Entwicklung und Anwendung eines datenbasierten Multikomponenten-Küstenevolutionsmodells am Beispiel der deutschen Nordseeküste

Abstract

Die deutsche Nordseeküste ist ein komplexes System aus Wattflächen, Ästuaren und Barriereinseln. Innerhalb dieses Systems finden hydro- und morphodynamische Prozesse statt, die durch den Klimawandel beeinflusst werden. Um diese Prozesse und deren Veränderungen im Kontext von Küsten-und Naturschutz sowie wirtschaftlichen Interessen zu untersuchen, werden von staatlichen und wissenschaftlichen Akteuren Modellsysteme verwendet, die diese Prozesse auf der Basis mathematischer Regeln beschreiben und simulieren können. Sie werden daher als prozessbasierte Modellsysteme bezeichnet. Die morphologische Entwicklung und damit auch der Einfluss auf hydrodynamische Eigenschaften hängt stark von der sedimentologischen Zusammensetzung der Gewässerbodenoberfläche und des Untergrundes ab. Informationen hierüber werden in Naturmessungen erhoben und müssen mit speziellen Modellsystemen verarbeitet und in räumlich kontinuierliche Informationen überführt werden. Sie werden als datenbasierte Modellsysteme bezeichnet. Mangels geeigneter datenbasierter Modellierungsansätze bestand in der Berücksichtigung sedimentologischer Basisdaten zur Verwendung in prozessbasierten Modellsystemen bisher jedoch ein Defizit.

Diese Lücke wird mit dem in dieser Arbeit entwickelten datenbasierten Multikomponenten-Küstenevolutionsmodell geschlossen. Hierzu werden in der Modellierung von bathymetrischen Daten übliche Approximations- und Interpolationsvorschriften generalisiert und auf funktionale Informationen der Korngrößenverteilung übertragen. In einer neuartigen Kopplung von bestehenden daten- und prozessbasierten Ansätzen werden punktuelle Entwicklungsgleichungen für skalare Eigenschaften einer Kornverteilung auf volle Summenlinien erweitert und in die Fläche übertragen. Hiermit ermöglicht das Küstenevolutionsmodell es, an der gesamten deutschen Nordseeküste zeitvariante sedimentologische Informationen sowohl der Oberfläche als auch des Untergrunds für prozessbasierte Modellsysteme nutzbar zu machen und so die Qualität ihrer Ergebnisse zu verbessern.

Neben der Verwendung als Assistenzwerkzeug für prozessbasierte Modellsysteme können aus den einzelnen Komponenten des Küstenevolutionsmodells darüber hinaus küstengeologische Erkenntnisse abgeleitet werden, die so bisher entweder gar nicht beziehungsweise nicht in dem Ausmaß oder Detailgrad möglich waren.

Durch einen außergewöhnlich langen Auswertungszeitraum von bis zu sieben Dekaden in Kombination mit einer verhältnismäßig hohen jährlichen Auflösung ist in der bathymetrischen Komponente eine regionale Trendumkehr in der Entwicklung der Höhen der Wattflächen im 21. Jahrhundert erkennbar, die bisher nicht identifiziert wurde und möglicherweise bereits auf Auswirkungen des Klimawandels hindeutet. Erstmals werden darüber hinaus mit der oberflächensedimentologischen Komponente die Auswirkungen starker anthropogener Eingriffe wie dem Bau des Eidersperrwerks auf die Oberflächensedimentologie in der Fläche und im zeitlichen Verlauf quantifizierbar. Die Modellierung des Gewässergrundaufbaus als dritte Komponente ermöglicht non-destruktive Analysen unter Anderem des Ablagerungsalters und schafft so neue Optionen zur zeitlichen Einordnung von Erosionsereignissen in flachseismischen Untersuchungen, die hierdurch auch in geschützten Habitaten ohne Ground-Truthing-Bohrkerne auskommen. Mit der Auswertung dieser Komponente wird zudem die hohe Relevanz der zeitvarianten Analyse des Untergrunds der Nordseeküste verdeutlicht, der genau wie die Bathymetrie und die Oberflächensedimentologie stets im zeitlichen Kontext betrachtet werden muss.