Waddenacademie: Jonge Waadwittenskippers oan it wurd

PIM WILLEMSEN – 

Hoe kwelderontwikkeling afhankelijk is van de lokale bodem, getij en sediment en vice versa kwelders kunnen bijdragen aan kustbescherming door golfdemping: een paradox? 

De kustzone is wereldwijd het meest dichtbevolkte gebied en de economische activiteit is aanzienlijk. 70 procent van de megasteden (met meer dan 1,6 miljoen inwoners) bevindt zich in dit gebied, en de populatie blijft groeien. Echter, om te leven en werken in dit gebied is bescherming tegen overstromingen essentieel, met name gezien de te verwachten zeespiegelstijging en het mogelijk vaker voorkomen van extreme stormen. Kwelders, oftewel begroeide vooroevers, kunnen bijdragen aan kustbescherming door het vermogen zich aan te passen aan een veranderlijke omgeving. Ze kunnen (1) sediment (zand en slib) invangen en daarmee verticaal groeien met zeespiegelstijging; (2) de bodem stabiliseren door de wortelstructuren van de vegetatie, waardoor de erodeerbaarheid van de bodem daalt; en (3) golven dempen door ruwheid van vegetatie en de bodem, waardoor de golfenergie voor het achterland verminderd wordt. Terwijl kwelders zich aan kunnen passen aan een veranderlijke omgeving, blijven meer traditionele maatregelen voor kustbescherming, als dijken en zeeweringen, statisch over tijd. Dus door het combineren van traditionele maatregelen en ecosystemen in hybride kustbescherming oftewel, Nature-Based Flood Defenses (NBFD), kan kustbescherming duurzaam worden. 

De bijdrage aan kustbescherming door een ecosysteem in een NBFD is afhankelijk van de omvang van het ecosysteem. Desondanks is de effectiviteit, voorspelbaarheid en betrouwbaarheid van een NBFD over de levensduur van deze infrastructuur (bijvoorbeeld 50 jaar) grotendeels onbekend, aangezien lange-termijn kennis van ecosysteemdynamiek in tijd en ruimte ontbreekt. Eén van de gevolgen hiervan is dat lokale implementatie van NBFD wordt belemmerd. Onbekende ecosysteemdynamiek, resulteert in een onbekende bijdrage aan kustbescherming. Om kwelders te gebruiken in NBFD moet de natuurlijke dynamiek en de variabele omvang van het systeem in kaart worden gebracht. Ondanks dat eerdere studies de drijvende processen achter laterale dynamiek hebben geïdentificeerd, is de laterale variabiliteit van de kwelderbreedte (kust-dwars) niet uitgebreid onderzocht en gekwantificeerd. Deze dynamiek kan ook nog eens sterk verschillen door de aard van de kwelder: een natuurlijk kwelder, een kwelder die ondersteund wordt door beheersmaatregelen als kwelderwerken, of een kwelder die volledig aangelegd wordt met golfdemping als doel. 

Het is essentieel om voor een specifieke locatie te weten hoever een kwelder zeewaarts kan uitgroeien, voordat de kwelder zich weer terugtrekt. Echter, was tot voor kort weinig bekend over de amplitude van deze groeiende en terugtrekkende beweging. Anderzijds door het monitoren van omgevingsparameters als hydrodynamiek (waterbeweging), morfodynamiek (bodembeweging) en vegetatie rondom de bewegende kwelderrand, kan gekwantificeerd worden onder welke omstandigheden een kwelder kan floreren. Dit maakt het mogelijk om omgevingsparameters dusdanig te beïnvloeden dat een kwelder op een bepaalde locatie kan groeien. Uiteraard is niet iedere locatie geschikt en moet er altijd een afweging gemaakt worden welke belangen een grotere kwelder dient en welk anders systeem hier deels voor moet wijken.

Kustbescherming met kwelders?

De dynamiek van de kwelder en kwelderrand is de focus van het proefschrift, volgend uit voorgaande. Aangezien de kwelderrand onder invloed staat van hydrodynamiek, sedimentdynamiek, morfodynamiek en vegetatie, vraagt dit inherent om multidisciplinair onderzoek waar interactie tussen biota en fysica centraal staat. Het onderzoeksdoel van het proefschrift is: (1) het ontwikkelen van generieke kennis van de biofysische parameters die de laterale locatie van de kwelderrand bepalen, en (2) het toepassen van deze kennis, zodat de bijdrage van kwelders aan kustbescherming tegen overstromingen bepaald kan worden over tientallen jaren. De centrale vraag van dit proefschrift is: wat is de lange-termijn (50 jaar) variabiliteit van de locatie van de kwelderrand en wat is de gerelateerde variabiliteit van de golfdempende capaciteit van kwelders?

