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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Gutachten und Stellungnahmen zur Hydrodynamik, Morphologie und Sedimentdynamik der Ostseeküste

In Verbindung mit Küstenschutzmaßnahmen je nach Örtlichkeit und Themen.

Modellierung von Strömungen über Bodenformen in Tidegebieten

Das Ziel dieses Projekts besteht in der Analyse der Strömungsmuster über subaquatischen Bodenformen in Tidegebieten mit Hilfe hochauflösender numerischer Modelle. In Flüssen, nahe der Küsten und in größeren Tiefen sind Bodenformen weit verbreitet und reflektieren Strömung und Sedimenttransportwege, während sie gleichzeitig einen starken Effekt auf die Strömung ausüben. Diese Effekte sind darüber hinaus von hoher sozio-ökonomischer Bedeutung, z.B. hinsichtlich der Schiffbarkeit von Flussmündungen und der Sicherheit von Offshore-Konstruktionen. Bedingt durch Hydrodynamik und dem Vorkommen sandiger Sedimente sind flache Tidegebiete durch die Entwicklung großer Felder komplexer Bodenformen gekennzeichnet. Strömungsmuster über diesen Bodenformen unterscheiden sich grundsätzlich von Strömungen über gleichmäßigen, idealisiert zweidimensionalen (2D) Bodenformen, die in Strömungskanälen und numerischen Modellen bisher betrachtet werden. Natürlichen Bodenformen sind dagegen intrinsisch dreidimensional (3D) mit komplexen Profilen, gekennzeichnet durch geschwungene Dünenrücken, Kolke, Bifurkationen, Diskontinuitäten und niedrige Leewinkel. In Küstengebieten sorgt die tidebedingte Strömungsumkehr für zusätzliche Komplexität in der Interaktion zwischen Bodenformen und Hydrodynamik. Die entsprechenden Strömungsmuster sind weitgehend unbekannt, insbesondere der Einfluss der Dreidimensionalität der Bodenformen auf die Gezeitenströmung, auch bedingt durch die Schwierigkeit, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenz synoptisch mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Im Rahmen der hier beschriebenen Studie wird ein dreidimensionales Transportmodell mit dem Modellsystem Delft3D erstellt, um Strömungen in natürlichen Bodenformfeldern mit entsprechend charakteristischer Morphologie zu simulieren. Dazu soll ein bestehendes und zur Simulierung von 2D Bodenformen genutztes Modell erweitert und zur Analyse der Strömungen über 3D Bodenformen verwendet werden. Mit diesem neuen Modell wird zum ersten Mal ermöglicht, Strömungsmuster und Turbulenz über natürlichen Bodenformfeldern unter realistischen Bedingungen, insbesondere unter Berücksichtigung der Umkehr der Gezeitenströmung, zu modellieren und den Einfluss einzelner morphologischer Elemente sowie deren Interaktion herauszuarbeiten. Diese Ergebnisse dienen schließlich der Optimierung und Parametrisierung kleinskaliger Teilprozesse in großmaßstäblichen hydro- und morphodynamischen Modellsystemen.

Seegangsmessprogramm Ostfriesische Inseln und Kueste

Seegangsmessungen zur Erstellung von Bemessungsgrundlagen fuer Bauwerke des Insel- und Kuestenschutzes sowie zur ursaechlichen Deutung seegangsbedingter hydrodynamisch-morphologischer Wechselwirkungen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1889: Regional Sea Level Change and Society (SeaLevel), Ursachen regionaler Meeresspiegelvariationen auf dekadischen und längeren Zeitskalen (DECVAR)

Die Studie zielt ab auf die Untersuchung von momentanen und vergangenen Meeresspiegeländerungen auf regionaler Skala. Hierbei sollen Ursachen und Mechanismen identifiziert werden, die diese Variationen erklären können; dabei werden freie Klima-Moden ebenso berücksichtigt wie externe Antriebe, einschließlich anthropogene Einflüsse. Dadurch werden Methoden und Wissen entwickelt, mit denen in regionale Meeresspiegelbeobachtungen jeweils natürliche Variationen und anthropogenen Effekten identifiziert werden können. Erzielte Erkenntnisse werden verwendet werden, um Ursachen und Mechanismen von Meeresspiegelvariationen um die zweiten Untersuchungsgebiete des SPP herum (dem westlichen tropischen Pazifik und Indonesischem Archipel ebenso wie der Nordsee) zu analysieren.

