An Environmental Fluid Dynamics Laboratory in the Field: studies and numerical modeling of hydrodynamics, morphodynamics and invertebrate ecology in river meanders
Final Report Abstract
Turbulente Strömung steuert Transportprozesse und Morphodynamik in Flüssen, und beeinflusst dadurch die Ökosystemfunktionen von Flüssen. Die vorliegenden Forschungen fokussierten auf ein tieferes Verständnis der turbulenten Strömung in Mäanderbiegungen, und auf die Interaktionen zwischen Fließstruktur und der benthischen Fauna in Flachlandflüssen. In methodischer Hinsicht wurden labormäßige, numerische und Freilandansätze verknüpft, um die Beziehungen zwischen komplexer Strömung, Morphologie und Ökologie in Mäanderbiegungen zu erfassen, einschließlich ihrer Wirkungen auf die Verteilung benthischer Wirbelloser und ihre Nutzung der Nahrungsressourcen. Die Felduntersuchungen wurden in vier Flachlandflüssen durchgeführt, um einen breiteren Parameterraum hinsichtlich Fließcharakteristik und Gerinnerauhigkeit aufspannen zu können. Die Informationen aus den detaillierten Feldstudien erlaubten einen Vergleich mit den Ergebnissen der Labormodellierung, theoretischer Ansätze und der numerischen Modellierung. Besonders interessante Befunde der hydraulischen Felduntersuchungen waren 1) eine Wirkung der Heterogenität des Reliefs der Flusssohle in Fließrichtung, der die Verteilung der Turbulenzstatistik stärker beeinflusst als die Wirkung der Biegung des Flussgerinnes, 2) die Bedeutung von Übergangszonen zwischen Riffeln und Kolken, die zur Bildung von Jet-artigen Strömungen und Gegenströmungsbereichen führt, 3) Wirkungen der Vegetation auf die Struktur der Sekundärströmungen. Die Ergebnisse der Felduntersuchungen wurden zur Validierung der semi-empirischen 1-D-Modelle der Strömungsdynamik genutzt. Das 3-D RANS-Modell wurde genutzt als ein Erkundungswerkzeug, um den Einfluss von Hochwasser auf die räumliche Dynamik der Strömung festzustellen, sowie seine Auswirkungen auf die Umverteilung benthischer Wirbelloser. Diese Untersuchungen nutzt im übrigen die Großwirbelsimulationstechnik im Maßstab eines Flachlandflusses. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen dass eine Umkehrung von Fließmustern in Mäanderbiegungen stattfinden kann, ähnlich wie in Riffle-Kolk-Sequenzen gerader Gerinne. Allerdings blieben bei Vollbordabfluss die Unterschiede zwischen Riffeln und Kolken zu klein um erhebliche Wirkungen auf Transportprozesse auszuüben. Die ökologischen Felduntersuchungen zeigten, dass Kolke diverser und dichter durch benthische Wirbellose besiedelt waren als Riffelbereiche. In Experimenten unter Nutzung der Acoustic Doppler Velocity Profiler-Technik konnte gezeigt werden, dass der Beginn der passiven Drift der Wirbellosen mit dem Auftreten von kohärenten turbulenten Strukturen nahe des Sediments verknüpft war. Die Nutzung organischer Nahrungsressourcen durch benthische Wirbellose war eng mit der Sohlschubspannung gekoppelt. Innovative lineare gemischte Modelle der Taxaverteilung in Mäanderbiegungen wurden entwickelt, die die Wirbellosendichte in Abhängigkeit von Sohlschubspannung und Sedimentzusammensetzung vorhersagen. Diese Modelle zeigten zwei ausgeprägte Antwortmuster der benthischen Wirbellosen, da der Prozentanteil der Chironomiden in dem Spreeabschnitt signifikant durch die Sedimentzusammensetzung bestimmt wurde, mit einem nur schwachen Einfluss der Sohlschubspannung. Im Gegensatz dazu zeigte der Prozentanteil des Amphipoden Dikerogammarus haemobaphes ein nichtlineares Antwortmuster sowohl hinsichtlich der Sohlschubspannung als auch hinsichtlich des Anteils an Feinsediment, wobei die Effekte deutlich genestet sind. Somit ist die Studie eine der ersten, die die komplexen Wirkungen der Hydraulik auf die Verteilung und Ressourcennutzung von Wirbellosen in Flüssen quantifizieren konnte.
Publications
- 2009. Implications of channel processes for juvenile fish habitats in Alpine Rivers. Aquatic Sciences, 71, 338-349
Sukhodolov A., Bertoldi W., Wolter C., Surian N. and Tubino M.
- 2010. Assessment of a river reach for environmental fluid dynamics studies, Journal of Hydraulic Engineering, 136, 880-888
Sukhodolov A. and Uijttewaal W.S.J.
- 2010. Meander dynamics: a 1D flow model without curvature restrictions. J. Geophysical Res., AGU, 115, F04011
Blanckaert K. and de Vriend H.J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1029/2009JF001301) - 2010. Topographic steering, flow recirculation, velocity redistribution and bed topography in sharp meander bends. Water Resources Res., AGU, 46, W09506
Blanckaert K.
(See online at https://dx.doi.org/10.1029/2009WR008303) - 2011. Complex hydromorphology of meanders can support benthic invertebrate diversity in rivers. Hydrobiologia
Garcia X.-F, Schnauder I. and M. Pusch
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s10750-011-0905) - 2011. Flow dynamics in alluvial channels: the legacy of Kirill V. Grishanin. Journal of Hydraulic Research, 49, 285-292
Sukhodolov A., Nikora V, and Katolikov V.
- 2011. Hydrodynamic processes in sharp meander bends and their morphological implications. Journal of Geophysical Research, 116
Blanckaert K.
(See online at https://dx.doi.org/10.1029/2010JF001806) - 2012. Processes governing the flow redistribution in sharp river bends. Geomorphology
Ottevanger W., K. Blanckaert and WSJ Uijttewaal
(See online at https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.04.049) - 2012. Structure of turbulent flow in a meander bend of a lowland river, Water Resources Research, 47, W01516
Sukhodolov A.
(See online at https://doi.org/10.1029/2011WR010765)
