Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Field Measurements and Predictions of River Flow, Sediment Transport and Morphological Changes
Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik, Strömningslära och experimentell mekanik.ORCID-id: 0000-0003-0820-617X
2021 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)Alternativ titel
Fältmätningar och förutsägelser av flodflöde, sedimenttransport och morfologiska förändringar (Svenska)
Abstract [en]

In an alluvial lowland river, sediment is transported in the form of suspended and bed loads. The fluvial process is the macroscopic view and long-term consequence of sediment movement. The river frequently adjusts its cross-section, longitudinal profile, course of flow and pattern through the natural process of sediment transport, scour and deposition. Anthropogenic factors, e.g., river damming, channelization and other wading projects, also modify the natural processes. With long-term alluvial changes, the river often exhibits patterns such as meandering, braiding and wandering. If the river course has a free connection with open sea, its flow is often bi-directional. The river is typically influenced by the interplay between the runoff and tides, which makes the behaviours of flow and sediment transport extremely complicated.

By combining field measurements, numerical simulations, physical model tests and machine learning techniques, this research investigates the fluvial river dynamics and processes, paying attention to the flow patterns, bed shear stresses, steady and unsteady sediment transport and morphological changes. Measurements of flow and sediment, and mapping of bathymetry in both tidal and non-tidal river systems, are presented and discussed. Based on field data, 2D and 3D numerical simulations are performed with the open source code Delft3D, allowing a couped modelling between complex river geometry, bathymetry, and flow and sediment boundaries. A hybrid approach of physical and numerical simulations is adopted for examination of reservoir sedimentation issues, in which both suspended and bed load transport are taken into account. A machine learning method is also applied for predications of suspended load in a river.  

In a tidal river including a confluence and meander reach, the research elucidates the interplay between freshwater flows and tidal currents. This discloses the circulatory patterns of suspended load transport during the tidal rising and falling. From the interplay also the bed scour changes of hole at the confluence and asymmetric cross-sectional changes at the bends are illustrated. In addition, it is shown that the shifting tidal directions result in a migration of erosion and deposition in both directions, which does not exist in unidirectional runoff flows. The flood tides govern sediment transport and deposition, while the ebb tides with run-offs lead to erosion. Based on the perturbation theory, an improved sediment carrying capacity formula is also derived, suitable for calculations in a tidal environment.

At a diffluence-confluence unit, the flow and sediment characteristics and the resulting bed changes are examined. The results indicate that incoming flow variations have a bearing on the diffluence flow partition. Secondary flow structures are found to be more influenced by the thalweg curvature than the flow division. The ‘inlet step’ or differential topography contributes to the unequal flow division. In the confluence, a two-cell flow structure coexists, which may diminish along with the dynamical adjustment of the two merging flows. The classical bed discordance is also observed.

Based on extensive recorded hydrologic data and surveyed bathymetries, the sedimentation of the 500-km Lower Yangtze River reach is elucidated before and after the commissioning of the Three Gorges dam. The analyses demonstrate that the impoundment modulates the seasonal flow discharges and traps an appreciable amount of sediment, resulting in enhanced erosion potential and coarsening of sediment. The reach has not yet achieved a hydro-morphological equilibrium; the riverbed down-cutting is supposed to continue for some years and the noticeable sediment reduction from upstream is the extrinsic cause for the bed erosion. 

Some river training measures, e.g., training wall at the diffluence and guide vanes in the reservoir, are employed to modify flow patterns and sediment transport. With proper training wall layout, acceptable flow patterns are achieved in the diffluence and the branch flow efficiently is increased. With respect to the layout of the vanes, 15º‒20º is suitable under typical operating conditions. The vanes modify effectively the flow patterns and suppress the flow circulations, leading to less sedimentation and enhancing the sediment flushing efficiency. 

In overall, this research provides support a decision-making process when considering the integrated river management and it also provides reference for other similar situations. 

Abstract [sv]

I en alluvial låglandsflod transporteras sediment suspenderat i flödet eller längs flodbädden. Den fluviala processen är det makroskopiska förloppet och den långsiktiga konsekvensen av denna sedimentrörelse. Floden justerar ofta sitt tvärsnitt, längsgående profil, flödesförlopp och mönster genom naturliga processer som sedimenttransport, erosion och deponering. Antropogena faktorer, till exempel dämning, kanalisering och andra hydrauliska projekt, modifierar också de naturliga processerna. Vid långsiktiga alluviala förändringar visar floden ofta mönster som t ex. slingrande-, flätade- och vandrande sträckor. När flodsträckan har en fri anslutning till öppet hav är flödet ofta dubbelriktat. Floden påverkas vanligtvis av samspelet mellan avrinning och tidvatten, vilket leder till extremt komplicerade flödes- och sedimenttransportbeteenden.

