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Advanced experimental methods for investigating flow-biofilm-sediment interactions
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Koca, Kaan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Advanced methods for a sustainable sediment management of reservoirs
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Haun, Stefan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
As a result of an increasing demand on storing water, sustainable reservoir management will become more and more important in the future. Minimizing, or in the best case avoiding, the loss of storage due to sedimentation is a challenging task because each reservoir has unique boundary conditions. Hence, not every management strategy is suitable for a given reservoir. Due to the combination of state of the art measurement methods and hydro‐morphodynamic models, reservoir sedimentation can be better predicted in the future and the success of sediment management strategies can be assessed. The development of advanced measurement methods makes it possible to obtain data with a high accuracy, but also with a high spatial and temporal resolution. The combination of recent measurement approaches with reliable hydro‐morphodynamic numerical prediction models, enhances a highly accurate prediction and understanding of governing processes. This opens new possibilities for an objective selection of important parameters, essential spatial domains as well as for the temporal resolution of measurements. This will finally lead to more reliable predictions about the future of reservoirs that provide water for human life, health and wealth. The presented scientific work gives an overview of recent developments to investigate hydromorphological processes in reservoirs.
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Analyse des Zuppinger-Wasserrades : hydraulische Optimierungen unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Harten, Matthias von; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Das Zuppinger-Wasserrad stammt in seiner Form aus der Mitte des 19. Jahrhunderts und stellt für Standorte mit großem Durchfluss und niedriger Fallhöhe weiterhin den Stand der Technik dar. Seine Bauart ermöglicht zudem einen Einsatz an Standorten mit stark veränderlichen Durchflüssen und Unterwasserständen. Charakteristisch für diesen Typ Wasserrad ist die Schaufelform: die Form der weit ins Radinnere gezogene Wasserradschaufel entspricht einer Evolvente mit anschließender Geraden. In der Literatur werden Wirkungsgrade von Zuppinger-Wasserrädern von ca. 80% erwähnt. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stehen Optimierungspotentiale, um den Wirkungsgrad erhöhen und damit die Leistungsausbeute steigern sowie Optimierungspotentiale, um die Durchgängigkeit für Fische zu verbessen. Zunächst werden die Entwicklung sowie die Konstruktion und Dimensionierung des Zuppinger-Wasserrades beschrieben. Im Anschluss daran warden Optimierungspotentiale einerseits durch neue Forschungsansätze und andererseits durch einen Technologietransfer aus anderen Energiewandlern abgeleitet. Die Durchführung und Analyse der Optimierungspotentiale erfolgte an einem Versuchsstand an der Hochschule Darmstadt mit einem maßstabsgetreuen Wasserradmodell, welches im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt und aufgebaut wurde. Die systematischen hydraulischen Versuche zeigen, dass der Wirkungsgrad durch Änderungen im Betrieb des Wasserrades und dessen Bauweise auf über 85% und die Leistung um bis zu 30% zu steigern sind. Besonders hervorzuheben sind die Schaufelteilung sowie ein Radboden, da diese die größten Zuwächse generieren. Eine Veränderung der Drehzahl kann ebenfalls die Leistungsausbeute steigern und möglicherweise die Durchgängigkeit verbessern. Ein Betrieb über einen Drehzahlbereich würde den Wirkungsgrad über ein breiteres Durchflussspektrum auf einem höheren Niveau halten. Aus den ökologischen Optimierungen werden hinsichtlich der Leistungsausbeute folgende Erkenntnisse gezogen: geringe Auswirkungen auf die Leistungsausbeute durch ein erhöhtes Spaltmaß; Leistungseinbußen durch die Demontage von äußeren Latten und die Reduzierung der Schaufelanzahl.
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Applying automatic calibration for three-dimensional numerical modeling of hydro-morphological changes in channels and reservoirs
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2024) Shoarinezhad, Vahid; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Bedload transport estimation in mountainous intermittent rivers and streams
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Sadid, Najibullah; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Rivers and streams with the flow, sediment, and habitat seasonality are termed as intermittent rivers and streams (IRS). IRS are the main water bodies in arid and semi-arid regions of the world but are also found in the temperate and humid environment, where they are particularly draining headwater streams. Thus, a large part of headwater streams in the mountainous regions behave as intermittent water bodies, where the steep channel slope and a wide variety of sediment sizes add to their hydrosedimentological complexity. Bedload transport as an important sedimentological characteristic of mountainous IRS and essential for planning sediment management strategies, is far from being well understood. Often the knowledge of lowland perennial rivers is adapted to steep IRS, which may lead to an overestimation of bedload transport mainly due to the overestimation of near-bed flow characteristics. Despite the development of numerous methods for modifying near-bed flow parameters for steep IRS such as Double-averaging of Navier-Stokes equation and flow resistance methods modifications for steep IRS, their application is limited to small domains and laboratory conditions. In this research, the flow resistance, main determinant of near-bed flow characteristic is estimated using a regime channel approach. In this approach, the flow resistance is estimated on reach-scale based on the channel’s regime dimension, slope and bankfull discharge assuming an IRS is in regime state (equilibrium condition). A channel’s regime state represents a long-term average characteristic of a river and does not