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Küsteningenieurwesen ist eine hochspezialisierte Art des Ingenieurwesens, die sowohl auf natürliche als auch auf vom Menschen verursachte Veränderungen in Küstengebieten abzielt.
Eine gut durchdachte Lösung des Küsteningenieurwesens kann den strukturellen und nicht-strukturellen Schutz vor Küstenveränderungen bieten und kann die positiven Auswirkungen maximieren, während die negativen Folgen möglicher Lösungen für problematische Bereiche an einer Küstenlinie minimiert werden.
Das Küsteningenieurwesen umfasst die Anwendung von Natur- und Ingenieurwissenschaften und erfordert ein gründliches Verständnis des betreffenden Gebiets, um die Art und Komplexität des vorliegenden Problems vollständig zu erfassen.
In den Vereinigten Staaten gibt es über 84.240 Meilen Küstenlinie, von denen etwa 41 Prozent dem offenen Ozean ausgesetzt sind, während der Rest durch Buchten, Flussmündungen und Lagunen geschützt ist.
Die ausgedehnten Küstenlinien der USA unterscheiden sich erheblich in ihren Eigenschaften, mit felsigen Küsten in Neuengland, Sümpfen in der mittelatlantischen Region, Küstenklippen in Kalifornien und postvulkanischer Aktivität im Nordpazifik und Alaska.
Die große Vielfalt der amerikanischen Küstenlinien zeigt die Notwendigkeit einer gründlichen Untersuchung, bevor ein Projekt im Bereich des Küsteningenieurwesens in Angriff genommen wird.
Strände und Küstenlinien verfügen über bestimmte natürliche Schutzmechanismen gegen die durch Wellen, Strömungen und Stürme verursachte Erosion. Dazu gehört ein abfallender küstennaher Boden, der bewirkt, dass sich die Wellen vor der Küste brechen und ihre Energie über die Brandungszone abgeleitet wird. Andere Formen des Schutzes können schützende Dünen und Strandbermen sein, die sich im Laufe der Zeit durch die Einwirkung von Wind und Wasser bilden.
Im Laufe der Zeit hat jedoch die vom Menschen verursachte Entwicklung entlang der Strände und Küstenlinien viele dieser natürlichen Erosionsschutzmechanismen beschädigt.
Darüber hinaus hat die Nutzung von Wasserstraßen für Transportzwecke den natürlichen Wasserfluss umgeleitet, was die Erosionsrate beschleunigen kann. Der potenzielle Verlust von Land durch Erosion aufgrund von Stürmen, Wellen und Strömungen kann für Grundstückseigentümer und Investoren einen erheblichen finanziellen Verlust bedeuten.
Ein Küsteningenieur kann oft Lösungen entwickeln, um die Erosionsgefahr in diesen Gebieten zu verhindern oder zu verringern. Dazu muss ein Ingenieur nicht nur die grundlegenden technischen Prinzipien verstehen, sondern auch die natürlichen Kräfte, die die Erosion überhaupt erst verursachen.
Ein Projekt im Bereich des Küsteningenieurwesens läuft in drei Phasen ab.
Zunächst muss ein Ingenieur eine Studie durchführen, um das physikalische System, das an der Küste wirkt, und die Reaktion der Küstenlinie auf diese Kräfte zu verstehen.
Zweitens muss der Ingenieur Küstenbauwerke entwerfen, um die Ziele des Projekts zu erreichen, die innerhalb der Grenzen akzeptabler Auswirkungen auf die Küste liegen.
Drittens muss der Ingenieur den Bau der Küstenbauwerke beaufsichtigen und ihre Leistung überwachen, um ihre ordnungsgemäße Ausführung sicherzustellen.
In diesem Artikel geht es um die ersten beiden Phasen: die Untersuchung der Küstenlinie und die Prüfung von Optionen für Küstenbauvorhaben.
Phase eins: Untersuchung der Küstenlinie
Bevor mit den Arbeiten an einem Küstenbauprojekt begonnen werden kann, muss der Ingenieur zunächst eine umfassende Untersuchung der betroffenen Küstenlinie durchführen, um die Dynamik der beteiligten Elemente vollständig zu verstehen.
Küstenprojekte sind insofern einzigartig, als sie das Zusammentreffen von Luft, Land und Wasser betreffen, wobei sich die Bedingungen häufig ändern. Ein Ingenieur muss jedes Element beobachten, einschließlich des Ozeans und des Strandes, sowie die Reaktion des Strandes auf verschiedene Ereignisse, wie z. B. Stürme, um zu verstehen, wie das Küstenbauprojekt zu gestalten ist.
Als erstes sollte der Ingenieur den Gezeitenbereich für den spezifischen geografischen Standort recherchieren. Diese Informationen können dem Ingenieur helfen, die Höhe zu verstehen, in der die Wellen auf den Strand treffen.
