Original paper

Analysing riffle-pool dynamics of a large floodplain river with a system-oriented approach

[Analyse der Riffle-Pool-Dynamik eines großen Flachlandflusses mit einem systemorientierten Untersuchungsansatz]

Vetter, Thomas

Abstract

Investigations of a large floodplain river with a sandy, gravely bed and riffle-pool morphology were carried out to study the velocity reversal hypothesis. The river is divided into a reach with bed load and a reach with bed load deficit due to an intermitted sediment sink. The resulting variability offers a good opportunity for analyses of the effects of sediment availability. A system-oriented approach taking into consideration bed form, bed material, and fluvial process, and integrating them by means of fluid mechanics is introduced.Bathymetric surveys conducted during floods and bed material sampling formed the basis of the field investigations. Discharge data and geodetic surveys from external sources complemented the dataset.Evidence is presented that a reversal of mean velocity or a reversal of shear stress did not account for the maintenance of the riffle-pool morphology in the study reaches. By contrast, dimensionless shear stresses appear to explain much of the differences in bed material mobility of riffles and pools because this approach takes into consideration the effects of bed material size. Significance and transferability of the approach to other fluvial systems is promising mainly because the approach is complementary rather than contradictory to other studies and hypotheses.

Kurzfassung

Mit Untersuchungen an einem großen Flachlandfluss mit Sand-Kiesbettsohle und Riffle-Pool-Sohlundulationen, der durch eine anthropogen eingeschaltete Sedimentsenke in einen oberstromigen ungestörten und einen von einem Sedimentdefizit betroffenen unterstromigen Abschnitt geteilt ist, war u. a. die Fragestellung zu bearbeiten, ob für die Erhaltung der Riffle-Pool-Sohle die Geschwindigkeitsumkehrhypothese gültig ist. Dabei wurde ein Ansatz entwickelt und angewandt, der die Einbeziehung von Form-, Material- und Prozessparametern sowie deren Integration durch strömungsmechanische Gesetzmäßigkeiten gewährleistet.Hochwasserbegleitende hydrographische Vermessungen und Sohlprobennahmen, amtliche Abflussdaten und geodätische Gerinnevermessungen lieferten die Datengrundlage. Besondere Bedeutung hatten messtechnisch ermittelte morphometrische sowie abgeleitete Parameter, die durch das Ineinandergreifen von Naturbeobachtungen und strömungsmechanischen Gesetzmäßigkeiten indirekt bestimmt wurden.Im Ergebnis konnten Hinweise vorgelegt werden, die der Gültigkeit der Geschwindigkeitsumkehr- und der Schubspannungsumkehrhypothese widersprechen, zumindest für querschnittsgemittelte Fließgeschwindigkeiten und Schubspannungen. In der hochwasserbegleitenden Veränderung der dimensionslosen Schubspannungen scheint der Schlüssel zu einer Erklärung zu liegen, weil darin die treibenden und die sohlmaterialbürtigen Widerstandskräfte einander gegenübergestellt sind. Die Übertragbarkeit der ganzheitlichen Herangehensweise auf andere große fluviale Systeme mit Riffle-Pool-Sohltopographie erscheint unter anderem auch deswegen vielversprechend, weil ihr Methodenspektrum und ihre Ergebnisse und komplementär zu anderen Studien sind.

Keywords

riffle-pool sequencesvelocity reversal hypothesisshear stress reversalbathymetric bedform survey