OUTLINE  1. Introduction   1.1 Eco‐engineering: from concepts to applications    1.2 The general objectives 2. Trends in tropical cyclones/depressions in Bangladesh 3. Erosion in the Kutubdia Island 4. The pilot project  

4.1 Oyster reef design  4.2 Spat (young oysters) settlement and growth 4.3 Shoreline accretion  4.4 Food and income 4.5 Biodiversity and habitat 

5. The outcomes and impact 6. Future directions 

1

1. Introduction The  low‐lying, densely populated coastal 

areas of Bangladesh are under great  threat due  to  increasing  risk of storm‐surge  flood‐ing  and  future  sea‐level  rise.  Every  year, about  30‐70%  of  the  country  is  normally flooded, and also land losses due to erosion is  a  chronic problem  in many  coastal  areas and offshore  islands,  such  as  the Kutubdia, Sandwip,  etc.  Traditional  engineering  ap‐proach,  for  example,  to  achieve  long‐term protection and/or curb erosion with earthen dikes is neither resilient nor sustainable, and often suboptimal with respect to other func‐tions  and  even  resulted  in  negative  or  un‐foreseen  impacts on  local ecology.  Instead, a  combination  of  existing  methods  and strategies are gaining importance, especially in  developing  countries,  to  promote more resilient  solutions  that  are  robust,  sustain‐

able, adaptable, multifunctional and yet eco‐nomically feasible, as illustrated in figure 1.   1.1 Eco‐engineering: from concepts to applica‐tions  

Eco‐engineering or the so‐called Building with  Nature,  also  often  referred  to  Living Shoreline,  is  a  novel  soft‐engineering  ap‐proach  that  combines with  existing  coastal defence  structures  for  protecting  coastal areas  and  communities  from  erosion,  and enhancing  the natural defense of  the coast using living organisms, at the same time pro‐viding various ecosystem services and prod‐ucts  to  people.  One  method  of  eco‐engineering  is  known  for  decades,  i.e.  the green  belt  or  shields  of  mangroves,  how‐ever, newer methods are emerging,  for ex‐ample, protecting  the  coast  and  enhancing shoreline  accretion  by  building  oyster  reef (Figure 2). An oyster reef protects shorelines quite  in a different way  than  the mangrove does. It helps dampen the wave and current energy,  which  are  the  most  prominent causes of erosion  in coastal areas, and  trap sediment. Living oyster reefs grow with time and  self‐repair  any  damage,  and  therefore, they  require  almost  no  maintenance.  Fur‐thermore,  oyster  reefs  provide  shelter  for many  marine  organisms  like  a  coral  reef does, delivering similar biodiversity and pro‐tection  benefits,  in  addition  to  providing food (e.g. crab, shrimp, fish, oyster and mus‐sels)  to  local  communities.  The possibilities of  eco‐engineering  approach  are  not  just limited  to mangroves or oyster  reefs, other viable  living  organisms  (such  as  marsh grasses, mussels, etc.) and a variety of their combinations can be used to protect coasts, enhance  accretion,  conserve  biodiversity and provide livelihood for communities. 

 

Figure 1. The interactions of society, ecosystems and engineering in response to natural disasters and climate change, and the overlapping areas 

illustrate opportunities for combined adaptation and resilience strategies for coastal areas (source: 

Cheong et al. 2013) 

2

Royal  Netherlands  Embassy  in  Bangladesh. 

Figure 3,  shows a photograph of  the mem‐

bers of ECOBAS team.  

Incidentally,  for  the  first  time,  the  con‐

cept of eco‐engineering has been tested on 

a  pilot  scale  in  the  erosion  prone  offshore 

island  of  Kutubdia,  Bangladesh  under  the 

project  ECOBAS  (Eco‐engineered  coastal 

defence  integrated with sustainable aquatic 

food  production  in  Bangladesh).  This  pilot 

project was/is  implemented by the  Institute 

of Marine Sciences and Fisheries (University 

of  Chittagong,  Bangladesh),  together  with 

scientists from IMARES (Institute for Marine 

Resources  &  Ecosystem  Studies)  and  LEI 

(Agricultural  Economics  Research  Institute) 

of Wageningen  University  and  engineering 

firm Royal HaskoningDHV, the  Netherlands. 

