November 2024
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International Journal of Sediment Research
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November 2024
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46 Reads
International Journal of Sediment Research
October 2024
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78 Reads
Advances in Water Resources
August 2024
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275 Reads
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1 Citation
This study presents a method to investigate the influence of active floodplains on flood protection, ecology, and socio-economics. We used and further developed the Floodplain Evaluation Matrix (FEM) to systematically assess the Danube River, known as the most international river worldwide. The study also aims to develop a method applicable to other large rivers, taking into account different data availability and research objectives. Hydrological, hydraulic, ecological, and socio-economic parameters were assessed to address the multiple functions and services of floodplains. The evaluation showed that some active floodplains significantly reduce the impact of a 100-year flood event, with relative flood peak reductions by up to 17% and decelerating the flood wave by up to 41.5 h. While other floodplains may not have a noticeable impact on hydrological or hydraulic parameters, they play a crucial role in preserving biodiversity by providing essential habitats for protected species. We introduced an approach to assess whether a floodplain should be preserved and to categorize the restoration demand as low, medium, or high. Our findings indicate a universal need for preservation and restoration measures across all floodplains, with 81% demonstrating a high or medium demand for restoration. Preservation and restoration of floodplains are integral parts of achieving more sustainable floodplain management for each river. Applying the FEM to other large rivers could create a basis for sustainable decision-making, increase awareness of the multiple benefits of floodplains, and foster the implementation of preservation and restoration measures.
May 2024
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129 Reads
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3 Citations
River Research and Applications
Hydropeaking is one of the most severe pressures of hydropower on aquatic ecosystems. The discharge fluctuations due to turbine operations cause frequent shifts in hydraulic habitat characteristics such as flow velocity and water depth. Those rapid changes on a daily or sub daily basis, however, are beyond the possibilities of evolutionary adaptations of aquatic organisms, especially for fish in their sensitive early life stages. Thus, one central aim in terms of the evaluation of hydropeaking impacts or the design of mitigation measures is the analysis or establishment of hydraulically stable habitat conditions. This study presents a novel habitat assessment tool to quantify hydraulically stable habitat conditions in the form of a persistency of suitable habitats in hydropeaking reaches. The HEM-PEAK tool determines areas that contain equal ranges of depth-averaged flow velocity and water depth for both base flow and peak flow in three categories. Those areas also exclude dewatering sites, which have to be seen as 'residual risk for stranding'. In the present study, the model was used to evaluate the YOY habitats of brown trout and grayling. The model was tested for 14 hydropeaking reaches to evaluate the quantity of habitat persistency for different morphological characteristics, such as straight, winding, alternating gravel bars and bifurcation reaches. The findings reveal that there is no relationship between hydraulically stable habitat conditions with reach scale bed slope or the magnitude of dewatering areas. However, the changes in specific discharge in relation to bankfull width could be negatively related to the magnitude of hydraulically stable habitat conditions independent of the morphological type. This relationship is minor for summer scenarios compared to spring, as the initial habitat quality during the increased base flow conditions is already limiting the availability of suitable habitats which might have persistency during peak flow. In detail, several self-forming bars like point bars and artificial structures like groins and coarse rip-rap could be determined, which could be explicitly addressed in terms of mitigation measure design based on the application of the HEM-PEAK tool.
March 2024
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Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
Zusammenfassung Die Modellierung von aquatischen Lebensräumen gewinnt durch die verschiedenen Zielvorgaben auf europäischer und somit auch nationaler Ebene immer mehr an Bedeutung. Neben den Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie und den Zielen zum Ausbau der erneuerbaren Energieträger, inkl. Wasserkraft, sind es auch die neuen Strategien zur Biodiversität und die RED III-Verordnung, die eine integrative Betrachtung der Nutzung aber auch der Sanierung von Fließgewässern zwingend erforderlich machen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, neue Ansätze der integrativen Modellierung von Lebensräumen in Bezug auf den Einfluss unterschiedlicher Aspekte der Wasserkraftnutzung zu präsentieren. Die Ergebnisse der numerischen Modelle zeigen, dass hier sowohl für Fragen des Sedimentmanagements bei Stauhaltungen von Kleinwasserkraftanlagen als auch bei Spülungen von Feinsedimenten generell ökologische Optimierungen bzw. Abschätzungen der ökologischen Folgen möglich sind. Weiters liefern neue Habitatbewertungsmethoden die Möglichkeit, die Auswirkungen flussbaulicher Maßnahmen oder morphologischer Eigenschaften quantitativ in Bezug auf Schwall-Sunk-Einflüsse zu bewerten. Obwohl diese Prognosemodelle immer ausgereifter sind und immer mehr Prozesse abbilden können, zeigt die Gesamtdiskussion, dass es vor allem weiterhin Grundlagenforschung im Feld, als auch im Experiment braucht, um die integrative Modellierung mit den maßgeblichen biologischen Informationen auszustatten.
