Folyami élőhelyek hidromorfológiai vizsgálata mikro- és mezoléptékben (Hydromorphological analysis of riverine habitats on micro and meso-scale)

Erre a témakiírásra nem lehet jelentkezni.
Nyilvántartási szám: 
18/68
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
jozsa.janos@epito.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
A folyók áramlási viszonyai, ezen keresztül a hordalék szállítása, fizikai összetétele, mindebből a mederfelszín állapota és dinamikus változása fontos szerepet játszanak a folyók, mint természetes élőhelyek minőségében, a különféle fajú és életkorú halaknak való megfelelőségben. Számos közelmúltbeli kutatás foglalkozott azzal, hogy a fenti abiotikus paraméterek – gyűjtőnevükön hidromorfológiai indikátorok – hogyan kapcsolhatók össze a biotikus jellemzéssel, a vízben élő halak és egyéb, bentikus élőlények előfordulásával. A folyók ún. öko- vagy élőhely-hidraulikai szempontú elemzése ezeknek az abiotikus és biotikus paramétereknek az összekapcsolt vizsgálatával foglalkozik. Hazai folyóinkra elmondható, hogy az élőhelyek hidromorfológiai alapú jellemzése még kezdeti fázisban van. Ennek egyik oka, hogy a hal- és a különböző bentikus élőlények előfordulásának terepi vizsgálata még nem kiforrott, másrészt pedig a mederfenék-közeli áramlási jelenségek, mint a bentikus élőhelyek meghatározó fizikai leírói, közvetlen mérési módszerekkel nehezen feltárhatók. A doktori kutatás egyik célja, hogy a mederfenék közeli lokális hidromorfológiai folyamatokat jobban megismerjük, amivel az élőhelyek pontosabb mikro-léptékű jellemzéséhez járulhatunk hozzá. A kutatás során nyert új ismeretekre alapozva, azok felskálázásán keresztüli területi kiterjesztésével már folyószakaszok mezoléptékű élőhely-jellemzését hajthatjuk végre, ami pedig a kutatási eredmények gyakorlatba való átültethetőségét teszi lehetővé. 
 
 
Részletesebben:
A folyókban levő élőlények viselkedésében, pl. halak ívóhely választásában, rejtőzködésében, gerinctelenek élőhely-választásában, kereszt- és hosszirányú elterjedésükben mind jelentős szerepet játszanak a lokális hidromorfológiai jellemzők. Ennek egyik legnehezebben kimérhető, de meghatározó eleme a mederfenék közeli turbulens határréteg és a turbulens viszonyokból származtatható fenék-csúsztatófeszültség. A fenékközeli turbulencia alakulását a meder szemcseösszetétele, annak stabilitása, rétegzettsége és egyéb fizikai jellemzői, a lokális mederdomborzat és az áramlás kölcsönhatása határozza meg. Különösen nagyobb folyókban, ennek a paraméternek a számszerű kimérése nagy kihívást jelent a kutatók számára, ezért inkább olyan közvetett módszereket alkalmaznak, mint pl. a folyó egy-egy függélyében jellemző sebességeloszlásból, vagy számítógépes áramlásszimuláció alapján való becslés. A jelenleg elérhető akusztikus áramlásmérési módszerek, megfelelő kiegészítő mérési infrastruktúrával alkalmasak lehetnek a turbulens áramlási jellemzők (pl. turbulens kinetikai energia, Reynolds-feszültségek) kimérésére közvetlenül a mederfenéknél, akár nagy folyókban is. A jelölt egyik feladata ennek a mérési módszernek a tesztelése lesz terepi környezetben. A mérésektől azt várjuk, hogy pontosabb, újszerű képet kapunk egyrészt a folyókban lokálisan jellemző turbulens paraméterekről, másrészt azok területi és vízjárástól függő változékonyságáról. A méréseket a Duna célszerűen kiválasztott homokos-kavics medrű szakaszán, a befogadó tanszék egyik projektterületén hajtja végre a jelölt. A befogadó tanszék és az MTA Ökológiai Kutatóközpont (MTA-ÖK) közötti tudományos együttműködés keretében lehetősége lesz a jelöltnek részt venni a teljes hazai Dunát lefedő élőhely-vizsgálati kampányban (hal és bentikus élőlények mintázásával), ami alapján a korábbiakhoz képest pontosabb ismeretekre teszünk szert az élőhelyek megfelelőségéről. A mérési kampány eredményeit felhasználva és kiegészítve azokat saját (tanszéki) hidromorfológiai mérésekkel és számítógépes modellezéssel, meglévő szakasz-léptékű élőhely-hidraulikai elemzési módszerek (Mesohabitat Evaluation Model – MEM) továbbfejlesztése valósulhat meg. 
A tervezett részfeladatok:
    • Korábban publikált mikro- és mezoléptékű élőhelymodellek áttekintése.
    • A modellekben szerepet játszó hidromorfológiai paraméterek áttekintése, mérhetőségének és modellezhetőségének vizsgálata.
    • A fenékközeli turbulencia mérési módszereinek feltárása és egy dunai mintaterületen alkalmazható mérési eljárás kidolgozása.
    • Mérési kampány végrehajtása, amelyben a szükséges kiegészítő mederdomborzati, mederanyag-szemösszetételi és egyéb méréseket a tanszék biztosítja.
    • A mérési adatok alapján a mederközeli turbulencia számszerű értékelése különböző állapotokra és azok összehasonlító elemzése más, közvetett módszerekből származtatott paraméter-mezőkkel.
    • Részvétel dunai élőhely-vizsgálatokban az MTA-ÖK-val való együttműködésben.
    • A terepi élőhelyvizsgálatok és a pontosított mederközeli turbulenciajellemzők alapján javaslattétel meglévő mezoléptékű modellek továbbfejlesztésére.
 
