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Hydrodynamik von fluvialen Rückströmungen, verursacht durch natürliche Objekte, sowie deren Auswirkungen auf die Flussbettmorphologie

Fachliche Zuordnung Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411877768
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Vielfalt fluvialer Lebensräume ist eng mit der räumlichen Heterogenität abiotischer Faktoren verknüpft, die durch turbulente Strömungen hervorgerufen werden. Im Mittelpunkt dieses Themas stehen Strömungen, die sich um natürliche Objekte in der fließenden Welle entwickeln - turbulente Nachlaufströmungen bzw. Wirbel. Das vorliegende Forschungsprojekt zielte darauf ab, das Wissen über die Dynamik von turbulenten Nachlaufströmungen von kleinräumigen Laborumgebungen auf großräumige natürliche Systeme zu erweitern, die hydrologischen Schwankungen von Niedrigwasser bis hin zu Hochwasserereignissen ausgesetzt sind. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Synergie zwischen kontrollierten, feldbasierten Experimenten, Fallstudien an natürlichen Flüssen, numerischen Experimenten mit wirbelauflösenden Techniken und die hydrodynamische Theorie von Flachwasserströmungen genutzt. Das experimentelle Versuchsprogramm des Projekts resultierte in einem umfassenden Datensatz, bestehend aus 46 Feldexperimenten und 12 Feldfallstudien, anhand dessen turbulente Nachlaufströmungen sowohl bei Niedrigwasser als auch bei Hochwasserereignissen in natürlichen Flüssen untersucht wurden. Das bisher wichtigste Ergebnis des Projekts ist die Entwicklung einer Theorie zum intermodalen Verhalten von Mischungsschnittstellen in Flussnetzwerken. Mit dieser Theorie wird gezeigt, dass die Dynamik flacher Nachlaufströmungen die grundlegenden Prozesse des Impuls- und Massenaustauschs an natürlichen Flusskonfluenzen kontrolliert. Für eine korrekte Vorhersage dieser Dynamik sollte deshalb der Beitrag lateraler advektiver und turbulenter Impulsflüsse zum Effekt der Sohlenreibung hinzugefügt werden, der zuvor als einziger Faktor angesehen wurde, der herkömmliche flache Nachlaufströmungen bestimmt. Diese theoretischen Erkenntnisse stimmen gut mit den Ergebnissen unserer feldbasierten Experimente überein. Unsere Theorie und experimentellen Daten erweitern die Anwendung des Modells für flache Nachlaufströmungen in Flussumgebungen, die sich zuvor traditionell auf die Nahfeldströmungsdynamik um Objekte im Fluss (z. B. Felsbrocken und Ufer- /Wasservegetationsflächen) konzentrierte, auf die Skala von Flussabschnitten. Die kleinskalige Nachlaufdynamik wurde jedoch auch im Rahmen experimentellen und theoretischen Arbeit vollständig berücksichtigt. Insbesondere wurde gezeigt, dass an den Schnittstellen zwischen Umgebungsströmungen und Austrittsströmungen hinter Modellflächen von Ufervegetation die Strömungsdynamik ähnlich ist wie bei flachen Mischungsschichten mit einer starken Stabilisierungswirkung. Die Stabilisierung kann durch laterale Advektionsimpulsflüsse verstärkt werden, die in vertikal begrenzten Strömungen aufgrund von lateralen Verschiebungen (z. B. Strömungsstrahlen), die durch Vegetationspatches hervorgerufen werden, entstehen. Bei Hochwasserereignissen sammeln sich in den Flächen Treibholz, Laubstreu und Makroplastik an, die durch feine Sedimente konsolidiert werden und den Feststoffvolumenanteil erhöhen. Eine Zunahme am vorderen Rand, die für Patches in den Überschwemmungsgebieten von Flüssen mit einem natürlichen hydrologischen Regime typisch ist, kann die Dynamik von einer porösen zu einer festkörperähnlichen Verhaltensweise verändern. Dies muss berücksichtigt werden, sodass eine Unterschätzung theoretischer Vorhersagen, die auf vereinfachten Laborexperimenten basieren, vermieden wird. Somit liefern die Ergebnisse des Projekts eine solide theoretische Grundlage für das Verständnis von Flachwasserströmungen in Flussumgebungen, die auch einen wichtigen praktischen Wert für Flussmanagement und -restaurierung haben.

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