In april 2023 heb ik 10 dagen op Rottumerplaat gezeten als vogelwachter, waar bij ik René Vos, die een groot deel van het zomerseizoen daar zou zitten, ondersteunde bij allerhande taken. Ik had daarnaast een persoonlijke interesse in de geomorfologie en de ontwikkeling van het eiland, die ik graag met behulp van remote sensing (satellietbeelden en dergelijke) in kaart wilde brengen. Hierbij kon ik mijn aanwezigheid op het eiland goed gebruiken om een link te leggen tussen wat er in de data (satellietfoto’s, hoogtekaarten) te zien was en de situatie ter plekke. In deze blog post wil ik iets dieper in gaan op de grootschalige vormveranderingen van het eiland in de afgelopen ~60 jaar met behulp van satellietfoto’s.
De serie satellietfoto’s
Ik gebruik hier satellietfoto’s omdat deze frequent genomen worden, waardoor er een tijdreeks met vrij consistente, korte tussenstappen te maken is. Dit is in tegenstelling tot de vaklodingen, die rond de 6 jaar worden ingemeten (Wiegman et al. 2005) maar ook vaak kortere of langere tussenpozen hebben en incomplete dekking. Vanaf eind jaren ’70 zijn er satellietfoto’s van de verschillende NASA aardobservatie satellieten Landsat 1 t/m 5 beschikbaar, maar met nog redelijk beperkte frequentie waardoor het voor sommige jaren onmogelijk is een goede satellietfoto te vinden. Dit verandert in 1999 met de lancering van Landsat 7 en later Landsat 8 in 2013 en Landsat 9 in 2021. Deze satellieten nemen meer foto’s per dag, waardoor de kans groter is dat die foto wolkenvrij is. Bijvoorbeeld Landsat 7 nam zo’n 438 foto’s per dag, terwijl Landsat 8 rond de 725 per dag zat (Landsat 8, NASA). Met de lancering van de eerste Sentinel-2 satelliet in 2017 van de ESA kwam er nog veel meer data beschikbaar. Doordat dit een samenstelling is van meerdere satellieten, kunnen er nog veel meer foto’s worden gemaakt. Daarnaast zijn deze foto’s ook een hogere resolutie, 10 m voor de RGB kanalen, versus 30 m voor Landsat (15 m panchromatic, maar die is niet altijd nuttig).
Naast deze twee aardobservatie programma’s van de NASA en ESA, heb ik ook enkele declassified zwartwit foto’s van amerikaanse spionage satellieten kunnen vinden in de USGS Earth Explorer, gedateerd op 1964-08-21 en 1974-04-13. Die tweede heeft een verbluffende resolutie, vergelijkbaar met Sentinel-2, satellieten die 43 jaar later pas gelanceerd zijn.
Vanaf begin jaren ’80 heb ik geprobeerd iedere 5 jaar een satellietfoto te vinden, wat redelijk gelukt is. Ik heb gebruik gemaakt van de Copernicus Browser om de satellietbeelden te vinden en te downloaden, bewerking is in QGIS gedaan. Het jaartal dat linksboven wordt weergegeven is indicatief, soms wijkt dit een enkel jaar af i.v.m. de eerder genoemde beschikbaarheid van de beelden.
Beschrijving van veranderingen
In de tijdreeks zijn drie fasen van algemene ontwikkeling van Rottumerplaat te zien. Fase 1 omvat de jaren 1965 tot en met 1975. De stuifdijk is in deze fase in aanleg en de hoofdvorm van het eiland veranderd weinig, met een dominante WNW-OZO oriëntatie. De kwelder lijkt in 1965 al bij het oostelijke deel van de stuifdijk tot ontwikkeling zijn gekomen. In 1975 heeft het al de omvang van de hedendaagse zuidelijke kwelder. Ten westen van de stuifdijk vormt zich dan ook een extra duincomplex.
