Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-592
Authors: Zhang, Jin
Title: Investigations on urban river regulation and ecological rehabilitation measures : case of Shenzhen River in China
Other Titles: Untersuchungen zum urbanen Fließgewässermanagement und zur entsprechenden ökologische Bewertung : der Shenzhen River in China als Fallstudie
Issue Date: 2014
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;234
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-97872
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/609
http://dx.doi.org/10.18419/opus-592
ISBN: 978-3-942036-38-2
Abstract: 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.
Fließgewässersysteme, als ein wesentlicher Bestandteil der Wasserwirtschaft zeichnen sich durch vielseitige Interaktion mit der Menschheit aus. Insbesondere die intensive Nutzung der Fließgewässersysteme sowie die gesellschaftliche Entwicklung und das Bevölkerungswachstum führten in den vergangenen Jahren zu erheblichen ökologischen Beeinträchtigungen. Daher stellt das Fließgewässermanagement ein bedeutendes und zentrales Forschungsthema dar. Obwohl im Rahmen des Wasserressourcen-Management meistens das integrative Flussgebietsmanagement angewendet wird, finden dort ökologische Aspekte häufig zu wenig Beachtung. Dies trifft insbesondere im Bereich der urbanen Fließgewässer zu. Die aktuellen Schwierigkeiten im urbanen Fließgewässermanagements und der entsprechenden ökologische Bewertung können wie folgt zusammengefasst werden: Eine exakte Unterscheidung von urbanen und ländlichen Fließgewässertypen ist bisher nicht explizit definiert, Interaktionen zwischen urbanen und ländlichen Fließgewässertypen werden vernachlässigt, Fehlen einer anwendbaren Kartier-Methode die den ökologischen Zustand vor urbanen Fließgewässern erfasst; begrenzte Verfügbarkeit von Datenquellen in Entwicklungsländern um Umweltprobleme bewerten zu können. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit oben genannten Aspekten um einerseits urbane Fließgewässer charakterisieren und um andererseits deren ökologischen Zustand bewerten zu können. Erste Zielstellung dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung eines Modellkonzepts zur Unterscheidung von urbanen und ländlichen Fließgewässerabschnitten basierend auf verschiedenen Urbanisierungsklassen (Urban-River Continuum Identification System, URRCI), in dem eine klare Definition für urbane Fließgewässertypen enthalten ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Promotionsarbeit ist die Entwicklung eines urbanen ökologischen Bewertungssystems. Hierfür wird der Shenzhen River in China als Fallstudie ausgewählt, um dort alle notwendigen Daten zu erheben, das neu entwickelte urbane ökologische Bewertungssystem zu testen und zu verifizieren und um potentielle Renaturierungsszenarien zu simulieren. Ein wesentlicher Bestandteil des ökologischen Bewertungssystems ist das Fischhabitatsimulationsmodell CASiMiR, welches an dem Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart entwickelt wurde. CASiMiR wird weltweit eingesetzt und basiert auf einen fuzzy-logischen Ansatz um abiotische Variablen mit Habitatansprüchen von Indikatorarten zu verknüpfen. Eine Neuentwicklung von CASiMiR ist eine ArcGIS-Version, die eine direkte Verarbeitung von georeferenzierten Daten erlaubt und die die Ergebnisse in zeitlicher und räumlicher Variabilität darstellt. Ein dritter Schwerpunkt dieser Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen urbanen und ländlichen Fließgewässerabschnitten, um Grenzwerte hinsichtlich beeinträchtigender Parameter in urbanen Fließgewässerabschnitten formulieren zu können, die das gesamte Fließgewässersystem beeinträchtigen könnten, sowie Entscheidungsprozesse bezüglich potentieller Renaturierungsmaßnahmen zu unterstützen. Als letztes Hauptziel dieser Promotionsarbeit werden verschiedene Renaturierungsmaßnahmen geplant und simuliert. Bezugnehmend auf die Ergebnisse der entwickelten ökologischen Bewertungsmethode haben die Uferbeschaffenheiten und die Auenvegetation den größten Einfluss auf den ökologischen Zustand des Shenzhen Rivers. Daher eignen sich der Rückbau von Ufersicherungen und eine Revitalisierung der Auengebiete als potentielle Renaturierungsmaßnahmen, die sowohl einzeln als auch kombiniert simuliert und bewertet werden. Zusätzlich werden die fuzzy-logischen Zugehörigkeitsfunktionen der Eingangsparameter im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse variiert mit dem Ergebnis, dass bei einer höheren Gewichtung des integrierten Fischhabitat-Indexes (ISFI), die ökologische Renaturierungsmaßnahme geringere Auswirkungen aufzeigt. Für eine identische Gewichtung des ISFI-Werts, der Ufersicherung und der Auenvegetation zeigen die simulierten Renaturierungsmaßnahmen einen größeren Effekt. Allerdings gilt zu beachten, dass Parameter, die das Fließgewässer selbst betreffen (z. B. Hydaulik und Hydrology) im Rahmen dieser Untersuchung nicht für die Renaturierung verwendet wurden. Die Anwendung am Beispiel des Shenzen Flusses zeigt, dass das entwickelte ökologische Bewertungssystem für urbane und ländliche Fließgewässerabschnitte (URRHI) erfolgreich eingesetzt werden konnte. Durch die Verwendung von Standardvariablen, die weltweit Akzeptanz finden, ist das Bewertungssystem einfach anzuwenden und zu interpretieren. Mithilfe dieses Ansatzes können für großskalige Fließgewässersysteme rasch Szenarienanalysen durchgeführt werden und zusätzlich kann der Ansatz als ein nützliches Werkzeug für die ökologische Bewertung von Fließgewässern mit urbanen Fließgewässerabschnitten sowohl von Politikern als auch von Wissenschaftlern eingesetzt werden.
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