Modellbasierte Untersuchung der dichteabhängigen Strömung in subterranen Ästuaren unter dem Einfluss der Gezeiten

Das subterrane Ästuar (subterranean estuary, STE) beschreibt einen Aquifer an der Küste, in dem sich Süß- und Salzwasser mischen. In dieser unterirdischen Übergangszone zwischen Land und Meer finden biogeochemische Reaktionen statt, die die Zusammensetzung des Wassers verändern. Indem Nährstoffe mit dem Mischwasser ins Meer hinausfließen, nehmen sie direkten Einfluss auf Flora und Fauna in Küstengebieten. Da die biogeochemischen Reaktionen unter anderem von hydrodynamischen Prozessen abhängen, ist es notwendig, Strömung und Salzverteilung innerhalb von STEs zu verstehen.

Durch Dichteunterschiede, regional unterschiedlich gekoppelt an tidale Effekte, kommt es zur Ausbildung einer charakteristischen Salzverteilung im Untergrund. Die zugrundeliegenden Strömungsprozesse lassen sich wie folgt aufteilen: (i) Salzwasser fließt in den Aquifer, vermischt sich mit Süßwasser und bildet aufgrund des entstehenden Dichtegradienten einen Salzwasserkeil, (ii) durch Gezeiten und Wellen strömt Salzwasser von oben in den Aquifer und formt aufgrund des hydraulischen Gradienten eine Zirkulationszelle, die als „upper saline plume (USP)“ bezeichnet wird und (iii) zwischen dem USP und dem Salzwasserkeil strömt süßes Grundwasser ins Meer. Einige Studien haben gezeigt, dass der USP unter natürlichen Bedingungen instabil werden kann, sodass sich Salzwasserfinger bilden.

In der vorliegenden Studie wurden die Strömungsmuster im STE unter tidalen Bedingungen mithilfe eines zweidimensionalen numerischen Strömungs- und Transportmodells mit der Software SEAWAT untersucht. Das Modell simuliert ein physikalisches Sandkastenmodell, das einen vertikalen Querschnitt eines Küstenaquifers abbildet. Ziel war es, den Einfluss verschiedener hydrogeologischer Parameter auf die Stabilität des USP darzustellen. Es wurde analysiert, unter welchen Bedingungen der USP Salzwasserfinger bildet. Die verschiedenen modellierten Szenarien wurden in drei Stabilitätsklassen eingeteilt: stabil, "transitional" und instabil. Die Stabilität wurde anschließend in Stabilitätsdiagrammen aus dimensionslosen Größen aufgetragen, um die Möglichkeit einer Vorhersage der Stabilität der Strömung unter bekannten Bedingungen zu testen.

Anders als in bisherigen Studien beschrieben gab es in den Szenarien Bedingungen, unter denen sich wiederkehrend, aber nicht dauerhaft, Salzwasserfinger bildeten. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass der Süßwasserzustrom vom Land die Stabilität des USP in Abhängigkeit von der Strandneigung beeinflusst: Bei geringer Neigung verstärkt ein starker Süßwasserzustrom die Fingerbildung, bei stärkerer Neigung ist es umgekehrt.