Sebastian Pessenlehner’s research while affiliated with BOKU University and other places

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.

Background Transport, accumulation, and degradation of microplastics (MiPs) in the aquatic environment represent a significant concern to the researchers and policy-makers, due to the detrimental impact on biota and human health through food ingestion. Although consistent investigations and research data are available worldwide, comparing the results is still challenging due to the need for more regulations regarding the sampling methods, analysis, and results reporting. The European regulatory efforts include studies on the MiPs transport in the western basin of the Danube River developed with active nets-based multipoint sampling methods from suspended sediments and proposed for standardization. In this context, the present study aimed to address for the first time the transport of MiPs in the Romanian sector of the Danube, starting after entering the country (Moldova Veche) and before the formation of the Danube Delta (Isaccea). Results The multipoint nets sampling procedure facilitated the collection of suspended sediments in the water columns as deep as 0.0–0.6 and 3.0–3.6 m depths and near riverbed sediments (autumn 2022 sampling) during an extensive spatio-temporal study from spring 2022 until spring 2023. The estimate of the maximum annual transport of 46–51 and 93–100 t·y⁻¹ for MiPs and total (micro–meso–macroplastics) MPs at Moldova Veche was based on 135 collected and processed samples using 2021 water flow data. Polyethylene (58–69%) and polypropylene (21–33%) were the main polymer components in the separated fragments, foils, microfibers, and different colors spheroids of MiPs ( < 5 mm), and the foils and fibers of meso–macroplastics (5–100 mm). Advanced investigations highlighted various microstructural degradations of the plastic fragments at the micro- and nanoscale and attached minerals (clays) and heavy metals. Conclusion This paper presents the first comprehensive data set for microplastic annual transport in the "Low Danube", filling the need for a complete transport assessment in one of the most significant European rivers. 4–5 times lower values were measured before the entrance to the Danube Delta than those from Moldova Veche. The investigations should continue, including flooding events, and the sampling points should be expanded to deeper water column layers during all the campaigns for further validation. Graphical Abstract

During rest periods, bedload tracers can be buried, while transport can move them to locations with different bed shear stresses or a different riverbed composition. This affects the mobility of the tracers compared to that of the bedload at the location where the tracers were seeded and has so far limited the explanatory power of field tracer studies on the virtual bedload velocity. This paper proposes a method to assess both the unsteady virtual tracer velocity and the unsteady virtual bedload velocity from field tracer studies. First, the virtual bedload velocity was conceptualized as the velocity of a relay run and contrasted with the velocity of the decelerating runs of bedload tracers. Then, a regression method for deriving the unsteady virtual velocity of bedload tracers was extended to account for tracer slowdown by including a corresponding function of the distance traveled. Finally, data from 65 bedload tracers in the Upper Drava River with very‐high‐frequency (VHF) transmitters were used for method testing. By linking the measured tracer mobility to the hydraulics and bed surface grain size near the seeding location, it was possible to determine the unsteady bedload velocity function as the unsteady tracer velocity function at a travel distance of zero. The tracer travels exhibited increasing slowdown effects with increasing tracer grain size, probably due to the dominant role of advection effects at the study site. The derivation of the bedload velocity ensures comparability to laboratory results and between tracer studies.

Plastic pollution in aquatic environments is a growing concern, with rivers recognized as major pathways. However, rivers themselves are also subject to pollution. Hence, understanding riverine plastic transport dynamics is essential for mitigating environmental impacts. Although plastic-related research focus has shifted from marine environments towards rivers, challenges remain in standardizing methods for monitoring and integrating spatio-temporal variabilities of riverine plastic occurrence into flux determination. This study addresses these challenges by adopting established methods from sediment research. Utilizing data from a net-based cross-sectional multi-point approach, it examines spatio-temporal and discharge-dependent variations. It comprehensively analyzes the complex dynamics of plastic transport in the Danube River, contrasting an impounded section near Aschach, Austria, with a free-flowing reach near Hainburg, Austria. The paper emphasizes the significance of applying these methodologies for accurate flux determination and underscores the risks of neglecting them. By incorporating average microplastic particle weights, we aim to overcome limitations in prior methodologies that solely emphasize qualitative aspects or rely on item numbers. Spatial distribution analysis revealed a pronounced stratification at low flow and a more variable distribution in the free-flowing section, attributed to higher turbulence. As discharge increased, vertical mixing occurred, along with distinct lateral patterns displaying increased concentrations toward the riverbanks. Encountering plastic particles throughout the river profile underscores their properties of both suspended and floating matter, emphasizing the importance of hydro-morphology and multi-point cross-sectional measurement approaches. Microplastic loads were calculated to be <6.9 t a⁻¹ in Aschach and <17.1 t a⁻¹ in Hainburg, compared to total plastic loads of <14.3 t a⁻¹ in Aschach and <41.6 t a⁻¹ in Hainburg. Consequently, plastic loads were doubled to tripled within the Austrian section of the Danube River. The study contributes valuable insights into the complex nature of plastic transport in river systems, emphasizing comprehensive spatial, temporal and discharge-dependent assessments for characterizing and managing plastic pollution. It suggests that rivers can function as sources, pathways and sinks of plastic pollution, contingent upon hydro-morphological conditions. This underscores the need for longitudinal, basin-wide assessments to accurately understand plastic transport dynamics.