The ECOBAS project is financed by the Dutch 

Partners  for  Water  Programme  and  the 

Figure 2. An illustrated diagram of oyster reefs on a mudflat. The self‐renewing oyster reefs can contribute to the development of salt marshes and mangroves, and sustainable coastal defence with increased accretion 

and stability of intertidal flats (acknowledgement, Md Sakibul Islam) 

Figure 3. The team members of ECOBAS at the ex‐periment site, the Kutubdia Island of Bangladesh 

3

1.2 The general objectives To provide  coastal managers of Bangla‐

desh with an alternative solution of coastal protection  for  extreme  events  and  climate change adaptation, by using  the natural  re‐sistance  of  oysters  against  hydrodynamic forces    in  order  to  protect  the  coast  from  erosion and  flooding, and at  the same  time deliver  a  source of  aquatic  food  that  could be used by  local  communities  for  food and livelihood. 

 2. Trends in tropical cyclones/depressions in Bangladesh  

Heat condition of  the ocean  in  the  form of  sea  surface  temperature  (SST)  is one of the most important variables used in climate change  monitoring  programs  and  is  often related  to other  variables  such  as  sea  level change and hurricane intensity (Vinogradova 2009). Incidentally, Bay of Bengal is a poten‐tially energetic  region  for  the development of  cyclonic  storms  accounting  for  about  7% of  the  global  annual  tropical  cyclones with two cyclone seasons  in a year (Yesubabu et al.  2014).  Chowdhury  et  al.  (2012)  reported that night  SST has been  increased by 0.30‐0.48°C  over  25  years,  from  1985‐2009  at  a rate  between  0.0126°C  and  0.0203°C  per year.  It  is  revealed  that  early  summer  tem‐perature is dropping at low and mid‐latitude zones, while the late summer temperature is rising  quickly.  Conversely,  in  other months and  at  other  latitude  zones,  SST  is  consis‐tently  rising  at  a  rate  of  about  0.02°C  per year. The cyclone seasons in the Bay of Ben‐gal are  likely  to be prolonged as  the cooler months continued to be much warmer than average. Moreover,  as  cooler  high  latitude zones  get warmer,  cyclones will  get  larger replenishment area for gaining heat energy, thus increasing the risk of cyclones along the coast of Bangladesh. The frequency of tropi‐cal  cyclones  and  probable  linkage  of  in‐creased SST is shown in figure 4. 

 3. Erosion in the Kutubdia Island 

A  geospatial  assessment  of  the  island's geomorphological  changes  (Chowdhury, unpublished data) reveal that the  island has shrunk from its 79 km2 in 1950 to 68.5 km2 in 

Figure 4. Long‐term trends of tropical cyclones in the Bay of Bengal (Chowdhury et al. 2012) 

Figure 5. Map showing erosion prone areas at the Kutubdia Island of Bangladesh (Courtesy: Chowd‐

hury, unpublished) 

4

2009, the fastest rate of erosion being felt in the 1990s. The severe cyclone and accompa‐nying storm surge of 1991 which topped the island completely and  literally washed away everything on  its path,  is primarily responsi‐ble for the rapid erosion and disappearance of  almost  the  entire  southern  tip of  the  is‐land  during  this  decade  (Figure  5). Despite localized  accretions  taking  place  in  few  ar‐eas the  island remains extremely vulnerable to  further  erosion  facing  sea‐level  rise  and enhanced   storm activity  in  the Bay of Ben‐gal.  

