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Investigating the role of humans as (dis)connecting agents in fluvial systems

new concepts and applications for fluvial geomorphology and landscape research

Ronald Erwin Pöppl

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Betreuer*in

Thomas Glade

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30239.14036.453365-2

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Menschliche Eingriffe in fluviale Systeme lassen sich über Jahrtausende zurückverfolgen. Das Ausmaß des menschlichen Einflusses hat jedoch innerhalb des letzten Jahrhunderts dramatisch zugenommen. Etwa durch die Errichtung von immer mehr und immer größeren Staudämmen in den Gerinnen sowie durch gravierende Landnutzungsänderungen in den Einzugsgebieten verändert der Mensch Wasser- und Sedimenthaushalt der Flusssysteme und induziert dadurch Veränderungen in der Flusslandschaft. Die Rolle des Menschen in der Veränderung von Flusslandschaften kann auf Basis der Betrachtung von Konnektivitätsbeziehungen auf zweierlei Ebenen untersucht werden. Erstens, mittels Betrachtung des menschlichen Einflusses auf die Konnektivitätsbeziehungen innerhalb fluvialer Systeme und zweitens durch die Ermittlung human-induzierter Wechselbeziehungen zwischen Mensch und fluvialem System. Die Geomorphologie untersucht verstärkt Sediment-Konnektivitätsverhältnisse in fluvialen Systemen, mit dem Ziel ein besseres fluvial-geomorphologisches Prozessverständnis zu erlangen. Grundvoraussetzung für Sediment-Konnektivität in fluvialen Systemen ist das Vorhandensein von Oberflächenabfluss, welcher durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren wie zum Beispiel Klima, Relief, Bodenverhältnisse und Vegetationsbedeckung gesteuert wird. Die Ufervegetation nimmt im Kontext der Sediment-Konnektivität aufgrund ihres Potenzials den Sedimenteintrag in Fließgewässer signifikant abzupuffern eine besondere Bedeutung ein. Des Weiteren gibt es in der Landschaftsforschung immer mehr Ansätze, die die Ursachen für Landschaftsveränderungen auf Basis der Betrachtung von Mensch-Umwelt-Konnektivitätsbeziehungen zu erklären versuchen. Im Rahmen der Recherchen zur vorliegenden Arbeit wurden drei Forschungslücken identifiziert: (i) Obwohl der menschliche Einfluss auf Sediment-Konnektivitätsbeziehungen in fluvialen Systemen sowie dessen fluvial-morphologischen Implikationen weitestgehend bekannt sind, gab es bis dato kein Modell, das den Einfluss des Menschen auf die Sediment-Konnektivitätsbeziehungen in fluvialen System konzeptualisiert und mit fluvial-morphologischen Prozessen in Beziehung setzte. (ii) Die Rolle der Ufervegetation wurde in konzeptionellen Modellen und Fallstudien zur Sediment-Konnektivität in fluvialen Systemen noch nicht ausreichend berücksichtigt. (iii) Es gab noch kein Modell sowie nur wenige Fallstudien, welche Landschaftsveränderungem im Kontext der Konnektivitätbeziehungen zwischen Mensch und fluvialem Systeme beleuchtet hätte. Basierend auf den Forschungslücken wurden im Zuge dieser Dissertation drei konzeptionelle Modelle entwickelt, deren Annahmen des Weiteren mittels Durchführung mehrerer Fallstudien in anthropogen beeinflussten fluvialen Systemen unter Verwendung unterschiedlicher Methoden (z.B. numerische Modellierung, GIS-gestützte Analysen, Sedimentanalysen, Kartierung im Gelände, multivariate Statistik) getestet wurden. Die zentralen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: (i) Die Anwendung eines Modells, welches den Einfluss des Menschen auf die Sediment-Konnektivitätsbeziehungen in fluvialen System konzeptualisiert und mit fluvial-morphologischen Prozessen in Beziehung setzt hilft bei der Abschätzung fluvial-morphologischer Systemantworten auf menschliche Einflüsse. (ii) Der laterale Sedimenteintrag von Ackerflächen in Fließgewässer ist maßgeblich durch die Art der Ufervegetation beeinflusst. (iii) Menschliche Eingriffe in Fließgewässer in Form der Errichtung von Dämmen sowie durch Landnutzungsänderungen induzieren Wechselwirkungen zwischen Mensch und fluvialem System in Form von Prozess-Reaktions-Feedbackschleifen, welche die Entwicklung von Flusslandschaften beeinflussen.

