| Vorwort | 5 |
| Inhaltsverzeichnis | 6 |
| Einführung | 9 |
| Küstengewässer | 10 |
| Strömungen in Küstengewässern | 11 |
| Die Hydromechanik der Küstengewässer | 12 |
| Die Mathematik der Küstengewässer | 14 |
| Aufgaben des Küsteningenieurwesen | 15 |
| Seeschifffahrt und Verkehrswasserbau | 15 |
| Fallbeispiel: Die Verlagerung der Medemrinne | 15 |
| Ressourcennutzung und Energiegewinnung | 16 |
| Küstenschutz | 17 |
| Ökologie und Umweltschutz | 17 |
| Tourismus | 18 |
| Militärische Anwendungen | 18 |
| Der Bildungsauftrag hinter der Hydromechanik der Küstengewässer | 19 |
| 1 Gravitation, Coriolis- und Gezeitenkräfte | 21 |
| 1.1 Die Gravitationskraft | 21 |
| Vektorielle Darstellung des Gravitationsgesetzes | 23 |
| Die Gravitationsbeschleunigung | 23 |
| Integrale Form des Gravitationsgesetzes | 24 |
| Das Gravitationspotential | 26 |
| 1.2 Die Corioliskraft | 27 |
| Der siderische Tag | 27 |
| 1.3 Gezeitenerzeugende Kräfte | 30 |
| 1.3.1 Die Position eines Gestirns am Himmel | 34 |
| 1.3.2 Die Änderung des Zenitwinkels eines Gestirns | 35 |
| 1.3.3 Der Erdabstand von Sonne und Mond | 38 |
| 1.4 Zusammenfassung | 39 |
| 2 Die Vorhersage des Tidewasserstands | 41 |
| 2.1 Pegelmessungen des Wasserstands | 41 |
| 2.1.1 Schwimmerpege | 41 |
| 2.1.2 Radarpegel | 42 |
| 2.2 Die Partialtidenanalyse | 43 |
| 2.3 Der Partialtidenzoo | 46 |
| 2.3.1 Die fundamentalen Grundfrequenzen | 46 |
| 2.3.2 Hauptfrequenzen der Gezeiten | 47 |
| 2.3.3 Flachwasserfrequenzen der Gezeiten | 49 |
| 2.3.4 Das diskrete Partialtidenspektrum | 50 |
| 2.4 Partialtidenamplituden in der Deutschen Bucht | 51 |
| 2.5 Die Partialtidensynthese | 51 |
| 2.5.1 Die astronomischen Korrektionen | 52 |
| 2.5.2 Der Spring-Nipp-Zyklus | 52 |
| 2.5.3 Die tägliche Ungleiche | 53 |
| 2.5.4 Die Asymmetrie der Tide | 55 |
| 2.6 Zusammenfassung | 61 |
| 3 Gezeitenwellen | 62 |
| 3.1 Das tiefengemittelte Modell der Hydromechanik | 63 |
| 3.1.1 Die Vertikalgeschwindigkeit unter Tidewellen | 63 |
| 3.1.2 Die Dynamik des Wasserspiegels | 66 |
| 3.1.3 Die tiefengemittelte Bilanz des Impulses | 70 |
| 3.2 Die Dichte von Meerwasser | 72 |
| 3.2.1 Temperaturabhängigkeit der Dichte | 72 |
| 3.2.2 Abhängigkeit vom Salzgehalt | 73 |
| 3.2.3 Abhängigkeit von gelösten Stoffen | 73 |
| 3.3 Wellenfunktion und Wellengleichung | 74 |
| 3.4 Die Flachwassertheorie der Tidewellen | 75 |
| 3.4.1 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Tidewellen | 77 |
| 3.4.2 Die Länge von Tidewellen | 78 |
| 3.4.3 Die Strömungsgeschwindigkeit unter Tidewellen | 79 |
| 3.4.4 Tidefall und Tidestieg | 80 |
| 3.5 Partialtidewellen in der Deutschen Bucht | 81 |
| 3.6 Die Entstehung von Flachwassertiden | 81 |
| 3.7 Die Entstehung von Tidewellen | 85 |
| 3.8 Zusammenfassung | 87 |
| 4 Tidedynamik in Ästuaren | 88 |
| 4.1 Die Dämpfung von Tidewellen | 89 |
| 4.1.1 Eindimensionale, kanalartige Strömungen | 89 |
| 4.1.2 Das Energieliniengefälle in Ästuaren | 90 |