significantly change over time. A channel reach of a constant slope develops a certain flow resistance during its regime state development to resist the change imposed by bankfull discharge and maintain a specific regime geometry, slope, and sediment grain size. 2D- hydromorphological computer simulations are employed to simulate the development of channel regime state for several cases of initial geometries, slopes, and grain sizes by steering the flow resistance. This modifies the riverbed shear stress by the ratio of total flow resistance to grain resistance also known as relative flow resistance µ in order to account for flow energy dissipation on resistance sources such as macro-roughness elements (MRE), and bedforms. Alternatively, two cases of MRE as a main flow resistance inducer is built as non-erodible trapezoidal shapes (i) randomly distributed over the channel bed, and (ii) arranged in cascade bedforms are used in regime channel simulations. MRE protects the channel by reducing the exposed riverbed to erosion and changing the flow characteristics in their vicinity. Regime channel simulations are performed on artificial channels of initial slopes between 0.0% to 10% and initial dimensions of 5.5 m x 200 m and 16.5 m x 200 m resembling a fixed (laboratory) and an extended-width (natural wide channel) condition. Three channel slope combination cases representing a natural channel reach which can be composed of one or more constant slope stretch are also studied beside single slope channels. Steady state simulations are performed for six sediment grain size (GSD) sets, which cover a wide spectrum of naturally occurring sediment sizes. The simulation results show a power-law relationship between µ and regime channel slopes for all channel dimensions, reach combinations, GSD, initial slopes and with (R1) and without sediment feeding (R). The increase in relative flow resistance (µ) with regime channel slope is well reproduced in form of bedforms. Regime channels developed step-pool to cascade bedforms for steep slopes and plane- to riffle bed for gentle slopes channels. The relationship between µ and regime slope derived using regime channel simulation approach exhibits good agreement with some field measurement of flow resistance for mountainous rivers and streams. The approach is applied on two IRS case studies with observed data in Kabul River basin, Afghanistan to estimate bedload transport. The relative flow resistance resulted from models calibration showed good agreement with those derived from test channels regime development simulation. The outcome of channel regime simulation with presence of MRE as geometrical shapes produced a logarithmic-law with a horizontal asymptote relationship between MRE concentrations and channel regime slopes. Similar results are also reported from flume experiments that the ratio of drag to total shear stress increases rapidly when the MRE are sufficiently distant. Regime channels develop micro-channels around MRE, where the bulk of bedload transport occur. For MRE arrangements as cascades, the results show a power-law relationship between channel regime slope and step-pool dimensions λ = LD/DB. The results obtained are in good agreement with field measurement of naturally occurring and artificially built λ relationship with SR. Future studies can further enrich the validation of this approach by applying it to other study sites. Present modelling tools have their limitations when dealing with strong geometries which is often the case for mountain rivers, therefore, improvement in modelling techniques is required to flexibly deal with abrupt changes in riverbed geometry for instance when implementing MRE as main flow resistance inducer.
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Coupled modeling approach for physico-chemical processes during the deterioration of cement-based structures
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Görtz, Jan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Development of new methods to apply a multiparameter approach - a first step towards the determination of colmation
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2020) Seitz, Lydia; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Einfluss der Überwachung auf die Versagenswahrscheinlichkeit von Staustufen
(2011) Franke, Jörg; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Stauanlagen sind von Menschen errichtete Bauwerke zur Zivilisierung des natürlichen Abflusses von Gewässern. Durch Stauregelung dienen diese Anlagen im Falle der Wasserkraftnutzung der Industrie, im Falle der Be- und Entwässerung der Landeskultur sowie als Verkehrsträger der Schifffahrt. Die wasserwirtschaftliche Auslegung der Anlagen auf gewisse Abflüsse und auch die Bauwerkskonstruktion aus Erdmaterial, Beton oder Stahl und der Untergrund bergen gewisse Restrisiken. Sollten die Anlagen auf zu geringe Belastungen ausgelegt sein oder nicht planmäßig funktionieren, resultiert eine Gefährdung bei Versagen - mit dem damit verbundenen Schadenspotenzial. Die vorliegende Arbeit hat zwei Schwerpunkte, die beide den Betrieb und die Überwachung von Staustufen behandeln: zum einen werden verschiedene Neuerungen der DIN 19700-13 (2004), unter anderem anhand einer Befragung von Staustufenbetreibern an 155 Anlagenstandorten, diskutiert. Zum anderen werden mit den im Rahmen der Befragung gewonnenen Daten und Informationen aus der Literatur der Einfluss der Überwachung, der Konstruktion und des Betriebs dieser Bauwerke auf die Anlagenversagenswahrscheinlichkeit auf Basis statistischer Berechnungen mit Bayesschen Netzen bewertet.