De dynamiek van kwelders

Om de centrale vraag van deze studie te beantwoorden is het van belang om een verscheidenheid aan methodes toe te passen. Ecologische, hydrodynamische en morfodynamische perspectieven komen terug in multidisciplinaire analyses. Daarnaast is het van belang verschillende ruimteschalen te beschouwen, aangezien zowel de kwelderkarakteristieken als de dynamiek op verschillende kwelders varieert, alsook tussen verschillende kwelders varieert. Ten slotte worden een verscheidenheid aan tijdschalen geïntroduceerd aangezien de dynamiek van de kwelder verschilt gedurende dagelijkse, seizonale en extreme condities en condities over tientallen jaren. 

Allereerst is de bodemdynamiek van kwelders en platen geanalyseerd door gebruik te maken van historische bodemdata, gemeten over een periode van 65 jaar. De breedte (kust-dwars) van de begroeide kwelder en de kale getijdeplaat is gekwantificeerd middels deze data. Vervolgens is de golfdemping gesimuleerd middels een numeriek model, zowel met vegetatie als zonder vegetatie om seizonale verschillen in acht te nemen. De verschillende kwelders meegenomen in de analyse ontwikkelen op verschillende wijze, ze zijn stabiel, breiden uit, of trekken terug. Een bijdrage aan de golfdemping is geobserveerd voor alle vooroevers, zowel gedurende dagelijkse als extreme condities, waardoor de golfenergie op de landwaartse dijk lager is. Golfdemping door de kale getijdeplaat was minimaal en onafhankelijk van de breedte, terwijl een relatie is gevonden tussen de golfdemping en breedte van de begroeide kwelder: hoe langer de kwelder, des te groter de golfdemping. 

Van het gehele kwelder-plaat systeem terug naar de kwelderrand en de parameters die van invloed zijn op de beweging van de kwelderrand en daarmee de breedte van de kwelder; Een unieke dataset is verzameld, bestaande uit dagelijkse bodemhoogte veranderingen op kwelders in het Noordzee gebied (Thames estuarium, Westerschelde en Waddenzee). Bovendien zijn verschillende biofysische parameters gemeten, zoals sediment karakteristieken en de inundatie periode. Een afnemende golfhoogte is geobserveerd van de zeewaartse zijde van de getijdeplaat tot de landwaartse zijde van de kwelder. Wederom onderstreept dit de bijdrage van de kwelder aan kustbescherming. Een combinatie van de verschillende parameters impliceert dat bodemhoogteverandering en inundatieperiode (afhankelijk van getij) rondom de kwelderrand een indicatie geven van de ontwikkeling van de kwelderrand door het beïnvloeden van vegetatiegroei. Vestigende vegetatie kan hogere inundatiestress weerstaan als de bodem meer stabiel is, zodat vegetatiegroei niet teveel verstoord wordt. Andersom, om een meer dynamische bodem te weerstaan die vegetatiegroei verstoord, is een lagere inundatiestress benodigd, zodat planten voldoende snel groeien om te herstellen van de stress door de dynamische bodem. 

Ten slotte zoomen we uit en is de ontwikkeling van het gehele kwelder-plaat systeem systematisch onderzocht door gebruikt te maken van een numeriek model. Dit zorgt voor een beter begrip van de ontwikkeling van de kwelder onder toekomstige veranderlijke omstandigheden, bijvoorbeeld door klimaatverandering of menselijke invloeden. Het numerieke model voorziet in het oplossen en simuleren van interactie tussen waterbeweging (hydrodynamiek), bodembeweging (morfodynamiek) en vegetatiegroei. Kwelderontwikkeling onder invloed van milde golfcondities, karakteriserend voor de lage-energie omgeving in estuaria, is berekend over een periode van 50 jaar. Golven en de hoeveelheid sediment in het water is gevarieerd. In het model breidde de kwelder zich zeewaarts uit gedurende lage golfforcering en trok de kwelder zich landwaarts terug gedurende hogere golfforcering, overeenkomstig met observaties in het veld. Desondanks kon een omschakeling van een terugtrekkende naar een uitbreidende kwelder plaatsvinden, door het verhogen van de sedimentbeschikbaarheid. Deze resultaten impliceren een grote gevoeligheid van de laterale beweging van de kwelderrand ten aanzien van kleine veranderingen in het golfklimaat en sedimentbeschikbaarheid, die het zelfs mogelijk maken om een terugtrekkende kwelder naar een uitbreidende kwelder te transformeren. Hetzelfde model laat zien dat een op een locatie waar een kwelder mogelijk aangelegd kan worden, vegetatiegroei sterk geremd wordt door hoge golven tijdens de eerste jaren. Nadat de kwelder zich grofweg een decennium heeft kunnen ontwikkelen, kan de vegetatie hoge golven weerstaan en zo op een duurzame wijze bijdrage aan kustbescherming door golfdemping. Dus aanvullende beschermende maatregelen zijn (tijdelijk) nodig om een kunstmatige kwelder in staat te stellen de initiële 5 jaar ontwikkeling door te komen. Zodra de kwelder is gevestigd na 5 tot 10 jaar is de vegetatie in staat om hoge golven te weerstaan. Echter, maatregelen om de stabiliteit van de kwelder en het ecosysteem intact te houden na 15 jaar ontwikkeling (volwassen kwelder), zoals kwelderverjonging, zijn wellicht nodig. 

