Optimierung des Küsten- und Hochwasserschutzes auf den Halligen

Wöffler, Theide Erk; Jensen, Jürgen; Schüttrumpf, Holger

doi:36145

Optimierung des Küsten- und Hochwasserschutzes auf den Halligen = Optimization of coastal and flood protection on small islands in the wadden sea

Wöffler, Theide Erk^RWTH*

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Theide Erk Wöffler

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (220, 30 ungezählte Seiten)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH* ; Jensen, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04570
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/689764/files/689764.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
climate change (frei) ; sea level rise (frei) ; small islands (frei) ; safety levels (frei) ; coastal protection (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die zehn nordfriesischen Halligen sind in ihrer Art weltweit einzigartig. Sie liegen im schleswig-holsteinischen Bereich des UNESCO-Weltnaturerbes Wattenmeer und sind im Wesentlichen durch Gezeiten, ausgedehnte Prielsysteme und das flache Relief des Meeresbodens geprägt. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Halligen zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie nicht eingedeicht und die Häuser der Bewohner zum Schutz vor den mehrfach im Jahr auftretenden Überflutungen auf Warften errichtet sind. Die Halligen selbst profitieren durch diese Landunter-Ereignisse in Form von Sedimenten, die sich auf den Halligflächen bei jeder Überflutung ablagern. Diese natürliche Sedimentation hat die Halligen in der Vergangenheit mit dem steigenden Meeresspiegel mitwachsen lassen. In Zeiten des Klimawandels und einer Beschleunigung des Anstiegs des Meeresspiegels ist bislang jedoch nicht geklärt, ob dieses natürliche vertikale Höhenwachstum der Halligflächen den Anstieg der mittleren Wasserstände ausreichend kompensieren kann. Die Halligen und das sie umgebende nordfriesische Wattenmeer sind aber nicht nur wegen ihrer ökologischen und kulturellen Besonderheit von großer Bedeutung, sondern auch wegen der Reduzierung der an der Festlandsküste auftretenden Seegangsbelastung. Aufgrund ihrer geographischen Lage und der Abgeschiedenheit während Extremereignissen haben sich im Laufe der Jahrhunderte auf den Halligen besondere Formen des Hochwasser- und Erosionsschutzes entwickeln können, die in ihren Bauweisen auch auf den Erfahrungen und dem Wissen der Bewohner basieren. Allerdings existieren für diese speziellen Bauwerke wie Warften und Deckwerke mit den als Halligigel bezeichneten Raustreifen bislang keine belastbaren Bemessungsansätze und Sicherheitsstandards, die eine kosteneffiziente Bauweise und eine Priorisierung von Maßnahmen ermöglichen. Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die wissenschaftliche Untersuchung der vorhandenen Erosions- und Hochwasserschutzbauwerke der Halligen mit dem Ziel, für diese Bemessungsansätze und Sicherheitskriterien zu entwickeln. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Parameter auf die Sedimentation auf den Halligflächen untersucht und es werden Anregungen für nachhaltige Küstenschutz- und Bewirtschaftungsstrategien entwickelt, die gleichzeitig zukünftige klimatische Bedingungen und dadurch verursachte Beanspruchungen berücksichtigen. In diesen Prozess werden die Halligbewohner mit ihren Erfahrungen und Ideen für einen zukünftigen Schutz involviert. Zur Beantwortung der aufgestellten Forschungsfragen wird zunächst ein numerisches Modell aufgebaut, mit dessen Hilfe die hydrodynamischen Belastungsgrößen im Bereich der Halligen ermittelt werden können. Die weiteren Untersuchungen folgen einem Querschnitt durch eine Hallig von der Halligkante über die Halligfläche bis hin zur Warft. Für den Bereich der Halligkante mit den dort gelegenen Halligraustreifen wird ein Bemessungsansatz aufgestellt, der einerseits die Einwirkungen des Durchströmens und des Wellenüberlaufs berücksichtigt und andererseits die Erosionsresistenz der Halligoberfläche einbezieht. Die Untersuchungen zu den an die Halligkanten angrenzenden Halligflächen zeigen, dass mit Hilfe einfacher Maßnahmen das vertikale Marschwachstum gezielt beeinflusst werden kann und eine nachhaltige Anpassung an den steigenden Meeresspiegel möglich ist. Für die Halligwarften wird ein belastbares Sicherheitskriterium entwickelt, das die geographische Lage und die besondere hydrodynamische Belastung der Halligwarften berücksichtigt. Des Weiteren werden Anregungen und Ideen für zukünftige Küstenschutzmaßnahmen im Rahmen von Zukunftworkshops generiert, bei denen die Halligbewohner ihre eigenen Ideen und Vorstellungen für neue Hochwasser¬schutzkonzepte unter wissenschaftlicher Begleitung entwickeln. Die anschließende wasserbauliche und wissenschaftliche Bewertung stellt sicher, dass sowohl hydrodynamisch wirksame als auch von der Bevölkerung akzeptierte Maßnahmen identifiziert werden können. Die gewonnenen Ergebnisse leisten einen wissenschaftlichen Beitrag für einen zukünftigen nachhaltigen Küstenschutz im Gebiet des nordfriesischen Wattenmeeres und stellen durch einzelne Ergebnisse eine Erweiterung des Wissens für andere Küstenbereiche dar.