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Entwicklung eines ökologisch-ökonomischen Vernetzungsmodells für Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Fenrich, Eva Katrin; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Die Bereitstellung von Frischwasser für die Bewässerung, Trink- und Brauchwasser sowie umweltfreundlich produzierter elektrischer Energie ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Entwicklung einer Region oder eines Landes. Viele unterschiedliche Nutzungsansprüche auf begrenzte Ressourcen sind zu beachten und abzuwägen. Die vernetzten Versorgungsrisiken im Nexus „Wasser, Energie, Nahrung“ sind gleichermaßen eine große Herausforderung für Politik und Ingenieure. Wasserkraft stellt eine saubere, CO2-neutrale, regenerative Energiequelle dar. Jedoch sind aufgrund der Veränderung des Abflussregimes und der Querverbauung der Gewässer große Auswirkungen auf die lokale Ökologie zu erwarten. Diese Auswirkungen auf die lokale oder auch globale Flussökologie bedingen, dass bei der Planung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern auf ein komplexes System an Einflüssen eingegangen werden muss. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Nutzungsarten einerseits und der Fluss- und Auenökologie andererseits müssen in ihrer Gesamtheit erfasst werden. Aufgrund der langen Lebensdauer der Anlagen ist es notwendig sehr eingehend die Auswirkungen eines Projekts in allen Bau- und Betriebsphasen zu untersuchen, da es sich hierbei nicht um kurzfristige Eingriffe, von denen sich das natürliche Gewässer wieder erholen kann, handelt. Ebenso ist es bei Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern, wie bei allen großen Infrastrukturmaßnahmen wichtig, dass Entscheidungsträger die Möglichkeit bekommen, übersichtlich Einblicke in die Wirkungszusammenhänge zu gewinnen und Projektvarianten zu vergleichen. Dies ist insbesondere auch dann relevant, wenn verschiedene Interessengruppen oder Projektpartner eine Einigung über die Weiterverfolgung bestimmter Projektvarianten erzielen sollen. Ausgehend von der vorgestellten Problematik wird eine ganzheitliche qualitative und quantitative Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern sowohl für die Planung als auch für den Betrieb vorgestellt. Hierzu wurde ein Bilanzierungsmodell entwickelt, das auf Grundlage Leontief'scher Input-Output-Analyse als Entscheidungsunterstützung für Projektentscheidungen beim Neubau und der Erneuerung von Anlagen dienen kann. Die Input-Output-Analyse, ein Verfahren der empirischen Wirtschaftsforschung, das für volkswirtschaftliche Analysen eingesetzt wird, ist ein geeignetes Werkzeug, um Verflechtungen zwischen verschiedenen Aspekten eines Systems zu beschreiben. Durch die Möglichkeit, Stoff- und Wirtschaftsströme in unterschiedlichen Einheiten miteinander zu verknüpfen, eignet sich die Input-Output-Analyse sehr gut zur Modellierung komplexer vernetzter Strukturen. Zunächst wurden qualitative Modelle für die jeweiligen Anlagentypen aufgestellt und anschließend an die Bedingungen des betrachteten Projekts angepasst. Hierzu wurden die Systemgrenzen festgelegt und bestimmt, welche Nutzungsarten zum aktuellen Betrachtungszeitraum relevant sind. Mit Hilfe von Input-Output-Graphen werden die Gesamtsysteme anschaulich dargestellt. Traditionell stehen die Knoten des Graphen für die Sektoren einer Volkswirtschaft und die Kanten stellen die jeweiligen Verflechtungen dar. Produkte eines Sektors einer Volkswirtschaft werden zur Produktion von Gütern und Dienstleitungen anderer Sektoren benötigt. Die Richtung der jeweiligen Kante des Graphen stellt eine Lieferbeziehung dar. Bei der Bewertung von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern werden an Stelle von Sektoren einzelne Aspekte innerhalb des Projektes, wie beispielsweise die Trinkwassergewinnung oder die Erzeugung elektrischer Energie, sowie als Primärinputs natürliche Ressourcen betrachtet. Die Input-Output-Graphen können anschließend teilweise mit Hilfe graphentheoretischer Überlegungen vereinfacht werden. Beispielsweise können Teilgraphen zusammengefasst oder zirkuläre Abhängigkeiten aufgedeckt werden. Von besonderem Interesse sind häufig die indirekten Lieferbeziehungen zwischen Sektoren, die zunächst nicht direkt ersichtlich sind, im Input-Output-Modell aufgrund der Darstellung als Systemgraph jedoch deutlich erkennbar werden. Ein wichtiger Grund, qualitative Modelle zu erstellen, kann unter anderem auch sein, verschiedene Projekte oder Projektvarianten zunächst aufgrund ihrer Struktur zu vergleichen, oder um schon vorhandene Projekte unterschiedlicher Größe als Grundlage für die Datenbeschaffung neu geplanter Projekte zu nutzen. Dieses qualitative Modell wird jeweils für eine bestimmte Anlagengröße und Nutzungsart quantifiziert und anschließend werden iterativ Nutzungs-Szenarien evaluiert. Bei Bedarf kann als abschließende Untersuchung das so entwickelte Input-Output-Modell als Grundlage einer linearen Optimierung verwendet werden. Quantitative Gesamtmodelle und lineare Optimierungsmodelle sind jeweils stark abhängig von den betrachteten Projektvarianten. Durch eine vernetzte Formulierung ökonomischer und ökologischer Fragestellungen wird eine quantitative Bewertung der gegenseitigen Beeinflussung ermittelt. Anhand von Fallstudien wurde die Anwendbarkeit der zuvor erarbeiteten Methodik auf verschiedene Anlagentypen und -größen verifiziert und das Modell weiterentwickelt. Um die grundsätzliche Anwendbarkeit der Input-Output-Analyse auf Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeicher zu untersuchen, wurde zunächst ein sehr einfaches schwach vernetztes System eines Ausleitungskraftwerks an der Drau in Österreich untersucht. Hierbei wurde vor allem auf die Vernetzung von Wasserdargebot, energetischer Nutzung und Flussökologie eingegangen. Die Integration von Bewässerung und Landnutzungsparametern in einem Input-Output-Modell wurde anhand eines Bewässerungssystems in Venezuela untersucht. Hierbei werden vor allem auch sozioökonomische Aspekte mit integriert. In einer weiteren Fallstudie wurde ein Ausleitungskraftwerk an der unteren Argen mit gleichzeitiger Wasserentnahme zur Bewässerung untersucht. Als sehr stark vernetztes System wird das Kandadji-Projekt am Niger, ein typisches Mehrzweckspeicher-Projekt mit Bewässerung, Wasserkraft und Trinkwassergewinnung, betrachtet. Schließlich wird, um die Bandbreite der Anwendbarkeit des entwickelten Modells darzustellen, eine Fallstudie für ein Gezeitenkraftwerk zusammen mit einer Landnutzungs-Wassergütemodellierung im Küstenbereich erstellt. Die verschiedenen Fallstudien geben einen Überblick über die Bandbreite der Anwendungsbereiche des hier entwickelten Modells. Deutlich zu erkennen ist, dass qualitative Modelle und auch quantifizierte Teilmodelle jeweils übertragbar auf andere Projekte und Projektvarianten sein können. Damit wurde Ingenieuren und Entscheidungsträgern ein wertvolles Werkzeug in die Hand gegeben, um die Auswirkungen von Wasserkraftanlagen und Mehrzweckspeichern in allen Planungs- und Betriebsphasen zu bewerten.