Afwegingen van belangen, verdieping en verbreding

Dit onderzoek richt zich op de biofysische en technische aspecten van kwelderdynamiek en de relatie met kustbescherming. Voor de toepassing van kwelders in hoogwaterbescherming is onderzoek in meer disciplines van belang, zoals beleid. Ook vergt het samenwerking van een grote groep stakeholders met deels andere belangen. Kwelders zullen altijd toegepast moeten worden in combinatie met een andere meer traditionele oplossing. Waar ze nu liggen dragen ze wellicht al bij, op andere geschikte plekken kunnen ze mogelijk aangelegd worden. Het ontwikkelen van kwelders op plekken waar ze niet aanwezig zijn, behoeft een aanpassing van de omgeving en zal hoogstwaarschijnlijk ook adaptief beheer nodig hebben om de waarde voor kustbescherming in stand te houden. Echter is het altijd van belang om het huidige systeem mee te nemen in de afweging voor het aanleggen van kwelders. Een groene hybride oplossing waar het kan, grijs waar het moet.  

Voor het daadwerkelijk implementeren van kwelders, is er behoefte aan verdieping van dit onderzoek. Bijvoorbeeld het gedrag van kwelders onder de extreme situaties waar dijken op ontworpen worden, alsook het gedrag onder klimaatverandering, waaronder droogte. Dit onderzoek gaat uitgevoerd worden in het NWA-ORC Living Dikes project. Ecosystemen als kwelders leveren naast de functie kustbescherming meerdere functies, als biodiversiteit en koolstofvastlegging. Synergie en wisselwerking tussen al deze functies zal naast technische vragen een spanningsveld van belangen opleveren. Deze verbreding wordt onderzoek in het EU Green Deal REST-COAST project.

Over het algemeen kan geconcludeerd worden: op grote schaal wordt de omvang van de kwelder beïnvloed door geografische grenzen die de kwelder omsluiten, zoals zeewaartse geulen en landwaartse dijken. Op een kleinere ruimtelijke schaal wordt de locatie van de kwelderrand beperkt door twee interacterende factoren: inundatieperiode en bodemhoogteverandering. Bovendien is de zeewaartse groei en landwaartse terugtrekking van de kwelderrand gedreven door de magnitude van de lange-termijn dagelijkse milde golfcondities (decennia) en sedimentbeschikbaarheid. Periodes met relatief lage golven en/of hoge sedimentbeschikbaarheid stellen de kwelder in staat om lateraal te groeien, terwijl periodes met hoge golven en/of lage sedimentbeschikbaarheid resulteren in een terugtrekkende kwelder. Op een tijdschaal van dagen beïnvloeden korte-termijn hoge golfcondities de vestiging van kweldervegetatie, dit resulteert in een toename van de bodemhoogte waar vegetatie zich kan vestigen. Ten slotte is de bijdrage van kwelders aan kustbescherming onderzocht in dit proefschrift. Zowel kunstmatige kwelders als bestaande kwelders dragen bij aan golfdemping gedurende verschillende hydrodynamische condities. Hoe groter de omvang van de kwelder (kust-dwars) en hoe dichter de vegetatie, hoe groter de bijdrage aan golfdemping is. Echter, kleine veranderingen van hydrodynamische en morfodynamische parameters kunnen resulteren in een verandering van de omvang van de kwelder, en hebben daarmee direct invloed op de golf-dempende capaciteit. Ondanks de paradox van kwelderontwikkeling en kustbescherming, waarin golven een cruciale rol spelen, zijn kwelders absoluut in staat onderdeel te zijn van hybride kustbescherming.

Pim Willemsen is onderzoeker biogeomorfologie van kwelders en mangroves aan de Universiteit Twente in de vakgroep Marine & Fluvial Systems. Daarnaast is hij werkzaam bij Deltares, een instituut voor toegepast onderzoek op het gebied van water en ondergrond. In 2021 heeft hij zijn proefschrift afgerond waarin de biologische, morfologische en hydrodynamische interactie en dynamiek van kwelders is onderzocht over decennia, met als doel het begrijpen van de invloed van deze dynamiek op de bijdrage aan kustbescherming.

Waddenacademie: Jonge Waadwittenskippers oan it wurd

Yn oparbeidzjen mei de Waadakademy jouwe wy yn dizze searje it wurd oan jonge, resint promovearre Waadwittenskippers. Yn elke ôflevering fertelt in ûndersiker mei hokker ûnderwerp hy/sy har yn de ôfrûne jierren dwaande holden hat en wat de resultaten fan dit ûndersyk binne. Dizze jierrenlange arbeid wurdt yn 1500 wurden gearfette.