Modelleren van beken met waterplanten de weerstand van vegetatie tegen stroming

Transcriptie

1 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 Platform Beek- en rivierherstel

2 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

3 Volledig begroeide beken maar ook ruimtelijke patronen Om terugkoppelingsprocessen te begrijpen die heterogeniteit laten ontstaan is modelleren de geeigende weg

4 Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie NUT

5 Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie NUT

6 Ontstaan van ruimtelijke heterogeniteit als gevolg van plant-stroming interactie verblijftijdspreiding

7 Van één-dimensionaal naar ruimtelijke modellen 1D role of dynamics 2D role of heterogeneity Hydraulic module describing discharge and water level, which forms the basis for: System module 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) Hyporheic module for sedimentwater exchanges and transformation processes within sediments Macrophyte module formulating 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 Figure 2 Illustration of the modulair stream ecosytem model Modules are depicted as blocks 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 7

8 Hydraulische weerstand Daniël Coenen - Brabantse Delta

9 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

10 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

11 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

12 12 Plantengroei als aansturing voor de weerstandsterm Het opstellen van een plantengroeimodel

13 13 Plantengroei als aansturing voor de weerstandsterm biomassa, weerstand en verblijftijd doorheen een groeiseizoen

14 macrophyte biomass [kg/m2] or manning [m-1/3s] residence time [hour] 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) with a constant discharge of 1 m 3 /s Macrophyte Biomass Manning Residence time time [day] 5 - weerstand neemt toe - waterpeilen en dus volume neemt toe - verblijftijd van water neemt toe 14

15 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

16 Wasgolven door een beek Waterpeilen De relatie voor een goede schatting van de weerstandsterm op basis van vegetatie en debiet voor de Aa 16

17 Wasgolven door een beek Debieten en peilen worden onder veranderende aanvoercondities goed gesimuleerd Ook opgeloste stoffen worden goed gesimuleerd 17

18 Waarom is de weerstand afhankelijk van de stroomsnelheid? Reconfiguratie van flexibele waterplanten verlaging weerstand 01 m s -1 Stijve emergente waterplanten bij verhoging waterpeil => verhoging weerstand 03 m s -1 Side view of C platycarpa in a flume at two stream velocities Photos of Schoelynck J 18

19 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

20 Ruimtelijke patronen en weerstand: modelexperimenten Eenvoudig stromingsmodel - analoog aan grondwater modellen (Darcy) - snel resultaat => exploratie van patronen Invloed van patchgrootte op weerstand met variatie van bedekkingsgraad 20

21 Ruimtelijke patronen en weerstand: modelexperimenten 21

22 Manning Van stroomgoot naar modelexperiment maaipatronen Verschillende patronen vol leeg Factor 10 lager Flume Flanders Hydraulics, Borgerhout Patroon nummer Gemiddelde Manning n voor elk patroon (Bal et al, 2011)

23 Modelexperiment met maaipatronen weerstand bepaald door (maai)patroon en bedekkingsgraad 23

24 Modelexperiment met maaipatronen?? weerstand bepaald door (maai)patroon en bedekkingsgraad 24

25 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

26 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 Flexible submerged Flexible submerged C D C D C D D k A W k A W k m 26

27 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

28 Linking optical imaging techniques and 2D-modelling for studying spatial heterogeneity in vegetated streams and rivers Lopend onderzoeksproject 28

29 Ruimtelijke data (illustraties) Herkennen van soorten en biomassa inschatting 29

30 Ruimtelijke data (illustraties) Diepte bepaling van vegetatie met Near Infra Red camera 30

31 Ruimtelijke data (illustraties) Stroomsnelheidsvelden mbv LSPIV 31

32 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

33 33 Dank voor uw aandacht