March 2024
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71 Reads
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Geomorphology
January 2024
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111 Reads
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2 Citations
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
Zusammenfassung Buhnen werden im Wasserbau vielfach angewendet und sind aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse in Abhängigkeit von Wasserstand und Buhnengeometrie herausfordernd bezüglich der Wirksamkeit und der Eignung als flussbauliche Maßnahme. Physikalische Modellierungen werden seit etwa 130 Jahren im Wasserbau angewendet, bei Bedarf mit Feldmessungen und mittlerweile auch mit numerischen Modellen kombiniert, wodurch unter anderem auch die Bewertung von Buhnen profitiert. Aufgrund der Skalierung von physikalischen Modellen kann es jedoch zu Skalierungsfehlern kommen. In dieser Studie wurden fünf Buhnenvarianten an einem 1:1-Versuch und an einem skalierten Versuch im Maßstab 1:5 untersucht. 3D-numerische Modelle der Versuche wurden erstellt und anhand gemessener Werte kalibriert und validiert. Im Gegensatz zur modellierten Fließgeschwindigkeit konnten generell große Unterschiede in der modellierten turbulenten kinetischen Energie zwischen beiden Skalen identifiziert werden, welche auf einen Skalierungsfehler hindeuten. Die Unterschiede konnten auch beispielhaft in gemessenen Werten gefunden werden. Die Unterschiede waren größer, je niedriger der Wasserstand bzw. je höher die Buhnen waren. Diese Erkenntnisse geben einen Hinweis darauf, dass der gewählte Modellmaßstab von großer Bedeutung für die physikalische Modellierung im Wasserbau ist. Das neue Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien ist für großmaßstäbliche Versuche bestens gerüstet. Eine detailliertere Untersuchung von Skalierungsfehlern bei physikalischen Modellversuchen von Buhnen und anderen Maßnahmen in Kombination mit noch präziseren numerischen Modellen ist in Zukunft jedenfalls zu empfehlen, um die Ursachen zu erforschen und deren Auswirkungen auf andere Aspekte, wie Sedimenttransport, Morphodynamik und Ökologie bewerten zu können.
June 2023
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Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
Zusammenfassung Die Einengung und Begradigung des Flusslaufs der Mur entlang der Staatsgrenze zwischen Österreich und Slowenien (Grenzmur) erhöhten den Geschiebetransport, während Unterbrechungen des Sedimentkontinuums im Einzugsgebiet die Geschiebenachfuhr verringerten. Diese Rahmenbedingungen führten zu gravierenden morphologischen Veränderungen und damit einhergehenden ökologischen Beeinträchtigungen und technischen Problemen. Durch die Sohleintiefung droht zudem ein gänzlicher Verlust des geringmächtigen Kiesbetts und ein Sohldurchschlag in Sedimente des Tertiärs. Gleichzeitig ist die Grenzmur in einen großen zusammenhängenden Auwald eingebettet und flussabwärts ohne Kontinuumsunterbrechung mit der Drau und der Donau verbunden, sodass dieser Abschnitt über ein großes ökologisches Potenzial verfügt. Jedoch zeigten bisherige Maßnahmen nicht die erhoffte, längerfristige sohlstabilisierende Wirkung. Im Rahmen des EU-Interreg-SI-AT-Projekts goMURra wurde ein neuer Managementplan erstellt. Als Ziele wurden ein dynamisches Gleichgewicht des Sedimenthaushalts, eine verbesserte Grundwassersituation, ein reduziertes Hochwasserrisiko und eine ökologische Verbesserung der Fluss- und Auenlandschaft definiert. Ziel der vorliegenden Studie war die Entwicklung entsprechender Maßnahmen. Zunächst wurde anhand vereinfachender Werkzeuge und anhand historischer Karten der Raumbedarf für eine natürlichere Morphologie der Grenzmur abgeschätzt. Danach wurden unter Berücksichtigung der Raumwiderstände drei Maßnahmentypen entwickelt. Zugrunde lag eine Hypothese, wonach der Geschiebebedarf zur Stabilisierung der Sohllage mit Zunahme der Breite und Sinuosität abnimmt. Numerische Simulationen der Hydrodynamik und des Sedimenttransports sowie Modellversuche dienten der eingehenden Prüfung der Maßnahmentypen. Die Modellläufe bestätigten die Verringerung der Geschiebetransportkapazität in den entwickelten Maßnahmentypen mit einer Reduktion von bis zu 56 %. Durch die Bereitstellung von mehr Platz für die Grenzmur würden die Kosten für eine dringend benötigte Geschiebezugabe gesenkt, während der ökologische Wert – am deutlichsten beim größten Maßnahmentyp – steigen würde.
