 |
Analysis of river flow-bed interactions
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128429 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Baranya, Sándor |
| Title in Hungarian |
Folyami áramlás és mederfenék kölcsönhatásának vizsgálata |
| Title in English |
Analysis of river flow-bed interactions |
| Keywords in Hungarian |
folyami áramlás, mederanyag, élőhely, hordaléktranszport |
| Keywords in English |
river flow, bed material, habitat, sediment transport |
| Discipline |
| Water Management (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Water management |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Department of Hydraulic and Water Resources Engineering (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Sütheő, Márton
Török, Gergely Tihamér
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2022-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.967 |
| FTE (full time equivalent) |
3.33 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A folyók mederalakjának alakulását az áramlási jellemzők (áramlási sebesség, vízmélység, fenék-csúsztatófeszültség) és a mederfenék (szemcse-összetétele, szemcsék alakja, porozitása, rétegzettsége) kölcsönhatása határozza meg. Ez a kölcsönhatás-mechanizmus meghatározó szerepet játszik a folyómedrek, mint élőhelyek minőségében, a parti-szűrésű vízbázisok jellemzőiben, vagy a folyó, mint hajózóút alakulásában. Ez a kutatás a folyóban kialakuló szakasz-léptékű áramlási viszonyok és mederjellemzők közötti folyamatok feltárását tűzi ki céljául, újszerű vizsgálati eljárásokkal, amelyek az eddigieknél részletgazdagabb információval szolgálnak és hozzájárulnak nagy folyókban lejátszódó morfodinamikai folyamatok jobb megértéséhez és előrejelzéséhez.
A kutatás fő célkitűzései a következők:
- Végrehajtani egy méréstechnikai fejlesztést, ami egy videó alapú eljárásra építve a folyómedrek felszínének szemösszetételéről az eddigi eljárásokhoz képest újszerű módon, területi eloszlásokat, vagyis mederanyag térképeket tudunk előállítani.
- Egy dunai mintaterületen végrehajtott terepi méréssorozaton keresztül - a fizikai folyamatok feltárásával - igazolni, hogy a mederanyag szemcseösszetétele szoros kapcsolatban áll a folyó áramlási viszonyaival és a folyómeder alakjával.
- Laboratóriumi méréseken keresztül igazolni, hogy a folyómeder stabilitása szoros kapcsolatban áll a mederben lévő hordalékszemcsék alakjával és ezen keresztül igazolni, hogy a mederanyagban található szemcsék alakja alapján becslést tehetünk a folyómeder eróziós hajlamára.
- Az új eredmények alapján egy meglévő számítógépes morfodinamikai modell továbbfejlesztése és igazolása
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás kiinduló hipotézise, hogy összetett anyagú folyómedrekben (ahol homok és kavics egyaránt megtalálható, pl. felső-magyarországi Duna, Dráva) az áramlás milyensége és a meder fizikai jellemzői között számszerű kapcsolatok állíthatók fel. A folyómedrek anyagának szemcseösszetétele, rétegzettsége, a szemcsék alakja, ezen jellemzők területi és időbeli változásai visszahatnak a folyó áramlási viszonyaira, utalnak a múltbeli és jövőben várható mederalak változásokra, kapcsolatban állnak a mederfenéken élő élőlényekkel. A meder fizikai jellemzői és az áramlási viszonyok közötti kapcsolatot folyókban eddig korlátozottan voltunk képesek feltárni, mert a hagyományos mederanyag mintavételi eljárásokból csupán lokális, pontbeli információkat kaptunk. A kutatás során igazolni szeretnénk, hogy új mederanyag méréstechnikai eljárással és abból részletes, területi eloszlásokra szert téve, továbbá kiegészítő laboratóriumi kísérletek alapján kapcsolatok állíthatók fel a következő jellemzők között:
- mederanyag szemösszetételi jellemzői (tipikus szemcseátmérő, szórás, szemösszetételi görbe alakja, rétegzettség, szemcsék alakja)
- mederfenék közeli áramlási viszonyok (áramlási sebesség, csúsztató-feszültség)
- folyómeder alakja
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az alapkutatás során új terepi méréstechnikai eljárásra építve, laboratóriumi és számítógépes modellkísérletek alapján új tudományos eredményeket mutatunk be a folyók áramlástani jellemzői, a folyómedrek szemösszetételi paraméterei és a folyómedrek alakja közötti kölcsönhatás-mechanizmusáról összetett mederanyagú medrekre. Az eredmények alapján eddig nem ismert alaptulajdonságait ismerhetjük meg a fenti jellemzők közötti kapcsolatoknak, amelyek a folyók ún. hidromorfológiai állapotát alapvetően meghatározzák, amely pedig az EU Víz Keretirányelvének (VKI) értelmében a víztestek egyik legalapvetőbb jellemzését és minősítését adja. Az eredmények egyfelől tehát a VKI hazai végrehajtásához járulnak hozzá.