**********************
 
The flow features, physical characteristics and quantity of sediment transport, the composition and dynamic nature of the bed material all play an important role in the quality of riverine habitats and its suitability for different fish species. There can be several recent studies found dealing with the linking of abiotic, so called hydro-morphological parameters to the biotic indicators, e.g. the abundance of fish and benthic fauna. The so called eco-hydraulic assessment of rivers addresses this topic, i.e. the interconnected analysis of abiotic and biotic indicators. The hydro-morphological characterization of Hungarian rivers is only in the preliminary stage. One of the reasons of this is that abundance assessment of fishes and other benthic species is far not straightforward, moreover, the detailed investigation of nearbed flow features can hardly be performed, especially in large rivers. One of the goals of the proposed PhD research is to gain new insights into the hydro-morphological processes at the benthic zone, which enables a more accurate micro-scale characterization of the habitats. Based on the improved understanding of the nearbed flow features, an upscaling of the local scale information can lead to the spatial extension of the characterization towards a meso-scale description. The meso-scale habitat assessment of rivers can provide practical, tangible results of the research.
 
In detail:
Hydro-morphological indicators play an important role in the behavior of fish, selection of spawning places, hiding, habitat selection of invertebrates as well as in their longitudinal and transversal distribution in rivers. One of the most decisive, but at the same time hardly measurable, physical parameters is the turbulent boundary layer at the river bed and the bed shear stress. The nearbed turbulence is governed by the composition, the stability, stratification as well as other physical parameters of the river bed and its interaction with the flow field. The quantitative assessment of this parameter, especially in large rivers, is challenging and therefore, rather indirect estimation methods are used, based on e.g. the measured distribution of the flow velocities along a vertical of the river, or using computational simulation tools. However, the application of existing acoustic velocimeters with suitable measurement infrastructure might be capable for direct measurement of nearbed turbulence, e.g. the turbulent kinetic energy or Reynolds-stresses, even in large rivers.
One of the tasks of the candidate is test such a measurement approach in the field. It is expected that more accurate, novel insight can be gained about the local turbulence features and about its spatial and flow-dependent variation. The measurement campaigns shall be carried out in a suitable, sand-gravel bed section of the Danube River, at one of the study sites of the host department. Within the frame of the scientific cooperation between the host department and the Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (MTA-ÖK) the candidate has the opportunity to join a Danube-wide field campaign which aims at the habitat assessment of the Hungarian section of the river, which at the same time will provide new knowledge about the suitability of the habitats. Exploiting the results from the field campaign, with complementary hydro-morphological measurements, the improvement of existing reach scale mesohabitat evaluation models can be proposed.  
 
