Modelleren van beken met waterplanten de weerstand van vegetatie tegen stroming Kerst Buis, Veerle Verschoren, Jonas Schoelynck & Patrick Meire Partner: Ugent - Laboratorium voor Hydraulica Liesbeth DeDoncker, Dieter Meire & Peter Troch Arnhem - 17 april 2014 - Platform Beek- en rivierherstel Modelontwikkeling van beek- en rivierecosystemen gericht op beek–oever-waterbodem en rivier-overstromingsgebied schaal Uitwisselingszones: 1. Ondiep grondwater met wetlands en land 2. Diep grondwater met de beek 3. Beek met de oever 4. Beek met waterplanten 5. Rivier en overstromingsgebieden 6. Oppervlakte- en grondwater in plant-bodemsystemen 2 Volledig begroeide beken ….. maar ook ruimtelijke patronen Om terugkoppelingsprocessen te begrijpen die heterogeniteit laten ontstaan is modelleren de geeigende weg Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie NUT Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie NUT Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie verblijftijdspreiding Van één-dimensionaal naar ruimtelijke modellen 1D – role of dynamics 2D – role of heterogeneity System module Hydraulic module describing discharge and water level, which forms the basis for: formulating the morphology of the system A solute transport module A solid transport module, with sedimentation and erosion processes Surface water reaction module for transformation processes (algae, organic matter) water exchanges and transformation processes within sediments modulair stream ecosytem model. Modules are depicted as blocks. 7 ting seasonal growth based on light and temperature, to be extended with uptake and release processes of nutrients and internal C, N and P dynamics of the plants Transport of water solutes solids Hyporheic module for sediment- Figure 2. Illustration of the Macrophyte module formula- 3D-Groundwater model (Modflow) as boundary model to describe the advective water flow through the hyporheic zone Output modules to calculate and structure concentrations, fluxes, mass balances, residence times, etc. Hydraulische weerstand… Daniël Coenen - Brabantse Delta Modellering van stroming Manning vergelijking : De stroomsnelheid wordt bepaald door het verhang , hydraulische straal en de weerstandsterm n De weerstandsterm kan bepaald worden door allerlei beekkarakteristieken (meandering=m, vegetatie = n4) 9 Bepaling van de manning weerstandsterm over een beektraject De Aa (Netebekken) Veldmetingen van: - Waterpeilen (verhang) en debiet voor stroomop- en afwaartse stuwen - Biomassa bepaling van waterplanten voor een aantal dwarssecties Manning n kan zo voor ‘steady state’ stroom condities berekend worden Bepaling van de manning weerstandsterm over een beektraject De Aa (Netebekken) Veldmetingen van: - Waterpeilen (verhang) en debiet voor stroomop- en afwaartse stuwen - Biomassa bepaling van waterplanten voor een aantal dwarssecties Manning n kan zo voor ‘steady state’ stroom condities berekend worden Plantengroei als aansturing voor de weerstandsterm Het opstellen van een plantengroeimodel 12 Plantengroei als aansturing voor de weerstandsterm biomassa, weerstand en verblijftijd doorheen een groeiseizoen 13 Plantengroei als aansturing voor de weerstandsterm biomassa, weerstand en verblijftijd doorheen een groeiseizoen Seasonal changes in macrophyte biomass, manning and residence time for the AA stream ecosystem (1450m long, 15 m wide, average depth 1 m) 3 with a constant discharge of 1 m /s 0.5 10 Manning 0.4 9 Residence time 0.3 8 0.2 7 0.1 6 0.0 residence time [hour] macrophyte biomass [kg/m2] or manning [m-1/3.s] Macrophyte Biomass 5 0 50 100 150 200 250 300 350 tim e [day] - weerstand neemt toe - waterpeilen en dus volume neemt toe - verblijftijd van water neemt toe 14 Wasgolven door een beek Waterpeilen Niet te simuleren met weerstandsterm enkel in functie van biomassa Weerstandsterm is geen ‘echte’ constante Stroomsnelheid speelt ook een rol 15 Wasgolven door een beek Waterpeilen De relatie voor een goede schatting van de weerstandsterm op basis van vegetatie en debiet voor de Aa 16 Wasgolven door een beek Debieten en peilen worden onder veranderende aanvoercondities goed gesimuleerd. Ook opgeloste stoffen worden goed gesimuleerd. 