I den här avhandlingen kombineras fältmätningar, numeriska simuleringar, modellförsök och maskininlärningsteknik för att klarlägga flödesdynamiken och de fluviala processerna, med fokus på flödesmönstren, bäddskjuvspänning, sedimenttransport och morfologiska förändringar. Vidare presenteras och diskuteras mätningar av flöde och sedimentation och förändringar i batymetri i flodsystem med och utan tidvatten kartläggs. Baserat på fältdata utförs numeriska simuleringar i 2D och 3D med Delft3D, vilket möjliggör en koppling mellan komplex flodgeometri, batymetri och flöden samt sedimentvillkor i en och samma modul. En hybridmetod för modellförsök och numeriska simuleringar används för undersökning av sedimentationsfrågor, där både det suspenderade materialet och det som transporteras längs bädden beaktas. Utöver fältmätningar används också maskininlärning som ett alternativ för att förutsäga sedimentation.

I en tidvattenflod innefattande ett sammanflöde och en slingrande sträcka belyser forskningen samspelet mellan sötvattensflöden och tidvattensströmmar. Bland annat  klarlägger forskningen cirkulationsmönster för suspenderad sedimenttransport under ebb och flod och uppkomsten av ett erosionshål vid sammanflödet. Vidare illustreras asymmetriska tvärsnittsförändringar vid flodkrökarna. Den skiftande flödesriktningen resulterar i migrering av erosion och avlagring i båda riktningarna, vilket inte finns i enriktade avrinningsflöden. Flodvatten styr sedimenttransport och deponering, medan tidvatten (ebb) leder till erosion. Baserat på störningsteorin härleds också en förbättrad formel för bärighet av sediment som är lämplig för beräkningar i en tidvattenmiljö.

Vid en bifurkation-sammanflödessenhet undersöks flödes- och sedimentegenskaperna och de resulterande bäddförändringarna. Resultaten indikerar att variationer i inflöden har betydelse för bifurkationsdelen. Sekundära flödesstrukturer har visat sig vara mer påverkade av thalwegkurvaturen än flödesuppdelningen. ‘Inloppssteget’ eller skillnaden i topografi bidrar till en ojämn flödesfördelning. I sammanflödet samexisterar en tvåcells flödestruktur, vilken kan minska beroende av den dynamiska förändringen av de två vattendragen. Den klassiska diskordansen för flodbädden kan även observeras.

Vissa hydrauliska flodåtgärder, t.ex. en ledvägg vid bifurkationen och ledskenor i reservoaren, används för att modifiera flödesmönster och sedimenttransport. Med rätt ledväggsgeometri uppnås ett acceptabelt flödesmönster i bifurkationen och grenflödet ökas. När det gäller ledskenorna är 15º‒20º vinkel till huvudflödet att föredra under normala driftförhållanden. Då modifierar ledskenorna flödesmönstren effektivt och undertrycker flödescirkulationer, vilket leder till att sedimentationen mildras.

Baserat på omfattande uppmätta hydrologiska data och undersökta batymetrier studeras sedimention i en 500 km lång sträcka av nedre Yangtze-floden, före och efter idrifttagningen av Three Gorges-dammen. Analyserna visar att uppdämningen reglerar säsongsvariationerna och fångar en avsevärd mängd sediment, vilket resulterar i ökad erosionspotential och grövre sediment. Sträckan som studeras har ännu inte uppnått en hydromorfologisk jämvikt. Det innebär att nednötningen av flodbädden kommer att fortgå en tid framöver och den märkbara sedimentminskningen från uppströms sträckor av floden är den yttre orsaken till bäddens erosion. 

Sammantaget kan forskning som presenteras i avhandlingen stödja en beslutsprocess för den övergripande förvaltningen av floder genom att använda de studerade fallen som referens.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Luleå: Luleå University of Technology, 2021.
Serie
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Nyckelord [en]
Alluvial river, Sediment transport, Morphological change, Meandering, Confluence-diffluence, River training, Field measurements, Numerical simulations, Physical model tests, Machine learning
Nyckelord [sv]
Alluvial flod, Sedimenttransport, Morfologisk förändring, Slingrande, Konfluens-diffluens, Flodträning, Fältmätningar, Numeriska simuleringar, Fysiska modellprov, Maskininlärning
Nationell ämneskategori
Vattenteknik
Forskningsämne
Strömningslära
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-87156ISBN: 978-91-7790-924-8 (tryckt)ISBN: 978-91-7790-925-5 (digital)OAI: oai:DiVA.org:ltu-87156DiVA, id: diva2:1595915
Disputation
2021-11-22, E632, E-building, Luleå University of Technology, 97187 Luleå, Luleå, 08:30 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2021-09-21 Skapad: 2021-09-20 Senast uppdaterad: 2022-06-01Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(32134 kB)541 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 32134 kBChecksumma SHA-512
89baba0ccb73e61af9e06d66d90b4a9d16871818cfea6972fe4dd59f452c3822395ac23e790e97bbfdfe0e71c02b92efdb730698d669d41f254aa3dba171301d
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Person

Xie, Qiancheng

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Xie, Qiancheng
Av organisationen
Strömningslära och experimentell mekanik
Vattenteknik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 541 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 975 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf