Development of experimental methods for investigating sediment and nutrient transport in vegetated flows
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2019-10-21
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
74 + 2
Series
Abstract
Empirical measurements are needed for improving understanding and modelling of various physical, chemical and biological phenomena present in vegetated flows. Vegetation has a substantial effect for example on flow resistance, velocities and patterns, which in turn affects sediment transport and nutrient deposition. The goal of this work was to develop experimental flume, field and laboratory methods for investigating these processes. The objectives were to develop 1) a downscaled sampler for measuring bed load sediment transport in flume conditions, 2) a drag force sensor for determining vegetative flow resistance in laboratory flows, and 3) a methodology for estimating sedimentary nutrient deposition in vegetated channels. There are knowledge gaps in understanding nutrient deposition in environmentally preferable channel designs, and in using miniature Helley-Smith (HS) bed load samplers. The performance of the bed load sampler and drag force sensor was investigated in different flow conditions. The experiments in vegetated conditions indicated that the downscaled bed load sampler is suitable for determination of bed load fluxes in flume conditions, giving results comparable to an optical backscatter instrument. The measurement variability was found to be relatively low. The sampler was capable of capturing the large differences in bed load transport between unvegetated and vegetated parts of the flume. Experiments with the drag force sensor provided results comparable to other studies, and the variability in results was minor. The soil and sediment cores were collected from an agricultural drainage channel, adjacent to which a vegetated floodplain had been constructed in 2010. The collected samples were subjected to elemental analysis, and the effect of several pre-processing steps was studied. According to the results, in most cases the samples can be analyzed after mechanical grinding without sieving, without significant effect on the measured nutrient and element concentrations. Analysis of soil properties indicated that the bulk density and the ratio of magnesium and aluminum have potential for estimating the amount of post-construction sediment and nutrient deposition in engineered channels. Further experiments are recommended for calibration of the miniature bed load sampler in different flow velocities, if reliable measurements of bed load transport are needed. The extendibility of the proposed soil and sediment properties for determining the rate of net retention is recommended to be investigated in other channels. The developed methodologies have useful applications and provide straightforward and time efficient measurements for example to understand the spatial variations of different processes in vegetated flows.Empiiriset mittaukset ja aineisto parantavat monien kasvillisuuden ja virtauksen välisten fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten ilmiöiden ymmärtämistä ja mallinnusta. Kasvillisuudella on merkittävä vaikutus esimerkiksi virtausoloihin ja virtausvastukseen, mikä osaltaan vaikuttaa myös kiintoaineen kulkeutumiseen ja ravinteiden pidättymiseen. Tämän työn päämääränä oli kehittää kokeellisia kouru-, kenttä- ja laboratoriomenetelmiä näiden prosessien määrittämiseen ajatellen virtauksia kasvillisuuden lomassa. Työn tavoitteina oli kehittää 1) pienoiskokoinen näytteenotin kiintoaineen pohjakulkeuman mittaamiseen laboratorio-oloissa, 2) voima-anturi kasvillisuuden virtausvastuksen määrittämiseen virtauskourussa, sekä 3) metodologia sedimenttiin pidättyvien ravinteiden kertymisen arviointiin kasvillisissa uomissa. Tiedossa ravinteiden kasautumisesta luonnonmukaisten uomien eri osiin on vielä puutteita, ja myös skaalattujen, Helley-Smith (HS) tyyppisten pohjakulkeuman näytteenottimien kohdalla on avoimia kysymyksiä. Kouru-olosuhteissa tutkittiin pohjakulkeuman näytteenottimen ja voima-anturin toimintaa eri virtausoloissa. Kokeet kasvillisissa oloissa osoittivat, että pienemmäksi skaalattu HS näytteenotin soveltuu käytettäväksi pohjakulkeuman mittaamiseen laboratorio-kourussa. Näytteenotin antoi optiseen takaisinsironta-anturiin verrattavia tuloksia, ja näytteiden välinen vaihtelu oli suhteellisen pientä. Näytteenotin toi myös hyvin näkyviin erot pohjakulkeuman suuruudessa kasvillisen ja kasvittoman uoman osien välillä. Testit voima-anturilla tuottivat hyvin samansuuntaisia tuloksia kuin muissakin tutkimuksissa, ja mitatut voimat vaihtelivat vähäisesti ajan suhteen jopa hyvin lyhyillä mittausjaksoilla. Sedimentti- ja maanäytteet kerättiin maatalousuomasta, jonne on vuonna 2010 rakennettu luonnonmukainen, kasvillinen tulvatasanne. Näytteet analysoitiin ravinteiden ja alkuaineiden määrittämiseksi, ja erilaisten esikäsittelyvaiheiden vaikutuksia tutkittiin. Tulosten perusteella useimmissa tapauksissa näytteet voidaan jauhaa koneellisesti ja ilman märkäseulontaa ilman merkittäviä vaikutuksia ravinteiden ja alkuaineiden pitoisuuksiin. Näytteiden ominaisuuksista erityisesti kuivatiheys, sekä magnesiumin ja alumiinin suhde vaikuttivat soveliailta uoman kunnostuksen jälkeisen kiintoaineen ja ravinteiden pidättymisen arvioimiseen. Jatkotutkimuksia suositellaan skaalatun HS näytteenottimen kalibroimiseksi eri virtausnopeuksille, jos tavoitteena on saada luotettavia tuloksia pohjakulkeuman määrästä. Mainittujen maa- ja sedimenttinäytteiden ominaisuuksien soveltuvuutta pidättymisen määrittämiseen suositellaan tutkittavaksi myös muissa uomakohteissa. Kehitetyillä metodeilla on myös ilman jatkokehitystä hyödyllisiä käyttökohteita, ja ne mahdollistavat suoraviivaiset ja nopeat mittaukset esimerkiksi prosessien alueellisen vaihtelun ymmärtämiseksi kasvillisissa virtauksissa.Description
Supervisor
Koivusalo, HarriThesis advisor
Västilä, KaisaBox, Walter
Keywords
sediment transport, sediment deposition, vegetated flow resistance, bed load sampler
