Interactions of Flexible Aquatic Vegetation with Turbulent Flows in Rivers: field experiments and mathematical modeling with implications for transport and retention of organic matter and nutrients in fluvial ecosystems
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Forschungsprojekt fokussiert sich auf die Untersuchungen von vegetierten Strömungen in für natürliche Ströme relevanten Bedingungen. Erforscht wird der Einfluss der ungleichförmig verteilten flexiblen Wasservegetation, die in Vegetationsbestanden eingeordnet ist. Methodologisch ist diese Studie eine Kombination des fortgeschrittenen Labors und von Feld-Experimenten, die mit theoretischen Analysen und numerischen Modellieren vollbracht werden. Für Feldexperimente mit der Vegetation wurde eine Technik verwendet, die in früheren Studien (Sukhodolov & Sukhodolova 2006) entwickelt worden ist. In dieser Studie wurden zwei Pflanzenarten mit verschiedenen Morphologien gewählt: Nuphar lutea und Sagittaha sagittifolia. Die Pflanzen wurden an derselben Flussstrecke gesammelt. Ein Taucher pflanzte sie mit dem Abstand von 9 cm entlang dem gekennzeichneten Rahmen in zwei Vegetationsbestanden. Ein Bestand war 3x8 m groß. Für jeden Stand wurden drei Messläufe mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. In jedem Messlauf wurden die Geschwindigkeiten auf der entlang der Mittelachse der Stände gleichförmig verteilten Vertikalen gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen an, dass Experimente hohe Qualitätsdateien zur Verfügung stellten, die im Detail mit experimentellen Untersuchungen im Labor vergleichbar sind. Die in MIT geplanten Laborstudien wurden Im LWI Braunschweig in November - Dezember 2011 durchgeführt. Ein wichtiger Faktor, der diese Modifizierung im Arbeitsprogramm verursachte, ist, dass eine Versuchsrinne im LWI Labor bereits mit Drucksensoren ausgestattet wird. Dadurch war es möglich, die Kräfte direkt und unabhängig von Turbulenzmessungen zu messen. Für die Laborexperimente haben wir flexible künstliche Pflanzen mit naturnahen Eigenschaften aus Silikonschaum hergestellt. Die Pflanzen wurden in einen Stand eingeordnet und ein Fortgang von Messungen wurde ähnlich zum Programm von Feldstudien durchgeführt. Ein Large Eddy Simulation (LES) Modell, das aquatische Vegetation als poröse Medien behandelt, wurde entwickelt und geprüft. Völlig dreidimensionale Simulationen, die einen vegetierten Stand in eingehender Strömung betrachtet, wurden durgeführt. Obwohl die Geometrie in den numerischen Simulationen mehr idealisiert wurde, hat LES erlaubt ausführliche Information über die Flussgeschwindigkeit die Turbulenz-Statistik und die Dynamik der kohärenten Strukturen zu erhalten. Die Ergebnisse des LES, des Feld- und Laborstudien ermöglichen die Entwicklung der einfacheren Modellen der Strömung durch die Vegetationsbestände, ein besseres Verständnis der Bildung des Wirbelschleppens hinter einem Vegetationsstand und dessen Beitrag zur Vegetations-induzlerte Widerstand. Im Allgemeinen wurden alle Tätigkeiten des Arbeitsplans bisher vollständig erfüllt. Die Vorbereitungs- und Feldexperimente wurden rechtzeitig und im erforderlichen Volumen vollendet. Die geplante Koordination und Austauschbesuche wurden passend eingeordnet und waren wirksam.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 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.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000267) - 2010. Case study: effect of submerged aquatic plants on turbulence structure in a lowland river. Journal of Hydraulic Engineering, 136, 434-446
Sukhodolov A., and Sukhodolova T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000195) - 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.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/00221686.2011.567760) - 2012. Bursting and flow kinematics in natural streams. RiverFlow 2012. International conference on fluvial hydraulics. 5-7 Sept. 2012, San Jose, Costa Rica, 1, 113-120
Sukhodolov A. and Nikora V.
- 2012. Dynamics of turbulent flow along and behind vegetation patches: field experiments. River Flow 2012 - Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics. 5-7 Sept. 2012, San Jose, Costa Rica, 1, 279-285
Sukhodolova T. and Sukhodolov A.
- 2012. Field-scale experimentation in fluvial hydrodynamics: experience and perspectives. HydroLink (newsletter of the IAHR community), 4, 112-116
Sukhodolov A.
- 2012. Vegetated mixing layer around a patch of submerged plants: Part I Theory and field experiments. Water Resources Research, 48, W10533
Sukhodolova, T., Sukhodolov, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1029/2011WR011804) - 2012. Vegetated mixing layer around a patch of submerged plants: Part II Turbulence statistics and structures. Water Resources Research, 48, W12506
Sukhodolov A., Sukhodolova, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1029/2011WR011805)