In ähnlicher Weise können Informationen über Strömung und Wellengang Aufschluss darüber geben, wie sich das Wasser gegen das Land auftürmt oder wie das Wasser während eines Sturms anschwillt.
Als Nächstes sollten die Ingenieure den Strand selbst untersuchen, um die Art des vorhandenen Sediments und die Neigung des Strandes zu bestimmen. Diese Faktoren sind eine wichtige Überlegung beim Bau eines Küstenbauprojekts.
In der Regel sind an steileren Stränden eher größere Sandpartikel zu finden, während an sanft abfallenden Stränden eher feinere Sandkörner zu finden sind.
Ingenieure sollten auch die verschiedenen natürlichen Schutzmaßnahmen berücksichtigen, die ein Küstengebiet haben kann.
Barriereinseln sind eine wichtige Form des physischen Schutzes für bestimmte Küsten, insbesondere entlang der Atlantikküste südlich von Long Island. Theoretisch schützen diese Inseln das Festland vor Wellen; viele von ihnen sind jedoch so stark entwickelt, dass auch ihre eigenen Küsten geschützt werden müssen.
Lagunen sind flache Gewässer, die einen Strand vom Festland trennen. Lagunen sind durch einen Meeresarm mit dem Ozean verbunden.
Diese Meeresarme können der Schifffahrt einen Zugang zum Meer bieten und es ermöglichen, dass durch Stürme abgetragenes Strandmaterial wieder ins Meer getragen wird. Veränderte Bedingungen können dazu führen, dass bestimmte Buchten geschlossen werden, während sich neue Buchten öffnen.
In der Forschung werden die Ingenieure die historische Reaktion der Strände auf veränderte Bedingungen feststellen. Küstenlinien haben zwei primäre dynamische Reaktionen auf das Meer: eine Reaktion auf normale Bedingungen und eine Reaktion auf Stürme.
Bei normalen Bedingungen wird die Wellenenergie des Ozeans in der Regel durch die natürlichen Abwehrmechanismen des Strandes abgeleitet, wie z. B. durch abfallende küstennahe Böden und die Entwicklung natürlicher Schutzdünen.
Bei Stürmen jedoch erfordert die massive Wellenenergie oft, dass Strände große Teile der Küstenlinie opfern. Dies kann zu einem dauerhaften Landverlust führen.
Bei Stürmen erzeugen starke Winde hohe, steile Wellen und können zu Sturmfluten führen, die es den Wellen ermöglichen, auf Teile des Strandes zu treffen, die normalerweise nicht dem Wasser ausgesetzt sind.
Diese Wellen sind dann in der Lage, den Strand, die Berme und manchmal auch die Dünen zu erodieren und Material zum küstennahen Boden zu tragen, bis sie einen küstennahen Steg bilden. Diese Barriere dient dann dazu, die Wellen weiter vor der Küste zu brechen und den Strand zu schützen.
Bei schweren Stürmen, wie z. B. Hurrikanen, ist es nicht ungewöhnlich, dass hohe Wasserstände durch Sturmfluten innerhalb von Stunden eine Düne ganz oder teilweise erodieren. Der Strand opfert im Wesentlichen einen Teil des Strandes und der Düne, um eine vorgelagerte Barriere zu bilden, die eine weitere Erosion verhindert.
Im Laufe der Zeit kann der Strand, der durch einen Sturm erodiert wurde, von den Wellen zurückerobert werden. Der Landverlust kann jedoch dauerhaft sein, vor allem wenn der Sturm besonders heftig war oder die Erosion erheblich war.
Die Ingenieure müssen auch den so genannten Longshore-Transport von Sand berücksichtigen, d. h. die Bewegung von Sedimenten sowohl parallel als auch senkrecht zur Küste. Er resultiert aus der Aufwirbelung von Sediment durch die brechenden Wellen und der Bewegung dieses Sediments durch die Wellenenergie und die Strömung.
Das Sediment, das sich auf diese Weise bewegt, wird als litorales Material bezeichnet. Sie kann je nach Jahreszeit, Tag und sogar von Stunde zu Stunde erheblich schwanken. In Gebieten mit Meeresarmen und vorgelagerten Inseln kann der Langstreckentransport unterbrochen werden, so dass Sand in Lagunen zurückbleibt.
Die Stabilität der Küstenlinie ist eines der Hauptziele eines Küstenbauprojekts. Ein Strand gilt als stabil, wenn die langfristigen Raten der Sandzufuhr und des Sandverlustes gleich sind.
Es gibt viele Kräfte, die zur Erosion der Küstenlinie und zum Sandverlust beitragen können, die alle von einem Küsteningenieur berücksichtigt werden müssen, bevor er ein Projekt in Angriff nimmt.
