Helmut Habersack’s research while affiliated with BOKU University and other places

Quantifying bedload transport and its processes is a key challenge in river research and has been a topic of study for decades. In Austria, bedload transport is continuously monitored at seven sites, ranging from high‐altitude Alpine regions to the Danube River, for over one decade. The investigated catchment areas range from 56 km ² to 104,177 km ² . Direct measurement methods, including various bedload samplers, as well as indirect measurement methods, in this case, plate geophones, were used. Thus, the bed load transport of all flood events that occurred during the project period from 2010 to 2021 was recorded. Bedload transport and bedload yield could be determined on a station‐specific basis using calibrated plate geophones and if possible, at the monitoring site with the bedload rating curve approach. A total of 2,848 individual measurements were conducted, using various bedload basket samplers, and 49 measurements with slot samplers. The mean annual bedload load at the observed sites ranges from 4,500 t to 360,000 t at the monitored catchment area. However, the annual loads are subject to significant fluctuations, depending on hydrology and catchment size. Long‐term monitoring has shown that reliable conclusions can be drawn about bedload transport and its dependence on discharge and anthropogenic influences. The correlation between discharge and bedload transport tends to be weaker in smaller catchments.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird eine Methode zur Analyse von kontinuierlichen Schwebstoffdaten in Bezug auf Konzentrationen und Dauer des Auftretens vorgestellt. Die Methode wurde an 20 ausgewählten Messstellen des österreichischen Basismessnetzes angewendet, wobei die kontinuierlichen mittleren Schwebstoffkonzentrationen über das Querprofil über einen Zeitraum von 10 Jahren betrachtet wurden. Durch die Untersuchung konnte die hohe zeitliche und räumliche Variabilität der Schwebstoffkonzentrationen aufgezeigt werden. Die Ergebnisse wurden mit Richtwerten für ökologische Auswirkungen in Bezug auf Schwebstoffkonzentration und Belastungsdauer aus der Literatur verglichen. Auf der Grundlage der Ergebnisse von 20 bisher ausgewerteten Messstellen sollten einheitlich für alle Flüsse und Bäche festgelegte Schwellenwerte kritisch diskutiert werden und es sollten Untersuchungen hinsichtlich der biologischen Verträglichkeit von erhöhten Schwebstoffwerten für die einheimischen Fischarten durchgeführt werden.

Zusammenfassung In der Wachau, einem der zwei freifließenden Abschnitte der Donau in Österreich, wurde erstmals eine umfassende Tracerstudie zur Untersuchung des Geschiebetransports durchgeführt. Die Studie zielte darauf ab Transportdistanzen, Geschwindigkeiten und Verweildauern von Sedimentpartikeln unter variierenden Abflussbedingungen zu analysieren. Hierfür wurden 45 mit VHF-Sendern ausgestattete Tracersteine eingebracht und über einen Zeitraum von 17 Monaten regelmäßig geortet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Geschiebetransport maßgeblich von der Korngröße, der Startposition und hydrologischen Bedingungen beeinflusst wird, aber auch durch die lokale Flussmorphologie gesteuert wird. Auf Grund des größenselektiven Transportverhaltens wurden die kleineren Steine im Mittel über größere Distanzen transportiert. Die Methodik bewährte sich durch eine hohe Wiederfindungsrate (> 99 %) und lieferte detaillierte Erkenntnisse zur Sedimentdynamik, die eine solide Grundlage für nachhaltiges Sedimentmanagement und praxisorientierte Maßnahmen zur Flussbettstabilisierung bieten.

