title: The effect of bathymetric modification on water age in the Elbe Estuary
Creators: name: Holzwarth, Ingrid
name: Weilbeer, Holger
name: Wirtz, Kai W.
Publisher: name: German Coastal Engingeering and Research Council (Eds.) via Federal Waterways Engineering and Research Institute
Year: 2019
Subjects: subject: FOS: Natural sciences

description: The transport time of substances is a physical factor that influences the completeness of biogeochemical reactions in the estuary. Since hydrodynamic changes induce changes in transport time, river discharge and its seasonal variability strongly determine the transport time of riverine water and its fluctuations. 
A factor that leads to a permanent change in hydrodynamics is man-made bathymetric modification. However, the impact of such modification on transport time has never been quantified. Here we show for the Elbe Estuary (Germany), an example of a partially to well-mixed alluvial estuary, that the impact of typical, decadal man-made bathymetric modification on the transport time of riverine water is much smaller than the effect of the natural variability in river discharge. In this study, we used riverine water age to determine transport time. We found the age difference due to river discharge variation to be in the order of days to weeks, depending on the location within the estuary. In contrast to the strong influence of discharge, we found the age difference between scenarios which differ by the effect of 40 years of man-made bathymetric modification to be in the order of hours with a maximum of 38 hours, depending on location and discharge. Overall, riverine water age increases by approximately 7 % in the more strongly impacted bathymetry, suggesting that transport time is only slightly affected by the considerable depth differences of several meters in large parts of the estuary. 
With regard to the summer oxygen minimum zone, which regularly develops in the estuarine freshwater section, we therefore expect the physical influence of the realistic modification via a change in transport time to be small. Nevertheless, the increase in transport time of land-borne material potentially poses an additional stressor to the dissolved oxygen dynamics in the estuary.  
description: Die Dauer des Stofftransportes entlang eines Ästuars ist ein physikalischer Faktor, der die Vollständigkeit der stattfindenden biogeochemischen Umsetzungen beeinflusst. Die Transportzeit des Wassers und der sich darin befindenden gelösten und suspendierten Stoffe wird durch die Hydrodynamik bestimmt, sodass Änderungen in der Hydrodynamik auch Änderungen in der Transportzeit hervorrufen; die Transportzeit des flussseitig in das Ästuar einströmenden Wassers ist besonders von dessen Menge und deren Variabilität abhängig. 
Bathymetrische Anpassungen rufen eine dauerhafte Änderung der Hydrodynamik hervor. Dennoch wurde bisher der Einfluss von menschengemachten Anpassungen der Ästuarbathymetrie auf die Transportzeit nicht quantifiziert. Für das Ästuar der Elbe (Deutschland), als ein Beispiel eines teilweise bis gut durchmischten alluvialen Ästuars, zeigen wir, dass der Einfluss typischer menschengemachter Anpassungen der Bathymetrie auf die Transportzeit kleiner ist als der Einfluss der natürlichen Variabilität des Oberwasserzuflusses.
Dazu bestimmten wir das Wasseralter des Oberwassers im Ästuar und fanden die Unterschiede im Wasseralter aufgrund der Variabilität der Oberwassermenge in der Größenordnung von Tagen bis Wochen, abhängig von der Position im Ästuar. Im Unterschied zu dem starken Einfluss der Oberwassermenge zeigte sich der Unterschied im Wasseralter zwischen zwei bathymetrischen Szenarien, die sich durch den Effekt von 40 Jahren menschlicher Einflüsse auf die Bathymetrie unterschieden, in der Größenordnung von Stunden bis hin zu einem Tag. Insgesamt betrug die Zunahme des Wasseralters etwa 7 % in dem Szenario mit der menschlich stärker beeinflussten Bathymetrie und den teilweise großen Tiefenänderungen von mehreren Metern.
Im Hinblick auf die Zone des sommerlichen Sauerstoffminimums, die sich regelmäßig im Süßwasserteil des Elbeästuars entwickelt, ist daher der rein physikalische Einfluss der bathymetrischen Änderungen durch die Transportzeit als klein zu erwarten. Dennoch stellt auch die geringe Erhöhung der Transportzeit potentiell einen zusätzlichen Stressor für die Sauerstoffdynamik des Ästuars dar.
description: gut durchmischtes Ästuar; bathymetrische Anpassungen; Transportzeit; Wasseralter; Aufenthaltszeit