Bedload transport estimation in mountainous intermittent rivers and streams

Abstract

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.

Flüsse und Bäche mit saisonaler Abfluss-, Sediment- und Habitatdynamik werden als intermittierende Flüsse und Bäche bezeichnet (IFB). IFB sind die vorherrschenden Fließgewässer in trockenen und halbtrockenen Regionen der Welt. Sie kommen jedoch auch in gemäßigten und feuchten Klimaten vor, dort hauptsächlich in Quellgebieten. Entsprechend zählen die meisten der Fließgewässer in Gebirgsregionen zu den IFB, wo steile Geländeneigungen und große Spektren der Sedimentgrößen zu hydrosedimentologischer Komplexität führen. Der charakteristische Geschiebetransport der IFB in Gebirgsregionen, auf dessen Grundlage Sedimentmanagementstrategien geplant werden, ist bei weitem nicht gut verstanden. Nicht selten werden aufgrund dieser Wissenslücke die Erkenntnisse über den Geschiebetransport in perennierenden Flüssen tieferer Lage auf intermittierende Fließgewässer übertragen. Dies kann zu einer Überschätzung der transportierten Geschiebemengen führen, nicht zuletzt aufgrund einer ungenauen Schätzung der sohlnahen Strömungseigenschaften, welche für den Geschiebetransport verantwortlich sind. Trotz der Entwicklung zahlreicher Methoden zur Anpassung sohlnaher Strömungsparameter für steile IFB, wie z. B. der Doppelmittelung der Navier-Stokes-Gleichung und die Strömungswiderstandsberechnungen für geringe Fließtiefen, ist die Anwendung dieser angepassten Parameter auf kontrollierte Laborbedingungen beschränkt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Schließen der genannten Wissenslücke zum charakteristischen Geschiebetransport in IFB in Gebirgsregionen. In den hier vorgestellten Untersuchungen wird der Strömungswiderstand auf Maßstabsebene von Flussabschnitten unter Verwendung eines Regime-Kanal-Ansatzes als Hauptfaktor der Strömungseigenschaften bestimmt. Dieser Ansatz beschreibt die im zeitlichen Mittel konstanten Verhältnisse eines IFB, also einen dynamischen Gleichgewichtzustand. Die Grundannahme ist dabei, dass ein Flussabschnitt mit konstanter Neigung einen bestimmten Strömungswiderstand entwickelt, um der durch den bordvollen Abfluss verursachten Änderung (Kanalbetterosion) zu widerstehen und eine bestimmte Gerinnegeometrie, Neigung und Korngrößenverteilung (KGV) beizubehalten. Um den Regime-Zustand von Kanälen mit variierender Anfangsgeometrie, KGV und Neigung zu bestimmen, werden 2D-Feststofftransportsimulationen verwendet. Basierend auf dem Ansatz der Aufteilung des Strömungswiderstands werden die Sohlschubspannungen durch das Verhältnis des Gesamtströmungswiderstands zum Kornwiderstand, auch als relativer Strömungswiderstand µ bezeichnet, modifiziert, um die Verlustleistung der Fließenergie auf unbeweglichen Sedimenten wie Makrorauheitselementen (MRE) und Bettformen zu berücksichtigen. In einem alternativen Ansatz werden Szenarien mit MRE als dominierender Strömungswiderstandsursache untersucht. Die MRE sind dabei in der Regimekanalsimulation als nicht erodierbare geometrische Formen aufgebaut, die einerseits zufällig über das Kanalbett verteilt oder andererseits in Kaskadenbettformen angeordnet sind. Die MRE führen hauptsächlich zu zwei stark ausgeprägten Effekten: (i) sie verändern stark das sie lokal umgebende Strömungsmuster und (ii) sie verringern die von Erosion angegriffene Fläche im Flussbett. Regime-Kanalsimulationen werden für akademische Beispielkanäle mit initialen Neigungen zwischen 0,0% und 10,0% sowie Startwerten für Breite x Länge von 5,5 m × 200,0 m bis 16,5 m × 200,0 m durchgeführt. Sie repräsentieren jeweils Laborrinnen und natürliches Gewässer. Neben einer konstanten Neigung werden drei Neigungskombinationen untersucht, um naturähnliche Rahmenbedingungen darzustellen. Es wird ein stationäres zweischichtiges Feststofftransportmodell mit sechs KGV verwendet, was ein breites Spektrum natürlich vorkommender KGV abdeckt. Die Simulationsergebnisse deuten auf eine Potenzgesetz-Zusammenhang zwischen µ und RegimeKanal-Neigung (SR; SR1) hin. Dieser Zusammenhang gilt für alle Kanaldimensionen, KGV, Anfangsneigungen sowie mit R1 und ohne Geschiebezugabe R. Die Variation von µ mit der Neigung des Kanalregimes wird gut in den resultierenden Bettformen abgebildet: Für stark geneigte Regimekanäle entwickelten sich Bettformen von Stufen-Becken-Sequenz bis hin zu Kaskaden, für gering geneigte Regimekanäle entwickelten sich ebene Bettformen oder Riffelbettkanäle. Die Beziehung zwischen µ und der (SR; SR1), die unter Verwendung des Regime-Kanal-Simulationsansatzes abgeleitet wurde, stimmt gut mit Feldmessungen des Strömungswiderstands für Gebirgsflüsse überein. Der Ansatz wurde auch an zwei IFB (Shakar-Dara und Maidan) im Einzugsgebiet des Kabul-Flusses in Afghanistan verwendet und zeigt ebenfalls gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den akademischen Beispielen. Die Simulationen der Regime-Kanal-Entwicklung mit verschiedenen quasi-zufälligen MRE-Anordnungen zeigen, dass die Beziehung zwischen MRE-Dichte und SR; SR1 einer logarithmischen Funktion mit einer horizontalen Asymptote folgt. Experimente in Versuchsrinnen führen zu vergleichbaren Ergebnissen, bei denen das Verhältnis von Fließwiderstand zur gesamten Schubspannung stark ansteigt, wenn ein gewisser Abstand zwischen den MRE unterschritten wird. In Regime-Kanälen entwickeln sich kleinste Rinnen um die MRE, in denen der Großteil des Sedimenttransportes stattfindet. Die Ergebnisse für MRE-Anordnung in Stufen-Becken-Abfolge- oder Kaskadenbettformen zeigen eine exponentielle Beziehung zwischen der SR; SR1 und dem Quotienten aus Länge LD und Tiefe DB der sich entwickelnden Stufen, welcher auch als Stufen-BeckenMaßzahl λ = LD/DB bekannt ist. Diese Ergebnisse stimmen gut mit im Gelände erhobenen Daten zu natürlich vorkommenden und künstlich induziert Stufen-Beckens überein. Insgesamt erweitern die hier vorgestellten Erkenntnisse das Verständnis zum charakteristischen Geschiebetransport in IFB. Folgestudien können die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit des Regime-Kanal-Ansatzes anhand weiterer Fallbeispiele validieren. Zusätzlich wird Bedarf gesehen, eine Verbesserung in Modellierungsverfahren zu erreichen, um MRE-Formen und komplexe Flussgeometrien abbilden zu können.