TrilaWatt: Hydrodynamische Kennwerte 2015 (WCS)

<span><strong>Definitionen:</strong> Hydrodynamik beschreibt die Bewegung von Fluiden und die dabei wirkenden Kräfte. Hydrodynamische Kennwerte sind zeitintegrierte, beschreibende Parameter dieser Prozesse. So tragen bspw. die grundlegenden Tidekenngrößen des Tidehochwassers, des Tideniedrigwassers sowie der damit eng verbundenen Werte für Tidestieg, Tidefall und Tidehub dazu bei, die Dynamik der Tide herauszuarbeiten.</span> <span><strong>Datenerzeugung:</strong> Aus numerischen Simulationsdaten wurden physikalische Größen wie beispielsweise Wasserstand oder Strömungsgeschwindigkeit in festen zeitlichen Intervallen unter Berücksichtigung erreichbarer Genauigkeiten berechnet. Diese Simulationsdaten wurden mit Datenanalysemethoden zu hydrodynamischen Kennwerten wie beispielsweise dem Tidehub zusammengefasst. Es wurden harmonische Analysen des Wasserstandes durchgeführt und Tidekennwerte des Wasserstands bzw. statistische Langzeitkennwerte von Wasserstand, Strömungsgeschwindigkeit, Salzgehalt, Wassertemperatur und Schwebstoffgehalt berechnet. </span> <span><strong>Produkte:</strong> Hydrodynamische Kennwerte aus dem Projekt TrilaWatt basieren auf der Analyse der numerischen Simulation von Tide, Seegang, Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffkonzentration im Bereich des trilateralen Wattenmeers (Niederlande -nl, Deutschland -de, Dänemark -dk) und der Deutschen Bucht als Jahresmittel für das Jahr 2015. Die Daten werden als regelmäßiges 20 m Raster im GeoTIFF-Format bereitgestellt. Kennwerte werden nur für Berechnungszellen bereitgestellt, die im Analysezeitraum immer überflutet waren. In den Datenäquivalenten (*_no_filter) wurde diese Maskierung nicht angewendet. Nicht-gefilterte Datenäquivalente (no_filter) sind, falls physikalisch sinnvoll, ebenfalls erstellt worden. Bei nicht-gefilterten Datenprodukten ist zu beachten, dass die Anzahl der den Mittelwerten zugrundeliegenden Werte vor allem im Flachwasserbereich durch intertidales Trockenfallen geringer ist und damit die Mittelwertbildung beeinträchtigt ist. Die Anzahl an validen Datenpunkten bzw. Tiden pro Jahr (Anzahl gültiger Datenpunkte bzw. Anzahl Tidehochwasser) wird als Rasterdatei zur Einordnung nicht-gefilterter Produkte mitgeliefert.</span> <span><strong>Produktliste:</strong> - Tidehub und Tidehoch- und Tideniedrigwasser: 5-, 50- und 95% Quantil <br> - Laufzeitverschiebung zur Referenzposition „Leuchtturm Alte Weser“ von Tidehoch- und Tideniedrigwasser: Jahresmittelwerte <br> - Tidemittelwasser: 50% Quantil <br> - M2-Partialtide: Amplitude und Phase <br> - Tidehochwasser und validen Datenpunkte: Anzahl pro Jahr<br> - Wasserstand: 1-, 50- und 99% Quantil, Mittelwert, Minimum, Maximum <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter Mittelwert, 99- und 99,9% Quantil des Betrags <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter Betrag und x- und y-Komponente des Residuums <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter mittlerer, kubierter Betrag <br> - Bodenschubspannung: 99% Quantil, Mittelwert<br> - Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffkonzentration: tiefengemitteltes 1- und 99% Quantil und Mittelwert (Schwebstoffkonzentration als Summe aus drei Fraktionen mit einer Sinkgeschwindigkeit ws = 0,25, 1,5 und 7 mm/s) <br> - Signifikante Wellenhöhe des Seegangs: 50-, 95- und 99% Quantil, (Jahres-) Mittelwert und Maximalwert <br> - Mittlere Wellenperiode: Jahresmittelwert bei maximaler signifikanter Wellenhöhe<br> - Seegangsrichtung: x- und y-Komponenten des Residuums </span> <span><strong>English:</strong> This web service contains annual averages and quantiles of tidal characteristics, annual averages and quantiles of hydrographic parameters (e.g., depth-averaged salinity, suspended sediments, or sea water temperature), and tidal constituents from harmonic analyses that were estimated from numerical simulations of the year 2015. Data are distributed on regular 20 m grids as GeoTIFFs. </span> <span><strong>Download:</strong> A download is located under references (in German: "Verweise und Downloads"). </span>

TrilaWatt: Hydrodynamische Kennwerte 2018 (WCS)