| 4.1.3 Die Wellengleichung mit Dämpfung | 91 |
| 4.1.4 Die Eindringtiefe von Tidewellen in Ästuaren | 93 |
| 4.1.5 Tidewehre | 94 |
| 4.2 Reflektion von Tidewellen | 95 |
| 4.2.1 Reflektion ohne Dämpfung | 96 |
| 4.2.2 Reflektion mit Dämpfung | 99 |
| 4.3 Sedimenttransport unter Tidewellen | 102 |
| Morphodynamik und Tidewellenreflektion | 103 |
| 4.4 Der Einfluss von Querschnittsänderungen | 104 |
| 4.5 Tidekennwerte und ihre Analyse | 105 |
| 4.5.1 Tidekennwerte des Wasserstandes | 106 |
| 4.5.2 Tidekennwerte der Strömungsgeschwindigkeit | 108 |
| 4.5.3 Zeitliche Schwankungen der Tidekennwerte | 110 |
| 4.5.4 Tidekennwertanalyse | 110 |
| 4.6 Der Ausbau der Tideästuare | 110 |
| 4.6.1 Vertiefungen | 112 |
| 4.6.2 Verbreiterungen | 113 |
| Verbreiterung im Unterlauf | 113 |
| Verbreiterung im Oberlauf | 114 |
| 4.6.3 Verengungen | 114 |
| 4.7 Zusammenfassung | 116 |
| 5 Die Theorie idealer Wellen | 117 |
| 5.1 Die ideale rotationsfreie Strömung | 117 |
| 5.1.1 Die Kontinuitätsgleichung | 117 |
| 5.1.2 Druckkräfte | 119 |
| 5.1.3 Die rotationsfreie Strömung | 121 |
| 5.2 Lineare Theorie langer Wellen kleiner Amplitude | 123 |
| 5.2.1 Die Form der freien Oberfläche | 126 |
| 5.2.2 Die Orbitalgeschwindigkeiten | 127 |
| 5.2.3 Der Druck unter Airywellen | 129 |
| 5.2.4 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit von Airywellen | 130 |
| 5.3 Wellenausbreitung in beliebige Richtungen | 132 |
| 5.3.1 Die Phasenfunktion | 133 |
| 5.3.2 Das Gesetz von der Erhaltung derWellengipfel | 134 |
| 5.4 Advektion, Orbitalbahnen und Driftbewegungen | 135 |
| 5.4.1 Die Orbitalbahnen unter Airywellen | 136 |
| 5.4.2 Die Stokessche Driftgeschwindigkeit | 136 |
| 5.4.3 Advektion | 139 |
| 5.4.4 Die Eulergleichungen | 140 |
| 5.5 Stokeswellen | 140 |
| 5.6 Hydromechanische Belastungen von Offshore-Anlagen | 142 |
| 5.6.1 Die Morison-Formel | 144 |
| 5.6.1.1 Der Widerstandsanteil | 144 |
| 5.6.2 Die Kräfte der Gezeitenströmungen | 145 |
| 5.6.3 Wellenkräfte auf Pfeilerbauwerke | 146 |
| 5.7 Die Tide als ideale Welle | 149 |
| 5.8 Zusammenfassung | 149 |
| 6 Die Transformation der Welleneigenschaften | 151 |
| 6.1 Die Veränderung von Wellenzahl und Wellenlänge | 151 |
| 6.2 Die Energie von Oberflächenwellen | 153 |
| 6.2.1 Die Wellenenergiedichte | 153 |
| 6.2.2 Der Energiebegriff der Hydromechanik | 153 |
| 6.3 Die Bilanzierung der Wellenenergie | 156 |
| 6.3.1 Der Wellenenergiefluss | 156 |
| 6.3.2 Energie aus Seegang und Gezeiten | 157 |
| 6.3.3 Die Bilanzgleichung für die Wellenenergie | 159 |
| 6.3.4 Shoaling | 160 |
| 6.3.5 Shoaling und Sohlreibung | 161 |
| 6.3.6 Refraktion | 162 |
| 6.4 Die Propagation der Tidewellenenergie | 164 |
| 6.5 Das Brechen der Wellen | 165 |
| 6.5.1 Das Kriterium von Miche | 165 |
| 6.5.3 Der Auflaufbereich | 169 |
| 6.5.2 Brecherarten | 167 |
| 6.6 Zusammenfassung | 169 |
| 7 Windinduzierte Strömungen in Küstengewässern | 170 |
