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Effects of riverbed restoration on total transient storage and nutrient spiraling of an urban river

an experimental solute addition study on River Wien (Vienna, Austria)

Birgit Goernet

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Ecology and Ecosystems

Betreuer*in

Friedrich Schiemer

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DOI

10.25365/thesis.46496

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-14727.16230.221168-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Der Einfluss von Restaurierungsmaßnahmen der Flussbettstruktur auf den hydrologischen Gesamtrückhalt und die biogeochemische Nährstoff-rückhaltekapazität des Wienflusses vierter Ordnung am westlichen Stadtrand von Wien (Österreich) wurde untersucht. Das bessere Verständnis interner Fluss-Strukturen und zugehöriger Prozesse zweier Fließstrecken unterschiedlichen Restaurierungsgrades sowie ökologischen Zustandes war der Focus dieser Studie. Die gewonnen Einblicke ergänzen die vorliegenden Ergebnisse des Monitoringprojektes “Hydrochemie, Schwebstoffdynamik und organische Pools unter Berücksichtigung der Funktion des Hochwasserschutzes in den Wienfluss-Retentionsbecken”. Für diese Zielsetzung wurde eine experimentelle Nährstoff-zugabestudie bei Niederwasser durchgeführt. Drei Einmalzugaben einer Phosphat (als Na2HPO4) - Ammonium (als NH4Cl) - Natriumchlorid (NaCl) Lösung in das Oberflächenwasser wurde im Juli / August / September 2002 umgesetzt. Daten des konservativen Tracers und der biochemisch-reaktiven Nährstoffe flossen in ein eindimensionales Transport-Rückhaltemodell ein. Zusätzlich wurde die Studie auf einen hartverbauten Flussabschnitt ausgeweitet, um potentielle Chancen für den Hochwasserschutz und die Nährstoffdynamik des Wienflusses zu erfassen. Die Versuchsstrecke II, ein reaktiviertes Feuchtgebiet gelegen in den seit der Revitalisierung in das Abflussgeschehen integrierten Hochwasser-Retentionsbecken, wies die höchste geomorphologische Heterogenität sowie hydrologischen Gesamtrückhalt auf. Die errechnete Flussbett-Komplexität (relative Summe der Sinuosität, Varianz der Gewässerbreite wie auch -tiefe und des Sortierungs-koeffizients der Sedimentzusammensetzung) erreichte das zweifache von Versuchsstrecke I, einer revitalizierten riffle-pool Sequenz (Untiefen-Kolk-Abfolge), und das vierfache von Versuchsstrecke III, eines kanalisierten Laufes. Vor allem die Varianz der Flussbreite wie -tiefe, als auch der Anteil an Feinsediment, kontrollierte den hydrologischen Gesamtrückhalt. Die geschaffenen strukturellen Bedingungen resultierten sowohl in einer ausgeprägten Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit als auch in einem Anstieg der hydrologischen Aufenthaltszeiten. 34 – 51 % der errechneten Querschnittsfläche des Durchflusses wurden als transiente Speicherzonen (TSZ, Kompartimente welchen den longitudinalen flussabwärts gerichteten Wassertransport verzögern) identifiziert. In der Versuchsstrecke II verweilte das Wasser in der TSZ 1.6 und 2.2 Mal länger verglichen mit den Versuchsstrecken I und III. Zudem trug die hydrologische Verweildauer in der TSZ stärker zum Gesamtrückhalt bei als das Ausmaß der TSZ. Die Aufnahmekapazitäten sowie -geschwindigkeiten für Phosphat (P-PO4) waren in der Versuchsstrecke I tendenziell größer als in der Versuchsstrecke II. Der hydrologische Gesamtrückhalt der restrukturierten Versuchsstrecken schien von geringer Wichtigkeit für die P-PO4-Rückhaltekapazität. Gleichermaßen wurden keine Korrelationen von Retentionsparametern mit geomorphologischen Faktoren gefunden, obwohl Sedimentdaten andeuteten, dass P-PO4 größtenteils chemisch an Feinsediment adsorbierte. Massenbilanzen zeigten, dass mehr Stickstoff als Phosphor in den revitalisierten Fließgewässerabschnitten zurückgehalten wurden. In der Versuchsstrecke III, im Gegensatz, hatte der hydrologische Gesamtrückhalt Einfluss auf die P-PO4-Aufnahmekapazitäten. SW (Nährstoffaufnahmelänge) korrelierte mit AS/A (Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche der freifließenden Wassersäule und der Querschnittsfläche der TSZ), als auch mit der Größe der TSZ. Die Restaurierung physikalischer Flussbettcharakteristika resultierte in einer Verbesserung der strukturellen und funktionalen Eigenschaften des Wienflusses. Erworbene Resulte, insbesonders bezüglich der Kopplung zwischen Geomorphologie und hydrologischem Gesamtrückhalt, bieten weitere Informationen zur Rehabilitation des verbleibenden hartverbauten Flussabschnitts als auch für zukünftige Prioritäten im Wasserbau.