June 2023
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2 Citations
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
Zusammenfassung Numerische Modelle stellen ein wichtiges Werkzeug zur Analyse und Bewertung von Gewässerprozessen sowie von flussbaulichen Maßnahmen dar. In den beiden Projekten DREAM SK-AT (Interreg V‑A Slowakei – Österreich) und SEDDON II (Interreg V‑A Österreich – Ungarn) wurden Nutzungsansprüche bezüglich Wasserkraft, Hochwasser, Schifffahrt, Ökologie und Trinkwasser analysiert und anschließend mittels numerischer Modelle unter Zuhilfenahme von Feldmessungen und physikalischen Experimenten in Österreich, Slowakei und Ungarn untersucht. In dieser Studie wurden an der Donau in Österreich und in der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke beispielhaft morphologische Eigenschaften, Geschiebemanagementmaßnahmen (Buhnen, Geschiebezugabe) sowie eine verbesserte Rauigkeitsermittlung aus Luftbildaufnahmen untersucht. Unterschiede zwischen der frei fließenden Strecke östlich von Wien und der vom Rückstau des Kraftwerks Gabčíkovo beeinflussten Strecke wurden numerisch bezüglich Geschiebetransport und Morphodynamik gefunden. Buhnen wurden als wichtige Stellschraube für die Erreichung eines morphologischen Gleichgewichts anhand einer nachträglichen Bewertung von früheren Pilotmaßnahmen und anhand weiterer Szenarioanalysen identifiziert. Die erste Modellierung einer Geschiebezugabe im numerischen Sedimenttransportmodell sowie die Rauigkeitsermittlung mittels Luftbildern für die Präzisierung von hydrodynamischen Modellen in Seitenarmen wurden erfolgreich getestet. Die Ergebnisse und die angewendeten numerischen Werkzeuge aus dieser Studie stellen eine wichtige Grundlage für die Planung und Bewertung künftiger flussbaulicher Maßnahmen, vor allem in Hinblick auf die Anpassung an den Klimawandel sowie die Verbesserung der Biodiversität dar.
May 2023
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66 Reads
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1 Citation
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
Zusammenfassung In dieser Arbeit werden zwei numerische Grundlagenuntersuchungen vorgestellt, die das Prozessverständnis von Schwebstoff- und Geschiebetransport erweitern. Die Modellierungen werden mittels der hochauflösenden Large-Eddy-Simulation durchgeführt. Im Fall des Schwebstofftransports werden die ersten Sekunden nach der Verklappung von Feinsediment simuliert und die Geschwindigkeiten der Partikel in der Schwebstoffwolke im Vergleich zur Fließgeschwindigkeit analysiert. Es zeigt sich, dass der Schwebstoff bereits nach wenigen Sekunden keine nennenswerten Geschwindigkeitsunterschiede zur Strömungsgeschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung mehr aufweist und somit eine Modellierung mithilfe einer Advektions-Diffusions-Gleichung ab diesem Zeitpunkt zulässig ist. Hinsichtlich des Geschiebetransports werden die Einwirkungen von turbulenten kohärenten Strukturen auf die Geschiebekörner untersucht. Hierbei wird deutlich, dass insbesondere asymmetrische turbulente Strukturen in der Größe der Körner die Druckverteilung und das Verhältnis von Strömungswiderstands- zu Auftriebsbeiwerten so zu ändern vermögen, dass eine Bewegung des Geschiebes eintreten kann. Diese Erkenntnisse werden es zukünftig erlauben, Geschiebetransportmodelle mithilfe hydromechanischer Ansätze zu verbessern.
... Many effects have been revealed, such as changes in habitat availability (e.g. Person 2013; Boavida et al. 2015;Holzapfel et al. 2017;Premstaller et al. 2017;Kopecki et al. 2022;Pander et al. 2023;Hauer et al. 2024), organism stranding (e.g. Nagrodski et al. 2012;Auer et al. 2017;Le Coarer et al. 2023;Tonolla et al. 2023;Hayes et al. submitted) and organism drift (Bruno et al. 2016;Aksamit et al. 2021;Sch€ ulting et al. 2023;Tonolla et al. 2023). ...
