Linkages between flow, morphodynamics and vegetation
Over the past decades, the significant role of riparian vegetation in enhancing water quality and supporting biological diversity has gained increasing recognition. As a result, recent river management strategies have incorporated vegetation for various purposes, including flood mitigation, soil resistance enhancement, while pursuing ecological improvement in fluvial environments. Riparian areas are typically colonized by a wide variety of vegetation species and types, including woody trees, bushes, and shrubs. The presence of vegetation has a significant impact on the flow field, playing a key role in shaping river morphological evolution. The stems, branches, and leaves of riparian vegetation alter the flow dynamics, modify turbulence patterns, and affect bed shear stress and sediment processes. These vegetation-induced effects are further expected during overbank flows and floods, as the threshold for sediment mobility is often exceeded, resulting in dynamic changes to bedforms, bars, and channels. The combined influences of flow dynamics, sediment transport, and vegetation create a complex interplay within river environments. Understanding these intricate interactions is of utmost importance for accurately modeling the morphological evolution of channels and implementing effective management strategies for river environments. This thesis is based on experimental activities conducted to investigate the flow dynamics and sediment transport characteristics in river environments featuring leafy flexible vegetation and large-scale bedforms. The experimental setup encompasses both mobile-bed and fixed-bed conditions, representing the final morphology of mobile-bed scenarios, enabling a novel analysis of flow characteristics, turbulent fields, and resistance composition in the different conditions. The obtained results highlight the notable influence of leafy flexible vegetation on controlling bedform geometry and sediment transport processes. Surprisingly, contrary to previous studies, the data demonstrate that the presence of vegetation increases dune celerity, consequently enhancing sediment transport. This effect is likely attributed to the increased turbulence caused by the presence of leaves. To model this process, a turbulence-based model for predicting bed-load transport is corrected using the new dataset. Under mobile-bed conditions, this study reveals deviations from the linear superposition principle of the hydraulic resistance in setups incorporating leafy plants. This indicates the introduction of non-linear effects in the combined contribution of dune and vegetation form drag to the overall flow resistance. Accordingly, in fixed-bed conditions, direct measurements of the hydraulic forces exerted by both dunes and leafy flexible plants yield similar results, confirming the initial hypothesis. This study demonstrates that the presence of leafy flexible vegetation significantly influences the hydrodynamics and morphodynamics of river systems, affecting bedform geometry and sediment transport processes. These findings deepen the understanding of the intricate interactions among flow, sediment transport, and vegetation within river environments, offering valuable insights for the development of improved river management strategies. A crucial aspect of this advancement involves the abandonment of rigid cylinder models in favor of more realistic representations of flexible vegetation.
In den letzten Jahrzehnten rückte die Signifikanz der Rolle von Vorlandvegetation zur Verbesserung der Wasserqualität und der biologischen Vielfalt in Fließgewässern immer mehr in den Vordergrund. Im Rahmen von aktuellen Flussmanagementstrategien wird Vegetation deshalb einerseits zur Verbesserung des ökologischen Zustands, andererseits aber auch zum Hochwassermanagement, z.B. in Auengebieten, oder auch zur Stärkung der Bodenresilienz genutzt. Vorländer werden in der Regel von einer Vielzahl von Pflanzenarten und -typen besiedelt, darunter Laubbäume und Büsche, die wiederum eine wichtige Rolle für die morphologische Entwicklung von Fließgewässern spielen. Die Stämme, Äste und Blätter der Vorlandvegetation beeinflussen die Strömungsdynamik, modifizieren Turbulenzmuster und haben Auswirkungen auf die Sohlenschubspannung und somit den Feststofftransport. Diese Effekte sind insbesondere bei Hochwasserereignissen von Bedeutung, d.h. wenn der Strömungsangriff groß genug ist um die Sohlensedimente in Bewegung zu setzen, sodass sich Transportkörper, Bänke und Abflusskanäle dynamisch verändern. Das verbesserte Verständnis der komplexen Interaktionen zwischen Strömungsdynamik, Feststofftransport und Vegetation auf Vorländern ist deshalb von größter Bedeutung für die Modellierung der morphologischen Entwicklung von Fließgewässern und somit für die Umsetzung wirksamer Managementstrategien unter Berücksichtigung ökologischer, hydrodynamischer und sedimentologischer Aspekte. Durch einen integrativen Ansatz lassen sich nachhaltige Lösungen für den Schutz und die Entwicklung von Flussökosystemen entwickeln. Die vorliegende Arbeit basiert auf gegenständlichen Modelluntersuchungen, die mit dem Ziel durchgeführt wurden, die Strömungsdynamik und den Feststofftransport in Fließgewässern mit belaubter flexibler Vegetation unter Berücksichtigung des zusätzlichen Einflusses von großen Sohlenformen (Dünen) zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau umfasste sowohl bewegliche als auch feste Sohlen, wobei die letzteren den Endzustand der Sohlenmorphologie der Versuche mit beweglicher Sohle darstellten. Die gewählte Vorgehensweise ermöglichte eine neuartige Analyse des turbulenten Strömungsfeldes und des Widerstandsverhaltens von Vorländern unter der Berücksichtigung von verschiedenen Randbedingungen. Die erzielten Ergebnisse unterstreichen den Einfluss von belaubter flexibler Vegetation auf die Dünengeometrie und die Feststofftransportprozesse. Im Gegensatz zu früheren Studien zeigen die Ergebnisse, dass belaubte flexible Vegetation die Wandergeschwindigkeit von Dünen erhöhen und somit den Geschiebetransport verstärken kann, was auf die erhöhte Turbulenz infolge der Blätter zurückgeführt werden kann. Zur Modellierung dieses Prozesses wurde deshalb ein auf Turbulenzparametern basierender Ansatz zur Bestimmung des Geschiebetransports unter Verwendung des neuen Datensatzes weiterentwickelt. Im Fall von mobilen Sohlen mit belaubter flexibler Vegetation zeigten sich Abweichungen vom linearen Superpositionsprinzip zur Erfassung des hydraulischen Widerstands infolge der Oberflächenreibung, Dünen und Vegetation, was auf nichtlineare Effekte in Bezug auf den Formwiderstand von mobilen Dünen und Vegetation zurückgeführt wurde. Diese konnten durch mit festen Sohlen durchgeführte direkte Messungen der Widerstandskräfte von Dünen und belaubten flexiblen Pflanzen untermauert werden. Die Arbeit verdeutlicht eindrücklich, dass belaubte flexible Vegetation die Hydro- und Morphodynamik von Fließgewässern erheblich beeinflusst und somit auch die Transportkörpergeometrie und die Feststofftransportprozesse verändert. Die gewonnen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Interaktionen zwischen Strömung, Feststofftransport und Vegetation in Fließgewässern bei und bieten wertvolle Einblicke, die für die Entwicklung verbesserter Managementstrategien von Vorländern von Bedeutung sind. Ein entscheidender Aspekt dieser Weiterentwicklung beinhaltet die Empfehlung, in zukünftigen Untersuchungen Vorlandvegetation nicht wie bisher oftmals üblich durch starre Zylinder zu modellieren, sondern durch flexible Vegetationselemente.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