Dazu gehören natürliche Ursachen wie der Anstieg des Meeresspiegels, Schwankungen in der Sedimentzufuhr, Sturmwellen, Wellen- und Flutüberschwemmungen, Deflation, küstenferner Sedimenttransport und die Sortierung von Strandsediment.
Sie kann auch durch den Menschen verursacht werden, z. B. durch Landabsenkung aufgrund der Entnahme von Bodenschätzen, Unterbrechung des Materialtransports, Verringerung des Sedimentangebots, Konzentration der Wellenenergie an den Stränden, erhöhte Wasserstandsschwankungen, Veränderung des natürlichen Küstenschutzes oder Entfernung von Material vom Strand.
Jeder dieser Faktoren sollte bei der Untersuchung einer Küste im Vorfeld eines Küstenbauprojekts berücksichtigt werden.
Phase zwei: Planung von Küstenarbeiten
Nach Abschluss einer Küstenstudie sollte ein Küsteningenieur als Nächstes überlegen, welche Art von Küstenbauprojekt für das Gebiet angemessen ist.
Natürliche Elemente wie Dünen und Strandbermen können zwar einen gewissen Schutz bieten, aber wenn sie durch Stürme erodiert oder durch menschliche Eingriffe beeinträchtigt wurden, können Wellen und Sturmfluten ohne Küstenschutzmaßnahmen den Strand, das Eigentum am Meer und darüber hinaus beschädigen.
Die erste Lösung, die viele Küsteningenieure für den Küstenschutz in Erwägung ziehen, sind quasi-natürliche Schutzmaßnahmen wie der künstliche Aufbau von Sanddünen oder die Anreicherung des Strandes.
Diese Methoden können dazu beitragen, den Strand selbst zu erhalten, die Wellenenergie zu zerstreuen und die Düne als Schutz gegen Sturmfluten und Wellen wiederherzustellen.
Strandaufschüttungen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie den Strand selbst verbreitern und so seinen Erholungswert erhöhen.
Diese Optionen sind jedoch nur vorübergehende Lösungen und stellen keine brauchbaren Lösungen für die langfristige Erosion dar, die durch den Anstieg des Meeresspiegels oder eine abnehmende Menge an Sedimenten im Litoralsystem verursacht wird.
Sollte eine dauerhaftere Lösung für die Erosion zum Schutz der Küstengebiete erforderlich sein, müssen künstliche Strukturen gebaut werden.
Diese Projekte lassen sich in zwei Kategorien einteilen: (1) Bauwerke, die verhindern sollen, dass die Wellen ein Hafengebiet erreichen, wie z.B. Schotts, Mauern, Deckwerke oder Wellenbrecher, und (2) Bauwerke, die den landseitigen Transport der Küstenströmung verhindern sollen, wie z.B. Buhnen und Molen.
Die erste Kategorie von Bauwerken wird an der Küste errichtet, um den oberen Strand zu schützen, der an eine rückwärtige Bebauung oder erodierbare Steilküste grenzt.
Schotts und Molen sind ähnlich konstruiert, unterscheiden sich aber in ihrem Zweck.
Mauern sind in erster Linie dazu gedacht, Wellen zu widerstehen und etwas Boden zurückzuhalten, während Schotts hauptsächlich dazu gedacht sind, Boden zurückzuhalten und auch Wellen zu widerstehen. Sie können aus Stahl, Holz, Betonpfählen, Gabionen oder Schuttbergen gebaut werden.
Schotts bieten keinen ausreichenden Schutz für Standorte, die dem Meer ausgesetzt sind, da das Ufer erodiert und umspült wird. Schotten müssen mit anderen Arten des Schutzes kombiniert oder zu einem Deich erweitert werden, um den direkten Wellen zu widerstehen.
Dämme können vertikale, gebogene, gestufte oder schräge Flächen haben. Während Deiche das Hinterland schützen, können sie lokal zu einem Problem werden, da abwärts gerichtete Kräfte Sand vor der Mauer abtragen können. Steinschürzen können übermäßige Auskolkung und Unterspülung verhindern.
Deckwerke bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Lagen Bruchstein oder vorgefertigten Betonpanzern mit einer Filterschicht über einem abgestuften, in situ befindlichen Erdhang.
Der Zweck eines Deckwerks besteht darin, die bestehende Hangseite einer Düne zu schützen. Sie sind kein Stützbauwerk, sondern dienen als eine Art Panzer für eine stabilere Düne oder Böschung.
Deckwerke haben weniger nachteilige Auswirkungen auf den Strand als ein senkrechtes Schott, da ihre geneigte Fläche die Energie der Wellen ableiten kann.
