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 Er...

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1. Verfasser: Karle, Martina
Beteiligte: Tietze, Klaus-Werner (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2008
Geographie
Schlagworte:
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institution Geographie
description 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.
topic Strömungskanal
Watt
Turbulence
Flume
Waves
Geowissenschaften
Tides
Sedimenttransport
Turbulenz
Sedimenttransport
spellingShingle Strömungskanal
Watt
Turbulence
Flume
Waves
Geowissenschaften
Tides
Sedimenttransport
Turbulenz
Sedimenttransport
Karle, Martina
Turbulenzgesteuertes Erosionsverhalten von Wattsedimenten am Beispiel des Rückseitenwatts der Insel Spiekeroog– Untersuchungen mit hochauflösender Sonar-Technik
This combined flume and field study applies the turbulent kinetic energy (tke) approach to the determination of bed shear stresses ( ) on natural sediments from several sites in the backbarrier tidal flats of Spiekeroog in the East Frisian Wadden Sea, Southern North Sea. Estimations of tke and have been made using Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) data in order to determine erosion thresholds under unidirectional and orbital (wave) currents. A prerequisite for the determination of any of the erodability and sedimentation parameters is that the actual bed level changes at the measuring site are known in detail. This information is obtained by an Acoustic Backscatter system (ABS) with 4 transducers (1, 2 and 4 MHz) used as a multi frequency echosounder and a side scan sonar. For the field measurements two different hydraulic situations have been observed: tide dominated and wave dominated conditions. Under calm weather conditions tide induced current velocities up to 20 cm/s did not lead to local sediment erosion. Critical values of tke and bed shear stress from flume experiments were not exceeded. Highest suspension rates occurred at the beginning and the end of the flooding period. At low water depths high turbulent mixing caused resuspension events of mud size particles only. Under rough weather conditions high tke values and bed shear stresses due to the presence of wave induced currents caused high resuspension rates during high water. The acoustic data were able to show the relation between local erosion events and peak values of the turbulence parameters. An additional aim was to describe the influence of biofilms on erosion thresholds under different seasonal and weather conditions. High biological activity during the summer months may increase the critical shear stress so that stabilization effects occur during calm weather periods. But under stormy conditions, especially during winter months, physical parameters, especially under waves, dominate the transport processes and biofilms are easily eroded. So the local fetch and resulting wave heights and orbital velocities are the driving forces for the remobilisation of sediment on the sheltered tidal flats.
title_alt Sediment entrainment in a turbulent tidal flow in the East Frisian Wadden Sea - high resolution acoustic measurements -
publisher Philipps-Universität Marburg
language German
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author2 Tietze, Klaus-Werner (Prof. Dr.)
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contents This combined flume and field study applies the turbulent kinetic energy (tke) approach to the determination of bed shear stresses ( ) on natural sediments from several sites in the backbarrier tidal flats of Spiekeroog in the East Frisian Wadden Sea, Southern North Sea. Estimations of tke and have been made using Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) data in order to determine erosion thresholds under unidirectional and orbital (wave) currents. A prerequisite for the determination of any of the erodability and sedimentation parameters is that the actual bed level changes at the measuring site are known in detail. This information is obtained by an Acoustic Backscatter system (ABS) with 4 transducers (1, 2 and 4 MHz) used as a multi frequency echosounder and a side scan sonar. For the field measurements two different hydraulic situations have been observed: tide dominated and wave dominated conditions. Under calm weather conditions tide induced current velocities up to 20 cm/s did not lead to local sediment erosion. Critical values of tke and bed shear stress from flume experiments were not exceeded. Highest suspension rates occurred at the beginning and the end of the flooding period. At low water depths high turbulent mixing caused resuspension events of mud size particles only. Under rough weather conditions high tke values and bed shear stresses due to the presence of wave induced currents caused high resuspension rates during high water. The acoustic data were able to show the relation between local erosion events and peak values of the turbulence parameters. An additional aim was to describe the influence of biofilms on erosion thresholds under different seasonal and weather conditions. High biological activity during the summer months may increase the critical shear stress so that stabilization effects occur during calm weather periods. But under stormy conditions, especially during winter months, physical parameters, especially under waves, dominate the transport processes and biofilms are easily eroded. So the local fetch and resulting wave heights and orbital velocities are the driving forces for the remobilisation of sediment on the sheltered tidal flats.
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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. urn:nbn:de:hebis:04-z2008-00839 Sediment entrainment in a turbulent tidal flow in the East Frisian Wadden Sea - high resolution acoustic measurements - 2011-08-10 opus:1902 2008-01-28 Turbulenzgesteuertes Erosionsverhalten von Wattsedimenten am Beispiel des Rückseitenwatts der Insel Spiekeroog– Untersuchungen mit hochauflösender Sonar-Technik 2008-02-20 This combined flume and field study applies the turbulent kinetic energy (tke) approach to the determination of bed shear stresses ( ) on natural sediments from several sites in the backbarrier tidal flats of Spiekeroog in the East Frisian Wadden Sea, Southern North Sea. Estimations of tke and have been made using Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) data in order to determine erosion thresholds under unidirectional and orbital (wave) currents. A prerequisite for the determination of any of the erodability and sedimentation parameters is that the actual bed level changes at the measuring site are known in detail. This information is obtained by an Acoustic Backscatter system (ABS) with 4 transducers (1, 2 and 4 MHz) used as a multi frequency echosounder and a side scan sonar. For the field measurements two different hydraulic situations have been observed: tide dominated and wave dominated conditions. Under calm weather conditions tide induced current velocities up to 20 cm/s did not lead to local sediment erosion. Critical values of tke and bed shear stress from flume experiments were not exceeded. Highest suspension rates occurred at the beginning and the end of the flooding period. At low water depths high turbulent mixing caused resuspension events of mud size particles only. Under rough weather conditions high tke values and bed shear stresses due to the presence of wave induced currents caused high resuspension rates during high water. The acoustic data were able to show the relation between local erosion events and peak values of the turbulence parameters. An additional aim was to describe the influence of biofilms on erosion thresholds under different seasonal and weather conditions. High biological activity during the summer months may increase the critical shear stress so that stabilization effects occur during calm weather periods. But under stormy conditions, especially during winter months, physical parameters, especially under waves, dominate the transport processes and biofilms are easily eroded. So the local fetch and resulting wave heights and orbital velocities are the driving forces for the remobilisation of sediment on the sheltered tidal flats. 2008 Philipps-Universität Marburg Karle, Martina Karle Martina ths Prof. Dr. Tietze Klaus-Werner Tietze, Klaus-Werner (Prof. Dr.)
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