 4. The pilot project  

The first phase of ECOBAS project, from April‐November  2012,  primarily  relating  to settlement of spats (young oysters), and the ability of oyster reefs to grow at the Kutub‐dia and Moheshkhali  islands, has been posi‐tive,  i.e.  the  areas  are  suitable  for  natural spatfall,  and  support  favourable  environ‐mental  conditions  for  oyster  growth  and survival. However, this study was carried out on  a  very  small  area  using  reefs  made  of bamboo mattresses  containing  four  differ‐

ent  substrates  (such  as  dead  oyster  shells, living  oysters,  window  pane  shells  and stones) that were vulnerable to destruction by hydrodynamic  forces,  in particular  in  the monsoon  season,  and  smothering  of  fine sediments and  silt on  the  substrates,  suffo‐cating the oysters. Subsequently,  in the sec‐ond  phase  of  the  project  (April  2013‐November  2014),  an  experimental  oyster reef  (45 m  long) made  of  concrete  at  the Kutubdia Island was put on the shore.    

 4.1 Oyster reef design  

For  this,  concrete  ring  structures were constructed  and  installed  along  the  coasts of  Kutubdia  Island.  The  concrete  reef was elevated above  the  sediment  level  that can serve  as  suitable  substrate  for  oyster  spat settlement,  and  placed  on  the mudflat,  in front  of  an  earthen  embankment  (Figure 6a,b). The technical design of the reef struc‐tures  and  their  positioning  on  the mudflat were worked out by the scientists and engi‐neers of the partnering  institutions  involved in the project. 

 

Figure 6a. The design of reef structures  

5

4.2 Spat (young oysters) settlement and growth 

Spat  settlement  on  the  concrete  rings (Figure 7), both on the inner as well as outer side of the ring, was counted  (spat/m2) and expressed in total spat on all rings. The data 

show that there is recruitment all year round as  every month  the  numbers  of  spats  are increasing (Figure 8), while the peak recruit‐ment  is  noted  in  April/May  and  October/November.  

For measuring growth of spats, 25 rings 

Figure 6b. Manufacturing and installation of reef 

6

Figure 7. Algal growth (top‐left), settled oyster (top‐right), including fouling barnacles (bottom‐left) on the concrete rings, and showing a confined area (red marked, bottom‐right) that sampled on regular intervals 

to measure growth and survivability of spats 

Figure 8. Oyster spat densities (count/m2) on the con‐crete ring  

Figure 9.  The growth of oyster spats 

7

out  of  69  rings were  selected.  Spats were randomly  selected  from  specified  zones (Figure 7, right) on the inner and outer rings, and  the  shell  length  and width were meas‐ured using a digital caliper. The selection of spats was random, therefore, it was not pos‐sible to monitor individual growth, but actu‐ally measured mean spat size (Figure 9). 

On the inner side of the rings more oys‐ters were  present  than  on  the  outer  side. Besides  oysters,  other  species  were  also present on the surface of the reef,  i.e. non‐target  species  (Figure  7).  Barnacles  were abundantly present on  the  inner  as well  as the  outer  side  of  the  concrete  rings.  Also, sea  anemones  and  zones with  green  algae were  seen.  Where  algal  cover  is  present, there are no spats and barnacles observed, although algae were not present on all rings. However,  their  abundant occurrence,  espe‐cially  barnacles might  limit  available  space for settlement of oyster larvae.  

 4.3 Shoreline accretion  

For measuring the profile of mudflat (or, muddy  shore), a  simple equipment was de‐

veloped  by  the  research  team  using  cost effective  locally  available  materials (Chowdhury et al. 2014). The equipment  is a type of flexible U‐tube manometer that uses liquid  columns  in  vertical  tubes  to measure differences  in elevation, and the supporting frame  is  constructed  from  wooden  poles with base disks, which hold measuring scales and a PVC  tube  (Figure  10). This beach pro‐filer was proven  to be  less  time consuming and easy to use  in the field, operated either by 2 persons or by a single person.  

