Study on Salt Marsh VegetationA : Seasonal Changes of Biomechanical Properties and Physical Modeling

Keimer, Kara, Ann

doi:10.24355/dbbs.084-202511230738-0

Published

A Study on Salt Marsh Vegetation : Seasonal Changes of Biomechanical Properties and Physical Modeling

English
German

Climate change, increasing temperatures and sea level rise are a threat for coastal regions worldwide. To protect the population in these regions, ecosystems at the edge between the marine and terrestrial environment offer a wide range of ecosystem services. Salt marshes, for example, provide valuable habitats for flora and fauna, carbon storage and attenuate wave energy. To improve the understanding of the wave-vegetation interaction, the objectives of this doctoral thesis are to (i) investigate seasonal changes of the biomechanical properties for dominant salt marsh species, (ii) systematically evaluate relevant wave transformation processes, for example wave reflection and wave run-up, for the interaction of waves, vegetation and coastal structures and (iii) present a workflow for future investigations evaluating hydrodynamics in salt marshes.

Knowledge and methods of engineers and ecologists were combined to investigate two dominant species in salt marshes. Monthly field investigations from December 2021 to December 2022 were conducted on the german barrier island Spiekeroog. For the high marsh, Elymus spp. was identified as prevalent species, while the low marsh was found to be dominated by Spartina anglica. A total of 1746 specimen for S. anglica and 1390 specimen for Elymus spp. were examined. The results for geometrical and biomechanical properties of both species were analyzed and presented. One main result of the data analysis is a classification for seasonal changes of S. anglica with five different phenological states, which proved to differ significantly in regard to biomechanical properties. In comparison, the growth patterns of Elymus spp. did only show two different states based on the phenotype. Based on the outcome of the field campaign and the results of previous studies, a surrogate for Elymus sp. was developed and manufactured using resin 3D printing with flexible resin. The high geometrical adaptability of this method provides possibilities for adaptation and variation. This enables to model the inhomogeneity of salt marshes in future research. In this thesis, flexible resin components were used, which resulted in an adaptable surrogate suited for hydraulic experiments. To obtain conceptual results for flexible surrogates, cylinders with different flexibilities have been manufactured using 3D printing. For each surrogate, the bending angle has been measured in a flume for various flow velocities.

Additionally, systematic flume experiments with rigid plant mimics were conducted to assess important processes regarding the interaction of waves, vegetation and sea dikes. For these laboratory tests, four parameters were analyzed: wave reflection, wave transmission, wave set-up and wave run-up. The results show the submergence ratio as an important parameter to determine the magnitude of wave energy reduction in salt marshes. Eventually, the results obtained during this thesis were summarized for a workflow regarding future research on hydrodynamic energy interacting with salt marsh vegetation.

Der Klimawandel verursacht den Anstieg des Meeresspiegels sowie ein vermehrtes Auftreten von Sturmfluten. Dadurch stehen Küstenregionen weltweit immer stärker unter Druck. Küstenökosysteme, wie Salzwiesen, bieten Habitate für Flora und Fauna, Kohlenstoffspeicherung und Schutz vor hydraulischen Einwirkungen. In dieser Dissertation wird insbesondere die Interaktion zwischen Wellen und Vegetation untersucht. Dazu werden (i) die saisonalen Änderungen der biomechanischen Eigenschaften dominanter Salzwiesenarten analysiert, (ii) maßgebliche Wellentransformationsprozesse betrachtet und (iii) ein Arbeitsprozess präsentiert, um nachfolgende Untersuchungen zu optimieren.
Zur Beantwortung der Fragestellungen werden Methoden aus den Ingenieurwissenschaften und der Ökologie kombiniert und zwei dominante Arten deutscher Salzwiesen untersucht. Basierend auf dem Vorhandensein und der räumlichen Verteilung während der Sturmflutsaison werden S. anglica in der unteren und Elymus spp. in der oberen Salzwiese untersucht. Letztere Art zeigt eine Kombination charakteristischer Merkmale von Elymus athericus und Elymus repens. Monatliche Felduntersuchungen zwischen Dezember 2021 und Dezember 2022 wurden auf der ostfriesischen Insel Spiekeroog durchgeführt, wobei insgesamt 1746 Individuen von S. anglica und 1390 Individuen von Elymus spp. hinsichlich geometrischer und biomechanisch Eigenschaften untersucht wurden. Ein zentrales Ergebnis der Datenanalyse ist die Klassifikation jahreszeitlicher Veränderungen von S. anglica. Fünf phänologische Stadien, die sich signifikant in ihren biomechanischen Eigenschaften unterscheiden, konnten identifiziert werden. Im Vergleich dazu zeigte Elymus spp. nur zwei unterschiedliche Stadien.
Auf Basis der im Feld gewonnen Erkenntnisse soll ein Modell entwickelt werden, dass die skalierbare Untersuchungen von Salzwiesenvegetation im Wasserbaulabor erlaubt. Als besonders geeignet hierfür hat sich 3D Druck mit UV aushärtenden Harzen erwiesen. Die Kombination aus freier Gestaltbarkeit druckbarer Geometrien und die Variabilität mechanischer Eigenschaften durch Mischung verschiedener Harze ermöglicht eine gute Abbildung der Heterogenität der Flora. Am Beispiel von Elymus sp. wurde ein erstes Modell zur Untersuchung in einem Strömungskanal hergestellt. Dabei wurden der Biegewinkel und die relative Höhe verschiedener Modellhalme unter Strömungseinfluss untersucht. Zusätzlich haben systematische Wellenkanalexperimente mit starren Pflanzenmodellen gezeigt welche wesentlichen Prozesse die Wechselwirkungen von Wellen, Vegetation und Seedeichen beeinflussen. Für diese Laborversuche wurden vier Prozesse untersucht. Die Ergebnisse zeigen das Verhältnis von Vegtationhöhe zu Wassertiefe als einen wichtigen Parameter für Wellenreflexion, Wellentransmission, Wellenaufbau und Wellenauflauf.
Die Ergebnisse dieser Arbeit münden in einen strukturierten Arbeitsprozess, der die Untersuchung von Salzwiesenvegetation von der Feldstudie bis zum Laborexperiment systematisch verknüpft.