| 7.1 Die atmosphärischen Zirkulationen | 170 |
| 7.1.1 Die vertikale Druckverteilung in der Atmosphäre | 171 |
| 7.1.2 Hadleyzonen | 173 |
| 7.1.3 Die Wirkung der Corioliskraft | 174 |
| 7.1.4 Der geostrophische Wind | 175 |
| 7.1.5 Hoch- und Tiefdruckgebiete | 175 |
| 7.2 Windschubspannungen | 176 |
| 7.2.1 Spannungen | 176 |
| 7.2.2 Innere Spannungen in Newtonschen Fluiden | 178 |
| 7.2.3 Innere Spannungen in der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft | 178 |
| 7.2.4 Die untere Grenzschicht der Atmosphäre | 180 |
| 7.2.5 Parametrisierungen derWindschubspannung | 181 |
| 7.3 Der Windstau | 183 |
| 7.3.1 Die Neigung des Wasserspiegels unter Windbelastung | 183 |
| 7.3.2 Die windinduzierte Zirkulationsströmung | 184 |
| 7.3.3 Windwirklänge und Windstau | 187 |
| 7.4 Sturm.uten | 188 |
| 7.5 Der Bemessungswasserstand | 190 |
| 7.5.1 Bestimmungsverfahren | 190 |
| 7.5.2 Das Einzelwertverfahren | 191 |
| 7.5.3 Anwendung im Küstenschutz | 192 |
| 7.6 Zusammenfassung | 192 |
| 8 Seegang | 194 |
| 8.1 Die Erfassung des Seegangs | 195 |
| 8.2 Die Stochastik des Seegangs | 197 |
| 8.2.1 Die Rayleigh-Verteilung der Wellenhöhe | 198 |
| 8.2.2 Die kumulative Verteilung oder Summenkurve der Wellenhöhen | 199 |
| 8.3 Die spektrale Verteilung der Seegangsenergie | 200 |
| 8.3.1 Die spektrale Energiedichte | 200 |
| 8.3.2 Empirische Bestimmung des Energiedichtespektrums | 201 |
| 8.4 Modellfunktionen für Seegangsspektren | 204 |
| 8.4.1 Die Phillipsfunktion | 204 |
| 8.4.2 Das Pierson-Moskowitz-Spektrum | 205 |
| 8.4.3 Das JONSWAP-Spektrum | 206 |
| 8.4.4 Bestimmung der JONSWAP-Peakfrequenz | 207 |
| 8.4.5 Die Kitaigorodskiifunktion | 210 |
| 8.4.6 Das TMA-Spektrum | 211 |
| 8.4.7 Die Richtungsabhängigkeit der Energieverteilung | 212 |
| 8.4.8 Signifikante Seegangsparameter | 213 |
| 8.4.8.1 Die Wellenperiode | 215 |
| 8.4.8.2 Die Wellensteilheit | 215 |
| 8.5 Numerische Seegangssimulation | 216 |
| 8.5.1 Die dreidimensionale Simulation | 217 |
| 8.5.2 Boussinesq-Wellenmodelle | 219 |
| 8.5.3 Mild-Slope-Modelle | 223 |
| 8.5.4 Wave Action Modelle | 225 |
| 8.6 Zusammenfassung | 227 |
| 9 Turbulente Strömungen in Küstengewässern | 229 |
| 9.1 Messung und Auswertung turbulenter Geschwindigkeitsfelder | 229 |
| 9.2 Navier-Stokesund Reynoldsgleichungen | 232 |
| 9.2.1 Die Kraftwirkung von inneren Spannungen | 232 |
| 9.2.2 Die dreidimensionalen Bewegungsgleichungen mit inneren Spannungen | 234 |
| 9.2.3 Reynoldsmittlung und Reynoldsspannungen | 235 |
| 9.2.4 Das Prinzip derWirbelviskosität | 236 |
| Die Wirbelviskosität in Fließgewässern | 236 |
| 9.3 Das logarithmische Grenzschichtpro.l | 237 |
| 9.3.1 Das vertikale Profil der Scherspannung | 239 |
| 9.3.2 Das stationäre Geschwindigkeitsprofil in Fließgewässern | 239 |
| 9.3.3 Das logarithmische Geschwindigkeitsprofil als Datenmodell | 240 |
| 9.3.4 Die Intensität der Turbulenz | 242 |
| 9.3.5 Einbeziehung der Grenzschicht zur Atmosphäre | 243 |