The ten North Frisian Hallig islands are located in Schleswig-Holstein’s part of the UNESCO world heritage Wadden Sea. They are of worldwide uniqueness and strongly influenced by tides, wide systems of tidal inlets and the shallow relief of the sea bottom. One unique feature of these islands is the lack of dikes. For this reason the houses are built on artificial dwelling mounds in order to protect the inhabitants and their goods against frequently occurring inundations during storm surge seasons. Nevertheless, the Hallig islands themselves benefit by these inundations due to sediments, which are accumulated on the island’s surfaces. This sedimentation has enabled a natural adaption to sea level rise in the past. In times of climate change and an accelerated sea level rise it is not confident if this natural vertical marsh accretion can compensate the rise of average water levels as well as an acceleration of sea level rise. These ecologic and cultural characteristics are not the only reason for the great importance of the Hallig islands and the surrounding Wadden Sea. They also reduce wave loads on the sea dikes at the mainland in the east of the islands. Due to the geographic location and the isolation during extreme events special kinds of protection measures have been developed over the last centuries. The construction methods of these measures are mainly based on tradition and the knowledge of the inhabitants. However, no resilient design approaches and safety standards for these special structures like dwelling mounds and elevated revetments exist today and neither a cost efficient construction nor a prioritization of measures is possible. Main part of this thesis is the scientific investigation of the existing coastal protection measures with the objective of the development of design approaches and safety standards. Furthermore, the influence of different parameters on sedimentation on the island’s surfaces is analysed. New impulses for sustainable coastal protection measures and management strategies are given which simultaneously consider future climate conditions and the resulting loads. The inhabitants are directly involved in this process by stating their knowledge, experiences and ideas for future protection measures. To answer these research questions a numerical model is built to calculate the hydrodynamic loads in the area of the Hallig islands. The further investigations follow a typical profile through one of these islands. Beginning at the edge of a Hallig island, the hydraulic performance of the elevated revetments is tested in physical and numerical tests. The results are a weir coefficient and a coefficient for permeability as well as a design approach. This approach respects not only wave overtopping and flow through the structure but also erosion processes on the Hallig island surfaces. The investigations on the main surface areas of the islands show that simple measures can influence the vertical marsh accretion and a sustainable adaption to a rising sea level is possible. A resilient safety standard for artificial dwelling mounds is developed. It considers the location, geometry and hydrodynamic loads of the respective dwelling mound. This safety standard is applied and quantified for selected dwelling mounds. New impulses and ideas for future protection measures are generated during futureworkshops where the inhabitants can develop their own coastal protection concepts under scientific advisory. The following evaluation from the hydraulic engineering perspective guarantee hydrodynamic effective and social accepted measures. The results provide a scientific contribution to future sustainable coastal protection measures in the area of the North Frisian Wadden Sea. Furthermore, partial results also represent an extension of knowledge for other coastal areas.

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