The  preliminary  results  confirmed  an enhanced  sedimentation  on  the  mudflat, suggesting that oyster reefs have the poten‐tial to offer an excellent form of coastal pro‐tection  as  sediment  forms  naturally behind oyster  reefs.  This  particular  area  is  clearly elevated  compared  to  the area  in  the  fore‐ground and background of the photograph, and  according  to  statistical  analysis  (Figure 11).  

The  main  factor  causing  this  less  dy‐namic area behind the reef is most likely the wave dampening effect of the reef. Accumu‐

Figure 10. An illustration of locally made beach/shore profiling equipment (left), and field measurements are carrying out by the equipment (right), source Chowdhury et al. 2014  

8

lation is seasonal as mud tends to erode pri‐marily in the monsoon season. In July, there is very limited fine sediment deposit. On the other  hand,  more  deposition  of  fine  sedi‐ment is observed in October . However, over time,  oysters  will  build  three  dimensional reef  structures  (i.e.  oysters  will  grow  and attach  themselves  to  one  another,  eventu‐

ally  forming a hard  reef  structure)  that will even more effective  in dissipating wave en‐ergy and protecting the underlying sediment from  erosion.  The  successful  outcome  of eco‐engineering  concept,  in  the  long  run, will help  to build a  resilient  coastal  zone  in Bangladesh. 

 

Figure 11. The visible elevated area behind the reef during flood (top), and lifting of shore elevation in the first year of the experiment, 2013‐2014 (bottom)  

9

4.4 Food and income There  are  also other benefits of oyster 

reefs, such as provision of aquatic food and livelihoods  for  coastal  residents.  The  reef seems  to  give  additional  benefits  as  crabs get trapped  in the rings during  low tide and are collected  (Figure  12). Crabs are valuable trades  on  the  international  market.  While oysters have had a  reputation as a delicacy for  many  centuries,  only  tribal  community living in coastal areas consume oysters from wild catches in Bangladesh. The meat of oys‐ters  is  an  excellent  source  of  vitamins  and minerals,  in  particular,  rich  in  zinc which  is known  to  promote  brain  development  of children.  So,  oyster  reefs  can  deliver  a 

source of aquatic food (oysters) that at the same time can improve the nutrition, health and well being of humans. In addition, it sup‐ports  productions  of  economically  impor‐tant fisheries that can contribute to the live‐lihoods of coastal community.  

 4.5 Biodiversity and habitat 

Between  the  mangrove  saplings  zone and  the  concrete  reef,  there  is  a under de‐veloped  zone  of  salt marsh  vegetation.  By an  increased accretion and  the  stabilization of  tidal  flats,  as  noted  in  this  study, oyster reefs could support the growth of essential coastal,  or  near  shore,  vegetation  like  salt marsh  bed  and  create  accreted  zone  for mangroves.  Altogether,  they  could  form  a cascading  protection  zone  (oyster  reefs  – salt marshes – mangroves) to minimize ero‐sion of the earthen embankment. The other ecological  roles  of  oyster  reefs  include  im‐provement of water quality  (i.e.  remove ni‐trogen  from  the  water  column,  filter  out suspended solids and  lowers turbidity), pro‐viding habitat for numerous aquatic species, enhancement  of  biodiversity,  and  contribu‐tion  to a healthier ecosystem with multiple benefits  and  functions  (Figure  13a,b).  It  is, therefore, very much  important to consider the oyster reef in this broader context. 

Figure 12. Crabs get stuck in the ring (top), and growing oysters (also anemones) on reef structure 

(bottom)  

Figure 13a. A young mangrove sapling behind the reef  

10

5. The outcomes and impact The  preliminary  results  show  that 

oyster  reefs  are  causing  local  sedimen‐tation  as  predicted  that  can  mitigate shoreline erosion, while enhancing fish‐eries  productivity  and  biodiversity  by creating new habitats. The visible conse‐quences will be the resiliency of coastal community  against  erosion  and  flood‐ing,  improved  food  and  nutrition  secu‐rity,  diversified  income  generating  op‐tions  and  strengthened  livelihoods.  An example  of  economic  evaluation  of  an oyster reef restoration project is shown in figure 14.  