| 9.4 Die Rauheit der Sohle | 244 |
| 9.4.1 Die Kornrauheit | 245 |
| 9.4.2 Die Riffelrauheit | 246 |
| 9.4.3 Transportrauheit | 247 |
| 9.4.4 Die Dünenrauheit | 247 |
| 9.4.5 Wie bestimmt man die Sohlverhältnisse? | 248 |
| 9.5 Das Querpro.l der Tidegeschwindigkeit | 249 |
| 9.5.1 Die tiefengemittelten Impulsgleichungen mit turbulenter Viskosität | 249 |
| 9.5.2 Der Ansatz von Elder | 250 |
| 9.5.3 Numerische Lösung der Impulsgleichung über den Querschnitt | 250 |
| 9.5.4 Von der tiefengemittelten Geschwindigkeit zum vertikalen Profil | 250 |
| 9.6 Zusammenfassung | 252 |
| 10 Die Grenzschicht unter Wellen | 253 |
| 10.1 Die Grenzschichtgleichung für Wellen | 253 |
| Die Definition der Sohlschubspannung | 256 |
| 10.2 Die oszillierende laminare Grenzschichtströmung | 258 |
| 10.3 Die oszillierende turbulente Grenzschicht | 259 |
| 10.3.1 Die turbulente Viskosität in der Grenzschicht unter Wellen | 260 |
| 10.3.2 Das turbulente Geschwindigkeitsprofil über glatter und rauer Sohle | 262 |
| 10.3.3 Die Sohlschubspannungsformel von Bagnold | 264 |
| 10.3.4 Die Grenzschichtdicke | 266 |
| 10.3.5 Der Maximalwert der Wellensohlschubspannung | 267 |
| 10.3.6 Wellenenergieverluste durch Sohlschubspannungen | 268 |
| 10.4 Die Kombination von Strömung und Welle | 268 |
| 10.4.1 Die kombinierte Sohlschubspannungsgeschwindigkeit | 269 |
| 10.4.2 Die Beeinflussung der mittleren Strömung durchWellen | 270 |
| 10.4.3 Die kombinierte Sohlschubspannung unter Strömung und Welle | 272 |
| 10.5 Zusammenfassung | 274 |
| 11 Strömungen, Turbulenz und Wellen | 275 |
| 11.1 Die Zerlegung des Strömungsfeldes | 276 |
| 11.1.1 Die Impulsgleichungen des mittleren Geschwindigkeitsfelds | 277 |
| 11.1.2 Das Prinzip der Wirbelviskosität | 279 |
| 11.1.3 Die Impulsgleichungen der Wellenorbitalgeschwindigkeiten | 279 |
| 11.1.4 Die Impulsgleichungen der turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen | 280 |
| 11.2 Die Wellenwirkung auf die vertikale Strömungsstruktur | 281 |
| 11.2.1 Die Wellenwirkung auf die vertikale Druckverteilung | 282 |
| 11.2.2 Das Vertikalprofil der mittleren Strömung unter Wellen | 283 |
| 11.3 Das Wirbelviskositätsprinzip für die Wellengleichung | 285 |
| 11.3.1 Die Wirbelviskosität unter Wellen | 285 |
| 11.3.2 Der Mischungswegansatz | 286 |
| 11.3.3 Der Mischungsweg unter Wellen | 286 |
| 11.3.4 Die Trübe der Küstengewässer | 287 |
| 11.3.5 Die Dissipation von Wellenenergie | 289 |
| 11.3.6 Der Energieeintrag durch den Wind | 289 |
| 11.3.7 DasWindseespektrum im Tiefwasser bei Gleichgewichtsbedingungen | 290 |
| 11.4 Welleninduzierte Strömungen am Strand | 292 |
| 11.4.1 Die tiefengemittelten Radiation Stresses | 292 |
| 11.4.2 Die Impulsgleichungen in Strandnähe | 293 |
| 11.4.3 Der Brandungsstau | 294 |
| 11.4.4 Die Küstenlängsströmung | 294 |
| 11.5 Zusammenfassung | 296 |
| Anhang | 297 |
| Literaturverzeichnis | 298 |
| Sachverzeichnis | 302 |
