Modeling of mass transport causal conditions

• Thesis title in Czech: Modelování příčinných podmínek látkového transportu
• Thesis title in English: Modeling of mass transport causal conditions
• Key words: Modelování ∙ hydrologie ∙ látkový odnos ∙ remobilizace látek ∙ znečištění ∙ bilance ∙ povodňová událost
• English key words: Modeling ∙ hydrology ∙ mass transport ∙ particle remobilization ∙ pollution ∙ balance ∙ flood event
• Academic year of topic announcement: 2010/2011
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physical Geography and Geoecology (31-330)
• Supervisor: prof. RNDr. Jakub Langhammer, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 08.11.2010
• Date of assignment: 17.09.2013
• Confirmed by Study dept. on: 17.09.2013
• Date and time of defence: 18.09.2015 10:00
• Date of electronic submission: 30.04.2015
• Date of proceeded defence: 18.09.2015
• Opponents: prof. Ing. Jiří Zezulák, DrSc.

Preliminary scope of work

Průběh povodňové vlny zůstává patrný v povodí ještě dlouho po události. Přímým důkazem jsou morfologické změny v korytě či inundaci a procesy spojené s transportem látek uvnitř ekosystému vodního toku. Rozvoj výpočetní techniky přinesl vývoj disciplíny matematického modelování pro řešení hydrologických otázek. Díky scénářovému modelování je v současné době možné detailně zkoumat průběh teoretických povodňových událostí a hodnotit následky s nimi spojené. Disertační práce se zabývá širokou problematikou inicializace látkového odnosu jak ve znečištěném, tak v čistém prostředí středoevropských vodních toků. Hlavním cílem studie je hodnocení zásadních témat spojených s inicializací látkového odnosu na základě komplexního využití a kombinování nástrojů matematického modelování. Práce nejen hodnotí samotné problémy definované v případových studiích a tím přináší originální datové výstupy, klade si však za cíl i srovnávat různé metodické přístupy a hodnotit limity a možnosti jejich využití co se týče podrobnosti vstupních dat, požadovaného měřítka výstupů či výpočetního času nutného pro numerickou simulaci. Díky tomu práce přináší řadu srovnávacích studií či inovativních řešení.
Problematika inicializace látkového transportu je řešena jak bilančně, tak epizodicky. Jsou navrhována opatření pro dosažení cílového stavu požadovaného evropskou vodní legislativou. Dále jsou řešeny konkrétní hraniční parametry proudění nutné pro remobilizaci pevných látek ať už inertních či zatížených toxickým znečištěním. Výsledkem studií je soubor místně specifických prahových hodnot smykového napětí v rozmezí 0.12–7.8 N·m^-2 v případě jemnozrnných sedimentů zatížených specifickým znečištěním, či 16.3±8.2 N·m^-2 v případě hrubozrnného materiálu na horním úseku toku.
Pro možnost srovnávání příčinných hydrologických podmínek byly výsledky relativizovány pomocí statistického vyhodnocení pravděpodobnosti opakování dané situace (Q_N, Q_m). Takto vyjádřená pravděpodobnost opakování referuje o současném stavu na základě zkušeností minulých let. I když jsou příčinné podmínky remobilizace látek závislé na místně specifických podmínkách proudění, práce si klade za cíl nalézt zákonitosti a propojení jednotlivých lokalit a srovnání potenciálu k uvolnění látek napříč různými geografickými regiony.
Hodnoty Q_N, Q_m byly v tomto případě využity pro srovnání výsledků aktuálního stavu, nikoliv pro prognózu potenciálního budoucího zatížení. Nicméně, pohybujeme-li se v nestacionárním hydrologickém prostředí, je nutné zahrnout či vyloučit existenci trendového chování hydrologického procesu způsobeného jak abiotickými, tak biotickými faktory. Trendové chování je možné sledovat pouze v prostředí bez zásadních strukturálních změn, či tam, kde jsou tyto změny známy. V tomto případě byl studován vliv klimatické změny a disturbancí přírodního prostředí na odtokové poměry se zaměřením na povodňové epizody. I když vliv na kulminační průtoky povodňových událostí nebyl prokázán, byl vyhodnocen nárůst frekvence povodňových událostí menšího rozsahu. Z tohoto závěru vyplývá podhodnocení rizika spojeného s vyhodnocením doby opakování remobilizace látek, v případě, že by se ukazatel uvažoval prognosticky.

Preliminary scope of work in English

The evidence of a flood wave passing through a catchment remains visible even for a long time after it occurs. The morphological update in the channel and floodplains, together with the processes related to the mass transport within the aquatic environment, can be regarded as flood event evidence. The advancement in hydroinformatics brought the development of numerical modeling as a tool for the solution of broad hydrological tasks. Thanks to the scenario modeling, flood events with interconnected processes can be explored in detail. This thesis is broadly focused on the mass transport initialization issue both in the polluted and clear Central-European water environments. The aim of the thesis is the evaluation of the principal issues connected with the mass transport initialization based on complex and integrated numerical modeling.
The thesis brings original datasets resulting from several case studies. The aim of the thesis is also to bring a comparative study of methodological approaches evaluating the possibilities and limits regarding the accuracy of inputs vs. outputs and computational time requirements. This thesis also brings several useful comparisons and innovative solutions design.
The mass transport initialization issue is solved in both balance and event-scale processed-based models. The partial outputs are the general water quality improvement measures designed to fulfill the European legislative requirements. The particular site-specific threshold values of the flow parameters necessary for the mass transport initialization are evaluated. Those values vary from 0.12 – 7.8 N·m^-2 in the case of the middle and the lower river reaches to 16.3 ± 8.2 N·m^-2 regarding the coarser gravels of the upper river reach.
In order to relate the causal hydrological conditions, the results were relativized by the statistical evaluation of the event return period (Q_N, Q_m). Even though the causal conditions for the mass transport initialization are site-specific, the thesis aims to find regularities and link the different geographical sites regarding the mass transport initialization tendency.
The return period is used as the results’ interconnecting parameter rather than a prognostic tool. Nevertheless, regarding hydrological non-stationarity, the influence of the trend behavior of the hydrological system due to the abiotic and biotic factors must be considered. The trend behavior can be representatively studied in the catchments without structural changes or where those changes are well-known. In the case of this thesis, the influence of the climate change and natural disturbances’ effects on the hydrological process was studied. Even though the study did not prove any significant influence of the drivers on the high-flow events’ magnitude, the increment of flooding frequency is obvious. From this statement, there is a clear underestimation of the remobilization frequency if the results will be used in a prognostic sense.