Interactions of Biogenic Structures with Waves : Bed Roughness Effects of Oyster Reefs and Mussel Beds in the Central Wadden Sea
The Pacific oyster Magallana gigas is an invasive species in the central Wadden Sea, transforming the predominant biogenic structures on the intertidal flats from blue mussel (Mytilus edulis) beds to oyster reefs. This transformation has led to a permanent increase in the topographical roughness of the biogenic structures, impacting the wave-biogenic structure interactions. While it is generally known that this ecological shift has led to increased wave attenuation, there is a lack of detailed quantification of its impact on wave energy dissipation in such biogenic structures and a comprehensive understanding of the governing processes. A deeper understanding is needed to quantify the influence of M. gigas reefs on local hydro- and morphodynamics and assess their influence on regional sediment dynamics as well as their potential application as a nature-based solution for coastal protection. This cumulative dissertation aims to advance the process-based understanding of how the transformation of the biogenic structures influences waves. Based on identified knowledge gaps, three research questions were derived to 1) quantify the topographical changes at the species-related scale, 2) identify the processes governing frictional wave energy dissipation, and 3) quantify frictional wave energy dissipation for both biogenic structures. The wave-biogenic structure interactions were investigated through controlled, reduced-scale wave flume experiments using generic surrogate models. Topographical data sampled in field campaigns informed the surrogate model design. Addressing the research questions led to four published Works, which form the foundation of this dissertation. Work #1 introduced an intra-reef structural classification of M. gigas reef surfaces in the central Wadden Sea and provided topographical roughness properties for each class relevant to hydraulic roughness. Work #2 explored how digital design and fabrication strategies can be applied to manufacture surrogate models of both biogenic structures. This work integrated in-situ data collection, data analysis, parameterization, computer-aided design, and additive manufacturing, leading to the fabrication of complex surrogate models of both biogenic structures. Works #3 and #4 report two experimental studies in which different sets of generic surrogate models (abstract and complex) were subjected to regular, non-breaking waves in a wave flume. In Work #3, abstract surrogate models were used to investigate the influence of sharp edges of roughness elements, such as the margins of oyster shells, on frictional wave energy dissipation. It was found that sharp-edged surfaces induce more substantial wave energy dissipation than bluntly-shaped surfaces, providing insights into the underlying processes. In Work #4, the wave-induced hydrodynamics of both biogenic structures were compared using the complex surrogate models developed in Work #2. The findings revealed that different topographical features act as significant roughness elements: frictional wave energy dissipation is governed by the mussel agglomerations in M. edulis beds and the sharp-edged oyster shells in M. gigas reefs, with M. gigas reefs being more effective at attenuating waves. The findings of this dissertation provide a novel framework to quantify the impact of biogenic structures on waves, particularly in the context of the transformation of M. edulis beds to M. gigas reefs in the central Wadden Sea. These insights enable the parametrization of frictional wave energy dissipation for these biogenic structures, facilitating more accurate hydro-morphodynamic modeling of soft-bottom intertidal environments. The findings also contribute to a better understanding of biogenic structures as nature-based solutions supporting existing gray coastal protection infrastructure.
Die Pazifische Auster Magallana gigas ist eine invasive Art im zentralen Wattenmeer, die die vorherrschenden biogenen Strukturen auf den Wattflächen von Miesmuschelbänken (Mytilus edulis) in Austernriffe umgewandelt hat. Diese Umwandlung führte zu einer dauerhaften Erhöhung der topografischen Rauheit der biogenen Strukturen mit Auswirkungen auf die Wechselwirkungen zwischen Wellen und den biogenen Strukturen. Obwohl allgemein bekannt ist, dass diese ökologische Veränderung zu einer erhöhten Wellendämpfung geführt hat, fehlt eine detaillierte Quantifizierung der Auswirkung auf die Wellenenergiedissipation und ein umfassendes Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse. Ein tieferes Verständnis ist erforderlich, um den Einfluss der Austernriffe auf die lokale Hydro- und Morphodynamik zu quantifizieren und ihren Einfluss auf die Sedimentdynamik des Watten-meeres sowie ihre mögliche Anwendung als naturbasierte Lösung für den Küstenschutz zu bewerten. Ziel dieser kumulativen Dissertation ist es, das prozessbasierte Verständnis zu erweitern, wie die Umwandlung der biogenen Strukturen Wellen beeinflusst. Basierend auf Wissenslücken wurden drei Forschungsfragen abgeleitet, um 1) die topografischen Veränderungen auf der artenbezogenen Skala zu quantifizieren, 2) die Prozesse zu erfassen, die die Wellenenergiedissipation bestimmen und 3) die Wellenenergiedissipation durch Bodenreibung beider biogenen Strukturen zu quantifizieren. Die Wechselwirkungen zwischen Wellen und biogenen Strukturen wurden durch kontrollierte, maßstabs-reduzierte Wellenkanalexperimente unter Verwendung generischer Ersatzmodelle untersucht. Hierbei dienten topographische Daten aus Feldkampagnen als Grundlage für die Entwicklung der Ersatzmodelle. Die Beantwortung der Forschungsfragen führte zu vier veröffentlichten Arbeiten, welche die Grundlage dieser Dissertation bilden. In Arbeit #1 wurde eine strukturelle Klassifizierung von Austernriffoberflächen im zentralen Wattenmeer eingeführt und topographische Rauheitsparameter für jede Klasse ermittelt, die für die hydraulische Rauheit relevant sind. In Arbeit #2 wurde untersucht, wie digitale Design- und Fertigungsstrategien zur Herstellung von Ersatzmodellen beider biogener Strukturen angewendet werden können. Diese Arbeit integrierte in-situ-Datenerfassung, Datenanalyse, Parametrisierung, rechnergestütztes Konstruieren und additive Fertigung, was zur Herstellung komplexer Ersatzmodelle beider biogener Strukturen führte. Die Arbeiten #3 und #4 berichten von zwei experimentellen Studien, in denen verschiedene generische Ersatzmodelle (abstrakt und komplex) im Wellenkanal regelmäßigen, nicht brechenden Wellen ausgesetzt wurden. In Arbeit #3 wurden abstrakte Ersatzmodelle verwendet, um den Einfluss scharfer Kanten von Rauheitselementen, wie den Rändern von Austernschalen, auf die reibungsbedingte Wellenenergiedissipation zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass scharfkantige Oberflächen eine größere Wellenenergiedissipation bewirken als stumpfe und es konnten Einblicke in die zugrundeliegenden Prozesse gewonnen werden. In Arbeit #4 wurde die welleninduzierte Hydrodynamik beider biogener Strukturen unter der Verwendung der in Arbeit #2 entwickelten komplexen Ersatzmodelle verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass unterschiedliche topographische Einheiten als signifikante Rauheitselemente fungieren: In Miesmuschelbänken bestimmten die Muschelagglomerationen die reibungsbedingte Wellenenergiedissipation und in Austernriffen bestimmten dies die scharfkantigen Austernschalen, wobei Austernriffe die Wellen effektiver dämpfen. Die Ergebnisse dieser Dissertation bieten einen neuartigen Rahmen zur Quantifizierung der Auswirkungen biogener Strukturen auf Wellen, insbesondere im Zusammenhang mit der Umwandlung von Miesmuschelbänken in Austernriffe im zentralen Wattenmeer. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine Parametrisierung der Wellenenergiedissipation durch Bodenreibung dieser biogenen Strukturen, was eine genauere hydro-morphodynamische Modellierung von Wattflächen ermöglicht. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis biogener Strukturen als naturbasierte Lösungen zur Unterstützung des existierenden Küstenschutzes bei.
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