Report, Published Version Holzwarth, Ingrid; Nickelsen, Levin Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe. FuE- Abschlussbericht B3955.03.04.70228 Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/106568 Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.) (2019): Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe. FuE-Abschlussbericht B3955.03.04.70228. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use: Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichenden Nutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, die Weiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung der Namensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigen Nutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte. Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license is applicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the material of the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms of the restrictive license will be binding. Verwertungsrechte: Alle Rechte vorbehalten FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe B3955.03.04.70228 Januar 2019 FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe Beginn des Vorhabens: Januar 2015 Auftrags-Nr.: BAW-Nr. B3955.03.04.70228 Aufgestellt von: Abteilung: Wasserbau im Küstenbereich Referat: K3 Ästuarsysteme II Projektleiter: Dr. Ingrid Holzwarth Bearbeiter: Dr. Ingrid Holzwarth, Dr. Levin Nickelsen Hamburg, Januar 2019 Der Bericht darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentli- chung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW. Bundesanstalt für Wasserbau · Postfach 21 02 53 · 76152 Karlsruhe · Tel.: (0721) 97 26 - 0 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 Zusammenfassung Das Ergebnis dieses Projektes ist ein biogeochemisches Modell der Wassersäule der Tideelbe zur Modellierung des gelösten Sauerstoffs. Das Modell besteht aus einem hydrodynamischen Antrieb durch das Modell Untrim2009, einem Kopplungsmodul zwischen Untrim2009 und dem Deltares Water Quality Model Delwaq sowie einer biogeochemischen Prozesskonfiguration aus der Prozessbibliothek von Delwaq. Mit dem Modell sind Simulationen in 1D, 2D und 3D möglich. Im Rahmen des Projektes wurde das Modell für die Jahre 2010 und 2011 validiert und Untersu- chungen mit einem 1D Modell auf einer idealisierten Ästuargeometrie sowie mit einem 3D Mo- dell der Tideelbe durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen für die Tideelbe: • Die Sauerstoffdynamik wird von zehrenden Prozessen dominiert. • Die binnenseitige Belastung ist entscheidend ist für die Ausprägung des sommerlichen Sauerstoffdefizites. • Bathymetrische Modifikationen können grundsätzlich über die Änderung des Verhält- nisses von Wasseroberfläche zu darunter liegendem Wasservolumen und über die Än- derung der Transportzeiten einen Einfluss auf die Sauerstoffdynamik haben. • Eine realistische, anthropogen geprägte bathymetrische Veränderung über vier Jahr- zehnte (die Situation im Jahr 2010 im Vergleich zu 1970) hat einen geringeren Einfluss auf die Ausprägung der sommerlichen Sauerstoffminimumzone als die ebenfalls anthro- pogen bedingte, hohe stoffliche Belastung aus der Binnenelbe. • Dennoch stellen bathymetrischen Änderungen, insbesondere über ihre Wirkung auf die spezifische Wasseroberfläche und die Veränderung der Transportzeiten, einen zusätzli- chen Stressor für die Sauerstoffgehalte dar. Als ein Maß für die Veränderung von Transportzeiten konnte das Konzept des Wasseralters erprobt werden. Veränderungen im Wasseralter weisen auf Änderungen im hydrodynamischen System hin, die Einfluss auf das biogeochemische System des Ästuars haben können. Die Arbeiten dieses Forschungsprojektes wurden auf mehreren nationalen und internationalen Konferenzen und Meetings vorgestellt und mündeten in einer Dissertation sowie bisher zwei peer-reviewed-Artikeln in internationalen Zeitschriften, siehe Anlage 2. Zukünftig sollte eine Reduktion der Modelllaufzeit der biogeochemischen Modellkomponente sowie die Verwendung eines einheitlichen Lösungsverfahrens für die Transportgleichung in der hydrodynamischen und der biogeochemischen Modellkomponente erreicht werden. Für die Untersuchung von Unterhaltungsmaßnahmen in Ästuaren sind konzeptionelle Weiterentwick- lungen zurIntegration weiterer Prozesse, insbesondere die Interaktion von mineralischen und organischen Schwebstoffen sowie von Prozessen im Sohlsediment notwendig. Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Auf dem Weg zu einem integralen Ansatz 1 2 Entwicklungen 2 3 Ergebnisse 2 4 Schlussfolgerungen 3 5 Literaturverzeichnis 4 I Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 Anlagenverzeichnis Anlage 1: Implications of direct anthropogenic pressures on dissolved oxygen dynamics in well-mixed estuary a Anlage 2: Liste der Veröffentlichungen II Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 1 Auf dem Weg zu einem integralen Ansatz Die Ausbauten sowie die Unterhaltungsmaßnahmen in den Küstenwasserstraßen werden zu- nehmend hinsichtlich ihrer biologischen und ökologischen Auswirkungen hinterfragt. So kann beispielsweise der Gehalt von gelöstem Sauerstoff im Wasser, einer kritischen Einflussgröße für viele biologische Prozesse, durch Ausbau- oder Unterhaltungsmaßnahmen verändert werden. Gleichzeitig können biologische Prozesse den Sedimenttransport und somit die Unterhaltungs- maßnahmen beeinflussen. Eine konsistente Simulation hydrodynamischer Größen, konservati- ver Stofftransporte sowie der Transporte und Umwandlungen nicht-konservativer Stoffe er- möglicht die prozessbasierte Untersuchung dieser Wirkungsmechanismen, die Identifizierung von Sensitivitäten und die Analyse von Szenarien, beispielsweise unterschiedlicher Unterhal- tungsstrategien oder der Folgen durch Klimaänderungen. Für dieses langfristige Ziel sind um- fangreiche Kopplungen und Weiterentwicklungen bestehender Methoden notwendig, die in aufeinanderfolgenden Schritten bearbeitet, getestet und validiert werden müssen. Im diesem FuE-Projekt lag der Fokus auf der Entwicklung eines dreidimensionalen hydrodyna- misch-biogeochemischen Modells für die Tideelbe mit dem Ziel, die Auswirkung von menschli- chen Eingriffen in die Ästuargeometrie auf den Sauerstoffgehalt als zentralen Baustein im bioge- ochemischen System modellieren zu können. Die technischen Vorarbeiten des FuE-Projektes „Interaktion von Größen des Sedimenttransports und der Wasserqualität in dreidimensionalen Ästuarmodellen“ konnten hierzu genutzt werden, sodass eine offline Modellkopplung zwischen Untrim2009 (Casulli and Stelling 2010; Sehili et al. 2014) und dem Deltares Water Quality Model Delwaq (Postma et al. 2003; Deltares 2014) zur Verfügung stand. Die Ausgangslage für die beiden im integralen hydrodynamisch-biogeochemischen Modell ge- koppelten Komponenten ist grundsätzlich unterschiedlich: Die dreidimensionale Modellierung der Hydrodynamik in Ästuaren hat weltweite Anwendung gefunden; sie liefert eine Übereinstimmung zwischen Messwerten und Modellergebnissen, die ein Verständnis der zugrundliegenden Naturprozesse ermöglichen (Warner 2005; Zhang and Baptista 2008; Gross et al. 2010; Sehili et al. 2014; Kärnä and Baptista 2016; MacWilliams et al. 2016). Die Modellierung der Biogeochemie hingegen wird erschwert durch die inhärente Komplexität biologischer Prozesse, die Unsicherheit in der mathematischen Beschreibung der Prozesse so- wie die teils unzureichende Grundlage an Beobachtungsdaten. Diese Faktoren resultieren in Überparametrisierung, hohen Modellunsicherheiten und Fehlerfortpflanzung (Ganju et al. 2016). Darüber hinaus hat insbesondere der Wunsch, Modelle zu entwickeln, die zur besseren Übertragbarkeit möglichst einfach gehalten werden sollen (Evans et al. 2013), zu einer Verzöge- rung in der Anwendung von dreidimensionalen biogeochemischen Modellen geführt. Es gibt weltweit Beispiele für die Anwendung von dreidimensionalen hydrodynamisch- biogeochemischen Modellen in Ästuaren, die sich jedoch in ihrer Komplexität hinsichtlich der Beschreibung der Prozesse sowie der räumlichen und zeitlichen Auflösung stark unterscheiden (Wool et al. 2003; Cerco and Noel 2004; Webster and Harris 2004; Xu and Hood 2006; Neumann 1 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht Ein 3D biogeochemisches Modell für die Tideelbe BAW-Nr. B3955.03.04.70228 ▪ Dezember 2018 and Schernewski 2008; Fennel et al. 2013; Testa et al. 2014; Wild-Allen and Andrewartha 2016; Lajaunie-Salla et al. 2017). Der Untersuchungsgegenstand ist in allen Fällen der hohe Nährstoffe- intrag und dessen Wirkung auf das biogeochemische System. Dreidimensionale, integrale Model- le zur Untersuchung anthropogener Einflüsse auf die