Medium-term morphodynamics of the Mittelplate area, German North Sea coast

Nguyen, Thi Thuy Diem

In view of climate change and sea level rise the prediction of the morphological evolution of coastal areas in medium-term and long-term has become a matter of increasing concern in the field of coastal management. Process-based modelling has recently emerged as an effective tool for studying coastal morphodynamics and for predictive estimation of the coastal development. The main focus of the thesis is to study, analyse and assess the medium-term morphodynamics of a complex network of tidal channels, flats and shoals in the Mittelplate area, Dithmarschen Bight, German North Sea coast. In this framework numerical techniques for accelerating morphodynamic simulations are also critically evaluated. Taking full advantage of recent available high-resolution bathymetric surveys over a period of six years, the natural morphodynamics was thoroughly investigated. Essential reasons for the morphological changes are provided on the base of a structural analysis. The medium-term morphological changes were studied by means of numerical modelling. Process-based models for simulating flow, waves and sediment transport were developed, calibrated and validated against collected field data. According to internationally accepted quality criteria the developed models proved to represent well the hydrodynamics and sediment dynamics in the area of concern. By means of coupling of the process models a morphodynamic model was set-up. Benchmark simulation using the full time series of forcing of tide, wind and waves was conducted for a two-year period and the model proved good ability in reproducing the observed morphological changes. The single effects of the driving forces tide, wind and waves on the morphological development were analyzed and assessed. Main mechanisms driving the morphological evolution of the area were identified. An input reduction method, the so-called "representative period method" applied to time series of wind in conjunction with "morphological factor approach", was used to analyse effectiveness of numerically accelerated simulations for the prediction of morphodynamics. The results show that the method was restrictively applicable for reproducing the medium-term morphodynamics because (i) it disregards associated classes of wind speed and wind direction in time series when shortening the long-term wind data to much shorter "representative period" data; (ii) the interaction of tide, wind and waves from long-term is changed or widely lost in the "representative period". Recommendations for the improvement of the applied input reduction method and the model performance are provided.

Im Angesicht von Klimawandel und Meeresspiegelanstieg ist die Vorhersage der mittel- und langfristigen morphologischen Entwicklung von Küstengebieten von steigendem Interesse im Küstenmanagement. Hier sind prozessbasierte numerische Modelle zu effizienten Werkzeugen für Studien zur Morphodynamik und für vorausblickende Abschätzungen der Küstenentwicklung geworden. Hauptziel der Arbeit ist die Untersuchung, Analyse und Einschätzung der mittelfristigen Morphodynamik in einem komplexen System aus Gezeitenrinnen, Wattflächen und Wattrücken im Mittelplate-Gebiet der Dithmarscher Bucht, Deutsche Nordseeküste. Dabei werden auch numerische Techniken zur Beschleunigung morphodynamischer Simulationen kritisch beleuchtet. Unter Verwendung vorliegender hochauflösender topografischer Vermessungen über einen Zeitraum von 6 Jahren wird zunächst die natürliche Morphodynamik betrachtet. Über Strukturanalysen werden wesentliche Gründe für morphologische Veränderungen offengelegt. Mit Hilfe numerischer Modellierungen werden dann die mittelfristigen morphologischen Veränderungen eingehender untersucht. Dazu wurden prozessbasierte Modelle zur Simulation von Strömung, Seegang und Sedimenttransport entwickelt, kalibriert und verifiziert. Gemäß internationalen Prüfverfahren sind die Modelle befähigt, Hydro- und Schwebstoffdynamik im Zielgebiet in guter Qualität zu reproduzieren. Durch Kopplung der prozessbasierten Modelle wurde ein Morphodynamikmodell aufgebaut. Eine „Benchmark“-Simulation mit vollständiger Zeitreihe der Antriebsgrößen Tide, Wind und Seegang wurde für einen Zeitraum von 2 Jahren durchgeführt. Eine Gegenüberstellung mit Topografiedaten unterstrich die Fähigkeit dieses Modells, die beobachtete Morphologieentwicklung gut zu reproduzieren. Mit dem Modell wurden die Einzeleffekte der Antriebsgrößen auf die morphologische Entwicklung analysiert, bewertet und die Hauptantriebsmechanismen identifiziert. Das Eingabereduktionsverfahren „Repräsentative Periode Methode“, wurde für Windzeitreihen angewandt und mit dem Ansatz „Morphologischer Faktor“ kombiniert, um die Effizienz numerisch beschleunigter Simulationen zur Vorhersage der Morphodynamik zu analysieren. Es wird gezeigt, dass diese Verfahren zur Reproduktion der mittelfristigen Morphodynamik eher eingeschränkt anzuwenden sind, weil a) sie eine Zusammengehörigkeit von Gruppen von Windgeschwindigkeit und Windrichtung bei der numerischen Zerschneidung der Langzeitreihen zu weit kürzeren „repräsentativen Perioden“ außer Acht lassen, und weil b) die Interaktion von Zeitreihengruppen aus Tide, Wind und Seegang durch Verkürzung zu „repräsentativen Perioden“ geändert werden oder verloren gehen. Es werden Empfehlungen zur Verbesserung der angewandten Reduktionstechnik und der Modellleistung gegeben.

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Nguyen, Thi Thuy Diem: Medium-term morphodynamics of the Mittelplate area, German North Sea coast.

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