Numerical and physical modelling of bank retreat in gravel-bed rivers

Nardi, Laura

Bank erosion is a natural geomorphological process which affects a wide range of physical, ecological and socio-economic issues in the fluvial environment. Among the others, the impacts include loss of lands, damage to structure and infrastructures and dynamics of sediments, nutrients and contaminants. Hence, it is not surprising how riverbank retreat is closely related to the risk assessment. Despite many progresses have been made in understanding and modelling bank erosion, further investigations are needed to better understand processes occurring on riverbank totally or partially composed of relatively coarse sediments. Therefore, the general aim of this study is to give a contribution in understanding and modelling processes, with particular focusing on gravel banks. The study is organized to provide a general framework of analysis at different spatial scales, using as a reference study case the Cecina River (Pisa, Italy). At the catchment scale, riverbank processes were studied with the specific aim to identify the variability of bank features (geometry and composition), the dominant mechanisms of retreat and their spatial distribution. Different methods to predict the lateral instabilities were also undertaken in order to pinpoint causes and factors which control the occurrence of different mechanisms of retreat. At the reach scale, numerical models were employed with the aim of exploring methods for a combined analysis which couples different mechanisms of retreat, with particular focus on the inclusion of near-bank shear stresses. Moreover, based on results of the previous analyses, a framework for risk analysis due to bank erosion was developed. The objective of the analyses carried out at the bank scale, was to better understand the basic processes occurring in relatively coarse bank sediments, in particular the occurrence of mass instability in the absence of fluvial erosion. In order to address the objective, a physical model of a bank composed by gravel and sand was built, and some experiments simulating the behaviour of the bank during a hydrograph were carried out. The tests allowed for the identification of different mechanisms of failure and for the analysis of the factor affecting non cohesive bank stability.

Die Ufererosion stellt einen natürlichen geomorphologischen Prozess in fluvialen Fließgewässern dar, der von großer Bedeutung für verschiedene ingenieurtechnische, ökologische und sozio-ökonomische Fragestellungen ist. Sie stellt einen wichtigen Prozess im Hinblick auf die Dynamik von Sedimenten, Nährstoffen und Schadstoffen in Fließgewässern dar und kann gleichzeitig aber auch zum Verlust von Land oder zur Gefährdung von Siedlungen und der Infrastruktur führen. Deshalb ist es nicht erstaunlich, dass der mit der Ufererosion verbundene Rückgang der Ufer in engem Zusammenhang mit der Risikobewertung steht. Bis heute führten zahlreiche Untersuchungen zu einem verbesserten Verständnis der relevanten physikalischen Prozesse und somit zu einer verbesserten Modellierung der Ufererosion. Allerdings existieren, speziell im Hinblick auf die Erosion von relativ grobkörnigen Ufern, immer noch zahlreiche offene Fragestellungen. Das Ziel der Arbeit bestand deshalb darin, zum besseren Verständnis und zur verbesserten Modellierung der Erosion von Ufern aus kiesigem Material beizutragen. Hierzu wurde anhand des Referenzgewässers des Cecina-Flusses in Italien ein übergeordneter Rahmen für die Analyse der relevanten Prozesse unter der Berücksichtigung verschiedener räumlicher Skalen geschaffen. Auf der Skala des Einzugsgebiets wurden die entsprechenden Prozesse mit dem spezifischen Ziel untersucht, die Variabilität der Ufereigenschaften (Geometrie und Zusammensetzung), die dominanten Mechanismen für den Rückgang der Ufer als auch deren räumliche Verteilung zu identifizieren. Mittels verschiedener Methoden zur Vorhersage lateraler Instabilitäten wurden die relevanten Faktoren und Prozesse aufgezeigt, welche die verschiedenen Mechanismen der Ufererosion kontrollieren. Auf der Flussabschnittsskala wurden anhand numerischer Modellierungen Methoden untersucht, die zu einer adäquaten kombinierten Analyse der verschiedenen Erosionsmechanismen herangezogen werden können. Ein spezielles Augenmerk wurde hierbei auf die Schubspannungen in Ufernähe gelegt und es wurde ein Rahmen für die Risikoanalyse im Hinblick auf die Ufererosion entwickelt. Auf der Uferskala stand die Untersuchung der relevanten physikalischen Prozesse im Vordergrund, welche die Erosion von grobkörnigen Ufersedimenten und insbesondere das Auftreten von Uferrutschungen dominieren, wenn kein Sedimenttransport im Gewässer vorliegt. Zu diesem Zweck wurde ein physikalisches Modell eines aus Kies und Sand bestehenden Ufers aufgebaut. Die Modelluntersuchungen, bei denen die Stabilität des Ufers infolge des Strömungsangriffs während eines Hochwasserereignisses unter Berücksichtigung der Ganglinie untersucht wurde, führten zur Identifikation verschiedener Versagensmechanismen und wurden zur Analyse von Faktoren herangezogen, die die Stabilität von nicht kohäsiven Ufern beeinflussen.

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Nardi, Laura: Numerical and physical modelling of bank retreat in gravel-bed rivers. 2011.

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