Morphological Development of Meandering Rivers Due to Changing Discharge Regimes

Banda, Mohd. Sarfaraz

This PhD thesis investigates the effects of changing discharge regimes on the morphological development of meandering rivers. The reduction of discharge causes bed morphology and planform changes in alluvial rivers with erodible banks, and restoring the discharge may alter the existing morphology, leading to a new (so far unpredictable) river course. The present thesis explores the capability of the open-source software Delft3D to simulate the adaption of both planform dynamics and bed topography to changed discharge regimes. A specific reach in the Dhaleshwari River (Bangladesh) is taken as a case study as it provides relevant data for model validation. Both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) modelling approaches were applied. The 3D model, which was calibrated against measured 3D flow data, was used for predicting bed level changes over a one-year period. The simulated morphological changes showed a certain degree of resemblance with the available field data, but the required computational time prevented further analyses. Therefore, a 2D model, in which the parameterization of the 3D flow effect was validated against curved flume data, was used to simulate the morphological development for different discharge scenarios over a 10-year period. The results of the simulations revealed that the 2D model could predict scour depth, bank erosion, and riffle-pool sequences under both constant and varying discharge scenarios. However, the prediction of channel bankfull width showed some deficiencies. The simulations with varying discharge demonstrated a more realistic prediction of the meander planform than the simulations with constant discharge. The conclusion from this research is that a 2D modelling approach, in combination with a time-varying discharge, can be used to simulate the natural dynamics of meandering rivers, both in terms of the development of bed topography and channel planform. The results further revealed that a discharge magnitude of about 90% of the bankfull discharge represents the dominant discharge, and that the meander wavelength increases with the discharge magnitude. The results of the simulation for time-varying discharge records revealed that larger floods favor enlargement of meander wavelength and smaller floods favor shortening of meander wavelength during the first 50% of the simulation period. However, after the first 5-year period, the meander wavelength becomes nearly unresponsive to altered high- and low- floods.

Diese Doktorarbeit untersucht die Auswirkungen eines sich ändernden Abflussregimes auf die morphologische Entwicklung mäandrierender Flüsse. Eine Verringerung des Abflusses führt zu Veränderungen der Flussschlauchmorphologie und der Laufform alluvialer Flüsse mit erodierbaren Bänken und die Wiederherstellung des Abflusses kann zu einem neuen (bisher unvorhersehbaren) Flussverlauf führen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, in wie weit die Open-Source-Software Delft3D in der Lage ist, die Anpassung sowohl der Laufformdynamik als auch der Sohlentopographie bei sich ändernden Abflussregimes zu simulieren. Als Fallstudie diente ein Flussabschnitt des Dhaleshwari Flusses in Bangladesch, für den relevante Daten für die Modellvalidierung vorlagen. Zur Modellierung wurden sowohl zweidimensionale (2D) als auch dreidimensionale (3D) Ansätze herangezogen. Das mittels gemessener 3D-Strömungsdaten kalibrierte 3D-Modell wurde zur Vorhersage der Änderungen des Sohlniveaus über einen Zeitraum von 1 Jahr herangezogen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten eine gewisse Ähnlichkeit der morphologischen Veränderungen mit den Felddaten, aber die erforderliche Rechenzeit verhinderte weitere Analysen. Daher wurde das 2D-Modell verwendet, für das die Parametrisierung des 3D-Strömungseffekts anhand von Laboruntersuchungen validiert wurde. Mit diesem Modell wurden verschiedene Abflussszenarien über einen Zeitraum von 10 Jahren simuliert. Kolktiefe, Ufererosion und Riffle-Pool-Sequenzen konnten mit dem 2D-Modell modelliert werden, wobei sich jedoch Abweichungen bei der bordvollen Breite ergaben. Die Simulationen mit variierendem Abfluss zeigten eine realistischere Vorhersage der Laufform als die Simulationen mit konstantem Abfluss. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass ein 2D-Modellierungsansatz in Kombination mit einer Ganglinie verwendet werden kann, um die natürliche Dynamik der Sohlentopographie und Laufform von mäandrierenden Flüssen zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten ferner, dass ein Abfluss von etwa 90% des bordvollen Abflusses den bettformenden Abfluss darstellt und dass die Mäanderwellenlänge mit dem Abfluss zunimmt. Die Ergebnisse der Simulation mit Ganglinien zeigten, dass größere Hochwasserereignisse eine Vergrößerung und kleinere eine Verkürzung der Mäanderwellenlänge während der ersten 50% der Simulationsperiode begünstigen. Nach den ersten 5 Jahren reagiert die Mäanderwellenlänge jedoch kaum mehr auf veränderte Hoch- und Niedrigwasser.

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Banda, Mohd.: Morphological Development of Meandering Rivers Due to Changing Discharge Regimes. 2018.

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