Morphodynamic hazard analysis for river restoration and flood mitigation measures

Schulte-Rentrop, Annette

In the course of river regulation, climate change and the EU WFD, new sustainable flood protection measures are developed which go hand in hand with natural river behaviour and ecological demands. However, inundation hazards are often accompanied by morphological response of the river which can cause severe consequences in addition. Thus, sustainable nature-close flood risk management calls for explicit consideration of fluvial dynamics in addition to inundation studies alone. In the dissertation, a new concept is developed for identification, analysis and assessment of local morphodynamic hazards which is adequate for planning optimisation of nature-close flood protection measures in gravel-bed rivers. The state of the art reveals the complex three-dimensional interactions among river geometry, flow, sediment transport and vegetation. To tackle this, the concept integrates a Risk Identification procedure based on a detailed hydromorphologic characterisation where Elements at Risk and potential hazards can be clearly detected. In the Hazard Analysis, a 1D/3D approach is developed for the computation of the three-dimensional hydraulic flow field including a physically based approach of flow resistance due to vegetation in order to account for mass and impulse transfer accurately. A semi-qualitative prognosis of the fluvial morphological response on the flow field is implemented including approaches for stability and sediment transport behaviour. For the estimation of longterm morphodynamic processes the use of regime equations is suggested. To support model outcomes, the concept includes sound calibration and validation procedures with field data as well as permanent checks for plausibility. The application of the concept to a case study in the Upper Rhine shows promising and plausible results for a complex, vegetated river section. The new procedure may contribute to sustainable nature-close flood protection and support planning optimisation.

Im Zuge des Klimawandels und der EU-Wasserrahmenrichtlinie werden nachhaltige Hochwasserschutzkonzepte erforderlich. Allerdings ist es bislang aufgrund der komplexen Wechselwirkungen in natürlichen Fließgewässern mit Vegetation nicht möglich, die Wirksamkeit von naturnahen Maßnahmen in hoher räumlicher Auflösung bereits im Planungsstadium abzuschätzen. Der Hauptbeitrag der Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Methode zur Identifikation, Analyse und Bewertung der Gefährdung durch morphodynamische Prozesse in kiesführenden Fließgewässern. Im Stand des Wissens werden die komplexen dreidimensionalen Wirkungszusammenhänge zwischen Flussgeometrie, Strömung, Sedimenttransport und Vegetation erläutert. Das neue Konzept umfasst zunächst die Phase der Risiko-Identifikation, in der die Hydromorphologie des Flusssystems charakterisiert und die Risikoelemente sowie potenziell gefährdende morphodynamische Prozesse ermittelt werden. In der Gefährdungsanalyse wird ein neuartiger gekoppelter 1D/3D-Modellansatz zur Simulation der Hydrodynamik entwickelt, der die Rauheitswirkung von Vegetation über einen physikalisch-basierten Ansatz berücksichtigt. Zur Abschätzung der morphodynamischen Reaktion werden für jedes Risikoelement geeignete analytische Stabilitätsansätze und ein neuer Ansatz zur Bestimmung des Transportverhaltens mitgeführter Sedimente herangezogen. Langfristige Betrachtungen werden mithilfe der Regimetheorie ermöglicht. Zentrale Bedeutung liegt auf der Kalibrierung und Validierung der verwendeten Methoden und der Prüfung der Ergebnisse auf Plausibilität durch Felddaten. Das Konzept wird anhand eines Fallbeispieles am Oberrhein überprüft. Es zeigt sich, dass es mithilfe der neuen Methode möglich ist, die morphodynamischen Prozesse in komplexen Fließgewässern mit Vegetation plausibel abzuschätzen. Das entwickelte Konzept kann einen Beitrag zur Wirksamkeit und Nachhaltigkeit von naturnahen Hochwassermaßnahmen leisten und zur Planungsoptimierung eingesetzt werden.

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Schulte-Rentrop, Annette: Morphodynamic hazard analysis for river restoration and flood mitigation measures. 2009.

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