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Morphodynamic Response of Yangtze River Estuary to Sea Level Rise and Human Interferences

Zhou, Xiaoyan:
Morphodynamic Response of Yangtze River Estuary to Sea Level Rise and Human Interferences.
Mitteilungen / Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, 148 . Insititut für Waserbau und Wasserwirtschaft , Darmstadt . ISBN 3-936146-28-4
[Book], (2011)

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Item Type: Book
Title: Morphodynamic Response of Yangtze River Estuary to Sea Level Rise and Human Interferences
Language: English
Abstract:

Estuarine morphodynamics describe the development of estuarine bed over time. The changed morphodynamics have a direct or indirect influence on the wetland resources, water quality and ecological system, biodiversity, channel regulation and coastal protection. The morphology of Yangtze Estuary changed a lot in the past 2000 years, especially in recent 150 years. It is supposed to adjust accordingly with the further changes of water and sediment discharge due to human interferences and the possible sea level rises. To estimate and evaluate the impact on morphodynamics of human interference, like dredging of access channels to ports, and of long-term processes, like sea level rise or a changing discharge regime, is of great importance and much necessity. Therefore, the research goal of this study is to evaluate the morphological response to the variations of hydrodynamic conditions at Yangtze Estuary, based on various unknown scenarios and known project plans. Due to the different spatial and temporal scales involved in the morphological process, both field data analysis and numerical simulations are carried out in order to gain more insight in the historical and future morphological evolution of this area.

Regular and short-term field measurements at Yangtze River as well as the monthly data at Datong station in the past 50 years are analyzed. Results show that the water and sediment discharges of Yangtze River have been changed, and the morphological changes response to the correlation of water and sediment discharges. The major pattern is erosion, and the erosion rate increased 10 times in the past two decades for N-RER reach of Yangtze River. A linear correlation between the deposition volumes with the ratio of water to sediment discharges was found.

The morphodynamic numerical model TIMOR is set up at the Yangtze Estuary. The sensitive parameters are calibrated with measured water level, flow velocities and directions, suspended sediment concentrations. TIMOR is validated with field data from both dry and wet seasons; the model simulation results have very good agreement with the field data.

Simulations are done to check the seasonally and long-term morphological changes. Results show that, deposition happens more frequently during dry season than during wet season. The suspended sediment concentration is greatly influenced by tide propagation and it is in proportion to the current velocity. The spatial and temporal pattern of bathymetry changes predict that, the North Branch would degrade significantly; the South Branch and North Channel has deposition along the river banks; the right bank of South Passage is under deposition.

The major human activity at the Yangtze Estuary, the Deep Waterway Regulation Project, has been examined its influences by simulations. The morphology at Deep Waterway Area is under dynamic equilibrium. Since 2007, the middle waterway started deposition. The idea to heighten the South Training Wall may not be effective to tackle the deposition problem according to the dredging volume needed as well as the ebb and flood velocities in the channel. To maintain the waterway 15m, huge sediment must be dredged annually.

To predict the morphological response under joint effect of sea level rise and typical water discharges, attempt simulations are made. Under Sea Level Rise scenarios, the morphology of Yangtze Estuary is dominated by deposition. When the sea level rises less than 1 m, the morphological changes are similar. Under the extreme low water discharge and high sea level rise, the Yangtze Estuary is expected to be eroded. Whether extreme large or low water discharges or sea level rise occurs, the South Passage will be deposited.

