Beitrag von Dr. Johannes Pein, Abteilung Hydrodynamik und Datenassimilation
Anthropogen beeinflusste Ästuare rund um den Globus leiden unter ähnlichen Umweltproblemen, wie z.B. Sedimentation in ausgebaggerten Fahrrinnen, Eutrophierung und Sauerstoffverarmung. Die vorherrschende Wahrnehmung – in der Wissenschaft wie auch im Management – dieser Systeme ist zweidimensional. Dadurch werden Prozesse in der Wassersäule vernachlässigt, welche sowohl die Physik als auch die biogeochemischen Umsätze beeinflussen können.
Um diese Wissenslücke zu schließen, wurde am Hereon Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung unter der Leitung von Prof. Dr. Corinna Schrum ein unstrukturiertes, dreidimensionales, physikalisch-biogeochemisches Modell des Elbe-Ästuars entwickelt. Mithilfe des Modells ist es gelungen, eine Kopplung zwischen saisonal temperaturbedingter Schichtung in der vertieften Süßwasserzone und biogeochemischen Umsätzen aufzuzeigen. Der saisonale Effekt ist im Sommer größer, weil in der warmen Jahreszeit die Wahrscheinlichkeit eines Zusammentreffens von starker biologischer Aktivität und physikalischer Schichtung der Wassersäule höher ist.
In der Modellsimulation ist zu sehen, wie die hohen organischen Einträge aus den landwirtschaftlich genutzten Gebieten entlang der Mittelelbe zwischen dem Elbsandsteingebirge und dem Wehr in Geesthacht zu starker biologischer Partikelbildung im Bereich des Hamburger Hafens führen. Dort führt das komplexe Zusammenspiel von Gezeiten, Abfluss, vertiefter Fahrrinne und stärkerer Erwärmung des Lands im Vergleich zum Meer zur Akkumulation des partikulären organischen Materials im Hafenbereich, wo es unter Sauerstoffverbrauch remineralisiert wird. Die Sauerstoffzehrung macht sich unter Bedingungen der sommerlichen Temperaturschichtung besonders bemerkbar.
Die Studie verdeutlicht, dass eine Vereinfachung durch tiefengemittelte Modelle für stark vertiefte Ästuare nicht gerechtfertigt ist, da in diesen die dynamische Schichtung die bodennahen Sauerstoffkonzentrationen – und damit die Wasserqualität – erheblich beeinflussen kann. Hier zeigen sich die Vorteile von hochauflösenden dreidimensionalen, gekoppelt physikalisch-biogeochemischen Simulationen für das Verständnis der Eutrophierungsfolgen in stark anthropogen genutzten aquatischen Lebensräumen.
Die mithilfe der Modellsimulation aufgezeigte Rolle der dynamisch auftretenden Temperaturschichtung ist ein Novum auf dem Gebiet der Ästuarforschung, da traditionell der Partikeltransport im Ästuar bisher allein durch Prozesse der Gezeitenströmung und dem damit verbundenen unterschiedlich hohen Salzgehalt zugeschrieben wird. In der jetzt veröffentlichten Arbeit wird die temperaturbedingte Schichtung als weiterer Faktor identifiziert, welcher zudem durch anthropogene Eingriffe (Vertiefung, Begradigung) an Bedeutung gewonnen hat.
Die Studie ist ein wichtiger Meilenstein zur Entwicklung regionaler Klimaszenarien für die Tide-Elbe im Rahmen des Exzellenzclusters CLICCS. Darüber hinaus beschränkt sich die Studie nicht nur auf die Tide-Elbe, sondern adressiert „teilweise durchmischte, vertiefte Ästuare“. Dies gilt für Ästuare mit mittelstarken Gezeiten und mittelhohem Abfluss, die stark vertieft und kanalartig ausgebaut werden. Das neu entwickelte Modell verdeutlicht die Sensitivität des ästuarinen Ökosystems auf Wassertiefe und Wassertemperatur, womit es für die Simulation plausibler zukünftiger Folgen des Klimawandels prädestiniert ist.
Pein, J., Eisele, A., Sanders, T., Daewel, U., Stanev, E.V., van Beusekom, J.E.E., Staneva, J., & Schrum, C. (2021): Seasonal Stratification and Biogeochemical Turnover in the Freshwater Reach of a Partially Mixed Dredged Estuary. Front. Mar. Sci. 8:623714, doi:10.3389/fmars.2021.623714
Abstract:
The Elbe estuary is a substantially engineered tidal water body that receives high loads of organic matter from the eutrophied Elbe river. The organic matter entering the estuary at the tidal weir is dominated by diatom populations that collapse in the deepened freshwater reach. Although the estuary’s freshwater reach is considered to manifest vertically homogenous density distribution (i.e., to be well-mixed), several indicators like trapping of particulate organic matter, near-bottom oxygen depletion and ammonium accumulation suggest that the vertical exchange of organic particles and dissolved oxygen is weakened at least temporarily. To better understand the causal links between the hydrodynamics and the oxygen and nutrient cycling in the deepened freshwater reach of the Elbe estuary, we establish a three-dimensional coupled hydrodynamical-biogeochemical model. The model demonstrates good skill in simulating the variability of the physical and biogeochemical parameters in the focal area. Coupled simulations reveal that this region is a hotspot of the degradation of diatoms and organic matter transported from the shallow productive upper estuary and the tidal weir. In summer, the water column weakly stratifies when at the bathymetric jump warmer water from the shallow upper estuary spreads over the colder water of the deepened mid reaches. Enhanced thermal stratification also occurs also in the narrow port basins and channels. Model results show intensification of the particle trapping due to the thermal gradients. The stratification also reduces the oxygenation of the near-bottom region and sedimentary layer inducing oxygen depletion and accumulation of ammonium. The study highlights that the vertical resolution is important for the understanding and simulation of estuarine ecological processes, because even weak stratification impacts the cycling of nutrients via modulation of the vertical mixing of oxygen, particularly in deepened navigation channels and port areas.