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Hamburg, 14.06.2016

BAW-Kolloquium

Dr. Levin NickelsenDr. Hassan Nasermoaddeli

Forschung und EntwicklungBerücksichtigung von biogeochemischen undbiologischen Effekten auf den Sedimenttransport

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Inhalt

1. Motivation2. Biogeochemische Prozesse in der Tideelbe (L. Nickelsen)

- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick

3. Biologisch beeinflusste Sedimenttransport-Prozesse in der Nordsee(H. Nasermoaddeli)


4. Zusammenfassung

14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli

Seite 2

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Inhalt





4. Zusammenfassung


Seite 3

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Motivation

Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 414-Jun-16

Anorg. MaterialOrg. Material

Flokkulation &Akkumulation?

Einfluss von biogeochemischen Prozessen auf Sedimenttransport

§ Einfluss von organischenPartikeln?

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Motivation






§ Einfluss von Bodenbewuchs?

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Motivation






§ Einfluss von Bodenbewuchs?§ Einfluss von Makrofauna (z.B.

Muscheln) ?

Biogeochemie: Interdisziplinäre Betrachtung der chemischen, biologischen und physikalischen Prozessevon Stoffkreisläufen in Biosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Pedosphäre/Lithosphäre

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Motivation






§ Einfluss von Bodenbewuchs?§ Einfluss von Makrofauna (z.B.

Muscheln) ?

Biogeochemie: Interdisziplinäre Betrachtung der chemischen, biologischen und physikalischen Prozessevon Stoffkreisläufen in Biosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Pedosphäre/Lithosphäre

Mögliche Rolle z.B. im Sedimentmanagement

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Inhalt





4. Zusammenfassung


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Welche biogeochemischen Prozesse sindvon Bedeutung?

§ Biogeochemischer Einfluss aufSchwebstoff- und Sedimentdynamik

§ Biogeochemischer Einfluss aufSauerstoffkonzentrationen (z.B. beiUnterhaltungsmaßnahmen)

Prozesse


Topographie

Hamburg

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Prozesse – Schema Sauerstoffkonzentrationen


Organisches MaterialPhytoplankton

Sauerstoff aus der Atmosphäre

Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton

Nordsee Hamburg Hafen Geesthacht

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Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton§ Zu niedriges Phytoplankton-Wachstum

durch geringe Lichtverfügbarkeit


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durch geringe Lichtverfügbarkeit§ Geringere Sauerstoffzufuhr aus der

Atmosphäre bei größerer Wassertiefe


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durch geringe Lichtverfügbarkeit§ Geringere Sauerstoffzufuhr aus der

Atmosphäre bei größerer Wassertiefe§ Geringe Löslichkeit bei hohen

Temperaturen


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§ Ziel: Reproduktion der gemessenen Sauerstoffkonzentrationen durch unser

biogeochemisches Simulationsmodell

§ Wo treten die kleinsten Sauerstoffkonzentrationen in der Tideelbe auf?

§ Was ist der Einfluss von steigenden Temperaturen auf die

Sauerstoffkonzentrationen?

Prozesse - Fragestellungen


Kalibrierung Sauerstoff Sedimenttransport

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4. Zusammenfassung


Seite 16

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§ Offline Kopplung von Strömungsmodell (Untrim2) und Biogeochemiemodell

(Delwaq)

Model


Untrim2(Strömungsmodell)

StrömungTemperaturSalzgehalt

Rechengitter

WasserqualitätLauf 1

WasserqualitätLauf 2 …

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Hamburg

MessstationSeemannshöft

Model - Untrim2

Seite 1814-Jun-16

Rechengitter mitSubgrid-Technologie:

Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli

Größe Korrelation zuMesszeitreihen

Wasserstand 0.99

Strömungsgeschwindigkeit 0.77

Salzgehalt 0.84

Temperatur 0.99

§ 31 Tiefenlevel§ Sehr hohe Auflösung

für biogeochemischeSimulation

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Modell – Biogeochemie (Delwaq)