Breakwaters (Wellenbrecher) sind Barrieren, die eine beliebige Landform oder Wasserfläche vor Wellen schützen sollen, indem sie die Energie der Wellen absorbieren. Da diese Bauwerke vor der Küste errichtet werden, sind sie teurer als Bauwerke an Land, wie z. B. Deiche, und dienen hauptsächlich dem Schutz von Häfen und der Schifffahrt.
Wellenbrecher können auf verschiedene Weise gebaut werden, z. B. parallel zum Ufer, freistehend oder in Segmenten. Wellenbrecher werden in der Regel mit aufgeschütteten Abschnitten gebaut, die mit Panzersteinen und Kernmaterial ummantelt sind.
Wie auch immer sie gebaut werden, sie können den Longshore-Transport von Sedimenten verringern, was zu einer Anhäufung von Sand und einer regelrechten Stranderosion führt.
Das Abpumpen von Sand von dem Ort, an dem er sich angesammelt hat, zum erodierten Strand ist eine Möglichkeit, wie Küsteningenieure mit diesem Problem umgegangen sind.
Die zweite Kategorie von Bauwerken zielt darauf ab, den Longshore-Transport von Sedimenten zu verhindern.
Dazu gehören Buhnen, d.h. Barrieren, die sich von der Küste in die Küstenzone erstrecken.
Buhnen werden in der Regel in einer Reihe entlang der Länge des zu schützenden Strandes errichtet, um die Sandbewegung zu verändern, mit dem Ziel, entweder Sand an der Küste anzusammeln oder Sandverluste zu verhindern.
Kanalsperren können sich negativ auf andere Strände auswirken, da ihnen kein Sand zur Verfügung steht und daher oft künstlich Sand aufgeschüttet werden muss, um Schäden und Erosion an der Küste zu verhindern.
Kanalsperren können aus Holz, Stahl, Beton oder Bruchstein gebaut werden und werden als hoch oder niedrig, lang oder kurz, durchlässig oder undurchlässig, fest oder verstellbar klassifiziert.
Jetties werden an Einlässen verwendet, um Schiffe vor Wellen zu schützen, die Bewegung des Sandes entlang der Strände zu kontrollieren, um zu verhindern, dass er sich in der Fahrrinne ansammelt, und um die Lage der Fahrrinne zu stabilisieren.
Jetties sind häufig an beiden Enden eines Einlasses erforderlich, um eine Fahrrinne zu schützen und zu verhindern, dass sie sich durch den Landtransport mit Sand füllt.
Sie können aus einer Vielzahl von Materialien gebaut werden, darunter Holz, Stahl, Beton oder Bruchstein.
Wie bei den Buhnen können die Stege negative Auswirkungen auf die Strände haben, da sie den Sandtransport von der Küste aus verhindern. Um die Erosion dieser Strände zu minimieren, sehen einige Projekte vor, dass Sand vom Steg zum Strand gepumpt wird.
Typischerweise werden Küstenschutzprojekte am besten als groß angelegte, umfassende Projekte konzipiert. Schutzmaßnahmen für einzelne Grundstücke oder kleinere Projekte sind in der Regel nicht erfolgreich, da die angrenzende Küstenlinie weiter erodiert. Partielle Schutzmaßnahmen können diese Erosion sogar noch beschleunigen.
Ein koordiniertes Vorgehen in einem regionalen Gebiet ist effizienter, effektiver und wirtschaftlicher.
Die Bedeutung von Küstenbauprojekten
Die Erhaltung des Sandes durch gut geplante Küstenbauprojekte ist entscheidend für die Erhaltung der Strände und den Schutz von Eigentum und Investitionen entlang der Küsten in den gesamten Vereinigten Staaten.
Auch wenn Strände auf natürliche Weise bis zu einem gewissen Grad vor Erosion geschützt sind, können Stürme und vom Menschen verursachte Entwicklungen dazu führen, dass sich die Strände zurückziehen – und bei einem Sturmereignis ein hohes Schadenspotenzial für Häuser, Unternehmen und die Infrastruktur aufweisen.
Küsteningenieurwesen kann viele dieser Probleme durch strategische Projekte wie künstliche Sanddünen, Dämme, Deckwerke, Wellenbrecher, Landungsbrücken, Buhnen und Schotten lösen.
Diese Projekte sind komplex. Sie erfordern ein gründliches Verständnis sowohl der technischen Prinzipien als auch der wissenschaftlichen Grundlagen, wie und warum die Erosion an einem bestimmten Ort auftritt.
Nach einer sorgfältigen Untersuchung und Planung kann ein Küstenschutzprojekt dazu beitragen, die Erosion zu verhindern und sowohl den Strand als auch die Grundstücke in einer Küstenregion zu schützen.
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