Analysis of morphological changes of the Danube on the basis of repeated river bed surveys

Abstract

Die direkte Messung der Flussbettmorphologie bietet die Möglichkeit, ein tieferes Verständnis über das Verhalten alluvialer Flüsse mit ihrem komplexen Zusammenspiel von zahlreichen Prozessen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen zu entwickeln. In der vorliegenden Studie wird eine Methodik zur Analyse der morphologischen Sohlentwicklung vorgestellt, bei der die gemessenen Flussbettveränderungen nach Höhe und Volumen und nach den Prozessen Erosion, Sedimenttransport und Deposition ausgewertet werden. Die Basis bilden bathymetrische Daten, die in Form von halbjährlich wiederholten Querschnittserhebungen entlang der freifließenden Strecke der regulierten österreichischen Donau östlich von Wien im Zeitraum 2003-2008 erhoben wurden. Die morphologische Gesamtsituation wird durch die wichtigsten morphologischen Parameter gekennzeichnet. Ihnen zufolge befindet sich das Flussbett in einem Zustand der Eintiefung mit erheblichen vertikalen Sohlschwankungen bei jedoch stabiler Lage und Ausdehnung der morphologischen Strukturen. Eine genauere Analyse der topographischen Flussbettvariabilität erfolgt über die Auswertung der statistischen Parameter der Sohländerungen. Die Durchschnittswerte der lokalen Sohllagendifferenzen entlang des 47,3 km langen Flussabschnittes schwanken zwischen -9,5 und +3,5 cm/Halbjahr, d.h. Eintiefungs- und Anlandungsphasen. Die Durchschnittswerte der Sohlhöhenlagen im Profil ändern sich sowohl von Aufnahme zu Aufnahme als auch von Querschnitt zu Querschnitt mit Schwankungen im Dezimeterbereich. Auf die Profil-Skale bezogen beträgt die Standardabweichung der lokalen Flussbettveränderungen über alle Profile und Halbjahresintervalle hinweg 22 cm/Halbjahr. Die Variabilität- und die Ähnlichkeitsmaße zur Profilgestalt zeigen höhere Formänderungen zwischen benachbarten Profilen als zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen. Die morphologische Prozessdynamik wird durch Auswertungen der Volumenänderungen untersucht. Die Ergebnisse deuten auf starke raum-zeitliche Variationen sowohl in der Größenordnung als auch im Auftreten von Tendenzen hin. Insgesamt ergibt sich für den Zeitraum von fünf Jahren ein starker Sedimentaustrag aus der Flussstrecke mit einer durchschnittlichen Erosionsrate von 1,7 cm/Jahr. Ein höherer Erosionsbetrag von 2,4 cm/Jahr ist zwischen Strom-km 1910 und 1880 festzustellen, in dem Teilabschnitt des Flusses, der als eine freie Fließstrecke mit quasi-natürlichem morphologischen Verhalten angesehen werden kann. Verschiedene Analysetechniken werden vorgestellt, um die Rolle der folgenden Aspekte zu bewerten: Konfiguration des Flussverlaufs, Einfluss von Regulierungs- und Erhaltungsmaßnahmen, Referenzlänge der Flussstrecke, Dauer des Bezugszeitraums und darin herrschende hydrologische Bedingungen, Methodik der Stromsohlenaufnahmen, welche sich in der Referenzbreite und im Profilabstand spiegelt, angewendeter morphologischer Ansatz, insbesondere traditioneller Querschnittsansatz im Vergleich zu Interpolationsansätzen. Die Volumenänderungen erhält man normalerweise durch Bilanzierung der positiven Anlandungs- und der negativen Erosionsvolumina, wobei die Variabilität der Flussbettdynamik nicht sichtbar wird. Das hier vorgeschlagene "Sediment-Umsatz"-Konzept bietet demgegenüber eine bessere Darstellung der tatsächlichen Flussbettvariationen in Form der Summe der Einzelmengen der Anlandung und Erosion, vor allem im Falle von kleinen Volumensänderungen und kurzen Zeiträumen. Die Auswertungen zeigen einen zunehmenden Sedimentumsatz mit einem Anstieg der Durchflussmengen im Halbjahreszeitraum, während sich ein solcher Zusammenhang bei Anwendung der üblichen Sedimentbilanzierung nicht feststellen lässt. Das "Sediment Umsatz" Konzept bietet eine systematische und zuverlässige Beurteilung der morphologischen Veränderungen, nicht nur für Tendenzen über längere Zeiträume, sondern auch für Flussbettveränderungen und Prozessdynamik über kurze Zeitperioden. Je nach Signifikanzschwelle können 70 bis 95 % der Volumensänderungen nach dem Sediment-Umsatz-Konzept als signifikant angesehen werden. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Auswertemethoden wird ein neuer Zugang zur Erfassung der komplexen morphologischen Vorgänge an einem regulierten Fluss geschaffen. Die dabei gewonnenen Einblicke und Erkenntnisse verbessern die Grundlage für die Modellierung von morphologischen Prozessen und für die Verfeinerung der Monitoringprogramme sowie für die Planung zukünftiger Managementaktivitäten.

