2D Effects of Geomorphology and Discharge on Hyporheic Exchange—a HEC-RAS Modelling Study

• Main Author: Preston, Olivia
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik 2020
• Subjects: average hyporheic exchange velocity; water surface elevation; water surface concavity; hydrostatic head; Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-284150

Hyporheic exchange is an ecologically and biogeochemically essential function of rivers and streams. One important driver of hydrostatic (hyporheic) exchange is gra- dients in the hydrostatic hydraulic head at the streambed. This thesis investigates the impact of discharge on hydrostatic exchange in two stream reaches in Uppland, Sweden, with different geomorphological characteristics. By comparing 1D approx- imations of hydrostatic head variations along different longitudinal profiles across the streams, the use of a 2D hydraulic model for defining such variations is evaluated. Channel topography and discharge data have been obtained through field surveys in the two streams and form the basis for the setup of two HEC-RAS 2D models. The models have been calibrated against stream-depth measurements, validated against stream depth and stream velocity, and used for simulation of a range of discharges in both reaches. Water surface elevations, obtained for the different discharges in three profiles along each reach, have been used as input in a spectral model evaluating flow across streambed area; average hyporheic exchange velocity W. The results show that W , and thereby the hydrostatic exchange, decreases with increasing dis- charge and varies between different longitudinal profiles in the reach with the most complex geomorphology. For the reach with simpler geomorphology, the effects of discharge, as well as variations across the streams, are negligible. This implies that a 1D approximation of the hydrostatic head variations at the streambed can be sat- isfactory for a stream with simple geomorphology, whereas a 2D evaluation is more accurate for a stream with a complex geomorphology. === Denna uppsats handlar om hur ett vattendrags geomorfologi (form och geologi) och vattenföring påverkar hyporheiskt utbyte. Hyporheiskt utbyte är en process där ytvat- ten tränger igenom vattendragets botten, flödar i den så kallade hyporheiska zonen och blandas med grundvatten för att sedan återvända till vattendraget. Det är en vik- tig funktion på grund av dess påverkan på ekologi och biogeokemiska reaktioner, exempelvis genom syresättning av botten. Hyporheiskt utbyte påverkas bland annat av variationer i vattnets energinivå (hydrau- lisk tryckhöjd) vid bottnen. Den hydrauliska tryckhöjden varierar med vattenytans höjd, som är summan av bottnens topografi och vattnets djup. Målet med studien var att undersöka vattenföringens påverkan på hydrostatiskt, hyporheiskt utbyte i två vattendrag med olika geomorfologiska egenskaper. Endimensionella (1D) approx- imationer av hydraulisk tryckhöjd används ibland vid modellering av hyporheiskt utbyte. Därför var ytterligare ett mål att utvärdera flera endimensionella (1D) ap- proximationer av hydraulisk tryckhöjd vid botten, för att på så sätt undersöka om tvådimensionell (2D) modellering tillför mer information. För att uppnå målen genomfördes fältstudier vid två vattendrag i Uppland, vid vilka topografimätningar och spårämnesförsök gjordes. Dessa lade grunden för uppbygg- nad av 2D-modeller över vattendragen i modelleringsverktyget HEC-RAS. Model- lerna kalibrerades mot uppmätta djupdata och användes sedan för simulering av ett antal olika vattenföringar. Longitudinella profiler placerades i mitten samt till vänster respektive höger om mitten i vattendragen. Längs dessa profiler, för de olika vatten- föringarna, erhölls vattenytans höjd, som blev indata till en spektral modell. Utifrån topografi och vattenytans höjd längs en profil beskriver den spektrala modellen hur den hydrauliska trycknivån varierar med hjälp av en Fourier-serie. Den spektrala modellen beräknar det hyporheiska utbytets medelhastighet W , vil- ken är ett mått på hur stor volym vatten som genomtränger bottenarea per tid. Re- sultaten visar att för vattendraget med mest komplex geomorfologi minskar W med ökande vattenföring, och W varierar också mellan de olika longitudinella profilerna. För det andra vattendraget, som har en enklare geomorfologi, syns inga betydande skillnader, varken mellan olika vattenföringar eller profiler. Därutöver är W mind- re för vattendraget med enklare geomorfologi jämfört med vattendraget med kom- plex geomorfologi. Resultaten antyder därmed att 1D-approximationer av hydraulisk tryckhöjd vid bottnen är tillräckliga för vattendrag med enkel geomorfologi, medan 2D-modellering tillför information för ett vattendrag med komplex geomorfologi.