<span><strong>Definitionen:</strong> Hydrodynamik beschreibt die Bewegung von Fluiden und die dabei wirkenden Kräfte. Hydrodynamische Kennwerte sind zeitintegrierte, beschreibende Parameter dieser Prozesse. So tragen bspw. die grundlegenden Tidekenngrößen des Tidehochwassers, des Tideniedrigwassers sowie der damit eng verbundenen Werte für Tidestieg, Tidefall und Tidehub dazu bei, die Dynamik der Tide herauszuarbeiten.</span> <span><strong>Datenerzeugung:</strong> Aus numerischen Simulationsdaten wurden physikalische Größen wie beispielsweise Wasserstand oder Strömungsgeschwindigkeit in festen zeitlichen Intervallen unter Berücksichtigung erreichbarer Genauigkeiten berechnet. Diese Simulationsdaten wurden mit Datenanalysemethoden zu hydrodynamischen Kennwerten wie beispielsweise dem Tidehub zusammengefasst. Es wurden harmonische Analysen des Wasserstandes durchgeführt und Tidekennwerte des Wasserstands bzw. statistische Langzeitkennwerte von Wasserstand, Strömungsgeschwindigkeit, Salzgehalt, Wassertemperatur und Schwebstoffgehalt berechnet. </span> <span><strong>Produkte:</strong> Hydrodynamische Kennwerte aus dem Projekt TrilaWatt basieren auf der Analyse der numerischen Simulation von Tide, Seegang, Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffkonzentration im Bereich des trilateralen Wattenmeers (Niederlande -nl, Deutschland -de, Dänemark -dk) und der Deutschen Bucht als Jahresmittel für das Jahr 2018. Die Daten werden als regelmäßiges 20 m Raster im GeoTIFF-Format bereitgestellt. Kennwerte werden nur für Berechnungszellen bereitgestellt, die im Analysezeitraum immer überflutet waren. In den Datenäquivalenten (*_no_filter) wurde diese Maskierung nicht angewendet. Nicht-gefilterte Datenäquivalente (no_filter) sind, falls physikalisch sinnvoll, ebenfalls erstellt worden. Bei nicht-gefilterten Datenprodukten ist zu beachten, dass die Anzahl der den Mittelwerten zugrundeliegenden Werte vor allem im Flachwasserbereich durch intertidales Trockenfallen geringer ist und damit die Mittelwertbildung beeinträchtigt ist. Die Anzahl an validen Datenpunkten bzw. Tiden pro Jahr (Anzahl gültiger Datenpunkte bzw. Anzahl Tidehochwasser) wird als Rasterdatei zur Einordnung nicht-gefilterter Produkte mitgeliefert.</span> <span><strong>Produktliste:</strong> - Tidehub und Tidehoch- und Tideniedrigwasser: 5-, 50- und 95% Quantil <br> - Laufzeitverschiebung zur Referenzposition „Leuchtturm Alte Weser“ von Tidehoch- und Tideniedrigwasser: Jahresmittelwerte <br> - Tidemittelwasser: 50% Quantil <br> - M2-Partialtide: Amplitude und Phase <br> - Tidehochwasser und validen Datenpunkte: Anzahl pro Jahr<br> - Wasserstand: 1-, 50- und 99% Quantil, Mittelwert, Minimum, Maximum <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter Mittelwert, 99- und 99,9% Quantil des Betrags <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter Betrag und x- und y-Komponente des Residuums <br> - Strömungsgeschwindigkeit: tiefengemittelter mittlerer, kubierter Betrag <br> - Bodenschubspannung: 99% Quantil, Mittelwert<br> - Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffkonzentration: tiefengemitteltes 1- und 99% Quantil und Mittelwert (Schwebstoffkonzentration als Summe aus drei Fraktionen mit einer Sinkgeschwindigkeit ws = 0,25, 1,5 und 7 mm/s) <br> - Signifikante Wellenhöhe des Seegangs: 50-, 95- und 99% Quantil, (Jahres-) Mittelwert und Maximalwert <br> - Mittlere Wellenperiode: Jahresmittelwert bei maximaler signifikanter Wellenhöhe<br> - Seegangsrichtung: x- und y-Komponenten des Residuums </span> <span><strong>English:</strong> This web service contains annual averages and quantiles of tidal characteristics, annual averages and quantiles of hydrographic parameters (e.g., depth-averaged salinity, suspended sediments, or sea water temperature), and tidal constituents from harmonic analyses that were estimated from numerical simulations of the year 2018. Data are distributed on regular 20 m grids as GeoTIFFs. </span> <span><strong>Download:</strong> A download is located under references (in German: "Verweise und Downloads"). </span>

Unterirdische Einzugsgebiete im Grundwasser

Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen). Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt. Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen). Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt. Die Daten sind aus dem Projekt „Bilanzierung des Grundwasserdargebotes für das Land Brandenburg“ (HGN-Gutachten 2021) im Zusammenhang mit den Daten zum Projekt „Hydroisohypsenplan 2017“ aus dem Umweltplan-Gutachten (2017) aggregiert worden. Auf Grundlage stichtagsbezogener Grundwasser-/ Oberflächenwasserstandsdaten des Frühjahres 2015 erfolgte über das Interpolationsverfahren „Detrended Kriging/Residual Kriging“ in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung, die Berechnung der Hydroisohypsen (Linien gleicher Grundwasserstände auf NHN bezogen). Für die Darstellung der unterirdischen Einzugsgebiete wurden zuerst die oberirdischen Einzugsgebiete ausgegrenzt. Danach erfolgte die Ausgrenzung der unterirdischen Einzugsgebiete in Ableitung der o. g. Hydrodynamik aus dem Frühjahr 2015. Unterirdische Einzugsgebiete werden auch Grundwassereinzugsgebiete genannt.

