Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11752
Tipo: Tese
Título: Hydrodynamics of four moments in the life of a floodplain forest in compound channels
Autor(es): LUIZ EDUARDO DOMINGOS DE OLIVEIRA
Primeiro orientador: Johannes Gerson Janzen
Resumo: A dinâmica dos canais compostos é de crítica importância para diversos campos, incluindo a gestão de inundações, a conservação ambiental e a engenharia hidráulica. Esta tese investiga a hidrodinâmica de canais compostos, com foco particular na interação entre a vegetação florestal de planícies aluviais e a dinâmica do fluxo. As planícies aluviais florestadas desempenham um papel crucial na biodiversidade e nos serviços ecossistêmicos; no entanto, sua sucessão natural e interação com processos hidráulicos representam desafios significativos para a gestão de riscos de inundação e navegabilidade. Além disso, avaliar a composição natural e a distribuição das florestas em planícies aluviais é essencial para compreender melhor a hidrodinâmica em condições mais próximas do natural. Este trabalho aborda esses desafios ao escalar uma floresta de planície aluvial real no Alto Reno e conduzir experimentos laboratoriais para examinar como a sucessão florestal, práticas de manejo e a intensidade das enchentes influenciam a hidrodinâmica de um canal composto. Dados de uma pesquisa de campo abrangente realizada na floresta de planície de inundação "Rastatter Rheinaue", no Alto Reno, no sudoeste da Alemanha, serviram como base para a escala das características da vegetação nos experimentos de laboratório. Os experimentos foram projetados para replicar as principais condições observadas em campo, com variações controladas na composição da vegetação, densidade e vazão. Quatro estágios da sucessão florestal secundária foram investigados (sem vegetação, inicial, secundária ou intermediária, e tardia), juntamente com o impacto de práticas de manejo, como a remoção seletiva de plantas. Além disso, o efeito da intensidade da inundação foi analisado em condições de escoamento intermediário e profundo. Foram coletadas medições de níveis de água, velocidades e dispersão de solutos para caracterizar a hidrodinâmica de um canal composto com vegetação natural da planície de inundação, correspondendo aos cenários mencionados (idades de sucessão e opções de manejo). Esses resultados fornecem insights sobre o risco de inundação, navegabilidade, modelagem hidráulica e trocas laterais de massa e momento. A distribuição heterogênea da vegetação introduziu efeitos locais de velocidade que desafiam as descrições convencionais dos perfis de velocidade médios em profundidade. Para resolver esta questão, foi desenvolvido um modelo que leva em consideração esses efeitos locais, incorporando as características da camada de mistura e atribuindo significado físico aos principais parâmetros de modelagem. Este modelo permitiu descrever a dinâmica do escoamento e a solução analítica de regiões de fluxo importantes, como a camada de mistura na transição entre a planície aluvial e o canal principal. Um dos principais objetivos desta pesquisa foi entender como a idade e a estrutura da floresta afetam a resistência hidráulica e a separação de escoamentos, fatores críticos para a gestão de riscos de inundação e garantia de navegabilidade. Os resultados indicam que o envelhecimento da floresta deve ser considerado na gestão de rios, pois impacta o risco de inundação a montante e provoca mudanças significativas na rugosidade hidráulica. Práticas de manejo, como a remoção de árvores jovens, podem alterar as características da floresta da planície de inundação, modificando, por exemplo, seu comportamento hidráulico de uma floresta de meia-idade para uma floresta madura. Esta pesquisa demonstra que essas opções de manejo impactam o risco de inundação a montante. Esta tese também examina as complexidades da camada de mistura formada na transição entre o canal principal e a planície aluvial, que é crucial para o transporte de sedimentos, troca de nutrientes e conectividade de habitats. A presença de vegetação aumentou a extensão da camada de mistura dentro da planície aluvial e ampliou a largura total da camada de mistura. Essas mudanças afetam as trocas transversais de massa e momento, com importantes implicações para o funcionamento dos ecossistemas, pois influenciam o movimento de solutos, matéria orgânica e organismos aquáticos através da seção transversal do canal. Além disso, o movimento dos solutos dissolvidos foi investigado, fornecendo insights sobre padrões de dispersão e desenvolvimento de nuvens de traçadores e sua relação com a presença de um fluxo médio transversal. Um modelo conceitual é introduzido para descrever as diferentes regiões de fluxo na transição de um canal composto sem planície de inundação florestada para uma planície de inundação florestada, que variam em termos de níveis de energia e fluxo médio. A caracterização desta região de transição em termos de desenvolvimento do escoamento e sua influência nas trocas laterais de massa e momento é demonstrada. Compreender essas zonas pode oferecer insights valiosos sobre os padrões de sedimentação e a disponibilidade de nutrientes, que, por sua vez, afetam o crescimento da floresta e o desenvolvimento de habitats heterogêneos. Em conclusão, esta tese avança na compreensão da hidrodinâmica de canais compostos com planícies de inundação florestadas, com implicações significativas tanto para a engenharia hidráulica quanto para a gestão ambiental. Ao destacar o papel da sucessão florestal na modelagem das características do escoamento, ela fornece insights valiosos para melhorar a mitigação de riscos de inundação, navegabilidade e resiliência dos ecossistemas em ambientes fluviais. Pontos chave: • Primeira pesquisa a acessar hidrodinamicamente a distribuição de vegetação natural na planície de inundação, assemelhando-se à composição da floresta de planície de inundação na seção do Alto Reno. • Destacam-se os efeitos do envelhecimento da floresta, manejo e intensidade da inundação na hidrodinâmica do rio e na proteção contra enchentes. • Um modelo foi desenvolvido para descrever o perfil lateral médio de velocidades sob a influência de efeitos locais causados pela vegetação. • Mostra-se que o fluxo médio transversal induzido pela floresta impacta as trocas laterais no fluxo de um canal composto com planícies de inundação vegetadas. • Pela primeira vez, foi demonstrado que a idade da floresta e o manejo afetam as trocas de massa e momento entre a planície de inundação e o canal principal. • Um modelo conceitual do escoamento em um canal composto com planície de inundação vegetada e suas consequências para a camada de mistura é proposto.
