Sensitivity analysis of single storm surges in the Jade-Weser Estuary

Abstract

Coastal engineering is tasked with designing, constructing and maintaining hydraulic works in the coastal zone. Coastal dikes form a first hard line of defense against impend- ing storm surges, developed waterways ensure safe navigation and developed terminals facilitate maritime trade and are classified as critical coastal infrastructure depending on their individual turnover and criticality. European Windstorms, intrinsic to Europe, impact the German Bight ten times a year on average, inducing storm surges, eroding coastline stretches and obstructing navigation due to agitated sea states causing large monetary losses, endangering livelihoods and ne- cessitating ensuing repairs. These extra-tropical cyclones develop on the Atlantic Ocean and follow a westward storm trajectory through the North Sea. The German Bight, with its relatively shallow water depth and intricate coastline is located at the impact end of these storm trajectories. Due to the geographic nature this coastline exerts a funneling effect on storm systems with northern or western incident angles. Ubiquitous environ- mental changes impact atmospheric and hydrospheric processes, which control the for- mation and evolution of extreme system states such as storm surges. Consequently, the assessment of individual coastal key drivers is an integral part of coastal engineering and research investigating impacts on critical coastal infrastructure and coasts against the background of environmental change. In this thesis, potential impacts stemming from changes in sea level, estuarine discharge, sea state and aeolian quantities as well as sediment transport, are investigated for the Jade-Weser estuary. Identified changes are simulated employing a numerical open source software suite and evaluated for the transshipment complex Wilhelmshaven lining the Inner Jade, comprising several critical terminals. A comprehensive model quality assess- ment is carried out and demonstrates the well-suited character of the model to reproduce the complex hydrodynamics, sea states, atmospheric conditions and induced morpholog- ical changes. Storm research scenarios are developed around permutations of coastal key drivers with three different intensity levels for a Scandinavian and a Jutland type storm, which constitute the two major storm types impacting the German Bight. Impacts on hydrodynamics, waves and morphodynamics are evaluated and residual current and transport patterns compiled. A juxtaposition of results reveals non-linear amplification effects. Regional sea level rise is attributed as the largest single driver contribution, the second largest impact magni- tude is exerted by changes in atmospheric conditions and tertiary effects are attributable to changes in wave conditions. The smallest changes on storm impacts are induced by estuarine discharge. Hydraulic development of the European Container Terminal Wil- helmshaven, a critical coastal infrastructure, induces distinct impacts on current and transport residuals under storm conditions.

Küsteningenieurwesen ist mit der Planung, Errichtung und Erhaltung von Bauwerken in der Küstenzone betraut. Seedeiche bieten Hochwasserschutz vor anbrandenden Sturm- fluten, während ausgebaute Fahrwasser die Sicherheit der Küsten- und Seeschifffahrt gewährleisten und Hafenanlagen (Über-)Seehandel ermöglichen und je nach Umschlag- menge und Güterart als kritische Infrastrukturen klassifiziert werden. Europäische Sturmzyklone treffen die Deutsche Bucht im Durschnitt zehn Mal pro Jahr und verursachen Sturmfluten, erodieren Küstenvorländer und beeinträchtigen die Schiff- fahrt. Sturmschäden belaufen sich jährlich auf Milliarden Euro und erfordern Ertüchti- gungen von Küstenbauwerken. Diese Sturmzyklone entstehend über dem Atlantik und folgen einer Westzugbahn, die sie über Nordeuropa und die Nordsee ziehen lässt, wo sie die Deutsche Bucht mit ihrer geringen Wassertiefe und verwinkelten Küstenlinie treffen. Sich ändernde Umweltbedingungen beeinflussen atmosphärische sowie hydrosphärische Prozesse gleichermaßen, die für die Entwicklung und Zugbahn extremer Systemzustände wie Orkane und Sturmfluten entscheidend sind. Folgerichtig ist die Identifikation und Erforschung von individuellen Schlüsselprozessen, die maßgeblich zur Küstenentwick- lung beitragen und potentielle Auswirkungen auf systemkritische Küsteninfrastruktur aufweisen, ein integraler Bestandteil der Forschung im Küsteningenieurwesen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Auswirkungen untersucht, die sich durch Meeresspiege- lanstieg, erhöhten Binnenlandabfluss, verstärkten Seegang sowie intensivierte Wind und Druckfelder für das Jade-Weser Ästuar ergeben. Identifizierte Änderungen werden mit einem quelloffenen numerischen prozessbasierten Modell berechnet und für den Hafen- komplex Wilhelmshaven in der Innenjade, der teilweise kritische Infrastrukturen um- fasst, ausgewertet. Ein umfassender Vergleich mit Beobachtungsdaten zeigt, dass das Modell in der Lage ist, komplexe hydrodynamische Prozesse aber auch Seegang, At- mosphärische Prozesse und induzierten Sedimenttransport abzubilden. Sturmszenarien mit drei unterschiedlichen Amplifikationsniveaus für die Schlüsselprozesse werden en- twickelt und Einzel- sowie Kombinationswirkung untersucht. Auswirkungen auf die Hy- dromechanik, Wellenausbreitung und Morphodynamik werden untersucht und Residuale Strömungs- und Transportmuster der zwei Sturmtypen studiert. Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigt nicht-lineare Wechselwirkungen der einzel- nen Prozesse auf, die z.T. verstärkend wirken. Lokaler Meeresspiegelanstieg weist die größte Wirkamplitude auf, Atmosphärische Änderungen zeigen die zweitstärksten Aus- wirkungen und Wellen die drittstärkste. Den kleinsten Einfluss auf die Sturmflutparam- eter zeigt der Binnenlandabfluss. Wasserbauliche Änderungen durch den geplanten Aus- bau des Europäischen Container Terminals Wilhelmshaven, einer kritischen Küstenin- frastruktur, weist einen starken Einfluss auf Residuale Strömungs- und Transportmuster unter Sturmbedingungen auf.