The direct monitoring of channel topography offers unique opportunities for developing a deeper understanding of alluvial river behaviour as a complex interplay of numerous processes at different temporal and spatial scales. This study presents a systematic framework for analysing the morphological river bed evolution, expressed as changes in the bed level and bed volume, due to the processes of sediment erosion, transport, and deposition. Bathymetric data acquired by repeated cross-sectional surveys on a half-year basis along the free flowing reach of the regulated Austrian Danube River east of Vienna are used in the analysis. The reference period is 2003-2008 and the August 2002 flood is also analysed. The overall morphological situation is characterised by the main morphological parameters. The results show a current state of river bed degradation and at the same time significant vertical bed variations. However, the morphological structures are found to remain stable with respect to their location and extent. A more detailed analysis of topographic river bed variability is performed by evaluating statistical parameters of the bed level changes. The reach-wide averages of local bed level changes along the 47.3 km stretch vary between -9.5 and +3.5 cm/half-year, representing aggradation and degradation phases. The profile averages of the bed elevations also change from survey to survey and from profile to profile, with fluctuations in the decimetre range. The spatio-temporal standard deviation of the local river bed changes across all profiles and all ten half-year periods is estimated as 22 cm/half-year. The measures of profile shape variability and similarity indicate higher form changes between neighbouring profiles than between subsequent surveys. The morphological process dynamics are examined in more detail by evaluating bed volume changes. The findings suggest strong space-time variations of the magnitudes of volume changes and the occurrence of trends. A strong sediment withdrawal out of the river reach is evident for the five-year period with an average erosion rate of 1.7 cm/year. A higher erosion rate of 2.4 cm/year is found between stream-km 1910 and 1880, which is deemed to represent the quasi-natural morphological behaviour of the free flowing section. Various assessment techniques are presented to assess the role of the following aspects: channel course configuration in terms of structural and operational interventions, reference length of the reach, duration of the reference period and the hydrological conditions, survey methodology reflected in the reference width and profile spacing, the morphological approach applied, i.e. the traditional cross-sectional approach versus approaches based on river bed interpolation between the measured profiles. The bed volume changes are normally obtained by budgeting the positive depositional and negative erosional river bed changes, which masks the variability of the river bed dynamics. The proposed 'sediment turnover' concept provides a much better representation of the river bed variations through the sum of the individual quantities of aggradation and degradation, especially in the case of small bed volume changes and short time periods. The data suggest a tendency for an increasing sediment turnover with an increase in the river flow volumes for the half-year periods considering a fixed width related to the active channel. The turnover is much larger than the net volume changes. Depending on the significance thresholds, between 70 % and 95 % of turnover volume changes can be considered significant. The proposed 'sediment turnover' concept provides a systematic and reliable assessment of morphological changes, not only for trends over long-time periods, but also for river bed changes and process dynamics over short-time periods. The insights into the complex morphological and methodological aspects obtained in this thesis improve the basis for the modelling of morphological processes, refinement of monitoring programs and planning of future management activities.