Floodplain flows: Interaction Flow - Vegetation
Final Report Abstract
Das Ziel des Forschungsprojekts war die Untersuchung der komplexen Interaktion zwischen Strömung und Vegetation, welche die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Fließgewässermanagementstrategien unter Berücksichtigung von Hochwasserschutz und Ökologie darstellt. Hierzu wurde der Widerstand von Vegetation mit einem innovativen Versuchsaufbau in der Versuchshalle des Leichtweiß-Institut für Wasserbau der TU Braunschweig experimentell bestimmt. Die zeitlich hoch aufgelöste und simultane Messung der Widerstandskräfte von bis zu 10 flexiblen und starren Vegetationselementen und die hydraulischen Messungen führten zu neuen Erkenntnissen über den Sohlen- und Formwiderstand von durchströmter, flexibler Vegetation. Untersuchungen mit einzelnen isolierten Vegetationselementen dienten zur Quantifizierung des Einflusses der Belaubung als auch zur Identifizierung eines adäquaten künstlichen Vegetationselements, das ein ähnliches Widerstandsverhalten wie sein natürliches Gegenstück aufweist. Diese Untersuchungen wurden durch Experimente ergänzt, in denen die Widerstandskräfte natürlicher Auwaldvegetation in einer Schlepprinne gemessen wurden. Im Rahmen der Auswertung wurde neben der Analyse der Widerstandskräfte FD, des Widerstandsbeiwerts CD und der einseitigen Blattfläche ΣA, der Hebelarm L der angreifenden resultierenden Widerstandskraft als neuer Parameter zur Beschreibung des Widerstandsverhaltens von flexibler Vegetation vorgeschlagen. Dieser Parameter besitzt den Vorteil, dass er implizit Informationen bezüglich der Biomassenverteilung und Flexibilität beinhaltet. Die Untersuchungen untermauern den Sachverhalt, dass flexible und starre Vegetation ein signifikant unterschiedliches Widerstandsverhalten besitzen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die strömungsgünstige Verformung flexibler Pflanzen und die damit einhergehende Reduzierung der angeströmten Pflanzenfläche für das unterschiedliche Widerstandverhalten verantwortlich sind. Die Experimente von Pflanzen mit unterschiedlichen Belaubungsstufen deuten darauf hin, dass FD für identische hydraulische Randbedingungen näherungsweise linear mit ΣA zunimmt. Die erhaltenen Ergebnisse demonstrieren die Notwendigkeit, zur Bestimmung des Widerstands- und Verformungsverhaltens von flexibler Vegetation neben dem Anteil der hölzernen Pflanzenteile auch die Belaubung zu berücksichtigen. Die Untersuchungen mit Vegetationsfeldern verdeutlichten eine zeitliche und räumliche Variabilität der Widerstandskräfte, wobei die mittlere Widerstandskraft in ungefähr der Widerstandskraft eines isolierten Elementes entsprach. Entsprechende Messungen mit isolierten Elementen können zur Quantifizierung der mittleren Widerstandskraft herangezogen werden, wenn zusätzlich der Einfluss der Vegetationsanordnung (linienförmig oder versetzt) auf das Strömungsfeld berücksichtigt wird. Die Abhängigkeit der Widerstandskräfte und der hydraulischen Widerstände von der Vegetationsanordnung wurde mit der vorgegebenen relativ lichten Bewuchsdichte in Verbindung gebracht. Der für praktische Anwendungen relativ einfach zu bestimmende Blattflächenindex LAI wurde als geeigneter Parameter zur Parametrisierung belaubter Vegetation identifiziert. Dieser Parameter ist in dem vorgeschlagenen Ansatz von Järvelä (2004) zur Bestimmung des Fließwiderstands enthalten. Allerdings erfordert die Anwendung dieses Ansatzes Artspezifische Parameter, die in weiteren interdisziplinären Untersuchungen bestimmt werden sollten. Der Beitrag des Sohlwiderstands zum Gesamtwiderstand war in den Untersuchungen signifikant und es konnte gezeigt werden, dass Standardansätze zur Quantifizierung des Sohlenwiderstandes diesen unterschätzen. Darüber hinaus wurde die Variabilität der Widerstandskräfte als auch die Änderung der Strömungsstruktur in einem 'Vegetationsflecken' untersucht und mit dem Widerstandsverhalten in Vegetationsfeldern verglichen. Der ermittelte umfangreiche Datensatz wird weiterhin, auch in Zusammenarbeit mit internationalen Kooperationspartnern, ausgewertet. Das Projekt wurde der Öffentlichkeit im Rahmen einer Pressemitteilung vorgestellt, die von verschiedenen Zeitschriften veröffentlicht wurde.
Publications
- (2008)."Drag force measurements of vegetation elements." ICHE 2008, Nagoya, Japan, Papers on CD-Rom
Schoneboom, T., Aberle, J., Wilson, C.A.M.E., and Dittrich, A.
- (2009). "Influence of foliage on drag force of flexible vegetation." Proc. 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, Canada
Schoneboom, T. and Aberle, J.
- (2010). "Die Vegetation an Fliessgewässern aus dem Blickwinkel eines Hydraulikers." Ingenieurbiologie/Genie Biologique, 3(2010), 37-42
Dittrich, A. und Aberle, J.
- (2010). "Hydraulic resistance of vegetated flows: Contribution of bed shear stress and vegetative drag to total hydraulic resistance." Proc. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics River Flow 2010, Braunschweig, Germany. Edited by A. Dittrich, Ka. Koll, J. Aberle & P. Geisenhainer, BAW, pp. 269-276
Schoneboom, T., Aberle, J., and Dittrich, A.
- (2010). "Widerstandsverhalten von Vegetation in Fließgewässern." In Lüderitz, V., Jüpner, R. Dittrich, A. (Hrsg.), Beiträge zum Institutskolloquium Auswirkungen von Eingriffen in Fließgewässern, Magdeburg, 18. November 2010, Magdeburger Wasserwirtschaftliche Hefte, Band 10, pp. 87-102, Shaker Verlag
Aberle, J., Järvelä, J., Schoneboom, T., und Dittrich, A.
- (2011). "Spatial variability, mean drag forces, and drag coefficients in an array of rigid cylinders." Experimental Methods in Hydraulic Research, Geoplanet: Earth and Planetary Sciences, Volume 1, 255-265
Schoneboom, T., Aberle, J., and Dittrich, A.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-642-17475-9_18)