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Entwicklung eines Ziel- und Bewertungssystems zur Schaffung nachhaltiger naturnaher Strukturen in großen sandgeprägten Flüssen des norddeutschen Tieflandes
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2019) Buchta, Rocco; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Bei der Beurteilung der Zielerreichung der Richtlinie 2000/60/EG (Wasserrahmenrichtlinie) werden in Deutschland vorrangig biologische, chemische und chemisch-physikalische Qualitätskomponenten genutzt. Hydromorphologische Qualitätskomponenten zieht man lediglich „unterstützend“ hinzu. Dies kann, insbesondere bei den großen sandgeprägten Flüssen des norddeutschen Tieflandes, zu Widersprüchen und fehlerhaften Bewertungen führen, wie am Beispiel der Unteren Havel und der Mittleren Elbe nachvollzogen werden kann. Außerdem wird dringender Handlungsbedarf nicht erkannt und Gewässerentwicklungskonzepte enthalten in der Folge ggf. wesentliche Entwicklungsziele und Maßnahmen nicht. Der Betrachtung der Gerinne- und Auengeometrie, aber auch der Anpassungsfähigkeit des Gewässers, muss deshalb künftig eine größere Bedeutung bei der Leitbildfindung zukommen, insbesondere an großen Sandflüssen. In dieser Arbeit wird ein Ziel- und Bewertungssystem zur Schaffung nachhaltiger naturnaher Strukturen in großen sandgeprägten Flüssen des norddeutschen Tieflandes entwickelt. Dazu werden bezüglich der hydromorphologischen Qualitätskomponente „Morphologie“ der Wasserrahmenrichtlinie ergänzende Zielgrößen für die Gerinnegeometrie und die Anpassungsfähigkeit des Gewässerbettes definiert. Im Ergebnis ist eine allgemeine Strategie zur nachhaltigen naturnahen Gewässerentwicklung entstanden. Es konnten Ansätze gefunden werden, die eine Lücke im Bereich der konzeptionellen Vorbereitung nachhaltiger Gewässerentwicklungen schließen. Damit wird nicht nur ein Beitrag zum weiteren Systemverständnis geleistet, sondern mit dem beinhalteten Ziel- und Bewertungssystem zur Ableitung einer Entwicklungsstrategie werden auch die Grundlagen für die Ermittlung von Defiziten und geeigneten Entwicklungsmaßnahmen geschaffen. Zentraler Ansatz ist dabei die Erreichung eines möglichst sich selbst erhaltenden hydromorphologischen Gleichgewichtszustandes des Gewässersystems, auf der Basis eines ausgeglichenen Sedimenthaushaltes, auch unter den Bedingungen sich ständig ändernder Abflüsse und Sedimentfrachten. Wesentliche Zustandsgrößen sind die Wasserstand-Abfluss-Beziehung, der zeitlich und räumlich gemittelte Bewegungsbeginn der Gewässersohle sowie die laterale Verlagerungsfähigkeit des Gewässerbettes. Im Rahmen von drei Fallstudien wurden das aufgestellte Zielsystem und darauf aufbauende Entwicklungsstrategien auf Abschnitte der Unteren Havel, der Mittleren Elbe und des Narew exemplarisch angewendet und in einer weiteren Fallstudie bezüglich der Querschnittsgeometrie für Flüsse Nordamerikas plausibilisiert. Dort, wo auf historische Daten des weitgehend unverbauten Zustandes zurückgegriffen werden konnte, war auch eine Plausibilisierung oder Verifikation der Zielgrößen möglich. Innerhalb der Fallstudien für Havel und Elbe und Narew konnte darüber hinaus geschlussfolgert werden, dass sich die untersuchten Flussabschnitte vor ihrem Ausbau offensichtlich in einem Gleichgewichtszustand befanden. Die daraus abgeleiteten Entwicklungsmaßnahmen spiegeln diesen Umstand wider. Außerdem wurden in der Fallstudie Untere Havel geplante Maßnahmen des laufenden Renaturierungsprojektes „Untere Havelniederung“ diskutiert. Dabei ist deutlich geworden, dass das Projekt in die richtige Richtung weist, die bisher geplanten Maßnahmen aber nicht ausreichen.
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Evaluation of life safety risks related to severe flooding
(2009) Ehsan, Saqib; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
The flooding risk has always been considered to be very important for the risk safety management of dams. The extreme flooding downstream of a dam could be either due to dam failure or sometimes it can occur without failure. In both cases, it poses serious risks to people and property downstream of the dam. In this study, the risk assessment for the Jhelum river valley downstream of Mangla dam has been carried out. Mangla dam is one of the large earth and rock-fill dams in the world. The height of the main dam is about 125 m above riverbed after the raising of about 9.15 m (30 ft) which was planned to be completed in 2008. For this research, Mangla dam has been considered with raised conditions. The main aim of this research is to develop an improved method for loss of life estimation due to extreme flooding (with and without dam failure) downstream of a dam and to analyze the pattern of impacts depending on the downstream valley shape on possible life loss. The project reach is about 329 km long downstream of Mangla dam including different hydraulic structures. It has been modeled for unsteady flow conditions by using MIKE 11 (1D). Different catastrophic flooding scenarios with and without dam failure have been taken into consideration. Based on flood routing results, the flood severity indication has been done downstream of the dam for different flooding scenarios. In order to have more meaningful and realistic results, a new criterion for flood severity has been developed. For more precise and realistic estimates of possible life loss due to extreme flooding downstream of the dam, an improved and elaborate loss of life (LOL) estimation method has also been developed and loss of life (LOL) has been estimated for different flooding scenarios. In order to generalize the LOL results of Jhelum river valley for other river valleys in the world, new valley shapes have been produced according to the suggested changes and hydraulic modeling under unsteady flow conditions for different flooding scenarios has been carried out. This study provides new useful guidelines for the better risk assessment of existing and planned dams in Pakistan and in other parts of the world.
