Totholzstämme in Fließgewässern: Hydraulische Untersuchungen zu Strömungswiderstand, Aufstau und Nachlaufströmung : Experimentelle und numerische Analysen horizontaler Zylinder
Die vorliegende Dissertation untersucht die hydraulischen Effekte von Totholzstämmen in Fließgewässern. Totholz spielt in Gewässern hinsichtlich Habitatgestaltung und ökologischer Vielfalt eine besondere Rolle und gilt somit als Schlüsselelement. Aufgrund von nicht vorhandenen Stabilitätsnachweisen und des gegebenen Sicherheitsrisikos im Hinblick auf den Hochwasserschutz wird Totholz noch immer häufig aus Bächen, Flüssen und Auen entfernt. Eingebrachte Strukturen werden oftmals gesichert.
Zur Analyse des Strömungswiderstands, des Aufstaus infolge des Fließquerschnittverbaus und der Nachlaufströmung werden sowohl experimentelle Versuche als auch numerische Simulationen mit horizontalen Zylindern in einem Rechteckgerinne durchgeführt. Auf Grundlage unterschiedlicher geometrischer und hydraulischer Randbedingungen werden etablierte Berechnungsansätze auf ihre Anwendbarkeit geprüft, erweitert und neue Formeln definiert. Berücksichtigt werden hierbei unterschiedliche Abflussregime von unterkritischen quasi-gleichförmigen bis hin zu überkritischen Strömungen. Es werden verschiedene Zylindergrößen und Rotationswinkel untersucht. Die Zylinder sind hierbei mittig oder seitlich und mit teilweise unterschiedlichen Sohlenabständen im Gerinne positioniert. Dies ermöglicht es, Strömungswiderstände und Aufstauhöhen für ein breites Spektrum an Konfigurationen abzuschätzen. Die Auswertung der Größe der Nachlaufströmung ermöglicht die quantitative Abschätzung der hydraulischen Wirksamkeit von Totholzstämmen.
Die experimentellen Versuche umfassen Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten, Widerstandskräfte und Wasserstände unter verschiedenen Bedingungen. Die numerischen Simulationen werden verwendet, um die komplexen Strömungsmuster und deren Wechselwirkungen mit Totholzstrukturen zu analysieren.
Die Erkenntnisse der Forschungsarbeit sollen der hydraulischen Planung von Revitalisierungsmaßnahmen mit Totholz dienen und tragen dazu bei, ökologisch wertvolle und hydraulisch sichere Lösungen zu entwickeln. Zudem bieten sie eine wissenschaftliche Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten in diesem Bereich.
This dissertation investigates the hydraulic effects of deadwood trunks in flowing waters. Large woody debris plays a significant role in habitat formation and ecological diversity in water bodies, making it a key element. Due to the lack of stability verification and the associated safety risk regarding flood protection, large woody debris is still often removed from streams, rivers, and floodplains. Introduced structures are often fixed.
To analyze the flow resistance, the backwater due to flow cross-section blockage, and the wake flow, both experimental tests and numerical simulations with horizontal cylinders in a rectangular channel are conducted. Based on different geometric and hydraulic boundary conditions, established calculation approaches are tested for their applicability, extended, and new formulas defined. Different flow regimes from subcritical quasi-uniform to supercritical flows are considered. Various cylinder sizes and rotation angles are examined. The cylinders are positioned centrally or laterally and sometimes with different gaps relative to the bed in the channel. This allows for the estimation of flow resistances and backwater heights for a wide range of conditions. The evaluation of the wake flow size enables the quantitative assessment of the hydraulic effectiveness of deadwood trunks.
The experimental tests include measurements of flow velocities, resistance forces, and water levels under various conditions. The numerical simulations are used to analyze the complex flow patterns and their interactions with deadwood structures.
The findings of this research aim to serve the hydraulic planning of revitalization measures with large woody debris and contribute to the development of ecologically valuable and hydraulically safe solutions. Additionally, they provide a scientific basis for future research in this field.