Breaching of river levees: analytical flow modelling and experimental hydro-morphodynamic investigations

Michelazzo, Giovanni

Der Bruch von Flussdeichen ist oft mit dramatischen Folgen verbunden. Die bisherigen Untersuchungen über den Deichbruch erfolgten vorwiegend im Seedeich- und Dammbau, so dass heute die wissenschaftlichen Grundlagen und Modelle für die Beschreibung des Bruches von Flussdeichen nicht im ausreichenden Maße vorliegen. In dieser Studie wurde ein neues Verfahren entwickelt, das dazu beiträgt, das Grundlagenwissen hinsichtlich der beteiligten Prozesse wesentlich zu erweitern und die Bedingungen, die den Endzustand des Deichbruches entscheidend bestimmen, genauer zu untersuchen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Schlüssel zum Verständnis der hierfür verantwortlichen Prozesse in eine genaue Untersuchung der Interaktion zwischen Deichbruch und hydro-morphodynamischen Veränderungen im Fluss selbst besteht. Deshalb wurde das “Fluss-Deichbruch-System” durch zwei verschiedene Laborexperimente (Modell mit fester Sohle und Modell mit beweglicher Sohle) und ein analytisches Strömungsmodell untersucht, die sich zur Beschreibung des Deichbruchprozesses ideal ergänzen. Das analytische Strömungsmodell, zusammen mit den Laborergebnissen, ermöglicht die Bestimmung eines vereinfachten Gesamtbildes der beteiligten hydrodynamischen Prozesse sowie eine neue Interpretation des Deichbruches beim Erreichen des Gleichgewichtzustands zwischen Fluss und Deichbruch. Die Ergebnisse dieser Studie stellen einen wesentlichen Beitrag zu den wissenschaftlichen Grundlagen über die Prozesse beim Bruch von Flussdeichen dar, die für künftige detailliertere und mehr prozessbasierte Verfahren und Vorhersagemodelle benötigt werden. Die praktische Anwendung der Ergebnisse für einige reale Fallstudien aus früheren Deichbrüchen unterstreicht die Richtigkeit der hier verwendeten Forschungsansätze und die Notwendigkeit für weitere Studien in diese Richtung.

Breaching of river levees often causes catastrophic damages to the hinterland which is supposed to be protected by the levees. The breaching process has been studied during the last decades mainly with reference to the case of dams and sea dikes, while specific knowledge and modelling tools are missing to address the case of river levees. A new process-oriented approach was developed in the present study in order to advance the knowledge about the processes associated with the breaching of river levees and to investigate the physical conditions that determine a final configuration of the breach. The interaction between breach development and river hydro-morphodynamics was considered to be the key to understand the levee breaching process. The river-breach system has been analysed by means of two series of laboratory experiments and an analytical model of the river flow, which give complementary descriptions about the breaching process. Results from the fixed bed laboratory investigations highlight the hydrodynamic processes that take place in a channel when a lateral outflow occurs (as in case of a levee breach). The movable bed investigations provide one of the few existing laboratory experiments reproducing a non-cohesive levee breach together with the river flow until an equilibrium stage is achieved. A simple overall picture of the hydrodynamic processes and a new interpretation of the breaching at the equilibrium stage are given by the analytical flow model. This research provides the necessary knowledge about the breaching process of river levees in order to support more process-oriented approaches for the assessment of the breach features that can develop in a river levee. The application of the results to real case data shows that the research direction is appropriate and it pushes toward future research studies.

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Michelazzo, Giovanni: Breaching of river levees: analytical flow modelling and experimental hydro-morphodynamic investigations. 2013.

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