Abstract

(Englisch)

Effects of riverbed restoration on total transient storage and nutrient spiraling of 4th order River Wien at the western city limits of Vienna (Austria) were examined. Focus was to gain deeper insight on riverine internal structures and processes of two restructured flow-sections different in rehabilitation measures and thus in ecological conditions complementing the compiled data of the monitoring project “Hydro-chemistry, suspended solids dynamics and organic pools of the River Wien”. For this task a solute addition experiment (SAE) at the reach-scale was conducted during low flow (0.33 m3 s-1) conditions. Three slug-type injections of the conservative tracer NaCl and the nutrients P (as Na2HPO4) and N (as NH4Cl) were realized in July / August / September 2002. Tracer and nutrient data were fit to a one-dimensional transport and storage model. Supplemental a heavily modified section was studied to grasp potential opportunities for matter retention. The restructured reach II (reactivated in-stream wetland) was found the most geo-morphological heterogeneous section and exhibited largest total transient storage. Channel complexity (relative sum of sinuosity, variance of river width such as depth and sediment sorting-coefficient) estimate was the twofold of reach I (revitalized riffle-pool) and the fourfold of reach III (channelized run). Overall variation of width and depth as well as the amount of fine sediments controlled transient storage. New structural conditions resulted both in a distinct slowdown of flow velocity and in an increase of water residence time. 34 – 51 % of River Wien calculated cross-sectional areas were identified as transient storage zones (TSZs, compartments delaying the longitudinal water downstream transport). At reach II the water remained in the TSZ 1.6 and 2.2 times longer compared to reach I and III. Furthermore water residence time in the TSZ contributed stronger to transient storage than TSZ size did. Tendencies for the spiraling of P identified reach I above II holding higher capacities for and performing faster in biogeochemical uptake. Transient storage seemed not an important driver for the spiraling of P at River Wien restructured sections. Likewise no correlations of spiralling metrics with geomorphological factors could be found. Sediment data although indicated P having been to most parts chemically adsorbed to fine-grained sediments. Mass balances revealed N over P retained in the restructured sections. At reach III, on the contrary, transient water and solute storage zones had impact on the uptake efficiency of P. SW (uptake length) was correlated with AS/A (ratio between the cross-sectional area of the free flowing water-column and the cross-sectional area of the TSZ) as well as with TSZ extent. The restoration of riverbed physical characteristics resulted in an improvement of River Wien structural and functional traits. Attained knowledge on linkages amongst geomorphic attributes and total transient storage particularly may inform on potentials in river rehabilitation respectively on priorities in hydraulic engineering.

Autor*innen

Birgit Goernet

Haupttitel (Englisch)

Effects of riverbed restoration on total transient storage and nutrient spiraling of an urban river

Hauptuntertitel (Englisch)

an experimental solute addition study on River Wien (Vienna, Austria)

Paralleltitel (Deutsch)

Einfluss von Restaurierungsmaßnahmen auf den hydrologischen Gesamtrückhalt und die biogeochemische Nährstoffretention eines urbanen Flusses : eine experimentelle Nährstoffzugabe-Studie am Wienfluss

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

68 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Friedrich Schiemer

Klassifikation

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC14469766

Utheses ID

41149

Studienkennzahl

UA | 066 | 833 | |

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Schlagwörter