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Experimentelle Untersuchungen zur hydrodynamischen Belastung und Standsicherheit von Deckwerken an überströmbaren Erddämmen
(2014) Siebel, Rüdiger; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Überströmbare Dämme mit einer Sicherung des Dammkörpers durch ein Deckwerk kommen seit einigen Jahren verstärkt vor allem bei kleineren dezentral wirkenden Hochwasserrückhaltebecken zum Einsatz. Aufgrund der erforderlichen flachen luftseitigen Böschungsneigung und dem damit verbundenen hohen Platzbedarf übersteigen die Dammhöhen solcher Dämme in den seltensten Fällen 10 m. Die Bemessungsmethoden, die für derartige Deckwerke in der Praxis angewandt werden, basieren oftmals auf abgewandelten statischen Ansätzen, die auftretende hydrodynamische Kräfte während des Überströmvorgangs nicht hinreichend abbilden. So wird beispielsweise oftmals mit einer eher willkürlichen und pauschalen Erhöhung des Sicherheitsbeiwerts gearbeitet, was der vorliegenden Problematik nicht ansatzweise gerecht wird und entweder zu überdimensionierten Deckwerken führt, oder aber zu unzureichenden Sicherheiten. Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit den verschiedenen Versagensmechanismen von Steinschütt- und Steinsatzdeckwerken an überströmten Dämmen und Deichen und deren rechnerischer Zugänglichkeit mit dem Ziel Bemessungsverfahren für die praktische Bauausführung zu erarbeiten. Dabei wird der Hauptaugenmerk auf die folgenden Versagensmechanismen gelegt, die bislang in der verfügbaren Literatur nicht, oder nur unzureichend erörtert wurden: • Einzelsteinerosion von Steinschüttdeckwerken • Abgleiten von Steinschüttdeckwerken • Ausbrechen von Steinsatzdeckwerken Während die beiden erstgenannten Versagensmechanismen mit Hilfe von großskaligen Modellversuchen untersucht wurden, basieren die Ergebnisse des Ausbrechens von Steinsatzdeckwerken auf rein theoretischen Überlegungen unter idealisierten Annahmen.
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High-resolution spatio-temporal measurements of the colmation phenomenon under laboratory conditions
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Mayar, Mohammad Assem; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
The fine sediment infiltration and accumulation into the gravel bed of rivers, the so-called colmation phenomenon, is a pernicious process exacerbated by anthropogenic activities. Owing to the importance and complexity of this phenomenon, it has been widely studied over the last decades. Various devices and methods have been developed to assess this phenomenon, where most of them are destructive and sample-based, resulting in an alteration of the natural conditions. Therefore, non-intrusive techniques, which provide spatial and temporal details with a high-resolution, are required to discretize the mechanisms involved in the colmation process. To address these issues, investigations under laboratory conditions may simplify the complexity of nature and enable individual and exactly defined boundary conditions to be investigated. Therefore, this thesis aims at (i) developing a non-intrusive and undisturbed measurement method for the high-resolution spatio-temporal measurements of the sediment infiltration processes and the development of sediment accumulation in an artificial river bed under laboratory conditions, (ii) applying this method to certain experiments for the assessment of the effects of different boundary conditions on sediment infiltration, and (iii) investigating the colmation phenomenon (also known as clogging) of gravel beds. For this purpose, the gamma-ray attenuation method is used together with an artificial gravel bed arranged from the spheres with various diameters and placed in a laboratory flume. This new method works based on the gamma radiation that passes through the infiltrated sediments, water, and bed spheres, in which the gamma-ray attenuation is linked to the variations of the infiltrated sediments’ quantity. The main simplification of this approach is that gravel beds are represented by the combinations of different-sized spheres. This gives the opportunity to fully distinguish infiltrating sediments from the bed material, reduce the complexity of the natural environment, and allows for repetitive measurements of the same position with different boundary conditions. From the results of this study, first, the gamma-ray attenuation measurement method was optimized to resolve the inconsistencies in the measurements. Subsequently, the concept of the non-intrusive and undisturbed measurement is proved through box experiments. Additional reproducibility experiments in the laboratory flume, for a similar bed structure, showed only small deviations between two experiments with the same setup. Consequently, the established technique was used in a series of experiments to evaluate the effects of different supply rates, total supply masses, and sediment particle size boundary conditions on the sediment infiltration and colmation processes. Vertical profiles of the infiltrated sediment were quantified through high spatial resolution measurements. Furthermore, to evaluate the infiltrating sediment accumulation development, and the temporal variations of the infiltrated sediments, the vertical profile measurements were first repeated after a specific time-period to track interval-averaged variations in all positions of the vertical axis. Next, a specific position of the vertical axis was measured continuously during the entire experiment in a high temporal resolution. The measured vertical profiles illustrate the vertical distribution, colmation, and unimpeded percolation of the infiltrated sediments. The dynamic one-point measurement precisely identifies the three phases (the start of the pore-filling, the required time to fill the pore, and the final amount of infiltrated sediments including natural fluctuation during the ongoing experiments) of the sediment infiltration or the possible clogging. As a limitation, the gamma-ray attenuation system’s current configuration only works in artificial gravel beds because of the given density difference between infiltrated sediments and the artificial bed structure. Intense radiations that pass through the natural bed's thickness are capable of detecting a significant amount of infiltrated sediments. However, small amounts of infiltrated sediments will create only a minimal shift in attenuation, which might be confused with the statistical error. In addition, the legal restriction against using radioactive material in the natural environment is another reason for not applying it in the field. Furthermore, the gamma-ray attenuation method cannot resolve the sediment distribution in the measurement horizon and provides an integrative result for each measurement position. In addition, if a mixture of silt, clay, and sand is supplied to the experiment, the gamma-ray attenuation system will produce a bulk result of all the infiltrated materials. To conclude, despite the limitations mentioned above, the gamma-ray attenuation method offers a unique opportunity for the non-intrusive and undisturbed measurements of the sediment infiltration or the special case of colmation, with a high spatio-temporal resolution. This method has the potential to quantify the investigated processes on a millimetric spatial scale, if the measurement time is not a constraint, or vice versa, in a high temporal resolution (seconds) for a specific position, if spatial scale is not important. Moreover, the gamma-ray attenuation approach can simultaneously measure the longitudinal distribution of the sedimentological processes, if multiple instruments or a single device with several radiation-emitting-holes is in operation. Last, but not least, rather than the spheres, artificial gravel beds could be made of any substance with a composition significantly different from the infiltrating sediments, and the boundary conditions of the experiments can be improved in order to attain conditions close to nature. Finally, the gamma-ray attenuation method can be integrated with advanced flow measurement instruments such as Particle Image Velocimetry (PIV) and other high-resolution endoscopic devices to track the behavior of fine sediment infiltration and its clogging process in the porous gravel beds as it occurs in nature.
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A holistic approach to assess the impact of global change on reservoir sedimentation
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2024) Mouris, Kilian; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Investigations on functional relationships between cohesive sediment erosion and sediment characteristics
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Beckers, Felix; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
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Investigations on urban river regulation and ecological rehabilitation measures : case of Shenzhen River in China
(2014) Zhang, Jin; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
River systems, as a major component of the water environment, have the most interactions with human beings in many ways, especially along with social development and population growth, as well as the intense utilization of the river systems by humans, a series of major ecological environmental problems have arisen in recent years. Therefore, river system regulation and management has become a crucial focus point of research. Although the integrated river management is the preferred and most commonly accepted method that is applied in water resources management, a significant problem is that there is a shortage of integrated river ecological research which focuses specifically on urban rivers. The current problems governing urban river regulation and ecological status rehabilitation can be summarised into the following points: The definitions of urban and rural rivers are still not clarified; Interactions between urban and rural rivers are neglected; Need for an applicable mapping method for driving the urban river health index; Limited availability of input data sources, especially in the developing world for assessment and management of environmental problems. This research aims to study on the above addressed issues, to clarify the characteristics of urban rivers and to find an applicable method of assessing their health status. In this PhD research, the identification of urban and rural river reaches is studied as the first main purpose, a generic conceptual model namely the Urban-Rural River Continuum Identification System (URRCI) is developed. Reference of this system is to review the classification of urbanization, in order to distinguish whether the surveyed river section belongs to urban river or rural river, and further to solve the problem of the unclear definition of urban rivers. The second important issue has been addressed in this PhD research is to focus on urban river regulation, aiming to set up an advanced urban river ecological health assessment system which can be applied easily. The case study area of Shenzhen River in China has been selected to build up the database in order to establish and prove this new improved river health assessment system, and simulate effective rehabilitation measurements scenarios. The fuzzy logic approach is integrated into the fish habitat model CASiMiR, which is developed at the University of Stuttgart, Institute for Modelling Hydraulic and Environmental Systems, and is receiving a continuously growing acceptance in Europe and worldwide. The customized tool took advantage of an existing fuzzy inference calculator, which is integrated within the ArcGIS, thereby allowing direct data integration from various geospatial sources as input parameters and the presentation of output in the form of spatial and temporal maps. Indeed, the system of fuzzy rules (rulebase) can contain more than one input and one output parameter. The interaction between the urban river reach and the rural river reach is also identified as the third addressed objective. The integrated health status index is generated for both the urban and rural reaches base on the ArcGis based simulation. One expression is developed to calculate the health index for each of the urban and rural river stretches which are identified by the urban-rural river continuum identification system. The study on the Urban/Rural river interaction helps to find out what the thresholds of these main parameters in the urban river reach are, so that the urban river will not bring any stress onto the whole river system, which will affect the habitat suitability, and the most important is to lead a direction on the specific influenced plot and effective rehabilitation measures. As the last main objective of this PhD research, several mitigation scenarios are planned for the simulation of river rehabilitation. From the assessment of the urban/rural river ecological health status, bank/bed protection and riparian vegetation are the two parameters which have the most influence. Removal of bank protection and the enhancement of riparian vegetation have been carried out as the river rehabilitation measures individually and combined as well, from a comparison of the enhanced integrated river health index for each urban/rural stretch with different fuzzy membership functions, we can see that when the integrated fish suitability index has more weight in the river’s ecological health assessment system, the subsequent river ecological rehabilitation measures have less impact. When the integrated fish suitability index, bank protection and riparian vegetation have equal importance in the river’s ecological health assessment system, river enhancement is more effective. On the other hand, parameters related to the water body itself refer more to the stands of hydraulics and hydrology, which are not easy to change. So in this research they are not considered for improvement. The implementation in Shenzhen River shows that the advanced urban/rural River Ecological Health Assessment System was successfully established. It is easy to use and interpret since it adopts the standard governing parameters of river health that are widely accepted all over the globe. This approach allows rapid scenario analysis for large regions and has the potential to be used as a practical tool for the assessment of urban river ecological health by policy-makers and scientists.
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Large-scale high head pico hydropower potential assessment
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Schröder, Hans Christoph; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Due to a lack of site-related information, Pico hydropower (PHP) has hardly been a projectable resource so far. This is particularly true for large area PHP potential information that could open a perspective to increase the size of development projects by aggregating individual PHP installations. The present work is extending the capabilities of GIS based hydropower potential assessment into the PHP domain through a GIS based PHP potential assessment procedure that facilitates the discrimination of areas without high head PHP potential against areas with PHP potential and against areas with so called “favorable PHP potential”. The basic unit of the spatial output is determined by the underlying PHP potential definition of this work: a standardized PHP installation and the required hydraulic source, together called standard unit, are located on an area of one square kilometer. The gradation of the output is a consequence of the verification techniques. Several large area PHP potential field assessment methods, based on contemplative analysis techniques, are developed in this work. Field assessments were conducted in Yunnan Province/China, Costa Rica, Ecuador and Sri Lanka. The aim for all field assessments is to get a comprehensive view on the PHP potential distribution of the entire country/province. Application of the GIS based PHP potential assessment procedure is aimed at the global tropical and subtropical regions.
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Luftbedarf von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb
(2015) Kramer, Matthias; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Unter Energierückgewinnung versteht man einen Prozess, bei welchem bereits genutzte Energie, die sonst verloren ginge, wiederverwendet wird. In der Trinkwasserversorgung wird die Energierückgewinnung bereits seit längerer Zeit praktiziert, jedoch liegt im süddeutschen Raum, vor allem an Übergabeschächten oder Behältereinläufen, noch ungenutztes Potential im kleineren Leistungsbereich vor. Um dieses Potential zu erschließen, könnte mit der sogenannten Gegendruckpeltonturbine ein Maschinentyp zum Einsatz kommen, welcher in der Schweiz bereits erfolgreich zur Energierückgewinnung eingesetzt wird. Die Gegendruckpeltonturbine wurde entwickelt, da sie im Gegensatz zur klassischen Pelton-Turbine unabhängig vom Unterwasserstand und somit universell eingesetzt werden kann. Hierfür muss ein Luftpolster über externe Belüftungssysteme in das Turbinengehäuse eingebracht werden, welches dafür sorgt, dass das Unterwasser den notwendigen Freihang nicht unterschreitet. Vorteile bietet der Einsatz der Gegendruckpeltonturbine vor allem bei variierenden Abflüssen, da dieser Maschinentyp bereits bei relativ geringen Beaufschlagungen einen hohen Wirkungsgrad aufweist und somit Energiepotentiale im Teillastbereich effizient genutzt werden können. In bestimmten Betriebsbereichen der Maschine kann es systembedingt zu Luftaustragsprozessen aus dem Turbinengehäuse kommen. Diese Prozesse sind unerwünscht, da sie zu einer Verminderung der Transportkapazität im unterwasserseitigen Rohrleitungssystem führen und einen zusätzlichen Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des Luftpolsters erfordern. Die dem Gehäuse über externe Belüftungssysteme zugeführte Luftmenge wird auch als Luftbedarf bezeichnet und im Rahmen der vorliegenden Arbeit an einer Versuchsturbine im Gegendruckbetrieb untersucht. Diese Untersuchungen sind notwendig, um die Betriebsparameter- und Geometrieabhängigkeit des Luftbedarfs im Kleinwasserkraftbereich zu ermitteln sowie die Maschine im Hinblick auf eine Verminderung des Luftbedarfs zu optimieren. Luftbedarf von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb Für die Untersuchungen an der Gegendruckpeltonturbine werden der ungelöste und der gelöste Luftbedarf in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Maschine sowie bei unterschiedlichen Gehäusekonfigurationen separat erfasst. Da den genannten Luftbedarfsanteilen unterschiedliche physikalische Ein- und Austragsmechanismen zugrunde liegen, ist diese Differenzierung für eine Optimierung der Gehäusegeometrie erforderlich. Die Ergebnisse der Untersuchungen des gelösten Luftbedarfs zeigen, dass nahezu maximale Sättigungswerte im Turbinengehäuse erreicht werden und der gelöste Luftbedarf bei höheren Drücken sowie bei größeren Lieferziffern zunimmt. Zusammenfassend ist mit einem höheren gelösten Luftbedarf im Gegendruckbetrieb zu rechnen, welcher anhand der durchgeführten Messungen bereits sehr gut in der Planungsphase quantifiziert werden kann. Um Luftanteile im unterwasserseitigen Rohrleitungssystem beim Einsatz von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb zu vermeiden, wird die Installation von Luftabscheidern an Hochpunkten des nachgeordneten Systems empfohlen. Der ungelöste Luftbedarf hängt hauptsächlich von der Laufzahl, der Schaufelauslastung, dem Gehäusewasserstand und der Lieferziffer ab und kann über eine entsprechende Dimensionierung des Gehäuses der Gegendruckpeltonturbine minimiert werden. Für die Bestimmung geometrischer Gehäuseabmessungen zu planender Anlagen werden Bemessungsformeln abgeleitet, welche zeigen, dass die Eindringtiefe einen wichtigen Parameter zur Dimensionierung der Gehäusehöhe darstellt. Weiterhin kann der ungelöste Luftbedarf durch die Implementierung von Gehäuseeinbauten, auch bei bestehenden Anlagen, reduziert werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Implementierung von Strömungsgleichrichtern, durch welche eine Verringerung des ungelösten Luftbedarfs um über 90% im Vergleich zum Gehäuse ohne Einbauten erreicht wird. Eindringtiefe eintauchender Freistrahlen Bestehende empirische Korrelationen zur Bestimmung der Eindringtiefe sind nicht auf die Prozesse im Gehäuse einer Freistrahlturbine übertragbar. So zeigen Beobachtungen im Unterwasser von Freistrahlturbinen, dass die Eindringtiefen bei der Anwendung dieser Formeln auf die Strömungsvorgänge im Gehäuse unterschätzt werden. Der Grund hierfür liegt an einem sehr kleinen Durchflussbereich, in welchem die bisherigen Untersuchungen eintauchender Freistrahlen durchgeführt wurden. Bei größeren Durchflüssen erhöht sich jedoch der Impuls des eintauchenden Wasserstrahls, was zu einer höheren Lufteintragsrate und somit zu einer Herabsetzung der Dichte des aufnehmenden Mediums führt. Letztendlich bedingen die genannten Effekte eine Zunahme der Eindringtiefe bei höheren Durchflüssen. Um die Prozesse im Gehäuse von Freistrahlturbinen abbilden zu können, ist eine Erweiterung des untersuchten Durchflussbereiches unerlässlich. Diese Untersuchungen der Eindringtiefe eintauchender Freistrahlen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt. Die gemessenen Eindringtiefen von bis zu 170 cm bestätigen die Beobachtungen der Strömungsvorgänge in Naturanlagen, bei welchen eindringende Luftblasen über die gesamte Wassertiefe am Beginn des Unterwasserkanals beobachtet wurden. Die Ergebnisse der Eindringtiefenmessungen werden mit Daten aus veröffentlichten Untersuchungen zu einer Datenbasis zusammengefasst und für eine mathematische Modellierung der Eindringtiefe verwendet. Hierbei kommen neuronale Netze zum Einsatz, welche aufgrund ihrer Lernfähigkeit in der Lage sind, komplexe Zusammenhänge, wie sie beim Lufteintragsprozess zweifelsfrei vorliegen, zu approximieren. Als Eingabeparameter werden der Impulsfluss an der Eintrittsstelle sowie die Strahllänge gewählt; die Netzausgabe erfolgt in Form der Eindringtiefe. Durch diese geschickte Parameterwahl kann die Netzantwort graphisch als Fläche über den Eingabeparametern aufgetragen werden. Im Zuge der Modellbildung wird die Anzahl der versteckten Neuronen im Hinblick auf eine universelle Anwendbarkeit des Netzes optimiert. Das optimierte Modell besitzt eine versteckte Schicht mit drei Neuronen und liefert auch im nicht mit Messdaten abgedeckten Anwendungsbereich physikalisch sinnvolle Lösungen. Im Vergleich mit den berechneten Eindringtiefen anderer Ansätze weist die Netzausgabe des neuronalen Modells einen geringeren Fehler und ein höheres Bestimmtheitsmaß auf. Der Einsatz des neuronalen Modells wird für weitere Anwendungen ermöglicht, indem Berechnungsvorschriften sowie die im Zuge des Trainings angepassten Gewichtsmatrizen und Biaswerte angegeben werden.