Zusammenfassung Diese Studie befasst sich mit Skalierungseffekten anhand einer Modellfamilie. Zwei Versuchsanordnungen in den Maßstäben 1:1 und 1:5 wurden untersucht, die bis auf den Maßstab gleich waren. Aufgrund der Skalierung nach Froude-Ähnlichkeit waren die Reynolds-Zahlen in der Größenordnung 10 ⁵ für den Maßstab 1:5 und 10 ⁶ für den Naturmaßstab. In einer gerade Fließstrecke mit einer Kiessohle wurden linksufrig vier deklinante Buhnen angeordnet. Die Buhnen waren leicht überströmt. Es wurden zeitaufgelöste 3D-Geschwindigkeiten gemessen, woraus zeitlich gemittelte Geschwindigkeiten und die turbulente kinetische Energie (TKE) berechnet und anschließend normiert wurden. In Übereinstimmung mit früheren Studien und einer komplementären numerischen Studie zeigte sich, dass die zeitlich gemittelten Geschwindigkeiten in Hauptfließrichtung gut in den beiden untersuchten Maßstäben übereinstimmten. Die normierte TKE hingegen wies deutliche Unterschiede in den beiden Maßstäben auf. Sie war im Maßstab 1:1 größer als im Maßstab 1:5. Besonders groß waren die Unterschiede im Bereich hinter der Buhne, wo sich die Strömung ablöste. Dies ist ein starkes Indiz für einen Skalierungseffekt aufgrund der unterschiedlichen Reynolds-Zahlen. Die Reynolds-Zahlen der Studie lagen in einem Bereich, in dem sich häufig das Widerstandsverhalten umströmter Körper ändert. Das liefert eine Erklärung, warum sich die Unterschiede in TKE vor allem im Bereich des Buhnenfelds zeigten. Die Studie unterstreicht die Wichtigkeit von 1:1-Versuchen, wenn turbulente Vorgänge oder das Widerstandsverhalten umströmter Körper oder der Sedimenttransport eine wesentliche Rolle spielen. Das neue BOKU-Wasserbaulabor bietet mit Durchflüssen bis zu 10 m ³ /s ideale und einzigartige Voraussetzungen für (nahe) 1:1-Versuche.

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.

Zusammenfassung Die Donau und die sie umgebende Landschaft liegen heute im Bereich verschiedener Interessen wie Hochwasserschutz, Wasserkraft, Schifffahrt und Ökologie. Aufgrund dieser Tatsache ist das ehemals ungezähmte und wilde Flusssystem seit Ende des 19. Jahrhunderts mit einer Vielzahl anthropogener Veränderungen konfrontiert, die vielfältige hydromorphologische Auswirkungen zur Folge haben. Zusätzlich führen – trotz bereits umgesetzter Renaturierungsprojekte und teilweise adaptiertem Sedimentmanagement – Einengung durch Regulierungen sowie Beeinflussungen des Sedimenthaushalts wie Rückhalt im Einzugsgebiet und Unterbrechung des Sedimentkontinuums, zu sedimentbezogenen Problemen entlang der Donau. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit, den Sedimenttransport an der Donau länderübergreifend zu untersuchen. Im Rahmen der EFRE-finanzierten EU-Projekte „Sedimentforschung und -management an der Donau II“ (SEDDON II) und „Forschung und Management an der Donau in der Slowakei und in Österreich“ (DREAM SK-AT) wurde daher eine länderübergreifende Analyse der aktuellen sedimentbezogenen Probleme in drei Projektabschnitten in Österreich, der Slowakei und Ungarn durchgeführt, um die Grundlage für ein gemeinsames Sedimentmanagement zu schaffen. Neben der Analyse der sedimentrelevanten Probleme bildet ein kontinuierliches und einheitliches Monitoringsystem für Geschiebe und Schwebstoff die Basis für die Umsetzung nachhaltiger Maßnahmen im Bereich Flussbau. Durch die Kooperation im Fließgewässermonitoring konnten neben der Implementierung neuer Messstationen an der ungarischen und slowakischen Donau umfangreiche Messreihen zur optimierten Berechnung des Sedimenttransports durchgeführt werden. Die dadurch erhaltenen Daten stellen nicht nur wichtige Erkenntnisse für ein besseres Prozessverständnis dar, darüber hinaus dienen sie auch als Grundlage für numerische Modellierung und physikalische Modellversuche zur Entwicklung und Optimierung von flussbaulichen Maßnahmen, die die vielfältigen Probleme der verschiedenen Interessensgruppen adressieren und negative Auswirkungen in Flusssysteme kompensieren sollen.

