Dune dynamics under specific constraints of flow discharge and sediment supply

Corridori, Andrea

Die Verformung von Transportkörpern (z.B. Dünen) durch die Strömung hat einen signifikanten Einfluss auf das Widerstandsverhalten von Flusssohlen und damit auf den Wasserstand in Gerinnen. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Variation und Analyse von Parametern, die in entscheidender Weise die Form und Dynamik von Dünen bestimmen. Hierzu wurden experimentelle Untersuchungen in einer Laborrinne durchgeführt. Die Untersuchungen selbst wurden unter idealisierten Randbedingungen durchgeführt, d.h. näherungsweise stationär gleichförmige Strömung, gleichförmiges Sediment, das ausschließlich als Geschiebe transportiert wurden und zweidimensionale Dünenformen. Zu Beginn jeder Versuchsreihe lag ein hydraulisch-sedimentologischer Gleichgewichtszustand vor. Anschließend wurden schrittweise der Durchfluss oder die Sedimentzufuhr gesteigert und so lange konstant gehalten, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellen konnte. Als Folge der zwischenzeitlichen Ungleichgewichtszustände änderten sich die Sohlenneigung und die Wassertiefe sowie die Form und Geschwindigkeit der Transportkörper. Sämtliche maßgebenden Dünen- und Strömungsparameter wurden während der Versuche aufgezeichnet und erfasst. Die weitere Auswertung erfolgte jedoch nur mit Parameter, die zur Beschreibung der Gleichgewichtszustände erforderlich waren. Anhand der experimentellen Daten konnte zum einen der gravierenden Einfluss der Änderung des Durchfluss und der Sedimentzufuhr auf die Dynamik der Dünen über mobilen Flusssohlen gezeigt werden, und zum anderen, dass das morphologische System völlig unterschiedlich auf die Änderungen im Durchfluss im Vergleich zu den Änderungen in der Sedimentzufuhr reagiert. Weiterhin wurde auf der Grundlage eines Kraftansatzes ein mathematisches Modell zur Simulation der Dünendynamik formuliert. Das Modell wurde dazu verwendet, den Existenzbereich von Dünen klarer zu definieren und die Reaktion der Flusssohle auf Veränderungen in der Transportkapazität abzuschätzen.

The aim of this work is to analyze bed form dynamics under the condition of imposed constraints of independent variables. The response of dunes is investigated through laboratory experiments carried out by varying sediment supply under constant water discharge or by varying water discharge under constant sediment supply. Experiments conducted in a sand bed flume allowed us to observe the behaviour of the dunes in terms of changes of the celerity, height and length, and the average slope of the bed was also observed. The experiments were conducted in simplified conditions: the flow was steady and uniform on average, the sediment was composed by almost uniform sand and the sediment transport was exclusively bed load, with a channel bed covered by two-dimensional dunes. Two types of experimental cycles were used based on whether the flow discharge or the sediment supply was kept constant: each experimental cycle starts in a state of sedimentological and hydraulic equilibrium; then a variation of the liquid flow or of the sediment supply is imposed. As a consequence to the imposed unbalance, the flow and bed geometry adjust their characteristics: bed slope, water depth, size and celerity of bed forms, until a new equilibrium condition is reached. Only data concerning the equilibrium states are considered. The analysis of experimental data highlights the role played by the dune dynamics as a response to the imposed change of liquid flow or of a sediment supply over a movable bed. A mathematical model based on the momentum conservation law is used to provide a physical interpretation of flow over dunes. Furthermore, the model was applied to give a definition of the existence conditions of the dunes and to define, the extent of the channel's potential adaptive behaviour in response to an imbalance between the sediment transport capacity of the liquid flow and the effective availability of solid material.

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Corridori, Andrea: Dune dynamics under specific constraints of flow discharge and sediment supply. 2014.

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