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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)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
Seite 2
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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)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
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
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Anorg. MaterialOrg. Material
Flokkulation &Akkumulation?
Einfluss von biogeochemischen Prozessen auf Sedimenttransport
§ Einfluss von organischenPartikeln?
§ Einfluss von Bodenbewuchs?
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Motivation
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Anorg. MaterialOrg. Material
Flokkulation &Akkumulation?
Einfluss von biogeochemischen Prozessen auf Sedimenttransport
§ Einfluss von organischenPartikeln?
§ 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
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Anorg. MaterialOrg. Material
Flokkulation &Akkumulation?
Einfluss von biogeochemischen Prozessen auf Sedimenttransport
§ Einfluss von organischenPartikeln?
§ 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
1. Motivation2. Biogeochemische Prozesse in der Tideelbe (L. Nickelsen)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
3. Biologisch beeinflusste Sedimenttransport-Prozesse in der Nordsee(H. Nasermoaddeli)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
Seite 8
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Welche biogeochemischen Prozesse sindvon Bedeutung?
§ Biogeochemischer Einfluss aufSchwebstoff- und Sedimentdynamik
§ Biogeochemischer Einfluss aufSauerstoffkonzentrationen (z.B. beiUnterhaltungsmaßnahmen)
Prozesse
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 914-Jun-16
Topographie
Hamburg
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Welche biogeochemischen Prozesse sindvon Bedeutung?
§ Biogeochemischer Einfluss aufSchwebstoff- und Sedimentdynamik
§ Biogeochemischer Einfluss aufSauerstoffkonzentrationen (z.B. beiUnterhaltungsmaßnahmen)
Prozesse
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Topographie
Hamburg
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Prozesse – Schema Sauerstoffkonzentrationen
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1114-Jun-16
Organisches MaterialPhytoplankton
Sauerstoff aus der Atmosphäre
Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton
Nordsee Hamburg Hafen Geesthacht
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Prozesse – Schema Sauerstoffkonzentrationen
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1214-Jun-16
Organisches MaterialPhytoplankton
Sauerstoff aus der Atmosphäre
Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton§ Zu niedriges Phytoplankton-Wachstum
durch geringe Lichtverfügbarkeit
Nordsee Hamburg Hafen Geesthacht
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Prozesse – Schema Sauerstoffkonzentrationen
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1314-Jun-16
Organisches MaterialPhytoplankton
Sauerstoff aus der Atmosphäre
Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton§ Zu niedriges Phytoplankton-Wachstum
durch geringe Lichtverfügbarkeit§ Geringere Sauerstoffzufuhr aus der
Atmosphäre bei größerer Wassertiefe
Nordsee Hamburg Hafen Geesthacht
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Prozesse – Schema Sauerstoffkonzentrationen
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1414-Jun-16
Organisches MaterialPhytoplankton
Sauerstoff aus der Atmosphäre
Sauerstoffverbrauch§ Ständiger Fraßdruck auf Phytoplankton§ Zu niedriges Phytoplankton-Wachstum
durch geringe Lichtverfügbarkeit§ Geringere Sauerstoffzufuhr aus der
Atmosphäre bei größerer Wassertiefe§ Geringe Löslichkeit bei hohen
Temperaturen
Nordsee Hamburg Hafen Geesthacht
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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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1514-Jun-16
Kalibrierung Sauerstoff 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)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
Seite 16
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§ Offline Kopplung von Strömungsmodell (Untrim2) und Biogeochemiemodell
(Delwaq)
Model
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 1714-Jun-16
Untrim2(Strömungsmodell)
StrömungTemperaturSalzgehalt
Rechengitter
WasserqualitätLauf 1
WasserqualitätLauf 2 …
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Hamburg
MessstationSeemannshöft
Model - Untrim2
Seite 1814-Jun-16
Rechengitter mitSubgrid-Technologie:
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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
1. Motivation2. Biogeochemische Prozesse in der Tideelbe (L. Nickelsen)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
3. Biologisch beeinflusste Sedimenttransport-Prozesse in der Nordsee(H. Nasermoaddeli)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
Seite 21
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Ergebnisse – Parameteroptimierung und Sensitivitätsanalyse
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 2214-Jun-16
§ 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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 2314-Jun-16
§ Sauerstoffkonzen-trationenunterschreiten 3mg/l
§ Die niedrigstenKonzentrationentreten im Hafenund stromabwärtsdes Hafens auf
Min
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feng
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rsto
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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
1. Motivation2. Biogeochemische Prozesse in der Tideelbe (L. Nickelsen)
- Prozesse- Modelle- Kalibrierung & Sensitivitätsstudie- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
3. Biologisch beeinflusste Sedimenttransport-Prozesse in der Nordsee(H. Nasermoaddeli)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
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?
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 2614-Jun-16
Zusammenfassung & Ausblick
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Inhalt
1. Motivation2. Biogeochemische Prozesse in der Tideelbe (L. Nickelsen)
- Prozesse- Modelle- Kalibrierung & Sensitivitätsstudie- Ergebnisse- Ausblick
3. Biologisch beeinflusste Sedimenttransport-Prozesse in der Nordsee(H. Nasermoaddeli)
- Prozesse- Modelle- Ergebnisse- Zusammenfassung & Ausblick
4. Zusammenfassung
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 2814-Jun-16
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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 2914-Jun-16
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.
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 3014-Jun-16
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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 3114-Jun-16
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]
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
Seite 32
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Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 33
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
14-Jun-16Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan Nasermoaddeli
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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 3514-Jun-16
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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
Biogeochemische Effekte auf Sedimenttransport | Levin Nickelsen, M. Hassan NasermoaddeliSeite 3614-Jun-16