Hydromorphology of ecological deep pool habitats

Weltweit verschlechtert sich die hydromorphologische Qualität von Flüssen aufgrund menschlicher Eingriffe, was nachhaltige Maßnahmen zur Revitalisierung von Flüssen erforderlich macht. Durch tiefe Kolke soll die Resilienz von Flüssen, insbesondere im Zusammenhang mit klimabedingten Extremwetterereignissen wie Dürreperioden und Hitzewellen, verbessert werden.
Diese Dissertation befasst sich mit den hydromorphologischen Grundlagen zur Schaffung von tiefen Kolken und entwickelt ein Konzept zur Untersuchung verschiedener Maßnahmen für die Umsetzung in der Praxis. Hierbei wurden die Habitatanforderungen der Barbe ($\textit{Barbus Barbus}$) herangezogen; die ökologische Wirkung geht jedoch über den ausschließlichen Nutzen für diese Art hinaus. ... mehrIm Rahmen der Festlegung der hydromorphologischen Randbedingungen wurde die Eignung der mittleren Fließgeschwindigkeit als Bewertungskriterium
kritisch diskutiert und zusätzliche Parameter zur Berücksichtigung der turbulenten
Strömungseigenschaften integriert. Es wurde ein hybrider Modellansatz entwickelt,
der physikalische Modellversuche und 3D-HN-Simulationen kombiniert, um sechs ausgewählte in-stream Strukturen zu untersuchen. Die Bedeutung verschiedener Kolkmechanismen wurde durch die Definition von drei verschiedenen Strukturtypen hervorgehoben: pfeiler-, stein- und dammartige Strukturen, die jeweils einen anderen Strömungstyp erzeugen.
Die Sohlmorphologie und das Strömungsfeld innerhalb des Kolks werden detailliert beschrieben, wobei markante Wirbelstrukturen und Helices hervorgehoben werden, die eine entscheidende Rolle bei der effizienten Mobilisierung und dem Transport von Sediment spielen.
Der dreieckige Pfeiler wurde als vielversprechendste Variante für weitere Untersuchungen ausgewählt. Tiefergehende Analysen befassen sich mit dem Einfluss von natürlichen Materialien, Geschwemmselansammlungen und der Kombination von tiefen Kolken mit Unterständen.
Die anschließende hydromorphologische Bewertung berücksichtigt Zielwerte für die
Kolktiefe und -fläche für die Sohlmorphologie und verwendet ein Ampel-Bewertungssystem für das mittlere Strömungsgeschwindigkeitsfeld, Wirbelstärkenbewertungen anhand von Stromlinien und die spezifische Leistungsdichte als integralen Ansatz für die Hydrodynamik. Zusammenfassend
wurden in dieser Dissertation Maßnahmen entwickelt, die günstige ökologische
und hydromorphologische Bedingungen für tiefe Kolke schaffen, was zu einer Verbesserung der Betadiversität in Fließgewässern beiträgt. Die Vorhersagbarkeit der hydromorphologischen Entwicklung und die Sicherheit hinsichtlich der Wasserspiegellagen im Hochwasserfall werden quantifiziert und stellen damit eine deutliche Verbesserung der Planungsgrundlage für Revitalisierungsprojekte dar.

The hydromorphological quality of rivers around the world is deteriorating due to human intervention, making sustainable measures to revitalize rivers necessary. Artificial deep pools are intended to improve the resilience of rivers, especially in the context of climate-related extreme weather events such as droughts and heat waves. This dissertation establishes fundamental knowledge regarding hydromorphological processes for the creation of deep pool habitats and develops a concept for the investigation of various measures for implementation in practice.
The habitat preferences of the barbel (Barbus Barbus) are taken into account; however, the ecological effects go beyond the exclusive benefit for this species. ... mehrTo tackle the challenge of defining hydromorphological boundary conditions, this dissertation explores the suitability of mean flow velocities and discusses on incorporating additional parameters related to turbulence characteristics. A hybrid modeling approach combining physical model experiments and 3D HN simulations was developed to investigate six selected in-stream structures. The importance of different scour mechanisms was emphasized using three kinds of structures, pier-, stone- and dam-like structures, which exhibit different flow types and were defined within this work. The bed morphology and flow field within the scour are described in detail, highlighting
prominent vortex structures and helices that play a crucial role in the efficient entrainment and transport of sediment. The triangular pier proved to be the most effective structure and was selected for further investigation. Deeper analyses focused on the influence of natural materials, debris accumulations and the combination of deep pools with shelters. The subsequent hydromorphological assessment considered target values for scour depth and area for bed morphology, and uses a traffic light rating system for the mean flow velocity field, vortex strength assessments based on streamlines and specific power density as an integral approach to hydrodynamics. In summary, this dissertation develops measures that create favorable ecological and hydromorphological conditions for deep pools, which contribute to improving beta diversity in river ecosystems. Along with the predictability of hydromorphological
development and the quantification of water level rises during flood events, this work
presents a significant improvement in the planning process for revitalization projects.