De jaren 1985 tot en met 2005 omvatten fase 2. Hierin ondergaat het eiland een sterke vormverandering door het ontstaan van een grote haak aan de noordzijde van het eiland, gevoed door sediment van de eroderende noordwest zijde. Tijdens de vorming van deze haak komt de vloedgeul van het Schild dicht aan de kust aan de noordoostzijde van het eiland met erosie van de stuifdijk tot gevolg (1995). Dit is tot de dag van vandaag terug te zien in de versmalling bij de eerste kink van de dijk vanaf de oostpunt. Gedurende het veldwerk in april-mei 2023 zijn de resten van een stuifscherm bij die versmalling aangetroffen (zie rechts), wat aantoont dat de stuifdijk vroeger inderdaad breder was. Na de versmalling groeit de haak door parallel aan de dijk en het deel boven gemiddeld hoogwater (GHW) reikt tot naast de oostpunt van de dijk. We geven deze haak het toponiem “eerste haak”. De hiermee omsloten lagune is vandaag de dag in vrijwel dezelfde vorm te vinden. In dezelfde periode vormen zich aan de westzijde van het eiland nieuwe duincomplexen ten noorden en ten zuiden van de stuifdijk.
In fase 3, met de foto’s van 2015 tot 2023 (heden), herhalen deze processen zich. De vloedgeul van het Schild erodeert een deel van de haak. Sediment van de noordwest zijde wordt omgevormd tot een nieuwe, tweede haak aan de noordoost kant, weer parallel en grofweg dezelfde lengte als de stuifdijk. Duinen vormen zich op “basis” van de eerste haak aan de Noordzee zijde, en een kwelder vormt zich daar achter. De duinen aan de westzijde blijven groeien, maar beginnen ook langzaam te eroderen naar mate de kustlijn meer naar het zuidoosten trekt.
Kustlijn analyse
Met de Landsat en Sentinel-2 beelden vanaf ~1980 kunnen we precieze metingen gaan doen van de hoogwaterlijn van Rottumerplaat.
Hiervoor gebruiken we de Modified Normalized Difference Water Index, MNDWI, (Xu 2006) een veelgebruikte aanpassing van de Normalized Difference Water Index, NDWI, (McFeeters 1996). De NDWI is ontwikkeld om water in zowel vegetatie als wateroppervlakken in kaart te brengen. Hiervoor wordt het verschil tussen de groene (G) en nabij-infraroodband (NIR, 0.8 – 1.4 μm golflengte) gebruikt, genormaliseerd naar de totale intensiteit van het licht:
Licht met een lange golflengte, zoals NIR, wordt sneller geabsorbeerd door water, waardoor het verschil met een kortere golflengte band zoals groen in pixels boven water groter is. De MNDWI gaat hier nog een stap verder in: de NIR band is dan vervangen door de “short-wave infrared” (SWIR, 1.4 – 3.0 μm golflengte), waar absorptie door water nog sterker is:
Hiermee is een natte bodem te onderscheiden van water en droog zand (met behulp van een granswaarde), waardoor in principe de hoogwaterlijn te bepalen is ook met laagwater.
De MNDWI gebruiken wij daarom om de contour van de gemiddelde hoogwaterlijn (GHW lijn) te bepalen. Voor Landsat 7, 8, 9 en Sentinel-2 foto’s is de grenswaarde met het oog vastgesteld op -0.07, bij Landsat 4 en 5 vanwege de lagere precieze van de lichtmetingen op een waarde van 1. We passen daarna enkele bewerkingen op deze contouren toe door middel van een model workflow in QGIS om ze gladder te krijgen en kleine foutieve eilanden eruit te filteren.
Deze tijdreeks in Figuur 3 geeft, ondanks het gebruik van grotendeels dezelfde satellietfoto’s als eerst, een nieuw beeld op de situatie dankzij het stapelen van de GHW lijn contouren. Ten eerste is de oostelijke verschuiving van Rottumerplaat duidelijk te zien: de gehele westelijk gerichte kustlijn schuift consequent op iedere tijdstap. Zeer opmerkelijk is de vrijwel constant blijvende noordgrens van het eiland. Tussen 1986 en 2015 blijft dezen tussen RD Y coördinaat 619302 en 619376, een verschil van slechts 74 meter. Het verschil in waterstand voor en tijdens de satellietopnamen en de daaruit voortvloeiende impact op de vochtigheid van de bodem en het MNDWI signaal veroorzaakt een grotere variatie in positie van de GHW lijn. In 2020 was de noordelijkste positie van de MNDWI eilandcontour op RD Y 619177, 162 meter zuidelijker dan in 2015. Dit kan een teken zijn dat er nu ook erosie aan de noordkant plaats gaat vinden.
Figuur 3 laat ook de explosieve dynamiek van de noordoostkant van het eiland zien. Bijvoorbeeld in de periode 1995 – 2000 verschoof de oostpunt van de eerste haak 1450 m, 290 m per jaar. Hierbij ontstond grofweg 51 hectare aan land binnen de MNDWI contour, gerekend ten noorden en oosten van de punt van dezelfde haak in 1995.
