithmarschen Bight, German North Sea Coast

The main concern throughout this thesis is the development of a numerical sediment transport model for an area in the German North Sea coast exhibiting a complex-bathymetry which is subject to a prevailing semi-diurnal tidal forcing (mean tidal range of about 3.2m) in the tidal channels and a combined wave-current influence on the shallower tidal flats and sand banks. The construction of the sediment model evolved from an initial condition based on the formulae for the sediment dynamics of non-cohesive particles in which sediment and morphological input parameters were set constant in space and time. Subsequently, in order to improve the performance of this model a combined analysis of cohesive and non-cohesive sediment dynamics is carried out. The improved sediment model is further enriched by means of spatial and temporal refinement of relevant input parameters, namely: a) Spatial distribution of grain sizes. A functional relationship between grain sizes, orbital velocities and relative wave height is proposed and successfully validated in the study area by means of comparisons between predicted and observed grain sizes. b) Spatial and temporal variation of bedforms and equivalent roughness sizes. An existent methodology extensively used and validated for uniform, steady flows [Van Rijn, 1993] is adapted for unsteady tidal flows. Measurements of bedform heights and lengths along the main tidal channels of the study area corroborate the validity of this approach. c) Sediment availability. Areas in the deepest parts of the tidal channels, where layers of highly consolidated materials have outcropped, are included into the model through the reduction of the sediment supply at the bed-flow interface. d) Seasonal variation of cohesive sediment properties. The non-stationary character of the driving gravitational force affects the temporal behavior of several parameters through the neap-spring cycle. Interpolation and extrapolation techniques based on two well calibrated conditions at neap and spring stages are used to define some parameters such as: critical shear stress(erosion-deposition), settling velocity, fraction of cohesive content and erosion rate coefficient at any flow stage under calm weather conditions. The final sediment transport model including all aspects mentioned above, rendered an overall improvement in the model performance of about 50%. Comparisons between predicted and observed suspended sediment concentrations for five independent datasets at different stages in the neap-spring cycle resulted in RMAE values ranging from 0.42 to 0.53. The difficulty in measuring suspended concentrations in the field as stated by several authors, underlines the accuracy of the results obtained through this sediment transport model.Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Sedimenttransportmodells im Bereich der Deutschen Nordseeküste. Es besitzt eine komplexe Bathymetrie und unteliegt in den Prielen überwiegend halbtägigen Gezeiten (mittlerer Tidenhub von etwa 3,2m). Die flachen Wattbereiche sind durch eine Kombination von Wellen- und Strömungseinfluss gekennzeichnet. Die Ausgangsbedingungen des Sedimentmodells basieren auf der Sedimentdynamik nicht-kohäsiver Partikel und nehmen räumlich und zeitlich konstante sedimentologische und morphologische Eingabeparameter an. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Modells wird eine Kombinationsanalyse unter Berücksichtigung von kohäsiven und nicht-kohäsiven Sedimentdynamiken durchgeführt. Das optimierte Sedimentmodell wird weiterhin durch die räumliche und zeitliche Verfeinerung relevanter Eingabeparameter verbessert, und zwar: a) Räumliche Verteilung von Korngrößen. Es wird eine funktionale Beziehung zwischen Korngrößen, Orbitalgeschwindigkeiten und relativen Wellenhöhen angenommen und erfolgreich validiert, indem prognostizierte und beobachtete Korngrößen verglichen werden. b) Räumliche und zeitliche Variationen von Bodenformen und äquivalenten Rauheiten. Eine bereits bestehende Methode, welche weitgehede Anwendung findet und für gleichförmige und stationäre Strömung validiert ist [Van Rijn, 1993], wird für instationäre Gezeitenströmungen angepasst. Messungen von Bodenformenhöhen und –längen entlang der Hauptpriele im Untersuchungsgebiet bestätigen die Validität dieses Ansatzes. c) Sedimentverfügbarkeit. Flächen in den tiefsten Bereichen der Priele, in denen Lagen von stark konsolidiertem Material freiliegen, werden durch eine Verminderung der Sedimentverfügbarkeit an der Boden-Wassersäule Grenze in dem Modell berücksichtigt. d) Saisonale Variationen von Kohäsionseigenschaften. Der ortsveränderliche Charakter der Schwerkraft als Antriebskraft beeinflusst das zeitliche Verhalten einiger Parameter während des Nipp-Springtide Zykluses. Für zwei gut kalibrierte Bedingungen während des Nipp-Springtide Zykluses werden Interpolations- und Extrapolationstechniken angewendet, um diese Parameter zu definieren. Hierzu gehören: die kritische Schubspannung (Erosion, Deposition), die Sinkgeschwindigkeit, der Anteil an kohäsivem Material und die Erosionsrate unter jeglichem Fließstadium bei ruhigen Wetterbedingungen. Das endgültige Sedimenttransportmodell, welches alle der oben genannten Aspekte einbezieht, erreichte eine Gesamtverbesserung der Modellleistung um etwa 50%. Vergleiche zwischen prognostizierten und beobachteten suspendierten Sedimentkonzentrationen für fünf unabhängige Datensätze zu verschiedenen Zeitpukten im Nipp-Springtide Zyklus, ergaben RMAE-Werte von 0,42 bis 0,53. Die Ergebnisse des Sedimenttransportmodells können, in Anbetracht der Schwierigkeiten, die von vielen Autoren bei der Feldmessung von suspendierten Sedimentkonzentrationen beschrieben wurden, als relativ genau bezeichnet werden