This study works not only on the hydrodynamic but also the morphological simulation for the entire Yangtze Estuary area considering flows, sediments, currents and winds simultaneously. The human activity influence as the regulation work in the Yangtze has been explored. Exploratory predictions on the joint effect of sea level rise and typical water discharges are made. It is believed that this work can help to improve the understanding of morphological response to the human activities and sea level rise in estuary, thus wished to provide reference for policy-makers, estuary and coastal researchers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Morphodynamik beschreibt die zeitliche Entwicklung der Topographie des Meeresbodens. Eine veränderte Morphodynamik hat einen direkten oder indirekten Einfluss auf Feuchtgebiete, die Gewässergüte, ökologische Systeme, die Artenvielfalt sowie die Unterhaltung von Kanälen und den Küstenschutz. Die Morphologie der Yangtze-Mündung hat sich in den letzten 2000 Jahren, vor allem in den letzten 150 Jahren sehr verändert. Dieser Trend wird sich durch weitere Veränderungen in der Abflussmenge und Sedimentfracht hervorgerufen durch menschliche Eingriffe und den möglichen Anstieg des Meeresspiegels fortsetzen. Es ist von großer Bedeutung und von Notwendigkeit abzuschätzen und zu bewerten, welche Auswirkungen durch menschliche Eingriffe, wie Ausbaggern von Kanälen, und langfristige Prozesse, wie dem Anstieg des Meeresspiegels oder einer Änderung des Abflussregimes auf die Morphodynamik entstehen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Bewertung morphologischer Veränderungen im Mündungsbereich des Yangtze anhand verschiedender Szenarien und Projekte. Da unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen an den morphologischen Prozessen beteiligt sind, werden sowohl Analysen der Messdaten als auch numerische Simulationen durchgeführt, um eine verbesserten Einblick in die historische und zukünftige morphologische Entwicklung dieses Gebietes zu gewinnen. Die Daten von regulären und kurzzeitigen Feldmessungen am Yangtze sowie die monatlichen Messdaten der Datong Station der vergangenen 50 Jahre werden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Abflussmenge und Sedimentfracht des Yangtze verändert haben und die morphologischen Veränderungen damit korrelieren. Die größte Veränderung trat bei der Erosion auf. Im Yangtze zwischen Datong und Jiangyin stieg die Erosionsgeschwindigkeit in den vergangenen 20 Jahren um den Faktor 10 an. Eine lineare Korrelation zwischen dem abgelagerten Volumen und dem Verhältnis von Abfluss zu Sedimentfracht wurde gefunden. Die Yangtze Mündung wird mit dem morphodynamisch-numerischen Modell TIMOR abgebildet. Für die Kalibrierung des Modells werden die Messungen des Wasserstandes, der Strömungsgeschwindigkeiten und –richtungen sowie der Schwebstoffkonzentrationen herangezogen. Das Modell wird mit Messdaten aus der Trocken- und Regenzeit validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messdaten. Simulationen, um die saisonalen und langfristigen morphologischen Veränderungen zu überprüfen, werden durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass während der Trockenzeit mehr Sediment abgelagert wird, als während der Regenzeit. Die Schwebstoffkonzentration ist stark von Ebbeausbreitung beeinflusst und abhängig von der momentanen Geschwindigkeit. Die räumlichen und zeitlichen Muster der Veränderungen der Meeresbodentopographie sagen vorher, dass der nördliche und südliche Mündungsarm, dass der sich im südlichen Arm befindliche nördliche Kanal, entlang der Flussufer, und die rechten Ufer der Süd-Passage, Ablagerung aufweisen würden. Der Einfuss des Baumaßnahmen im Rahmen des „Deep Waterway Regulation“-Projekt, welche in der nördlichen Passage im Bereich der Mündung des Yangtze ausgeführt werden, wird mit Hilfe des in TIMOR implementierten Modellgebietes untersucht. Die Morphologie im Bereich des Projektgebietes ist in einem dynamischen Gleichgewicht. Seit 2007 findet in der Mitte des im Rahmen des Projektes gebaggerten Schifffahrtsrinne Sedimentation statt. Eine mögliche Lösung für das entstandene Problem könnte die Erhöhung der südlichen Wand darstellen. Die Simulation zeigt, dass diese Maßnahme nicht sinnvoll wäre, da sowohl die zu baggernde Menge nicht verringert, als auch die Ebbe- und Flutgeschwindigkeiten nicht positiv beeinflusst würden. Zur Erhaltung einer Tiefe von 15m in der Schifffahrtsrinne müssen jährlich über 70 Mio. m³ Sediment gebaggert werden. Die Modellierung verschiedener Anstiege des Meeresspiegels unter Ansatz eines mittleren Abflusses für den Yangtze zeigt, dass die Morphologie der Yangtze-Mündung durch Ablagerungen dominiert wird. Wenn der Meeresspiegel um weniger als 1 m ansteigt, sind die auftretenden morphologischen Veränderungen ähnlich zu einander. Bei einem starken Anstieg des Meeresspiegels und einem sehr niedrigen Abfluss im Yangtze, ist eine starke Erosion in der Yangtze-Mündung zu erwarten. Unabhängig davon, ob extreme hohe oder niedrige Abflüsse oder ein Anstieg des Meeresspiegels auftreten, wird es in der südlichen Passage des Yangtze zu Sedimentation kommen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich nicht nur mit der hydrodynamischen, sondern auch mit der morphodynamischen Simulation des gesamten Yangtze-Mündungsbereiches unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Abfluss, Sediment, Strömung und Wind. Der Einfluss durch menschliche Aktivität wird ebenfalls betrachtet. Die gemeinsame Wirkung des Anstiegs des Meeresspiegels und verschiedener Abflüsse des Yangtze wird vorhergesagt. Diese Arbeit trägt dazu bei, die morphologischen Veränderungen, welche auf Grund von Eingriffen durch den Menschen und den Anstieg des Meeresspiegels in Flussmündungen entstehen können, besser zu verstehen.German
Series Name: Mitteilungen / Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Volume: 148
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Insititut für Waserbau und Wasserwirtschaft
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut Wasserbau und Wasserwirtschaft > FG Wasserbau
Date Deposited: 16 Aug 2011 13:37
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27005
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2011]

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2011]

Referees: Zanke, Univ.Prof. Ulrich C.E. and Kao, Prof.Dr.-I Chia Chuen and Zheng, Prof. Jinhai
Refereed: 25 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2700
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