Seite 1914-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli

§ Biogeochemischer Kreislauf

§ Aufbau von organischen

Partikeln durch Phytoplankton

(Diatomeen & Grünalgen)

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Modell – Biogeochemie (Delwaq)

Seite 2014-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli

§ Sauerstoffproduktion durch

Phytoplankton

§ Sauerstoffzehrung durch Abbau

organischer Partikel und

Nährstoffumwandlung

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Inhalt





4. Zusammenfassung


Seite 21

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Ergebnisse – Parameteroptimierung und Sensitivitätsanalyse


§ Der jahreszeitlicheVerlauf wird bereitsreproduziert

§ Kalibrierung nochnichtabgeschlossen

§ Es werden evtl.bessereRandbedingungenbenötigt

Sauerstoffkonzentrationen bei Seemannshöft (flussabwärts vom HafenHamburgs) mit beobachteten Daten bei 1 m Tiefe.

Sau

erst

offk

onze

ntra

tion

(mg/

l)

Beobachtung

Beobachtungsdaten: Wassergütemessnetz, Institut für Umwelt und Hygiene, FlussgebietsgemeinschaftElbe, www.wgmn.hamburg.de

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Ergebnisse – Minimale O2-Konzentrationen


§ Sauerstoffkonzen-trationenunterschreiten 3mg/l

§ Die niedrigstenKonzentrationentreten im Hafenund stromabwärtsdes Hafens auf

Min

imal

etie

feng

emitt

elte

Saue

rsto

ffkon

zent

ratio

n(m

g/l)

Simulierte räumliche Verteilung der kleinsten auftretenden Sauerstoff-Konzentrationen im Jahre 2010.

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Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 24

Ergebnisse – Sensitivität gegenüber Temperatur

§ Bis zu 2 mg/lweniger beiräumlich undzeitlich konstanterErwärmung von+5°C (worst caseIPCC Vorhersagen2100)

Sauerstoffkonzentrationen bei Seemannshöft (flussabwärts vom HafenHamburgs) für verschiedene Temperaturen bei 15 m Tiefe.

Sau

erst

offk

onze

ntra

tion

(mg/

l)

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Inhalt


- Prozesse- Modelle- Kalibrierung & Sensitivitätsstudie- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick



4. Zusammenfassung


Seite 25

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Zwischenzusammenfassung§ Simulationsergebnis eines 3D-biogeochemischen Modells kann den Jahresgang der

Sauerstoffkonzentrationen reproduzieren

§ Großer Einfluss der temperaturabhängigen Prozesse

§ Analyse der geografischen Position geringer Sauerstoffkonzentrationen möglich: in der

Tideelbe unterer Hafen und stromab

Ausblick§ Systematische Parameteroptimierung und Sensitivitätsstudie

§ Wo lagern sich bevorzugt organische Sedimente ab?

§ Wie beeinflusst Flokkulation mit organischen Partikeln die gesamte Sedimentdynamik?


Zusammenfassung & Ausblick

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Inhalt


- Prozesse- Modelle- Kalibrierung & Sensitivitätsstudie- Ergebnisse- Ausblick



4. Zusammenfassung


Seite 27

Biologische Faktoren erhöhen dieResuspensionsrate 3- bis 6-fach (Davis,1993)

Davis, Wayne R. (1993): The role of bioturbation in sedimentresuspension and its interaction with physical shearing. In: Journal ofExperimental Marine Biology and Ecology 171 (2), S. 187–200. DOI:10.1016/0022-0981(93)90003-7.

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Einführung – Benthische Organismen


Gerippte TellermuschelTellina fabula

Prozesse

Benthische Organismen:

§ Benthische Flora

- Makrophyten (z.B. Seegras)

- Mikrophytobenthos (z.B. Diatomen, Algen)

§ Benthische Fauna bzw. Zoobenthos (z.B. Muscheln,Schnecken, Würmer)

- Mikrozoobenthos (kleiner als 0,1 mm)

- Meiozoobenthos (0,1-1,0 mm)

- Makrozoobenthos (Makrofauna-größer als 1 mm)

Dannheim, J. , Gusky, M. , Gutow, L. and Boethling, M. (2012): Bewertungsansätze für Raumordnung und Genehmigungsverfahren im Hinblick aufdas benthische System und Habitatstrukturen , Projektbegleitkreis zum F+E Vorhaben "Bewertungsansätze für Raumordnung undGenehmigungsverfahren hinsichtlich des benthischen Systems", Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg, 16 January 2012- 16 January 2012 .

