 |
Investigation of the effects of morphodynamic processes induced by wing dams on high water levels in rivers
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
135037 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Török, Gergely Tihamér |
| Title in Hungarian |
Sarkantyúk okozta összetett morfodinamikai folyamatok nagyizekre gyakorolt hatásának vizsgálata |
| Title in English |
Investigation of the effects of morphodynamic processes induced by wing dams on high water levels in rivers |
| Keywords in Hungarian |
sarkantyú, folyam, hordalékmozgás, 3D CFD |
| Keywords in English |
wing dam, large river, sediment transport, 3D CFD |
| Discipline |
| Water Management (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Water management |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Water Resources Research Team (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions) |
| Starting date |
2020-10-01 |
| Closing date |
2023-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
25.404 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| 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 kutatási projekt a hazai (elsősorban a Dunán) és külföldi (pl. Mississippi, Sárga folyó) folyószabályozási gyakorlatban alkalmazott keresztirányú műtárgy, az ún. sarkantyú nagyvizekre gyakorolt hatását vizsgálja.
A sarkantyúk beépítése két morfodinamikai folyamatot idéz elő: az egyik a mederszűkítés okozta vízmélység emelkedése. A másik, hogy a szűkületben jellemzően megnövekedett fenék-csúsztatófeszültség növeli a medereróziót, ami a meder mélyülését eredményezni. A műtárgyat leginkább hajóshatóság javítása érdekében használják, hiszen a két folyamat növeli a vízmélységet. Nagyvizes időszakban azonban nem a vízmélység, hanem a vízszint a mértékadó paraméter. Bár a nagyvízi vízszintet a szűkület növeli, a medererózió viszont ellentétes hatású. Kérdéses, hogy a két folyamat együttesen végül csökkenti, vagy emeli a nagyvízi vízszinteket.
A kérdéssel több külföldi tanulmány foglalkozott már, elsősorban a Mississippire fókuszálva. Bizonyos folyószakaszok vízállásadatainak statisztikai elemzésével, illetve numerikus modellezéssel vizsgálták a sarkantyúk hatását. Az eredmények azonban egyrészt nem általánosíthatók, hiszen azok csak az adott morfodinamikai körülményre érvényesek. Másfelől pedig általánosan elfogadott álláspontot még a vizsgált esetekre sem találtak eddig, az alkalmazott módszertanok hiányosságai miatt.
Jelen kutatás célja 3D numerikus modell eredmények alapján olyan egyszerűen alkalmazható és általánosítható karakterisztikák kidolgozása, képes választ adni a keresett kérdésre. Az így elkészített modell különböző morfodinamikai körülmények és műtárgykialakítási tulajdonságok széles spektrumát leíró paraméterek függvényében adna választ a fő kérdésre.
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.
Jelen kutatás arra a kérdésre keres általánosítható választ, hogy a sarkantyúk okozta morfodinamikai folyamatok eredményeképp emelkedik, vagy csökken a nagyvizek vízszintje? A korábbi vizsgálatokhoz képest a kutatás azonban nem egy-egy folyószakaszra összpontosít, hanem a vízszinteket befolyásoló morfodinamikai paraméterek és műtárgykialakítási gyakorlatok függvényében keresi a választ.
A kutatás hipotézise, hogy a kérdésre keresett általánosítható választ a sarkantyúk beépítése okozta hozzáadott áramlási ellenállás számításával lehet megválaszolni. Ehhez szükséges egy megfelelő számítási eljárás kidolgozása. További hipotézis, hogy érzékenységvizsgálatokkal meg lehet találni azon hidromorfológiai paramétereket és sarkantyúkialakítási jellemzőket, amik függvényében a vízszintváltozás leírható. Vagyis, bizonyos dimenziómentesített paraméterek és a vízszintváltozások között erős korreláció áll fenn. A kutatómunka célja, hogy ezeket a kapcsolatokat feltárja és végül karakterisztikus görbék segítségével választ adjon az alapkérdésre.
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!
A várt kutatási eredmény nagyban hozzájárulna a sarkantyúk kialakításának optimálizálásához, illetve a várható vízszintváltozások előrejelzéséhez. Ezáltal a projekt eredményeinek közvetlen és legfontosabb hasznosulása abban állna, hogy az általuk pontosabban előrejelzett tetőző víszintek megbízhatóbb árvízvédelmi menedzsmentet eredményezne a sarkantyúzott folyószakaszokon. Ennek kapcsán megemlítendő az éppen folyamatban lévő hazai hajózhatóság fejlesztésére irányuló projekt, amiben a sarkantyúk áttervezése fontos szerepet játszik.
Kiemelten fontos szempont az eredmények általánosíthatósága, így azok külföldi hasznosulása is várható. A projekt fő kérdése a Mississippin évek óta kardinális, aminek vizsgálatával több évtizede foglalkozik Gary Parker, aki jelen kutatási projekthez nemzetközi együttműködés keretében társulna. A projekt tehát a Mississippi tekintetében is megoldást adhatna a problémakörre.
A kutatás során azonosítandó morfodinamikai paraméterek, valamint a feltárt kapcsolatokat leíró összefüggések és a műtárgyak okozta hozzáadott ellenállás számítására kidolgozandó eljárás további kutatási projektek pillérét biztosíthatják. Más műtárgyak hasonló vizsgálatát alapozhatják meg. Az eredmények egy további lehetséges alkalmazása, hogy a feltárt kapcsolatok segítségével lehetőség nyílhat a sarkantyúk alacsonyabb dimenziójú (akár 1D) hatásvizsgálatára is.
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.