Zusammenfassung Aktives Feinsedimentmanagement sowohl bei Wasserkraftanlagen als auch für die Erhaltung von Wasserstraßen war bis zum Beginn des Christian Doppler Labors für Sedimentforschung und -management nur unzureichend untersucht bzw. fehlten klare Empfehlungen für die Praxis. Einer der Forschungsschwerpunkte während der siebenjährigen Laufzeit des Labors bestand darin, basierend auf Grundlagenforschungen, die notwendige Bandbreite der unterschiedlichen Prozesse und ihre Wechselwirkungen mit der Gewässerökologie so zu untersuchen und aufzubereiten, dass daraus klare Handlungsempfehlungen formuliert werden konnten. Um dies zu erreichen, wurden Fallstudien des aktiven Feinsedimentmanagements bei Wasserkraftanlagen untersucht, natürliche und naturnahe Prozesse der Feinsedimentdynamik erfasst und interpretiert, und auch erstmals die direkte Wirkung variabler Dauer und Konzentrationen von Schwebstoffen auf einheimische Fische experimentell dokumentiert. Diese Ergebnisse des CD-Labors bilden die Grundlage für einen weiterführenden Arbeitsbehelf, der 2025 veröffentlich wird. Mit diesem Arbeitsbehelf sollte es möglich sein, einzelne Projekte in den jeweiligen behördlichen Verfahren gezielt zu bewerten bzw. notendige Pre- und Post-Monitoring-Methoden festzulegen.

Local sediment surplus can originate from various endogenous and exogenous sources and generally forms sediment pulses that propagate downstream and spread in transverse and longitudinal direction. Despite the enormous relevance in natural and anthropogenically influenced river systems, only a few studies deal with the advection and dispersion of local surplus. By the use of physical scale model tests and an image‐based, non‐invasive measurement technique, the two‐dimensional advection and dispersion characteristics of installed sediment deposits on pulse‐scale were investigated. In addition to the qualitative analysis of the erosion process, quantitative transport and spreading parameters are determined. These parameters are further used to assess the experimental results and to model the dispersion based on the two‐dimensional advection‐dispersion equation (2D‐ADE). The present results show that the advection and dispersion properties of a local sediment surplus are strongly influenced by the local stream constriction and the associated 3D flow phenomena. Therefore, unlike transport at dynamic equilibrium, advective pulse slowdown is most likely associated with a continuous decrease of the blocking ratio rather than with the burial and trapping of bed load particles. The presented 2D‐ADE based model is capable to reproduce shape, magnitude and extent of the propagating sediment pulses. In closing, the insights gained from this laboratory study help to better understand the underlying processes and the introduced modeling approach provides a suitable tool for assessing the transport and spreading of a local sediment surplus.

Zusammenfassung Die Kiesmächtigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die Stabilität der Flusssohle und den Geschiebehaushalt der Donau östlich von Wien. Durch anthropogene Eingriffe wie Begradigungen, Querbauwerke und Regulierungsmaßnahmen für die Schifffahrt kam es in diesem Bereich zu einem signifikanten Sedimentdefizit, das in weiterer Folge zu Sohlerosion führt. Besonders problematisch sind dabei Bereiche mit geringer Kiesüberdeckung, in denen feinere Sedimente tertiärer Ablagerungen anstehen und wo die Voraussetzungen für einen potenziellen Sohldurchschlag gegeben sind. In der vorliegenden Arbeit wurde ein systematisches Monitoring der Kiesmächtigkeit durchgeführt, um eine fundierte Datengrundlage für das Geschiebemanagement zu schaffen. Mithilfe von GIS-gestützten Interpolationsverfahren wurde aus 1097 Bohrkerndaten ein hochauflösendes digitales Geländemodell der Kiesunterkante erstellt und mit den Sohlgrundaufnahmen der letzten 18 Jahre verschnitten. So konnten kritische Bereiche mit geringer Kiesüberdeckung identifiziert und deren Entwicklung über die letzten Jahre analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass einige Kolkbereiche eine deutliche Verbesserung der Kiesüberdeckung aufweisen, während andere weiterhin kritisch bleiben. Zusätzlich wurden vier neue potenzielle Risikobereiche identifiziert. Die Untersuchungen bestätigen, dass gezielte Sedimentzugaben und Geschiebemanagementmaßnahmen positive Effekte haben, jedoch weiterhin ein präzises Monitoring erforderlich ist, um das Gefahrenpotenzial zu reduzieren. Das neu entwickelte GIS-basierte Monitoring-Tool bietet eine wertvolle Grundlage für die langfristige Überwachung der Flussmorphologie und ermöglicht eine effektive Planung zukünftiger Maßnahmen. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, nachhaltige Strategien zur Stabilisierung der Flusssohle zu entwickeln und damit sowohl die ökologische Funktion als auch die Infrastrukturfunktion der Donau zu sichern.

