Attenuation of Solitary Waves and Wave Trains by Coastal Forests

Husrin, Semeidi

Aus vielen Berichten nach dem Tsunami 2004 wurde die Schutzwirkung der Küstenwälder mehrfach bestätigt, obwohl bislang die Dämpfungsprozesse weitgehend unbekannt waren und hierfür kein verlässlicher Nachweis durch prozessbasierte Modelle vorlag. Vor diesem Hintergrund und dem Hintergrund des Wissensstandes besteht das Hauptziel dieser Studie darin, das Verständnis der Prozesse substantiell zu verbessern, die für die Dämpfung von Tsunami/Windwellen durch Küstenwälder verantwortlich sind. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden die Entwicklung und systematische experimentelle Verifizierung eines neuen prozess-basierten Verfahrens zur Parametrisierung steifer und flexibler Walvegetation hinsichtlich des Strömungswiderstands. Mit den anhand dieses neuen Verfahrens ermittelten parametrisierten Modellbäumen wurden systematische Untersuchungen über die Dämpfungswirkung der o.g. zwei Waldtypen in den beiden Wellenkanälen des Leichtweiß-Instituts durchgeführt. Tsunami-ähnlichen solitären Wellen sowie regelmäßigem und unregelmäßigem Seegang wurden generiert. Berücksichtigt wurden sowohl globale Prozesse (hydraulische Wirksamkeit) als auch lokale Prozesse (z.B. Strömungswiderstand). Hinsichtlich der numerischen Modellierung wurde das nichtlineare Flachwasserwellen-Modell mit den aus den Experimenten gewonnenen Strömungswiderstandskoeffizienten implementiert und Daten erfolgreich validiert. Das validierte Modell wurde zur Durchführung einer systematischen Parameterstudie eingesetzt, die in die Entwicklung einer neuen Formel zur praktischen Ermittlung der hydraulischen Wirksamkeit von Küstenwäldern als Funktion eines dimensionslosen Parameters resultierte. Dieser Parameter fasst sinnvollerweise die Einflüsse der Breite und Dichte des Küstenwaldes sowie der Wellenhöhe und Wassertiefe am Vorlandfuß zusammen. Darüber hinaus wurden Empfehlungen für die praktische Bewertung der hydraulischen Wirksamkeit von Küstenwäldern zur Risikoreduzierung bei Tsunami und Sturmfluten ausgearbeitet.

Based on available knowledge and the field evidence from the latest extreme wave events, the interaction of coastal forests and tsunami as well as storm waves still needs further study directed towards an improved understanding of the attenuation performance of coastal forests and the development of reliable prediction models. The objective is to improve the understanding of the physical processes associated with the energy attenuation of tsunami and storm waves through coastal forests by developing a generic methodology for the parameterization of 3-D complex typical coastal forest vegetations and by performing physical laboratory experiment and numerical modelling. To achieve this objective, two typical coastal forest vegetations (mangroves and coastal pines) representing two different coastal habitats were selected. A physically-based parameterization using easily quantifiable parameters of the real tree was carried out and tested in a current flume for both stiff and flexible structure assumptions. Following the parameterization stage, large scale model tests with different model setups and wave conditions (solitary waves representing tsunami and regular/irregular waves representing storm waves) were simultaneously performed in the Twin Wave Flume of Leichtweiß-Instituts (LWI) to investigate the hydraulic performance and the hydraulic resistance characteristics of the coastal forest models. Furthermore, an empirical relationship (forest width factor) and a new procedure to assess tsunami attenuation by coastal forests have also been succesfully developed based on numerical simulation using the nonlinear shallow water equation model with hydraulic resistant coefficients obtained from the laboratory experiments. It can, therefore, be used as a practical tool in coastal zone management to evaluate feasible measures in mitigating and managing risks associated with tsunami and storm waves, particularly in the regions where coastal forests are favourable.

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Husrin, Semeidi: Attenuation of Solitary Waves and Wave Trains by Coastal Forests. 2013.

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