17 Waarom is de weerstand afhankelijk van de stroomsnelheid? Reconfiguratie van flexibele waterplanten. verlaging weerstand 0.1 m s-1 Stijve emergente waterplanten bij verhoging waterpeil => verhoging weerstand 0.3 m s-1 Side view of C. platycarpa in a flume at two stream velocities. Photos of Schoelynck J. 18 Even samenvatten… Het gebruik van 1D-weerstandsterm in functie van biomassa en/of debiet gaat goed voor de locatie of situatie waar de relatie voor is opgesteld. Maar….. - weerstand homogeen verondersteld => knelpunten bepalen echter ook sterk de opstuwing - vertaling van weerstand naar andere of hernieuwde beken of waterlopen is niet eenvoudig - 1D informatie geeft moeilijk informatie over maaiaanpak Relatie weerstand en ruimtelijke patronen en/of stroompad biedt misschien meer perspectief. 19 Ruimtelijke patronen en weerstand: modelexperimenten Eenvoudig stromingsmodel - analoog aan grondwater modellen (Darcy) - snel resultaat => exploratie van patronen 20 Invloed van patchgrootte op weerstand met variatie van bedekkingsgraad Ruimtelijke patronen en weerstand: modelexperimenten 21 Van stroomgoot naar modelexperiment maaipatronen Verschillende patronen vol leeg 0.6 Manning 0.5 0.4 Factor 10 lager 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 Patroon nummer Flume Flanders Hydraulics, Borgerhout Gemiddelde Manning n voor elk patroon (Bal et al., 2011) Modelexperiment met maaipatronen weerstand bepaald door (maai)patroon en bedekkingsgraad 23 Modelexperiment met maaipatronen ?? weerstand bepaald door (maai)patroon en bedekkingsgraad 24 ‘echte’ ruimtelijke hydraulische modellering Naar stromingsmodellen opgebouwd uit betere benaderingen van stromingsdynamica en weerstandsformuleringen. ‘echte’ beken simuleren Betere inschatting van nieuwe of hernieuwde situaties Ontwikkeling Ugent (Dieter Meire) 2D-hydraulic routine based on the depth-averaged shallow water equations (2D-SWE). Wetting and drying The hydraulic module allows coupling with other modules (vegetation growth, water quality) to simulate river ecosystems 25 ‘echte’ ruimtelijke hydraulische modellering weerstandsmodule in functie van plantenmorfologie en reconfiguratie Beschrijving reconfiguratie in functie van plantensoort (morfologie) en stroomsnelheid 2 lagen model (Baptist) : stroming door en over de vegetatie Rigid submerged CD Flexible submerged CD k D m 26 Flexible submerged CD AW k AW’ k’ Een numeriek ruimtelijk procesmodel voor beken en rivieren voor hydromorfologie, biologie, waterkwalliteit Huidige stap: Simuleren van ‘echte’ beken - Zwarte Nete. Dat vereist ook ruimtelijke data !!! 27 Linking optical imaging techniques and 2D-modelling for studying spatial heterogeneity in vegetated streams and rivers Lopend onderzoeksproject . . . . .. . . . .. . .... . . ..... .... . .. ... . . . .. .. . .. . . .. . . . . . . . . . 28 Ruimtelijke data (illustraties) Herkennen van soorten en biomassa inschatting 29 Ruimtelijke data (illustraties) Diepte bepaling van vegetatie met Near Infra Red camera 30 Ruimtelijke data (illustraties) Stroomsnelheidsvelden mbv LSPIV 31 Slot Ruimtelijke processes voor beek- en rivier zijn bepalend voor ecologische kwaliteit. Vegetatie speelt daarin een belangrijke rol. Betere ecologische condities (soortenrijkdom), maar ook van belang voor biogeochemische processen (waterkwaliteit) Weerstandstermen van vegetatie vaak uniform langsheen de beek bekeken Lokale blokkades kunnen de weerstand op reach schaal sterk verhogen onderhoud: check knelpunten Ruimtelijk patroon kan de weerstand sterk bepalen (stroompad) onderhoud: creëer stroompad Ruimtelijke modellering kan een instrument zijn voor bepalen van weerstandstermen rekening houdend met vegetatieverdeling maaistrategie 32 Dank voor uw aandacht. 33
© Copyright 2024 ExpyDoc