Zusammenfassung Die Abrasion von Turbinen durch Sedimente stellt ein großes ökonomisches Problem für Anlagenbetreiber dar. Vor allem Hochdruckanlagen besitzen ein hohes Risiko, sich durch Verschleiß der Turbinen und anderer Anlagenteile wirtschaftlich ungünstig zu entwickeln. Die Entwickler von Laufrädern hingegen haben oft nur geringen Einfluss auf die generelle Planung von Wasserkraftanlagen, die einen Einzug von Sedimenten in den Wasserkraftstollen mitunter ermöglichen. Um hier in Zukunft verbessertes Wissen zu besitzen, vor allem hinsichtlich der Lebensdauer in Bezug auf die Haltbarkeit von Turbinen, haben sich die beiden Unternehmenspartner ANDRITZ und VOITH im CD-Labor im Modul in den Jahren 2017 bis 2019 engagiert. Die Ergebnisse, die u. a. auch ein GIS-Tool zur Beurteilung von Wasserkraftstandorten beinhalten, ermöglichen den Unternehmenspartnern einen erweiterten und verbesserten Umgang mit dem Thema integratives Sedimentmanagement zur Verringerung des Risikos von Turbinenabrasion.

The CD Laboratory for Sediment Research and Management pursued the overarching goal of improving the economic, technical and ecological standards for hydropower use in particular and those for river management in general. This article provides an overview of the most important experimental findings of the CD Laboratory. These include fundamental research on coherent structures, the onset of movement of single stones resting on the river bed and potential scaling effects in scaled model experiments. Coherent vortex structures were measured and visualized for the first time using a non-contact, time-resolved 3D measurement technique and caused the movement of a single grain on a rough bed. Vortex shedding also plays a major role in flows around bridge piers, groynes, vegetation etc. Scaling effects were observed in the scaled model for these processes, which underlines the need for large-scale experiments. The application-oriented studies focused primarily on investigations into reservoir sedimentation and the remobilization of sedimented areas in run-of-river power plants. A low weir sill height in relation to the initial bed level and the lowest possible widening at the power plant itself can significantly improve sediment connectivity. Frequently occurring, smaller flood events can be used effectively to flush run-of-river power plants for a full reservoir drawdown. If drawdown flushing is not possible due to structural conditions, local sediment augmentation can be considered by means of hopper barges or artificially installed sediment deposits. A 1D advection and dispersion model was successfully applied to describe a local bedload input in a laboratory experiment. This model and its further 2D-developments can be used in the future as a tool to predict the spatial and temporal development of planned bedload inputs in rivers.

Zusammenfassung Der Artikel beleuchtet die Rolle der numerischen Modellierung im Rahmen der Arbeiten des CD-Labors „Sedimentforschung und -management“. Es werden numerische Modelle und deren Anwendung zur Untersuchung des Sedimenttransports, der Morphodynamik und der ökologischen Funktionen von Gewässern vorgestellt. Die Anwendung der Modellwerkzeuge zur Grundlagenforschung ermöglicht die Entschlüsselung der Mechanismen des Bewegungsbeginns von Sedimentkörnern und des Transports von Schwebstoffen im Wasserkörper. Die angewandte Forschung zeigt, dass sowohl Buhnen als auch Kiesinseln signifikante Auswirkungen auf die Hydrodynamik und Morphodynamik von Fließgewässern haben. Buhnen tragen zur Erreichung eines morphologischen Gleichgewichts und zur Sohlstabilisierung bei, während Kiesinseln multifunktionale Vorteile bieten, darunter die Verbesserung der Habitatverfügbarkeit und die Regulierung des Niederwassers. Die Ergebnisse unterstreichen darüber hinaus die Bedeutung der Wahl geeigneter Modellmaßstäbe, um Skaleneffekte zu minimieren und die Genauigkeit der Modellierungen zu erhöhen. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einer breiteren Wissensbasis von ökologischen Wasserbaumaßnahmen in Fließgewässern und Stauräumen bei und können bei zukünftigen Planungen berücksichtigt werden.