Daten von Dannheim et al 2012

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Wirkungsweise der Biologische Prozesse auf den Sedimenttransport


Biofilm

• Kritische Sohl-schubspanung

• Erodierbarkeit

BiologischeStrukturen

• Rauheit

• Riffelhöhe

• Sohlschub-spannung

• BodennaheGeschwindigkeit

Bioturbation

• Kritische Sohl-schubspanung

• Erodierbarkeit

• Korngrößen-verteilung

• Netto-Stofffluss

• Sink-geschwindigkeit

BiologischeProzesse undEigenschaften

Biologische Effekteauf die Strömungund denSedimenttransport

Prozesse

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Stabilisierungs- und Destabilisierungseffekte

Nach Borsje, B. W. et al. (2008): Modeling large-scale cohesive sediment transport affected by small-scale biological activity. In: Estuarine,Coastal and Shelf Science, 78, 3, S. 468–480.


Parametrisierung

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

0,00 5,00 10,00 15,00

T s

Chllorophyll-a Gehalt [mg g -1]

Stabilisierungsfaktordurch Mikrophytobenthos

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

0,00 2,50 7,50 15,00 25,00 35,00 45,00 55,00

T d

Biomass [g C m -2]

Destabilisierungsfaktordurch Macoma balthica

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Modulares Modellsystem mit:

- physikalischen

- ökologischen

- biologischen

- und geologischen Modulen

MOSSCO- Modular System for Shelves und COasts


MOSSCO

Modelle

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Sensitivitätsstudie der biologischen Effekte

Ergebnisse

Wasserspiegel am Pegel Helgoland

Schwebstoffkonzentration (SPM) – Tellina fabula

Schwebstoffkonzentration (SPM) – Mikrophytobenthos

[mg/

l][m

g/l]

[m]

0 [ind/m2]150 [ind/m2]350 [ind/m2]

0 [µg/g]5 [µg/g]10 [µg/g]

Zeit [Tage]


Seite 32

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Tellina fabula Abundanz Verteilung (Interpolation)

Ergebnisse

Daten von Dannheim et al 2014

Tellina fabula ist eine der dominierenden Artengemeinschaften in der AWZ-Nordseebestehend aus (Salzwedel et al 1985) :

-Tellina fabula (gerippte Tellermuschel)-Echinocardium cordatum (Herz-Seeigel)-Magelona papilicornis (Polychaet)-Urothoe grimaldii (Amphipode)

Tellina fabula Abundanzkarte

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Sedimentkonzentration mit und ohne biologische Effekte von Muscheln


Seite 34

Ergebnisse

Ohne biologische Effekte

Mit biologischen Effekten

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Fortsetzung der Thematik (MOSSCO- Synthese):

§ Fokus auf anwendungsorientierte Fragestellungen (allgemeine Verwendbarkeit)

§ Rückkopplung zwischen Makrofauna und Sedimenttransport

§ Berücksichtigung der biologischen Effekte von Mikroorganismen in der Wassersäuleauf SPM-Dynamik

Ausblick


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§ Simulationsergebnis eines 3D-biogeochemischen Modells kann den Jahresgang derSauerstoffkonzentrationen in der Tideelbe reproduzieren

§ Großer Einfluss der temperaturabhängigen Prozesse

§ Simulationsergebnisse der biologischen Effekte von Makrofauna zeigen einenachweisbare Erhöhung der lokalen SPM und im Küstenvorfeld, bedingt durch denhorizontalen Transport

§ Mikrophytobenthos beeinflusst ebenso deutlich die SPM Konzentration

Zusammenfassung


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