A méréstechnológiai fejlesztéssel az eddigi ismereteinkhez képest nagyságrendekkel finomabb területi és időbeli felbontással tudjuk majd a fenti jellemzőket és a közöttük jellemző kölcsönhatásokat feltárni. Önmagában a feltárás és adatelemzés is új tudományos eredményekkel kecsegtet, de a folyók jövőbeli hidromorfológiai állapotának előrejelzésére a számítógépes modellek alkalmasak. A modellek megbízhatósága és részletgazdagsága a paraméterezéshez és igazoláshoz nélkülözhetetlen terepi adatok minőségétől függ, amihez a tervezett kutatás a finom felbontású eredményekkel jelentősen hozzájárul.
A felfedező kutatás eredményei közvetlenül hozzájárulnak a folyók hordalékmozgáshoz kapcsolódó problémáinak kezeléséhez, amik közül hazai szinten az egyik kiemelt terület a Duna hajózhatóságának kérdésköre. Az áramlás-mederfenék határfelületnél végbemenő folyamatok pontosabb megismerésével a kedvezőtlen mederalak-változási folyamatok mérséklését, megállítását, azok mérnöki módszerekkel való javítását alapozzuk meg.
A megpályázott kutatási területen, hazai szinten csak a pályázó intézménye rendelkezik azzal a tudásanyaggal, tapasztalattal és a kutatáshoz szükséges infrastruktúrával, amely a kutatás sikerességét biztosítja, kiegészítve mindezt a szoros nemzetközi tudományos kapcsolatokkal, amely a kutatás során is kiaknázásra kerül.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kutatás fő célkitűzése, hogy terepi, folyami méréstechnikai fejlesztéssel, majd az arra alapuló (mintaterületek való) mérések végrehajtásával, továbbá laboratóriumi és számítógépes modellkísérletekkel új tudományos eredményeket mutasson be a folyómedrek mederanyaga, a folyómeder alakja és az áramlások közötti kölcsönhatás-mechanizmusáról. Szemben a korábbi, hagyományos méréstechnikával és az abból eredményezett pontszerű, kis információtartalmú adatokkal a kutatás során kidolgozott eljárások nagy térbeli- és időbeli felbontású adatokat eredményeznek majd, amivel a korábbiakhoz képest sokkal pontosabb képet kapunk arról, hogy a folyók medre hol, miért, milyen mértékben, milyen tendenciában változik. Az eredmények a számítógépes modellek, eddigiekhez képest megbízhatóbb és részletgazdagabb paraméterezését és igazolását is lehetővé teszik, amikkel pedig a jövőbeli folyómeder változásokra tehetünk becslést.
Az új tudományos eredmények segítik a folyók mederváltozásaihoz kapcsolódó problémák megértését, feltárását, és a problémák jövőbeli kezelésének megalapozását. Ilyen problémás területek a következők:
- a folyók hajózhatóságának kérdésköre (itthon a Duna számos szakasza kisvízkor nem hajózható, ami jelentős gazdasági károkat eredményez),
- a folyó, mint élőhely ökológiai állapota,
- a folyókhoz kapcsolódó rekreációs tevékenységek (pl. vízitúra, strandok),
- parti szűrésű vízbázisok kapacitásának megfelelősége (pl. Duna menti ivóvíz kitermelő hálózat).
