ReFresh

1. Motivation

Die jüngst aufgetretenen extremen Sturmfluten, verursacht bspw. durch die Hurricanes Irma und Katrina, welche Florida im Jahr 2017 bzw. Louisiana 2005 heimsuchten, haben gezeigt, dass Küstengebiete sehr anfällig für Überschwemmungen sind. Während extremer Sturmfluten werden Küstenschutzbauwerke (Abb. 1) direkt von Kurzwellen angegriffen, was zu Schäden an ebendiesen Küstenschutzbauwerken führen kann (Elsayed et al., 2018; Elsayed & Oumeraci, 2016). Infolgedessen wird ein Großteil des Hinterlandes überflutet, was zu einem vertikalen Salzwassereintrag (vertical saltwater intrusion - VSWI) führt, da das Salzwasser vertikal in die Grundwasserleiter eindringt (Elsayed, 2017; Elsayed & Oumeraci, 2018). So wurden beispielsweise 80% von New Orleans wochenlang überschwemmt, da Deiche unter dem Hurricane Katrina versagten. Das Resultat wurde ein Jahr später auf 1.118 Tote und 135 Vermisste beziffert; mehr als 400.000 Bewohner flohen aus der Stadt, von welchen viele nie zurückkehrten. Die Sachschäden erreichtent Dutzende Milliarden Dollar (Wu et al., 2011). Weniger bekannt ist, dass das gleiche Sturmflutereignis auch zu einer Erhöhung des Salzgehaltes des Grundwassers an der West- und Ostküste Louisianas führte, welches erhebliche Schäden im Agrarsektor nach sich zog. Williams (2010) berichtete, dass die wirtschaftlichen Auswirkungen des Hurricanes Katrina auf die Landwirtschaft in Louisiana aufgrund ebendieses Salzgehaltanstieges mehr als eine Milliarde US-Dollar betragen könnte.

Die in Abb. 1 dargestellten Küstengrundwasserleiter stellen eine wichtige Süßwasserquelle in Küstengebieten dar. Auf vielen Atollen sind solche Grundwasserleiter die einzige vorhandene Süßwasserquelle. Diese Leiter sind jedoch besonders empfindlich gegenüber Salzwassereintrag, insbesonder gegenüber dem vertikalen Eintrag durch Küstenüberschwemmungen. Um die durch Küstenüberschwemmungen bedrohten Grundwasserressourcen zu schützen sind daher verstärkte Forschung im Bereich der VSWI-Prozesse notwendig. Da Europa oft von Küstenschutzsystemen (z.B. Dünen und Deiche) umgeben ist, erfordert die Auseinandersetzung mit den VSWI-Prozessen und deren Modellierung weitere Forschung, um das Wissen und die Modellierung in zwei miteinander verbundenen Richtungen zu verbessern: (i) Prozesse, welche zu Erosion/Bruch der Küstenbarrieren unter extremen Sturmfluten führen und (ii) Vertikaler Salzwassereintrag in Süßwasser-Aquifere infolge des Versagens von Küstenschutzbauwerken und daraus resultierenden Überschwemmungen.

2. Ziele

Das primäre Ziel von ReFresh liegt darin, eine Basis für ein fortgeschrittenes Verständnis der physikalischen Prozesse im Zusammenhang mit dem Versagen von Küstenbarrieren unter extremen Sturmfluten, sowohl in Verbindung mit der Reaktion auf darauffolgende Überflutung (z.B. VSWI und Kontaminationsgrad), als auch der Regeneration (z.B. bis hin zur Trinkwasserqualität) von Süßwasser-Aquiferen. Das neue Wissen und die abgeleiteten Vorhersagemodelle werden in state-of-the-art numerischen Oberflächen/Untergrund-Simulationsprogrammen (z.B. Xbeach und OpenGeoSys) implementiert respektive gekoppelt. Zusammenfassend können folgende Ziele festgelegt werden:

ZIEL1: Durchführen einer umfassenden Analyse und Zusammenfassung des aktuellen Wissens bezüglich des Erodieren und Brechen von höchst kornstabilisierten und verdichteten Barrieren (Elsayed und Oumeraci, 2017), örtlicher Variabilität von Bodenwiderstand und Reaktion von Küstenaquiferen auf Überflutung und ihrer Regeneration.

ZIEL2: Entwickeln einer neuen mathematischen Formel zur Beschreibung und Berechnung der in Ziel1 genannten physikalischen Prozesse.

ZIEL3: Bieten eines verbesserten Prozessverständnisses der Regeneration von kontaminierten  Süßwasser-Aquiferen, vor allem vor dem Hintergrund der neuen quantitativen Experimente zur VSWI.

ZIEL4: Implementieren einer neuartigen vollen Kopplung zwischen Open-Source-Oberflächen- und Untergrundmodellen (z.B. XBeach, OpenGeoSys).

ZIEL5: Validieren des von Ziel4 erhaltenen Modells an einem Pilotstandort in Deutschland.

3. Methoden

Um die oben genannten Ziele zu erreichen ist das Projekt in fünf abgegrenzte Arbeitspakete unterteilt (AP1-AP5). Diese Arbeitspakete sind in Abb. 2 dargestellt; jedes Arbeitspaket bearbeitet dabei eines der zuvorgenannten Ziele.

Das Projekt " Response of Coastal Barriers and Freshwater Aquifers to Extreme Storm Surges and Flooding  (ReFresh)" wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Elsayed, S.M. (2017): Breaching of Coastal Barriers under Extreme Storm Surges and Implications for Groundwater Contamination. PhD dissertation, Leichtweiß Institute for Hydraulic Engineering and Water Resources, TU Braunschweig. Available at: dx.doi.org/10.24355/dbbs.084-201710161043, Braunschweig, Germany. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201710161043

Elsayed, S.M., Oumeraci, H. (2018): Modelling and Mitigation of Storm-Induced Saltwater Intrusion: Improvement of the Resilience of Coastal Aquifers Against Marine Floods by Subsurface Drainage. Environ. Model. Softw. 100, 252-277. doi.org/10.1016/j.envsoft.2017.11.030

Elsayed, S.M., Oumeraci, H. (2017): Effect of beach slope and grain-stabilization on coastal sediment transport: An attempt to overcome the erosion overestimation by XBeach. Coast. Eng. 121, 179-196. doi.org/10.1016/j.coastaleng.2016.12.009

Elsayed, S.M., Oumeraci, H. (2016): Combined Modelling of Coastal Barrier Breaching and Induced Flood Propagation Using XBeach. Hydrology 3, 34. doi.org/10.3390/hydrology3040032

Elsayed, S.M., Oumeraci, H., Goseberg, N. (2018): EROSION AND BREACHING OF COASTAL BARRIERS IN A CHANGING CLIMATE: ASSOCIATED PROCESSES AND IMPLICATION FOR CONTAMINATION OF COASTAL AQUIFERS. Coast. Eng. Proc. 1, 107. doi.org/10.9753/icce.v36.papers.107

Williams, V.J.V. (2010): Identifying the Economic Effects of Salt Water Intrusion after Hurricane Katrina. J. Sustain. Dev. 3, 29-37.

Wu, W., Mustafa, S., Altinakar, S.F., Bradford, Q.J., Chen, S., Jennifer, G., Duan, D., Michael, G. (2011): Earthen Embankment Breaching. J. Hydraul. Eng. 137, 1549-1564. doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000498