Colmation: Unravelling physical interactions of surface and subsurface processes

Abstract

Colmation, the infiltration and accumulation of fine sediment in gravel riverbeds, is a natural process in riverine ecosystems. However, when excessive amounts of fine sediments are transported into rivers due to human activities (e.g., intensive agriculture, mining), they can substantially clog the pores of the riverbed, reduce its hydraulic conductivity, usually leading to detrimental impacts on water quality and ecological health. Despite extensive research on colmation, considerable knowledge gaps exist regarding the spatio-temporal dynamics and interactions between near-bed and interstitial flow and processes governing colmation. This is mainly due to the lack of measurement methods that can be utilized at pore scale without disturbing the natural environment. To this end, we developed a novel smart sensor capable of monitoring and measuring sediment infiltration and deposition processes within the pores of the gravel bed. The developed sensor was compared to the industry standard gamma-ray computer tomography (Gamma CT), exhibiting good agreement across a range of infiltrating particle sizes, from sand to fine gravel. Flume experiments further demonstrated the reliability of the smart sensor in acquiring spatially-distributed information on sediment deposition dynamics at high temporal resolution and with reproducible results. While persistent technical malfunctions hindered the acquisition of interstitial flow measurements using an endoscopic PIV system, the developed sensor alone provides valuable insights into sediment accumulation processes, making it a promising tool for engineers, geomorphologists, and ecologists. A potential combination of our sensor with pore-scale velocity measurements and/or eddy-resolving simulations can be considered in the future to elucidate the interactions between local flow fields and progressive pore occlusion by fine sediments. In this respect, our contribution does not only fill a critical gap in our ability to non-destructively monitor sediment deposition process in the interstitial pore space, but also offers the potential for supporting development of more realistic, high-resolution numerical models, which are essential for understanding subsurface-surface interactions at larger scales and finally coming up with sustainable management strategies. Die Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten in kiesigen Gewässersohlen, auch als Kolmation bekannt, ist ein natürlicher im Flussökosystem auftretender Prozess. Wenn jedoch durch anthropogene Einflüsse (z. B. intensive Landwirtschaft, Bergbau) übermäßige Mengen an Feinsedimenten in die Flüsse eingetragen werden, kann dies zum „Verstopfen“ des Porenraums in kiesigen Gewässersohlen (Kolmation) führen und die dort vorherrschende hydraulische Leitfähigkeit verringern. Dies wirkt sich häufig negativ auf die Wasserqualität und die Ökologie aus. Trotz umfassender Forschungsarbeiten zur Kolmation bestehen substanzielle Wissenslücken bezüglich der räumlich-zeitlichen Dynamik und der Wechselwirkungen zwischen der sohlnahen und den interstitiellen Strömungen sowie der auftretenden Prozesse. Das liegt vor allem daran, dass es keine bestehenden Messmethoden gibt, die auf der Porenskala eingesetzt werden können, ohne die natürlich auftretenden Prozesse zu stören. Daher haben wir einen innovativen Sensor entwickelt der ein Monitoring der Sedimentinfiltration und Akkumulation in den Poren der Kiessohle ermöglicht. Die Messungen mittels des entwickelten Sensors wurden mit Ergebnissen einer Gammastrahlen-Computertomographie (Industriestandard) verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung für infiltrierende Korngrößen von Sand bis Feinkies. Die durchgeführte Rinnenversuche belegen die Zuverlässigkeit des Sensors bei der Erfassung der räumlichen Kolmationsdynamik mit hoher zeitlicher Auflösung und reproduzierbaren Ergebnissen. Während anhaltende technische Störungen die Erfassung von interstitiellen Strömungen mittels eines endoskopischen PIV-Systems verhinderten, liefert der entwickelte Sensor wertvolle Einblicke in Akkumulationsprozesse, die ihn zu einer vielversprechenden Messtechnik für IngenieurInnen, GeomorphologInnen und ÖkologInnen machen. Eine mögliche Kombination des Sensors mit Geschwindigkeitsmessungen auf der Porenskala und/oder „eddy-resolving“ numerischer Modellierung, sollte in Zukunft in Betracht gezogen werden, um die Wechselwirkungen zwischen lokalen Strömungsfeldern und zunehmender Porenfüllung durch Feinsedimente zu untersuchen. Unser Beitrag füllt nicht nur eine wichtige Wissenslücke in der zerstörungsfreien Messung von Kolmationsprozessen, sondern bietet auch das Potenzial, die Entwicklung realistischerer hochaufgelöster numerischer Modelle zu unterstützen. Solche Modelle sind entscheidend für das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen dem Interstitial und dem sohlnahen Bereich der Gewässersohle und somit für die Entwicklung nachhaltiger Managementstrategien.