Schutz der Städte in Mündungsgebieten vor dem Anstieg des Meeresspiegels

Mit dem Anstieg des Meeresspiegels durch den Klimawandel sehen sich die Mündungsstädte der doppelten Gefahr von Überschwemmungen und erheblicher Erosion ausgesetzt. Die Forschungsarbeiten eines gemeinsamen Teams der EPFL und der UNSW Sydney werfen ein neues Licht auf die wirkenden hydrodynamischen Kräfte und ebnen den Weg für vorbeugende Strategien.
Das Mündungsgebiet der Gironde, eines der grössten der Welt. © Chell Hill /Wikimedia Commons

Fast 60 % der Weltbevölkerung leben in der Nähe eines Mündungsgebietes, und die Liste der Mündungsstädte umfasst 21 der 30 grössten urbanen Zentren der Welt, darunter New York und Tokio. Die Mischung aus Süss- und Salzwasser macht Flussmündungen – manche erstrecken sich über Hunderte von Kilometern Länge – zu vielfältigen und komplexen Ökosystemen. Sie erfüllen auch wichtige soziale und wirtschaftliche Funktionen, vom Güterverkehr bis hin zu Erholung und Fischerei. Mündungen lassen sich in zwei Grundtypen einteilen, je nachdem, ob der Zugang beschränkt (eng) oder unbeschränkt (breit) ist. Variationen in der Sedimentanreicherung und im Wasserabfluss können auch dazu führen, dass sich die Eintrittskanäle im Laufe der Zeit verändern.

Es wird erwartet, dass der globale Meeresspiegel bis zum Ende des Jahrhunderts höher sein wird als heute. Der vorhergesagte Anstieg – irgendwo zwischen einigen Dutzend Zentimetern und 2,5 Metern oder mehr – hängt davon ab, wie sich das Tempo der globalen Treibhausgasemissionen verlangsamt und wie schnell die Eisschilde der Antarktis und Grönlands schmelzen. Aber in allen Szenarien wird der Anstieg des Meeresspiegels die Hydrodynamik der Gezeiten in den Flussmündungen erheblich verändern. Die Auswirkungen dieser Veränderungen könnten sich im Landesinneren bemerkbar machen – auch in den Städten, die an ihren Ufern liegen. Im schlimmsten Fall deuten die Vorhersagen auf Überflutungen und verstärkte Küstenerosion hin.

Im Jahr 2019 erforschte der EPFL-Student Steve Hottinger dieses Phänomen im Rahmen seines Masterprojekts in Umweltwissenschaften und Ingenieurwesen. Seit seinem Abschluss hat er seine Arbeit auf die nächste Stufe gehoben und sich mit Kolleginnen und Kollegen der UNSW Sydney, Australien, zusammengetan, um seine Ergebnisse in der renommierten Q1-Zeitschrift Estuarine, Coastal and Shelf Science zu veröffentlichen. Hottinger wird als einer der Hauptautoren der Arbeit genannt.

Kritische Verhältnisse

Die Forschenden untersuchten verschiedene Phänomene – Gezeitenverstärkung, -verformung, -reflexion und -resonanz –, um die kritischen Verhältnisse zwischen Kanalgrösse und Überflutungs- und Küstenerosionsrisiko zu berechnen. Sie beobachteten eine bemerkenswerte Verringerung der Schwankung des Wasserspiegels um 20 bis 60 %, wenn die Eingänge im Vergleich zu unbeschränkten Kanälen um 80 % eingeschränkt werden, und stellten fest, dass die maximale Geschwindigkeit der Gezeitenströmung im eingeschränkten Teil des Kanals zwar höher, im Mündungsteil jedoch niedriger ist.

Das Team modellierte 200 prismatische Flussmündungen, um deren hydrodynamische Reaktion auf den Anstieg des Meeresspiegels um 0 bis 2 Meter nach Anpassung an den Gezeitendruck zu bewerten. Sie gaben eine Reihe von Parametern in das Modell ein, darunter Flutgeschwindigkeit, Verhältnis von Breite zu Länge, Eintrittsbeschränkung, Gezeitenamplitude und Strömungsgeschwindigkeit sowie Wassertiefe. Für jedes Mündungsgebiet wurde das Modell 60 Tage lang ausgeführt, wobei die Forschenden alle 15 Minuten Tausende von Messungen durchführten, um einen reichhaltigen Datensatz zu erhalten.

Eine Katastrophe abwenden

Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass für einige Städte eine Beschränkung der Mündungseingänge notwendig sein wird, um eine Katastrophe bis 2100 abzuwenden. Ihr Modell könnte Erkenntnisse darüber liefern, wo und welche Massnahmen erforderlich sind. «Wir können definitiv eine reale Nutzung unseres Modells ausserhalb des Labors erkennen», sagt Giovanni De Cesare, der operative Direktor der EPFL-Plattform für Wasserbau, der das Masterprojekt von Hottinger beaufsichtigt hat und einer der Koautoren des Papiers ist.

De Cesare sieht auch andere praktische Anwendungen des Modells vor. «Wir könnten die Installation eines Gezeitenkraftwerks in einer Flussmündung prüfen, um erneuerbaren Strom zu erzeugen», schlägt er vor, «aber wir müssten jeden Fall auf seine Vorzüge hin untersuchen und die weiterreichenden sozialen und ökologischen Auswirkungen berücksichtigen.» Das Team plant, das Modell erneut einzusetzen, diesmal unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Flussrate.

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Plattform für hydraulische Konstruktionen LCH

Literaturhinweis

Danial Khojasteh, Steve Hottinger, Stefan Felder, Giovanni De Cesare, Valentin Heimhuber, David J. Hanslow, William Glamore, “Estuarine tidal response to sea level rise: The significance of entrance restriction,” Estuarine, Coastal and Shelf Science, 25 August 2020. DOI: 10.1016/j.ecss.2020.106941