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Riparian vegetation in fluvial environments : linking timescales through flow uprooting

Affiliation/Institute
Leichtweiß-Institut für Wasserbau
Calvani, Giulio

In the last decades, the presence of riparian vegetation on riverbanks and floodplains along rivers was acknowledged not only to improve water quality and heal biological diversity but also to contribute to river evolution processes. When water flow runs over vegetated areas, averaged velocity profile is affected by the presence of stem, branches and leaves, sediment transport changes according to modified turbulence and bed shear stresses and soil shear strength is altered by root binding. As a result, bed scour, bank erosion and accretion, bar migration and width adjustment processes lead to different river morphology evolution. Conversely, flow and sedimentary patterns influence vegetation dynamics, by shaping barebed deposits available for colonisation and by affecting mortality rate, through burying and uprooting processes. 

This PhD work examines the uprooting process of both pioneer seedlings and established vegetation driven by flow and bed erosion, whose role is to reduce root anchorage, at various spatial scales ranging from a single plant to a river reach. The main purpose of this research is to illustrate the links between temporal scales regarding the hydro-morphological evolution of fluvial systems, such as bed scour development, flood duration and return period, and those proper of biological components with regards to both growth and decay rates of riparian vegetation. 

The results of this PhD research show the existence of cross-related temporal scales between riparian vegetation and river morphodynamics and demonstrate their relationships with flood return period and event duration. As a final result, this research hints the capability for river to select species and cover according to hydrological regime and biological properties. This is crucial in fluvial environments altered by climate change, where alien species may replace native ones. It also underlines the importance of taking into account riparian vegetation dynamics, effects and interactions to guarantee the reliability of long-term river morphodynamics modelling and the success of river maintenance and restoration strategies.

Den, in den letzten Jahrzehnten gesammelten Erkenntnissen zu Folge, trägt das Vorkommen von Ufervegetation an Flussufern und Überschwemmungsgebieten nicht nur zur Verbesserung der Wasserqualität und Heilung der biologischen Vielfalt, sondern auch auch zu Flussentwicklungsprozessen bei.
Wenn der Wasserfluss durch bewachsene Gebiete verläuft, wird das durchschnittliche Geschwindigkeitsprofil durch das Vorhandensein von Stämmen, Ästen und Blättern beeinflusst und dementsprechend der Sedimenttransport, Turbulenzen, Bettscherspannungen und Bodenscherfestigkeit, letztere durch Wurzelbindung, modifiziert.
Deshalb führen Bettgeißeln, Ufererosion und Akkretion, Balkenmigration und Breitenanpassungsprozesse zu einer unterschiedlichen Flussmorphologieentwicklung. Auf der anderen Seite können diese Prozesse aber auch zum Begraben und Entwurzeln von Pflanzen führen, was in einer höheren Sterblichkeitsrate resultiert.

Diese Doktorarbeit untersucht den Entwurzelungsprozess sowohl von Pioniersämlingen als auch von etablierter Vegetation, die durch Strömungs- und Betterosion angetrieben wird. Deren Aufgabe es ist, die Wurzelverankerung in verschiedenen räumlichen Maßstäben von einer einzigen Pflanze bis zu einer Flussreichweite zu reduzieren. Der Hauptzweck dieser Forschung besteht darin, die Zusammenhänge zwischen zeitlichen Skalen in Bezug auf die hydromorphologische Entwicklung von Flusssystemen, wie z. B. Bettscheuerentwicklung, Hochwasserdauer und Rückgabezeit, und den eigentlichen biologischen Komponenten mit sowohl die Wachstumsraten als auch die Verfallsraten der Anrainervegetation zu ergründen.

Diese Doktorarbeit zeigt die Existenz von querverwandten zeitlichen Skalen zwischen Ufervegetation und Flussmorphodynamik und erklärt deren Beziehungen zur Hochwasserrücklaufzeit und Ereignisdauer. Als Endergebnis deutet diese Forschung auf die Fähigkeit des Flusses hin, Arten auszuwählen und nach hydrologischem Regime und biologischen Eigenschaften abzudecken. Dies ist von entscheidender Bedeutung in flussverändernden Umgebungen, die durch den Klimawandel verändert werden, wo gebietsfremde Arten einheimische Arten ersetzen können. Dieser unterstreicht auch, wie wichtig es ist, die Dynamik, die Auswirkungen und Wechselwirkungen der Ufervegetation zu berücksichtigen, um die Zuverlässigkeit der langfristigen Flussmorphodynamikmodellierung und den Erfolg von Flusserhaltungs- und -restaurationsstrategien zu gewährleisten.

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