Abstract

(Englisch)

Human impacts on fluvial systems can be traced back over thousands of years, but have become more pronounced over the last century. River engineering and land use/land cover changes are regarded as being the most prominent forms of human disturbance in fluvial systems as they alter the flow and sediment regime of rivers. Investigations on human-induced landscape changes in fluvial environments can be conducted on assessing connectivity relationships within the fluvial system itself, but also by looking at the linkages that exist between the human and fluvial systems. Sediment connectivity approaches are increasingly used to describe the linkages between sediment sources and sinks within a catchment providing an opportunity for improving our understanding of how physical linkages govern geomorphic processes. Sediment connectivity operates on different spatial dimensions and is governed by a range of factors that determine overland flow processes and hence the potential of sediment transfer through the system. These include factors such as topography, soil conditions and vegetation cover. In terms of lateral sediment connectivity, riparian vegetation cover is recognized to play an important role in buffering the sediment fluxes from hillslopes to the channel network. Furthermore, approaches that consider connectivity in terms of human-landscape interactions are ever more recognized as being essential when it comes to examining causes for landscape change. The research undertaken in this thesis is based on the identification of three main research gaps which are summarized in the following. (i) Although human impact on connectivity relationships in fluvial systems and the related fluvio-geomorphic consequences are considerable, no conceptual model has yet focused on the role of humans as (dis)connectors in fluvial systems. Furthermore, concepts of sediment connectivity had not been linked to principles of geomorphic channel processes to investigate the geomorphic effects of human-induced alterations of sediment connectivity in fluvial systems so far. (ii) The role of riparian vegetation had not been integrated in connectivity concepts so far and only rarely assessed in the context of sediment connectivity. (iii) Concepts and approaches that focused on connectivity relationships between the fluvial and the human system and their role in governing landscape changes in fluvial environments had been missing. These challenges have been undertaken in this thesis through the development of a conceptual model for each research gap identified above addressing the following issues: (i) Human impacts on sediment connectivity in fluvial systems and fluvio-geomorphic response; (ii) Lateral buffering and the role of riparian vegetation in agricultural catchments; (iii) Connectivity between the human and the fluvial system and its implications for landscape change. The assumptions of the newly developed conceptual models have been tested by conducting and evaluating case studies in small fluvial system impacted by agricultural land use or dams by applying a variety of methods including GIS analyses, numerical modelling, multivariate statistics, field surveys and sedimentological analyses. Lastly, the individual conceptual models have been linked to each other to develop a holistic conceptual model that allows for a more integrated understanding of connectivity relationships in human-impacted fluvial systems and the related landscape changes in fluvial environments. The results of this thesis can be summarized for each issue as follows: (i) Linking sediment connectivity concepts to principles of channel processes helps to explain geomorphic channel responses to human impacts in terms of land use change and dam construction; (ii) Lateral buffering is governed by the type of riparian vegetation cover and related depositional features that emerge from biogeomorphic processes in forested riparian zones; (iii) Human impacts on fluvial systems in terms of dam construction leads to an interconnection of the fluvial system and the human system by triggering a series of process-response feedback loops between them which further influences landscape changes fluvial environments.

Autor*innen

Ronald Erwin Pöppl

Haupttitel (Englisch)

Investigating the role of humans as (dis)connecting agents in fluvial systems

Hauptuntertitel (Englisch)

new concepts and applications for fluvial geomorphology and landscape research

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

233 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Juergen Wunderlich ,

Oliver Sass

Klassifikation

38 Geowissenschaften > 38.09 Physische Geographie

AC Nummer

AC10755618

Utheses ID

22223

Studienkennzahl

UA | 091 | 452 | |

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Schlagwörter