Open Access
Microbial biostabilization in fine sediments
(2022) Gerbersdorf, Sabine Ulrike; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
Microbial biostabilization has increasingly received attention over the last years due to its significance for the dynamics of fine sediments in fluvial and coastal systems with implications for ecology, economy and human-health. This habilitation thesis highlights the contributions of the applicant and her team to this multi-disciplinary research area and is based on eight core publications that are presented in seven chapters. First, the topic of biofilm and biostabilization is introduced and second, the materials and methods applied are presented before own research findings are discussed. To start with, the stabilization potential of heterotrophic bacterial assemblages has been emphasised as well as the adhesive properties of the protein moieties within the EPS (extracellular polymeric substances) that are more significant than previously thought. Furthermore, the engineering potential of estuarine prokaryotic and eukaryotic assemblages has been studied separately and combined to reveal the effective cooperation of mixed biofilm that resulted in highest substratum stabilization although the effects were not clearly synergistic (=more than additive). The significance of biostabilization could be evidenced as well for freshwaters where highest adhesive capacity and sediment stability occurred during spring. Microbial community composition differed accordingly to result in mechanically highly diverse biofilm. Moreover, the importance of two of the most influential abiotic conditions, light intensity and hydrodynamics, was shown for biofilm growth, species composition and functionality - here biostabilization. In order to test adhesive properties at the relevant mesoscale (mm-cm) but non-destructively and highly sensitive, MagPI (Magnetic Particle Induction) has been applied. The last chapter concerns technical aspects to further improve its performance while demonstrating the impact of material and geometry and the importance of both, magnetic field strength and field gradient for the physics of the MagPI approach.
Open Access
Microbial stabilization of lotic fine sediments
(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2018) Schmidt, Holger; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
The microbial stabilization of fine sediments constitutes an essential ecosystem function with great ecological and economic implications e.g. in the context of reservoir and waterway management. Although this process is well researched in intertidal mudflats, there is still a major lack of knowledge for lotic systems. To perform fundamental research in this field and to account for the associated very high level of complexity, expertise of natural and engineering science was combined in an interdisciplinary approach. A highly sophisticated mesocosm setup was designed and constructed to guarantee fully controllable and reproducible natural-like boundary conditions during biofilm formation. The overall aim of the performed studies in this doctoral thesis was a comprehensive investigation of all relevant parameters of the cultivated biofilms, such as the microbial biomass, the produced extracellular polymeric substances (EPS), and the composition of the microbial community as well as the stability of the biofilm. This extensive approach should allow the identification of functional key parameters of the biofilm as well as essential interactions and their impact on the overall biofilm ecosystem and resulting biostabilization. In a series of long-term experiments, different influencing factors on biofilm development and corresponding biostabilization were assessed. The first potential impact factor that was analyzed was the experimental setup itself. Furthermore, the influence of the seasonal changes of the microbial community in the utilized river water and the effects of different levels of bed shear stress and illumination intensity were assessed. The results of these different experiments provided essential new insights into the process of biostabilization of lotic fine sediments. Firstly, the reliability of the used experimental setup could be proven, as no significant differences could be detected in biofilm formation and biostabilization comparing different mesocosm sections. The fact that very similar biofilms were developing when the boundary conditions were identical was a crucial prerequisite for any further investigations. In addition, the relevance of biostabilization in lotic systems, which was doubted for a long time, could be proven. However, freshwater and brackish habitat can be very different (e.g. in terms of nutrient availability). This was exemplarily indicated by significantly lower microbial biomass in the analyzed freshwater biofilms compared to biofilms from well-studied intertidal mudflats. Moreover, the very complex interplays between bacteria and diatoms in the biofilm matrix were underlined which led to a focus on this subject during further subsequent studies via an extensive genetic and microscopic profiling. Secondly, the important role of EPS during biostabilization could be demonstrated, whereby the significance of extracellular proteins, such as adhesives produced by sessile diatoms, was suggested. This observation may extend the current EPS research which focusses on extracellular carbohydrates due to their high quantitative fraction in the EPS matrix. Furthermore, the interactions between the microbes, the extracellular matrix and the overall stability of the biofilm system appeared to be much more complex than formerly assumed. Thirdly, the importance of the microbial community in the biofilm system could be elucidated. Even though a high correlation between mere microbial biomass and biostabilization could be detected, especially the seasonality experiments emphasized the impact of the life style of key players among the diatoms. These insights could be extended during the experiments analyzing the different levels of abiotic boundary conditions, where differently stable biofilms were clearly dominated by different assemblages of dominant bacteria. These observations constitute very important new insights into microbial biostabilization as a direct correlation between microbial ecology and the overall, actually measurable ecosystem function of the biofilm could be shown for the first time. Concluding, the insights into the fundamental principles of biostabilization gathered during this thesis can be seen as important steps for further fundamental research. The construction of a reliable unique setup is complete, the reproducible biofilm cultivation in this setup is verified and first investigations of different driving factors during biostabilization were performed. These analyses paved the way for further studies to analyze currently hardly assessed boundary conditions and deeper assessments in order to generate a sound database for future modelling approaches of the dynamics of microbially stabilized lotic fine sediments.