ResCAD - Resistance and climate adaptation of dune systems; Teilprojekt A: Hydromorphologische Szenarienentwicklung des Dünenerosionsverhaltens unter Einsatz numerischer Modelle (ResCAD A)

Abstract

Die Küstenschutzdünen sind an der Außenküste Mecklenburg-Vorpommerns das tragende Element des Sturmflutschutzes und zugleich Verschleißbauwerke, deren Erhaltung jährlich erhebliche Aufspülmengen erfordert. Das Verbundvorhaben ResCAD (Resistance and Climate Adaptation of Dune Systems) untersucht, wie sich die Dünenerosion unter heutigen und zukünftigen Sturmhochwasserbedingungen quantifizieren lässt und welche Folgen der beschleunigte Meeresspiegelanstieg für Bemessung und Erhaltungsmanagement hat. Im Teilprojekt ResCAD A treiben hierzu statistisch konsistente hydraulische Randbedingungen aus dem Sturmhochwassergenerator und dem MIKE21-Ostseemodell des Teilprojektes B vollständig automatisierte, prozessbasierte XBeach-Dünenerosionsmodelle in 1D und 2DH an – kalibriert an Naturdaten des Sturmhochwassers vom Oktober 2023 am Standort Ahrenshoop (Gütewerte bis 𝐵𝑆𝑆 = 0,92) und validiert am unabhängigen Ereignis vom Januar 2019. Aus der Hindcast-Modellierung von 83 historischen Sturmhochwassern (1941 bis 2023) und umfangreichen geometrisch-klimatischen Szenarien-Ensembles wurde mit Methoden des maschinellen Lernens ein Metamodell für die Analyse und Klimaanpassung von Küstenschutzdünen in drei Modulen abgeleitet, das Erosionsvolumen und Kronenrückgang ohne erneute numerische Simulation prognostiziert und erstmals geschlossene Bemessungsformeln in Abhängigkeit von Dünengeometrie und Meeresspiegelanstieg liefert. Die Szenarienanalysen zeigen: Wachsen die Küstenquerprofile mit dem Meeresspiegel mit, bleibt die Widerstandsfähigkeit der Dünen nahezu unverändert - für das Szenario SSP5-8.5 (+0,80 m bis 2100) sind hierfür jedoch zusätzlich rund 100 m³ Sediment je laufenden Meter erforderlich, die sich aus der Erhöhung von Düne, Strand und Teilen des Vorstrandes zusammensetzen. Die Anpassungsfähigkeit der Dünensysteme ist damit weniger eine Frage der hydraulischen Belastung als der langfristigen Sicherung ausreichender Sedimentressourcen und des landwärtigen Anpassungsraums. Coastal protection dunes are the primary flood defence along the outer coast of Mecklenburg-Western Pomerania and, at the same time, sacrificial structures whose maintenance requires substantial annual nourishment volumes. The joint research project ResCAD (Resistance and Climate Adaptation of Dune Systems) investigates how dune erosion under present and future storm surge conditions can be quantified and what consequences accelerated sea level rise has for design practice and maintenance. Within subproject ResCAD A, statistically consistent hydraulic boundary conditions from the storm surge generator and the MIKE21 Baltic Sea model of subproject B drive fully automated, process-based XBeach dune erosion models in 1D and 2DH – calibrated against field data of the October 2023 storm surge at the Ahrenshoop study site (skill scores up to 𝐵𝑆𝑆 = 0.92) and validated against the independent event of January 2019. Based on the hindcast modelling of 83 historical storm surges (1941 to 2023) and extensive geometric-climatic scenario ensembles, a metamodel for the analysis and climate adaptation of coastal protection dunes was derived in three modules using machine learning techniques. It predicts erosion volume and crest retreat without further numerical simulation and, for the first time, provides closed-form design equations as a function of dune geometry and sea level rise. The scenario analyses show that if the coastal profiles grow with the rising sea level, the resistance of the dunes remains nearly unchanged - for scenario SSP5-8.5 (+0.80 m by 2100), however, this requires an additional sediment volume of about 100 m³ per running metre, composed of the elevation of the dune, the beach and parts of the shoreface. The adaptability of the dune systems is thus less a question of hydraulic loading than of securing sufficient long-term sediment resources and landward accommodation space.