Combining field and laboratory measurements to determine the erosion risk of cohesive sediments best

Abstract

In contrast to non-cohesive sediments, the incipient motion of cohesive sediments is characterized by much more complex interactions between several sedimentary, biological, and chemical parameters. Thus, site-specific investigations are required to obtain information about the erosion stability of cohesive materials. This becomes even more relevant for contaminated sediments, stored in riverine sediments as a “burden of the past”, because of their remobilization potential during flood events. This article represents a twofold measuring strategy for the detection of erosion thresholds: an in situ device for determination of critical shear stresses in the field, and a laboratory approach where sediment cores are withdrawn and subsequently analyzed over depth. The combined measuring strategy was applied in the River Elbe and at selected sites of the catchment of the River Saale. The results show a great variety of erosion thresholds over depth, demonstrating the need to conduct vertical analyses, especially when addressing buried layers with contaminations. The latter is only possible in the laboratory but the in situ device revealed clear benefits in capturing the loose flocculent layer on top of the sediment that might be easily lost during sediment retrieval and transport. Consequently, it is ideal to combine both approaches for a comprehensive insight into sediment stability.

Im Gegensatz zu nicht-kohäsiven Sedimenten ist die Beschreibung des Transportbeginns für kohäsive Sedimente durch die vielfältigen Interaktionen zwischen sedimentologischen, biologischen und chemischen Parametern durch eine deutlich höhere Komplexität gekennzeichnet. Um die Erosionsstabilität bestimmen zu können sind daher Vor-Ort-Messungen notwendig, insbesondere wenn die Sedimente mit Schadstoffe belastet sind, die während Hochwasserereignissen remobilisiert werden könnten. Dieser Aufsatz beinhaltet eine Messstrategie für die Erfassung des Bewegungsbeginns: ein in situ Messgerät zur Bestimmung von kritischen Sohlschubspannungen, sowie die Entnahme von Sedimentkernen, die anschließend im Labor tiefenorientiert untersucht werden können. Diese kombinierte Messstrategie wurde in der Elbe und in ausgewählten Stellen den Einzugsgebiet der Saale angewendet. Die Ergebnisse zeigen eine große Variabilität bezüglich des Transportbeginns. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit auf vertikale Analysen durchzuführen, insbesondere wenn tiefer liegende kontaminierte Sedimentschichten relevant sind. Während die tiefenorientierte Analyse nur im Labor möglich ist, kann mit der situ Messung die locker gelagert oberste Sedimentschicht untersucht werden, die während der Kernentnahme meistens verloren geht. Daher ist es ideal, beide Vorgehensweisen für die Bestimmung der Erosionsstabilität zu kombinieren.