Erprobung eines Ultraschall-Stroemungsmessers

Durchfuehrung von Probemessungen mit dem akustischen Stroemungsmesser Flora 10 von Krupp-Atlas. Neu hinzugenommen wurde die Erprobung einer Kreuzstreckenanlage (Vierschwinger-Anlage) nach diesem System. Bei der Kreuzstreckenanlage entfaellt die Verlegung eines Kabels durch den Fluss. Die Abhaengigkeit der Genauigkeit des Messergebnisses von der Stroemungsrichtung wird ebenfalls geringer. Diese neue Anlage befindet sich seit Mitte 1978 in der unteren Mosel in der Erprobung.

Räumliche Variabilität der Sediment- und Tidedynamik im Emsästuar

Das Projekt VARSTIDE untersucht die räumliche Variabilität der Wechselwirkungen von Sediment- und Hydrodynamik im Emsästuar. Durch die Analyse von Messdaten aus vergangenen Messkampagnen liefert das Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Ursachen und Auswirkungen der Verschlickung und Bildung von Flüssigschlickschichten in Ästuaren. Aufgabenstellung und Ziel Die Entwicklung des Emsästuars ist durch eine starke Zunahme von Tidehüben und Schwebstoffkonzentrationen bis hin zur Ausbildung einer mächtigen Flüssigschlickschicht geprägt. Diese Veränderungen wurden insbesondere durch vergangene Eingriffe zur Änderung der Geometrie (Vertiefungen und Begradigungen) ausgelöst (Winterwerp und Wang 2013, van Maren et al. 2015). Untersuchungen zur Hydro- und Sedimentdynamik des Emsästuars in den vergangenen FuE-Projekten MudEstuary (B3955.03.04.70235) und MudEms (B3955.03.04.70241) haben deutlich gezeigt, dass die Prozesse, die zu einem Anstieg der Sedimentkonzentrationen und zur Verschlickung (und Ausbildung von Flüssigschlick) führten, von hoher Komplexität geprägt sind. Zudem variieren sie auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen. In den Messkampagnen EDoM (August 2018, Januar 2019) und MudMeas (September 2021) wurde dies unter anderem individuell betrachtet. Um die verschiedenen Prozesse im Emsästuar auch in Modellen weiterhin abbilden zu können, ist es notwendig, diese umfangreichen Datensätze systematisch hinsichtlich der räumlichen Variabilität der Tidecharakteristika und Schwebstoffdynamik zu untersuchen. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Die Konzentrationen und Ausdehnung (vertikal und horizontal) der Schwebstoffe beeinflussen maßgeblich die lokale Hydrodynamik, somit auch die Ausbreitung von salzreichem Wasser und daraus resultierende Strömungsgeschwindigkeiten. Das Verständnis der vorherrschenden Prozesse beeinflusst demnach auch die Schifffahrt. Ein verbessertes Systemverständnis der Sedimentdynamik ermöglicht zusätzlich die Optimierung des Sedimentmanagements. Um auch in Zukunft zuverlässige Aussagen zur Hydrodynamik in (hyper-) turbiden Ästuaren treffen zu können, ist es notwendig, die verwendeten Methoden stets fachlich zu erweitern und abzusichern. Diese Erkenntnisse fließen unmittelbar in die behördliche Gutachtertätigkeit der BAW im Emsästuar ein. Untersuchungsmethoden Die Auswertungen in VarSTiDE erfolgen für Datensätze verschiedener Messtypen. Die Analysen der Dauermessungen, bereitgestellt durch WSA Ems-Nordsee und NLWKN, bilden das Arbeitspaket 1 (AP1). AP1 beinhaltet die Untersuchung von Saisonalität und langfristiger Entwicklung von Tidekennwerten, Tideasymmetrie, Salzgehalt und Schwebstoffkonzentrationen. Diese Ergebnisse liefern Kenntnisse über die zu erwartenden Unterschiede, die aufgrund der verschiedenen Messzeiträume in den Untersuchungsparametern Schwebstoffkonzentration, Salzgehalt und anderen Tidekennwerten entstehen. Der wissenschaftliche Austausch mit weiteren Partnern aus Forschung und Praxis ist ein Bestandteil des Forschungsvorhabens. Es bestehen Kooperationen, u. a. mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

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