Erosiesnelheden
De erosiesnelheid aan de noordwest en zuidwest zijde van Rottumerplaat is met deze contouren exact in te meten. Hiervoor zijn twee transecten gebruikt grofweg loodrecht op de noordwest (NW) en zuidwest (ZW) kustlijn van het eiland, zie de rode lijnen in Figuur 3. Figuur 4 laat de verschuiving van de contourlijnen in meters per jaar (m/yr) zien langs iedere transect. Tot 2010 was de verschuiving langs de NW transect (links in Fig. 5) grofweg 55 m/jr, met een lage uitschieter in de periode 1995 – 2001. In die periode was er juist opvallend veel erosie ~500 m ten zuidwesten van de transect. Dit losgemaakte sediment is waarschijnlijk deels rond de transect neergedaald waardoor de erosie op dat punt tijdelijk minder was. Na 2010 is de erosie minder, rond de 30 m/jr. Dit is waarschijnlijk doordat in 2010 de kustlijn bij het westelijke uiteinde van de stuifdijk was aangekomen. Het grotere volume zand in die dijk met eenzelfde erosiesnelheid in kubieke meters per jaar zorgt voor een lagere kustlijn regressiesnelheid. Als we buiten de primaire dataset kijken naar de foto van 2023, zien we een regressie in dezelfde periode van 196 m, dus een hogere 65.3 m/jr. De erosie langs de NW transect is dus variabel, met een gemiddelde van grofweg 50 m/jr. Met deze snelheid zou de afstand van de in maart 2023 gelegen westelijke punt van de stuifdijk tot aan de bebouwing, 2640 m, in 53 jaar worden afgelegd. Dit is relevante informatie in geval van vervangende bouw van de onderkomens, andere geomorfologische processen daargelaten.
Het rechter diagram in Figuur 4 laat de verschuiving van de GHW lijn (MNDWI contour) zien langs de ZW transect. De erosie hier heeft een duidelijk dalende trend tot 2001, waarna het stabiliseert rond de 20 m/yr. Het verschil met de NW transect hierin komt waarschijnlijk doordat erosie langs de NW transect wordt gedreven door de impact van golven op de kustlijn, waarbij stormen een grote rol spelen. Aangezien de sterkte en het aantal stormen per jaar sterk verandert, is de hieruit resulterende erosie ook variabel. De erosie langs de ZW transect komt anderzijds door het uitbochten van de Lauwers via getijdestromen, wat grotendeels onafhankelijk is van stormen. Per storm zijn er namelijk slechts enkele (orde grootte 5) tijen met een hogere waterstand en dus sterkere stroming, tegenover grofweg 700 tijen in totaal per jaar. Op dit tempo zou het 108 jaar duren voor de Lauwers om de bebouwing op de stuifdijk te bereiken.
Oppervlak
Met dezelfde GHW lijn contouren bepaald vanuit de MNDWI kan ook het gehele oppervlak van het eiland geschat worden, zie onderstaande figuur. Hierin moet bij worden vermeld dat een hogere getijstand tijdens de opname van de satellietfoto een groot deel van de kwelder onder water kan zetten. Aangezien deze voornamelijk rond de hoogte van GHW ligt, kan een kleine variatie in tij direct het droge areaal en hierdoor het areaal omgeven door de MNDWI contour een stuk lager uitvallen. Dit verklaart de meeste variaties in oppervlak. In bijvoorbeeld 2020 is de kwelder buiten de contour gevallen, waardoor er nog 110 ha bij moet worden opgeteld. Met dit meegerekend is het oppervlak van het eiland grofweg constant op 700 ha. De dip in 1995 komt door het verkleinen van een strandvlakte ten noordoosten van de oostpunt van de stuifdijk, constante erosie aan de NW zijde (zie Figuur 4 links) en nog matige groei van de eerste haak. De periode hierna is de erosie in de NW hoek lager (Fig. 5 links) en groeit de eerste haak juist snel, waardoor het totale oppervlak weer herstelt.
Fig. 5: het oppervlak omsloten door de GHW lijn/MNDWI contouren van Rottumerplaat. Let hierbij op dat de MNDWI vaak door getijstanden de kwelder er buiten laat en dit dus niet 1 op 1 het oppervlak van het gehele eiland is.