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.

The Vjosa River in Albania represents one of Europe's last free‐flowing wild rivers, comprising a mosaic of various habitats and forming a highly dynamic natural ecosystem for flora and fauna, that has largely disappeared from other European rivers outside of Russia. However, due to economic interests, this sensitive and heterogeneous river system is under pressure from potential future use in hydropower, threatening the good hydromorphological and ecological status of the river with reservoir flushing, hydropeaking, colmation, loss of habitats and loss of connectivity. Beside the ecological impacts, this study aims to point out the boundaries for technical and economic issues related to hydropower. Hence, for the first time, sediment transport in the Vjosa River was measured. The results indicate possible consequences of a disturbed sediment regime and loss of capacity caused by the sedimentation of reservoirs. Moreover, subsequent consequences, such as river bed incision downstream of dams as well as progressive coastal erosion, are discussed. By combining data from direct bedload and suspended sediment measurements with long‐term hydrological data, an attempt is made to describe the sediment characteristics of the Vjosa catchment and evaluate potential hydropower plants and resulting reservoir sedimentation using limited data. Based on the presented study, it is aimed to define sediment monitoring standards for requested environmental impact assessments and to highlight possible negative impacts of hydropower projects across the entire Balkan region.

Zusammenfassung Kunststoffabfälle als allgegenwärtige Verunreinigung unserer Umwelt geben aufgrund der weitgehend unbekannten langfristigen Auswirkungen auf Flora und Fauna zunehmend Anlass zur Sorge. Obwohl Flüsse als Transportwege von Kunststoffabfällen in Meere bekannt sind, konzentrierte sich die Forschung bisher vor allem auf das Vorkommen in den Weltmeeren. In den letzten Jahren wurden zwar einige Süßwasserstudien durchgeführt, aber kaum eine verwendete Methodik widmete sich der räumlichen Verteilung des Plastikmülls in der Wassersäule – insbesondere in Flüssen. Da Plastikpartikel aber nicht nur an der Oberfläche schwimmen, bedarf es zur Bestimmung des Transports unbedingt einer Methodik, die den Transport in verschiedenen Tiefen erheben kann und auch an mittleren und großen Flüssen anwendbar ist. Eine solche wurde in Österreich im Rahmen der Studie „Plastik in der Donau“ entwickelt und getestet. Die neue Methodik ermöglicht es, den Plastiktransport in verschiedenen Tiefen entlang von Vertikalen zu messen, die innerhalb eines Profils verteilt sind. Das netzbasierte Gerät ist robust und kann auch bei hohen Fließgeschwindigkeiten und Abflüssen eingesetzt werden. Netze mit unterschiedlichen Größen (41 µm, 250 µm, 500 µm und auch gröber für die Thematik Makroplastik) werden in drei verschiedenen Tiefen der Wassersäule positioniert. Im Auslaufbereich von Kläranlagen kann mit maßgeschneiderten Rahmen und Netzen relativ einfach der gesamte Abflussquerschnitt gefiltert und beprobt werden. Zur Untersuchung der Transportpfade und des Verhaltens einzelner Makroplastikpartikel, wurden selbige mit GPS-Sendern versehen, um ihre Positionen in hoher zeitlicher Auflösung zu verfolgen. Der Einsatz des Netzmesssystems an der österreichischen Donau zeigte eine hohe Heterogenität der Mikroplastik-Konzentrationen innerhalb eines Messprofils. Aufgrund von turbulenter Durchmischung sowie unterschiedlicher Dichten der Polymere, der Aggregation und des Wachstums von Biofilmen kann der Kunststofftransport nicht auf die Oberflächenschicht eines Flusses beschränkt werden, sondern muss wie Schwebstoffe innerhalb der gesamten Wassersäule untersucht werden. Diese Ergebnisse implizieren, dass Vielpunktmessungen zur Ermittlung der räumlichen Verteilung der Kunststoffkonzentration unabdingbar sind und daher auch eine Voraussetzung für die Berechnung der Frachten darstellen. Darüber hinaus konnten an zwei Kläranlagen Messungen des Plastiktransports im Ablaufkanal durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass die gewählte Methodik gut anwendbar ist und Restmengen an Mikrokunststoff gut entfernt werden könnten. An der Donau wurden erste Tests mit besenderten Makroplastikpartikeln durchgeführt, die ein hohes Potenzial für zukünftige Anwendungen im Forschungsbereich aufzeigen. So können die Transporteigenschaften der Partikel genau analysiert und auch Rückschlüsse über Ablagerung und Akkumulation von Plastikpartikeln gezogen werden.