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The formation of the bed of alluvial rivers is determined by the interaction between the flow features (e.g. flow velocity, flow depth, bed shear stress) and the river bed (e.g. composition of bed material, bed sediment grain shape, porosity, stratification). This interaction mechanism plays an essential role in the quality of riverine habitats, the characteristics of bank filtered drinking water supply or in the suitability of the navigational channel. This research project aims at the investigation of processes related to flow and river morphodynamics on a reach scale. The project results will provide novel investigation methods and more detailed information on river morphodynamics in large rivers compared to our existing knowledge and will contribute to an improved understanding and more reliable prediction of river morphological changes.
The specific goals of the project are the followings:
- to perform a methodological improvement, using novel image based techniques, which will provide areal distributions, i.e. maps, of the river bed material composition, which is a completely new approach in the morphological investigation of large rivers.
- to reveal and confirm the interrelations between the river bed material composition, the flow features and the morphology of the river through a case study in a section of the Danube River.
- to assess and confirm, based on state-of-the-art laboratory experiments, that the stability of the river bed is strongly influenced by the shape of the sediment grains in the river bed.
- to further develop an existing computational morphodynamic model, implementing the findings from the previous stages of the research
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The starting hypothesis of the research is that quantitative relationships can be set up between the flow features and the physical characteristics of the river bed in large rivers with inhomogeneous bed material, i.e. where both sand and gravel present. The composition, the stratification of the river bed material, the shape of the bed sediment grains and the spatial variation of these parameters all influence the flow pattern, and consequently all these features imply the past and future changes of the bed morphology, moreover, they influence the benthic fauna. The interactions between the physical parameters of the river bed and the flow could be revealed with strongly limited methods, since conventional bed material samplings provide only local, point information. The proposed research will confirm that, based on novel field measurement methodologies, laboratory experiments and computational modeling, quantitative relationships can be set up among the following parameters:
- grain size characteristics of river bed material (characteristic grain diameters, standard deviation of grain size distribution, shape of grain size distribution curve, shape of grains)
- near-bed flow features (flow velocity, bed shear stress)
- river bed geometry
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Through the basic research carried out in this project, new scientific results will be achieved regarding the interaction mechanism between the flow features, the physical parameters of the river bed material and the bed geometry in large rivers of inhomogeneous bed material. The research will be based on a novel field measurement methodology, laboratory experiments and computational modeling. The results will provide, so far unrevealed, basic characteristics of the mentioned interactions, which all play key roles in the hydromorphological conditions of rivers, which are one of the most essential characteristics of water bodies according to the so called Water Framework Directive (WFD) of the European Union. The results therefore contribute to the implementation of the WFD.
Compared to our existing knowledge on the mentioned river features, the field methodological improvement will provide a much more detailed spatial and temporal characterization, leading to a more sophisticated description of the interactions, too. The experimental results will already imply new scientific results, but it is important to note that the prediction of future hydromorphological conditions of rivers can be assessed using numerical models. The reliability and the spatial information content of such models, however, strongly depend on the quality of field data, to which the project results significantly contribute.
The results of the proposed project can directly contribute to the management of sediment related issues in large rivers, among which, the navigability of the Danube River is a key matter in Hungary. With the improved understanding of interaction processes at the boundary layer of the water and river bed, a more sophisticated scientific foundation can be provided for the planning activities related to the mitigation of adverse river bed changes.
The unique knowledge, experience and research infrastructure of the host institute, on a national level, ensure the sound implementation of the research, furthermore, the existing scientific cooperation with international research institutes will also be exploited.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The main goal of the proposed research is to achieve new scientific results regarding the interaction mechanisms between the river bed material, the river morphology and the flow features, based on novel field measurement methodologies, laboratory experiments and computational modeling. Compared to the limited information provided by conventional methods, the developed methodology will provide new insights, and information with high spatial and temporal resolution about the processes which influence where, why, in what extent and in what tendency the river morphology change. The results will contribute to the more reliable and more detailed parameterization and validation of computational simulation tools, which can be used to predict future changes of the river bed geometry.
The new scientific results will support the understanding, the exploration as well as the handling of problems related to the changes or river morphology, such as:
- the issues of the navigability of rivers,
- the quality or riverine habitat,
- recreational activities connected to rivers,
- capacity bank filtered wells to provide drinking water
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