May 2024
River Research and Applications
... Analysis of bend-to-bend morphodynamics revealed in detail the temporal and heterogeneous nature of sediment flux volume, morphological adjustment and sediment connectivity. This is something that traditional sediment budgeting methods are lacking in addition to comprehensive field data (Walling and Collins, 2008;Schwarz et al., 2024). The feedback of sediment flux and process variation was recognised in the morphological adjustment as it resulted in different levels of adjustment between the bends: Upstream bends experienced high erosion rates, downstream bends received more sediment as deposition, and middle reach bends exhibited irregularity with less morphological changes observed. ...
March 2024
Geomorphology
... Many applications of numerical models for intervention measures can be found in the literature, though most of them are about optimisation of design. For example, Glas et al. (2018) performed numerical groyne optimisation in the Austrian Danube; Binder et al. (2022) investigated nature-based solutions in the Danube River to ensure waterway navigation. The study of Glas et al. (2018) simulated the possible effects of different groyne layouts under low, mean and high flow conditions. ...
December 2022
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft
... Geophone plate systems, which sample the bedload at a rate of 10 kHz, are among the most common, robust, and tested measurement systems Rickenmann et al., 2012Rickenmann et al., , 2014. This measurement technique has been used successfully in gravel-bed streams, particularly over the past two decades Coviello et al., 2022;Habersack et al., 2017;Koshiba et al., 2018;Kreisler et al., 2017;Nicollier et al., 2022;Rindler et al., 2023;Turowski et al., 2009;Wyss et al., 2016). ...
October 2022
International Journal of Sediment Research
... On the other hand, such a structure not only creates wave sheltered areas but also new types of habitats and spawning areas as well (Habersack, Hein, Liedermann, & Bondar-Kunze, 2016). In addition, such artificial gravel structures can act as hydraulic measures for low flow regulation in navigable rivers as well (Binder et al., 2022). ...
January 2022
... However, for more effective river restoration, the inclusion of geospatial information on floodplains and riverine wetlands is crucial. This allows for the optimization of lateral connectivity, which is equally important in identifying areas for restoration (Eder et al., 2022;Harrison-Atlas et al., 2022). Graph theory-based connectivity indexes, as demonstrated by Baldan et al. (2022), are particularly effective for identifying critical barriers whose removal would yield the greatest improvement in structural connectivity. ...
July 2022
Water
... For rough-bed flow, most researches have investigated the interaction between the turbulence structure over roughness elements and the transport process of a mobile particle of which diameter is as large as the bed roughness (Dwivedi et al. [16]; Vowinckel et al. [50]; Ali and Dey [2]; Yousefi et al. [54]; Aleixo et al. [4]; Yücesan et al. [55]). Radice et al. [41] suggested that the sediment particle motions are strongly correlated with the occurrences of sweep or ejection in the mobile bed flow. ...
February 2022
Journal of Hydraulic Research
... Over the past decade, extensive research has been conducted on sediment transport patterns and various numerical models have been utilized. They can be divided mainly into three categories, namely Euler-Euler model [7][8][9][10][11][12], Euler-Lagrange model [13][14][15][16] and Lagrange-Lagrange model [17][18][19][20][21][22]. The Euler-Euler model treats sediment phase as a continuum and sediment transport is modeled using an advection-diffusion equation. ...
December 2021
Advances in Water Resources
... It is widely accepted that a key tool for understanding and predicting flood behavior, as well as for choosing the best course of action for managing the risk of flooding, is flood modeling [4]. Detailed hydrodynamic models that solve the full de Saint-Venant equations are a powerful tool for investigating both the natural flood hazard and the impact of man-made alterations and interactions in the river system, such as reservoirs, polders, and dikes. ...
November 2021
Water
... One of the most active research topics in sediment transport is the study of quadrant analysis of bursting events and their impact on sediment transport. One of the most active research topics in the field of sediment transport is the study of quadrant analysis of the bursting events and their impact on sediment processes (Devi et al. 2021;Khan et al. 2021;Pu 2021;Yücesan et al. 2021;Gautam et al. 2022). The distinctive characteristic of bursting analysis is its focus on the role of turbulence in initiating sediment movement (Devi et al. 2021;Khan et al. 2022a,b). ...
January 2021
Water