Studies of turbulent flow in vegetated river reaches with implications for transport and mixing processes [Elektronische Ressource] / von Tatiana Sukhodolova

Tatiana Sukhodolova

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Deutsch
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Extrait

Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei
Dissertation
Studies of Turbulent Flow in Vegetated River
Reaches with Implications for Transport and
Mixing Processes
zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
im Fach Geographie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät II
der Humboldt-Universität zu Berlin
von Dipl.-Phys. Tatiana Sukhodolova
geb. am 25.09.1968 in Chisinau, Republik Moldau
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Dr. h. c. Christoph Markschies


Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät II
Prof. Dr. Wolfgang Coy
Gutachter:
1. Prof. Dr. Gunnar Nützmann Leibniz-Institut für Gewässerökologie und
Binnenfischerei, Berlin 2. Prof. Gerhard H. Jirka, Ph. D. Institut für Hydromechanik, Universität Karlsruhe
3. Prof. Angela M. Gurnell Department of Geography, King’s College London

Eingereicht am: 11. März 2008
Datum der Promotion: 9. April 2008 ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den komplexen physikalischen und
biologischen Prozessen in Flachlandflüssen, die mit der saisonalen Entwicklung submerser
aquatischer Vegetation im Zusammenhang stehen. Vorrangige Ziele der durchgeführten Arbeiten
waren sowohl Untersuchungen zum Einfluss elastischer submerser Vegetation auf die Struktur
der turbulenten Strömung, als auch die damit verbundenen Effekte auf Transport- und
Mischungsprozesse sowie mögliche Auswirkungen auf Morphodynamik und Ökologie.
Erkenntnisse zur Struktur der turbulenten Strömung, die sich über Beständen submerser
elastischer Vegetation entwickelt, konnten aus originären Feldexperimenten gewonnen werden.
Die Resultate wurden mit der hydrodynamischen Modellierung der Entwicklung einer
Mischungsschicht verglichen. Theoretische Analysen der Mischungsschicht über submerser
Vegetation führten zu einer Erweitung des Modells. Dabei zeigt sich, in welcher Weise die
Interaktion zwischen Strömung und Pflanzen die Entwicklung der Scherschicht und der
Turbulenz beeinflusst. Die abgeleiteten theoretischen Lösungen stehen in engem Zusammenhang
mit der theoretischen Beschreibung der biomechanischen Eigenschaften elastischer Vegetation.
Die Dissertation beschäftigt sich vorwiegend mit Effekten der Wechselwirkung von
Strömung und Bewuchs in Bezug auf eindimensionale Ansätze der Modellierung von Transport
und Vermischung in Flüssen. In der Arbeit werden quantitative Ansätze zur Modellierung der
longitudinalen Dispersion für einen bestimmten Typ von Vegetation vorgeschlagen, die die
komplexe Struktur der Strömung bei Bewuchs berücksichtigen. Darüber hinaus wird gezeigt, wie
die entwickelte Theorie zur Wechselwirkung von Strömung und Vegetation mit einem
phänologischen Modell für das Wachstum der Pflanzenbiomasse gekoppelt werden kann, womit
ein nahezu geschlossener Lösungsansatz für die behandelte Fragestellung vorliegt.

Schlagwörter:
Makrophyten, Flussströmung ,Turbulenz, longitudinale Dispersion.
iii SUMMARY
The thesis is focused on complex physical and biological processes occurring in natural
lowland streams due to the seasonal development of submerged aquatic vegetation. The primary
goal of the studies was an exploration of the effects that submerged flexible vegetation sets upon
turbulent flow structure, their consequences for transport and mixing processes, and implications
for morphodynamics and ecology.
A deeper insight into the structure of turbulent flow evolving over a patch of flexible
submerged vegetation was gained completing an original field experimental study which results
were examined in a context of a hydrodynamic model of the mixing layer. The model was
expanded by theoretical analysis of evolution of the mixing layer over the vegetation patch
yielding knowledge on how do interactions of flow and vegetation produce the velocity shear
and turbulence across the flow. The obtained theoretical solutions are linked to the theoretical
description of biomechanical properties for flexible buoyant vegetation.
The thesis is concentrated on examining the consequences of flow – plants interactions in
respect to the one-dimensional approach to the modeling of transport and mixing in rivers. In this
study the longitudinal dispersion model was re-examined to account for the complex structure of
flow in vegetation mosaic and possible quantitative approaches are proposed to infer the model
parameters for a known type of vegetation. It was also shown how the developed theory of flow-
plants interactions can be coupled with a phenological model of biomass growth providing a
nearly complete approach to the problem.

Keywords:
macrophytes, river flow, turbulence, longitudinal dispersion.
iiiiv CONTENTS
ZUSAMMENFASSUNG...........................................................................................................i
SUMMARY .............................................................................................................................iii
PREFACE .................................................................................................................................1
1 INTRODUCTION...............................................................................................................3
1.1 State of the Art Review ...............................................................................................5
1.2 Summary of the Review..............................................................................................9
1.3 Objective of the Study10
1.4 Novelty and Contribution..........................................................................................10
1.5 Practical Relevance ...................................................................................................11
1.6 Thesis Layout ............................................................................................................11
2 THEORETICAL BACKGROUND ..................................................................................13
2.1 Turbulent Flows ........................................................................................................13
2.1.1 Governing equations, modelling, and classification .........................................13
2.1.2 Fluvial channel flow16
2.1.3 Mixing layers: general theory and special cases ...............................................22
2.1.4 Statistical description of turbulent flows...........................................................25
2.2 Transport and Mixing of Dissolved Substances........................................................29
2.2.1 Governing equations, modelling, and classification .........................................30
2.2.2 Transport and mixing in rivers..........................................................................30
2.2.3 Dead zone modeling concept ............................................................................32
2.2.4 Lagrangian statistics and dispersion coefficient................................................34
2.3 Plants Biomechanics and Ecology35
2.3.1 Biomechanical properties of plants...................................................................36
2.3.2 Biomass dynamics: equations and modeling ....................................................39
2.3.3 Patchiness and mosaics in rivers .......................................................................42
2.4 Fluvial Hydraulics and Morphodynamics .................................................................43
2.4.1 Resistance of river channels..............................................................................43
2.4.2 Morphodynamic processes................................................................................45
2.5 Formulation of the Problem ......................................................................................48
2.5.1 Conceptual model..............................................................................................48
2.5.2 Knowledge gaps and possible ways of bridging ...............................................50
3 METHODS AND TECHNIQUES....................................................................................53
3.1 Experimental River Reaches .....................................................................................54
3.2 Apparatuses and Equipment56
3.2.1 Acoustic Doppler velocimeter...........................................................................56
3.2.2 BackScat fluorometer........................................................................................59
3.2.3 Underwater video system UVS-RAY ...............................................................60
3.2.4 Field Equipment ................................................................................................60
3.3 Measuring and Experimental Setups.........................................................................62
3.4 Data Collecting and Processing.................................................................................63
3.5 Testing Bio-mechanical Properties of Plants ...............................