Since the climatic conditions in Bang‐ladesh  are more  extreme  compared  to other parts of  the world,  it  is expected that,  the ECOBAS project will generate valuable  information  on  the  feasibility of this new technique to other Delta’s in the  developing world,  such  as  in  Viet‐nam  and Mozambique,  as well  as  to  a further application in Bangladesh.  

 

Figure 13b. Gastropod and bivalve molluscs biodiversity  

Figure 14. Economic valuation of an oyster reef restoration project implemented in the northern Gulf of Mexico 

(source: Cheong et al. 2013) \ 

11

6. Future directions Pilot  scale  ECOBAS  project,  which  was 

started  in April 2013, will be financed by the donors until November  2014, but  to  realize the  full  impact  of  artificial  oyster  reefs  as eco‐engineering tool in coastal protection as well as valuation of ecosystem services pro‐vided, it is required to maintain the reefs for an extended duration.  

Generally,  adult  oysters  can  grow  to colonize  a  reef  in  2‐3  years,  and  the  reefs become  living  and  self‐sustainable  struc‐tures (i.e. support all life stages: settlement, growth, and survival) and stabilize tidal flats 

in about 8‐10  years  time.  In a  recent  study, scientists  observed  that  oyster  reefs  can grow  fast  enough  than  the most  extreme predictions of sea‐level rise (Rodriguez et al. 2014).  Similarly,  results  derived  from  both DEB  (dynamic  energy  budget)  and  DORG (dynamic  oyster  reef  growth)  models showed a promising growth of oyster  reefs at Kutubdia Island (the ECOBAS project loca‐tion)  that  is  even  faster  than  sea‐level  rise (Figure  15). This  result  is extremely encour‐aging, therefore, a shoreline with protected oyster  reefs  hold  great  promise  in  Bangla‐desh. 

Cheong  S‐M,  Silliman  B, Wong  PP,  van Wesen‐beeck B, Kim C‐K, Guannel G  (2013) Coastal adaptation with  ecological  engineering. Na‐ture Climate Change 3: 787‐791. 

Chowdhury SR, Hossain MS, Shamsuddoha M and Khan MMH (2012). Coastal Fishers' Livelihood in Peril: Sea Surface Temperature and Tropical Cyclones in Bangladesh. CPRD, Dhaka, Bangla‐desh. 54pp.  

Chowdhury  SR,  Hossain MS,  Sharifuzzaman  SM (2014) A simple and  inexpensive method for muddy  shore  profiling.  Chinese  Journal  of Oceanology and Limnology 32(6): 1383‐1391.  

Rodriguez AB, Fodrie FJ, Ridge JT, Lindquist NL, Theuerkauf EJ, Coleman SE, Grabowski JH, Brodeur MC, Gittman RK, Keller DA, Kenwor‐

Figure 15. The predictions of oyster growth (length, cm) with the DEB model (left), and oyster reef growth rate (height, cmyr‐1) with the DORG model (right) at ECOBAS site, the Kutubdia Island  

thy MD (2014) Oyster reefs can outpace sea‐level rise. Nature Climate Change 4: 493‐497. 

Vinogradova NT (2009). Integrated sea surface temperature products within a coastal ocean observing system. 

Yesubabu  V,  Srinivas  CV,  Prasad  KBRRH,  Rama‐krishna  SSVS  (2014)  Impact  of  variational data  assimilation  for  simulating  tropical  cy‐clones over Bay of Bengal using WRF‐ARW. In: Mohanty et al. (eds), Monitoring and Pre‐diction  of  Tropical  Cyclones  in  the  Indian Ocean and Climate Change, Springer Nether‐lands, pp.236‐245. 

References 

12