Abstract: The dynamics of compound channels are of critical importance to various fields, including flood management, environmental conservation, and hydraulic engineering. This thesis investigates the hydrodynamics of compound channel flows, with a particular focus on the interaction between floodplain forest vegetation and flow dynamics. Forested floodplains play a crucial role in biodiversity and ecosystem services, yet their natural succession and interaction with hydraulic processes pose challenges for flood risk management and navigability. Moreover, assessing the natural composition and distribution of forests in floodplains is essential to better understand hydrodynamics under natural conditions. This work addresses these challenges by scaling a real floodplain forest in the Upper Rhine and conducting laboratory experiments to examine how forest succession, management practices, and flood intensity influence the hydrodynamics of a compound channel flow. Data from a comprehensive field survey conducted in the “Rastatter Rheinaue” floodplain forest, in the Upper Rhine in southwest Germany, served as the basis for scaling vegetation characteristics in the laboratory experiments. The experiments were designed to replicate key conditions observed in the field, with controlled variations in vegetation composition, density, and flow discharge. Four stages of the secondary forest succession were investigated (Bare or non vegetated, Early, Mid and Late), alongside the impact of management practices, such as selective plant removal. Additionally, the effect of flood intensity was analyzed under both intermediate and deep flow conditions. Measurements of water levels, velocities, and solute dispersion were collected to characterize the hydrodynamics of a compound channel flow with nature-based floodplain vegetation, corresponding to the above-mentioned scenarios (succession ages and management options). These results provide insights into flood risk, navigability, hydraulic modeling, and the lateral exchanges of mass and momentum. The heterogeneous distribution of vegetation introduced local velocity effects that challenge conventional descriptions of depth-averaged streamwise velocity profiles. To address this, a model was developed to account for these local effects, incorporating the characteristics of the mixing layer and assigning physical meaning to key modeling parameters. This model enabled the description of flow dynamics and the analytical solution of important flow regions, such as the mixing layer at the transition between the floodplain and the main channel. A primary objective of this research was to understand how forest age and structure affect hydraulic resistance and flow separation, which are critical for managing flood risks and ensuring navigability. The results indicate that forest aging must be considered in river management, as it has impacts on the upstream flood risk and has significant changes in the hydraulic roughness. Management practices, such as the removal of young trees, can change the characteristics of the floodplain forest, for instance modifying its hydraulic behavior from Mid age to Late age forest. This research shows that such management options have impact in upstream flood risk. This thesis also examines the complexities of the mixing layer formed at the transition between the main channel and the floodplain, which is crucial for sediment transport, nutrient exchange, and habitat connectivity. The presence of vegetation in the floodplain was found to increase the extent of the mixing layer within the floodplain and overall widen the total mixing layer width. These changes affect the transverse exchanges of mass and momentum, which have important implications for ecosystem functioning, as they influence the movement of solutes, organic matter, and aquatic organisms across the channel cross-section. Additionally, the movement of dissolved solutes was investigated, providing insights into dispersion patterns and tracer cloud development, and their relationship with the presence of a mean transverse flow. A conceptual model is introduced to describe the different flow regions in the transition from a compound channel without forested floodplain to a forested floodplain, which vary in terms of energy levels and mean flow. The characterization of this transition region in terms of flow development and their influence on lateral exchanges of mass and momentum are demonstrated. Understanding these zones can offer valuable insights into sedimentation patterns and nutrient availability, which in turn affect forest growth and the development of heterogeneous habitats. In conclusion, this thesis advances our understanding of the hydrodynamics of compound channel flow with forested floodplains, with significant implications for both hydraulic engineering and environmental management. By highlighting the role of forest succession in shaping flow characteristics, it provides valuable insights for improving flood risk mitigation, navigability, and ecosystem resilience in riverine environments. Key Points: • First research to hydrodynamically access natural vegetation distribution on floodplain, resembling floodplain forest composition in the Upper Rhine section. • Effects of forest aging, management, and flood intensity on river hydrodynamics and flood protection are highlighted. • A model was developed to describe the mean flow profile under the influence of local effects caused by vegetation. • Forest-induced mean transverse flow impacts lateral exchanges in compound channel flow with vegetated floodplains are shown. • For the first time, it was shown that forest age and management impact mass and momentum exchanges between floodplain and main channel. • A conceptual model of the flow in a compound channel with vegetated floodplain and its consequences to the mixing layer is proposed.
Palavras-chave: floodplain
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Restrito
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11752
Data do documento: 2025
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Tecnologias Ambientais

Arquivos associados a este item:
Não existem arquivos associados a este item.


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.