Hajózható folyamok esetén az egyik legelterjedtebb folyószabályozási mű az úgynevezett sarkantyú. Ilyen műtárgyat hazai viszonylatban főleg a Dunán láthatunk. Ezek tulajdonképpen a partra merőleges kőszórások, amik a parttól a szelvény egy bizonyos pontjáig nyúlnak be. A műtárgy olyan hidraulikai állapotot idéz elő, ami egyrészt megnöveli a vízmélységet, másfelől medereróziót vált ki. A hajózáshoz szükséges vízmélységek így kisebb vízállások esetén is nagyobb biztonsággal biztosíthatók.
A sarkantyúk árhullámokra gyakorolt hatásai azonban kevésbé ismertek, holott jelentős szerepet játszanak a tetőző vízszintek alakulásában. A sarkantyúk a tetőző vízszintek tekintetében kétféle, ellentétes hatást okoznak: egyfelől a mederszűkítés hatására növelik a vízszintet. Másfelől viszont, a medererózió vízszintcsökkenést okoz. A két folyamat együttes hatása azonban nem ismert, vagyis hogy a sarkantyúk növelik, vagy csökkentik az árhullámok tetőző vízszintjeit? A kérdés sarkalatos többek között árvízvédelem szempontjából.
Bár a problémakörrel régóta foglalkoznak nemzetközi kutatások (pl. Mississippi folyó), de megbízható választ még nem találtak.
A projekt célja olyan egyszerű jelleggörbék kidolgozása, amik morfodinamikai jellemzők függvényében képesek megválaszolni az alapkérdést, a sarkantyúk kialakításának és az adott folyószakasz tulajdonságainak figyelembevételével. A jelleggörbék 3D numerikus áramlás és hordaléktranszport modellezés segítségével, a modelleredmények megfelelő feldolgozási eljárás alapján kerülnek kidolgozásra. A kutatásba nemzetközi együttműködés keretein belül társulna Gary Parker professzor, a témában egyik legjártasabb amerikai kutató.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The goal of this project is the investigation of the effect of the so called wing dams on high water levels. Wing dams are one of the most popular river regulation works worldwide, such as in the case of the Danube, Mississippi and Yellow Rivers.
The construction of wing dams achieves two main consequences: firstly, the reduced cross-section width leads to water depth rise. Secondly, the narrowed flow increases bed erosion, which causes bed level incision. The wing dams are primarily used to treat navigation problems because the water depth can be increased with them. But at high water, it is not the water depth but the flood stage that is the most important characteristic. That is, the reduced cross-section surely has an increment effect on the water level, but the bed level incision has the opposite impact on the water level. The question is how the combined effect eventually changes the high water level.
Many research works investigated this problem that mainly focused on the Mississippi River. These studies were done based on statistical-based water stage data processing and 3D flow calculation methods. The conclusions of them cannot be generalized, because the results are applicable only to specific river sections. Moreover, a generally accepted answer has not yet been found even for the examined cases, due to the deficiency of the applied methodologies.
The goal of the present project is to develop an easy-to-use, generally applicable characteristical relationship, using 3D numerical model calculations. The planned model would be able to answer the main question as the function of relevant morphodynamic and wing dam related parameters.
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 goal of the present research project is to give a generalizable answer to the question, whether the morphodynamic processes induced by wing dams increase or decrease the high water stages. Compared to the previous studies, this project does not focus on specific river reaches but tries to answer the question in a more general form as the function of the relevant morphodynamic and wing dam related parameters.
An essential hypothesis of the project says that determining the added flow resistant caused by the wing dams is the key to solving the problem. This task requires the development of a new methodology. According to another hypothesis that is based on sensitivity analysis, the relevant morphodynamic and wing dam related parameters can be detected, which are strongly correlated with changes we are looking for in high water levels. Thus, the relationship between the water level changes and the parameters can be described characteristically. The final goal of the project is to describe the characteristics which are easily able to answer the base question.
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.
The expected results could significantly contribute to the optimization of wing dam formation and the forecast of the changes in high water stages. Based on these, the direct and most important utilization of the project would be more accurately forecasted high water levels that could lead to a more professional flood protection management. It is important to mention that there is an ongoing project which focuses on redesigning the wing dams to improve navigability on the Hungarian Danube.
The generalizability of the results is an extremely important aspect. Consequently, foreign utilization of the results is also expected. The base question of the project has been cardinal for years in the case of the Mississippi River too. Professor Gary Parker has been working on wing dam related problems there for years, who would join this research project. Thus, the project could provide improvement to the problems in Mississippi as well.
There are many intermediate results in the project, such as the identification of the morphodynamic parameters, as well as the description of the relationships and also the development of the methodology for calculating the added flow resistance. These outcomes can provide the basis for a similar examination of other artificial interventions. A further possible application of the results is that they may allow a lower-dimensional (even 1D) impact assessment of wing dams.
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.
In the case of navigable rivers, one of the most common river regulation work is the so called wing dam. In Hungary, such human-made structures can be seen mainly along the Danube. Wing dams are lines of riprap installed perpendicular to the riverbank line. They trigger morphodynamic processes which, firstly, leads to an increase in water depth and, secondly, cause bed erosion. Thus, wing dams can improve the navigability during lower water stages.
However, the effect of wing dams on high water levels are rarely researched, although it is very important from the flood protection view. The intervention surely has an effect, which increases the water level, but the bed level incision has the opposite impact. The question is, does the combined effect eventually increase or decrease the high water level?
This problem has been investigated for a long time, for instance, in the Mississippi River, but there has not yet been found a reliable answer.
The goal of the present project is to develop simple characteristics, which are able to answer the base question as the function of morphodynamic parameters, taking into account the formation of wing dams and the features of the examined river reach. The characteristics will be determined based on the appropriate data processing methodology of 3D numerical model results. Professor Gary Parker, one of the most known and honored American researchers in the field, would join the research project, which will certainly make a significant contribution to the success of the project.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