Proposed subtasks:
    • Overview of recently published micro- and mesoscale habitat evaluation models 
    • Overview of the relevant hydro-morphological parameters in the models, and the analysis of measurability and simulatability of the parameters
    • Overview of the measurement methodologies of nearbed turbulence and establishment of a method to be applied in the study site in the Danube River
    • Implementation of field measurement campaigns, for which the complementary bathymetry, sediment and bed material samplings will be performed by the host department
    • Quantitative assessment of nearbed turbulence for different flow conditions and comparative analysis with other indirect methods
    • Participation in field habitat evaluation campaigns at the Danube River in cooperation with MTA-ÖK
    • Based on the field habitat assessment and the novel findings in nearbed turbulence, recommendations shall be made for the improvement of meso-scale habitat evaluation models
 
A téma meghatározó irodalma: 
1. Hauer, C., Unfer, G., Tritthart, G., Formann, E., Habersack, H.: Variability of
mesohabitat characteristics in riffle-pool reaches: testing an integrative evaluation concept (FGC) fer MEM-application. River Res. Applic. 27: 403-430 (2011)
2. Habersack, H., Tritthart, M., Liedermann, M., Hauer, C.: Efficiency and uncertainities in micro and mesoscale habitat modelling in large rivers. Hydrobiologia (2014) 729:33-48.
3. Ian Maddock, Atle Harby, Paul Kemp, Paul Wood (2013): Ecohydraulics: An Integrated Approach, John Wiley & Sons, Ltd
4. Blanckaert K, Garcia X-F, Ricardo A-M, Chen Q, Pusch MT. 2013. The role of turbulence in the hydraulic environment of benthic invertebrates. Ecohydrology 6(4): 700-712.
5. Wilcock, P. R. (1996), Estimating local bed shear stress from velocity observations, Water Resources Research, 32, 3361-3366.
6. Biron, P. M., C. Robson, M. F. Lapointe, and S. J. Gaskin (2004), Comparing different methods of bed shear stress estimates in simple and complex flow fields, Earth Surface Processes and Landforms, 29, 1403-1415.
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
    1. River Research and Applications
    2. Ecohydrology
    3. Journal of Hydraulic Engineering
    4. Journal of Hydraulic Research
    5. Water Resources Research
    6. Flow Measurement and Instrumentation
    7. WATER
    8. Journal of Hydrology and Hydromechanics
    9. Advances in Water Resources
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1. S Baranya, NRB Olsen, J Józsa. Flow analysis of a river confluence with field measurements and RANS model with nested grid approach. RIVER RESEARCH AND APPLICATIONS 31:(1) pp. 28-41. (2015)
2. M Zsugyel, T Tél, J Józsa. Numerical investigation of chaotic advection past a groyne based on laboratory flow experiment ADVANCES IN WATER RESOURCES 71: pp. 81-92. (2014)
3. J Józsa, G Kiely, AGL Borthwick. Sediment Flux and its Environmental Implications. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL INFORMATICS 24(2): 111-120. (2014)
4. Józsa, J. (2014) On the internal boundary related wind stress curl and its role in generating shallow lake circulations. JOURNAL OF  HYDROLOGY AND HYDROMECHANICS 62(1): 16-23.
5. M Kummu, S Tes, S Yin, P Adamson, J Józsa, J Koponen, J Richey, J Sarkkula. Water balance analysis for the Tonle Sap lake - floodplain system. HYDROLOGICAL PROCESSES 28(4): 1722-1733. (2014)
 
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
    1. Sándor, Baranya ; Gábor, Fleit ; János, Józsa ; Zoltán, Szalóky ; Balázs, Tóth ; István, Czeglédi ; Tibor, Erős. Habitat mapping of riverine fish by means of hydromorphological tools ECOHYDROLOGY (2018)
    2. G Fleit, S Baranya, N Rüther, H Bihs, T Krámer, J Józsa. Investigation of the Effects of Ship Induced Waves on the Littoral Zone with Field Measurements and CFD Modeling. WATER 8(7): 300 (2016)
    3. S Baranya, NRB Olsen, J Józsa. Flow analysis of a river confluence with field measurements and RANS model with nested grid approach. RIVER RESEARCH AND APPLICATIONS 31:(1) pp. 28-41. (2015)
    4. M Zsugyel, T Tél, J Józsa. Numerical investigation of chaotic advection past a groyne based on laboratory flow experiment ADVANCES IN WATER RESOURCES 71: pp. 81-92. (2014)
    5. S Baranya, J Józsa. Estimation of suspended sediment concentrations with ADCP in River Danube JOURNAL OF HYDROLOGY AND HYDROMECHANICS 61:(3) pp. 232-240. (2013)
Hallgató: 

A témavezető eddigi doktoranduszai

Sági Rajmund (2011//)
Kiss Melinda (2011/2014/2015)
Zsugyel Márton (2009/2012/2016)
Homoródi Krisztián (2007/2010/2012)
Pattantyús-Á. Margit (2005/2008/2008)
Sokoray-Varga Béla (2004/2007/)
Baranya Sándor (2003/2006/2010)
Státusz: 
elfogadott