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Porosity variations in fluvial sediments: quantifying the impact of stratification and imbrication
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak03
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-03-26
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-04188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1033496/files/1033496.pdf
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Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flusssediment (frei) ; Imbrikation (frei) ; Porosität (frei) ; Stratifikation (frei) ; fluvial sediment (frei) ; imbrication (frei) ; porosity (frei) ; stratification (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624
Kurzfassung
Die Porosität von Sedimenten ist ein zentraler Strukturparameter, der hydraulische, geomorphologische, ökologische und geotechnische Prozesse in Flusssystemen maßgeblich beeinflusst. Trotz dieser Bedeutung basieren gängige Porositätsprädiktoren nahezu ausschließlich auf idealisierten, zufällig gepackten Kornsystemen und können daher die Porosität natürlicher Sedimente, die häufig interne Strukturen wie Imbrikation und Stratifikation aufweisen, nicht adäquat abbilden. Diese Dissertation untersucht quantitativ, wie diese beiden Strukturelemente die Porenarchitektur und Porosität von Sedimenten verändern, mit dem übergeordneten Ziel, die Porositätsschätzung natürlicher Ablagerungen zu verbessern. Zur Analyse der Imbrikation wurde ein neues, CT-basiertes Verfahren entwickelt, das eine effiziente und zerstörungsfreie Bestimmung der dreidimensionalen Kornausrichtung in Labor- und Feldproben ermöglicht. Ein einheitlicher, quantitativer Imbrikationsindex wurde abgeleitet, der Vergleiche zwischen Datensätzen erlaubt. Flume-Experimente mit monosortierten Ellipsoiden zeigten, dass zunehmende Imbrikation zu einer messbaren, jedoch moderaten Verringerung der Porosität (≈0,03 absolut) führt, was auf eine nur geringfügige Verbesserung der Kornorganisation zurückzuführen ist. Demgegenüber wiesen Feldproben aus dem Buëch-Fluss eine Porositätsreduktion von etwa 30 % im Vergleich zu einem zufälligen Packungszustand desselben Materials auf. Dies wird auf den Verlust großer, durch Kornverkeilung stabilisierter Poren in natürlichen Sedimentstrukturen zurückgeführt. Der Einfluss der Stratifikation wurde mittels einer Kombination aus zerstörungsfreien Laboruntersuchungen und DEM-basierten numerischen Simulationen untersucht. Ein neu entwickeltes Versuchsdesign ermöglichte die Erfassung vertikaler Porositätsprofile in geschichteten Kugelpackungen und zeigte charakteristische Übergangsschichten, in denen die Porosität zunächst abnimmt und anschließend wieder zunimmt. Die Experimente dienten zur Kalibrierung und Validierung eines DEM-Modells, mit dem systematisch unterschiedliche Kornpaarungsverhältnisse und Ablagerungsszenarien untersucht wurden. Aus Labor- und Modelldaten wurden empirische Beziehungen zwischen Korngrößenverhältnis, Übergangsschichtlänge und Porositätskennwerten abgeleitet. Diese Beziehungen für stratifizierte Systeme wurden anschließend mit bestehenden Random-Packing-Prädiktoren verknüpft, um den Einfluss der Stratifikation auf die Packungsporosität zu quantifizieren. Dabei zeigte sich, dass Stratifikation die Porosität im Durchschnitt um bis zu 57 % erhöhen kann – verglichen mit einem gut durchmischten Sediment gleicher Kornzusammensetzung. Abschließend wurde in einer morphodynamischen Fallstudie demonstriert, dass durch Imbrikation und Stratifikation bedingte Porositätsänderungen erhebliche Auswirkungen auf vorhergesagte Sohlenveränderungen haben können, was die Notwendigkeit unterstreicht, Struktureffekte in Modelle des Sedimenttransports einzubeziehen. Insgesamt liefert diese Arbeit die erste umfassende Quantifizierung porositätsbestimmender Effekte von Imbrikation und Stratifikation in fluvialen Sedimenten, entwickelt neue Mess- und Modellierungsansätze und etabliert empirische Prädiktoren, die die Genauigkeit der Porositätsschätzung in strukturierten Ablagerungen wesentlich verbessern.Sediment porosity is a key structural parameter governing hydraulic, geomorphological, ecological and geotechnical processes in fluvial systems. Despite its importance, commonly used porosity predictors rely almost exclusively on idealized, randomly packed grain arrangements and therefore fail to reproduce the porosity of natural sediments, which commonly exhibit internal structures such as imbrication and stratification. This dissertation quantitatively investigates how these two structural features modify pore architecture and porosity in granular riverbed sediments, with the overarching goal of improving porosity prediction for natural fluvial deposits. To analyse imbrication, a new CT-based workflow was developed that allows efficient, non-destructive determination of three-dimensional grain orientation within laboratory and field samples. A unified quantitative imbrication index was formulated, enabling comparison across datasets. Laboratory flume experiments with mono-sized ellipsoids demonstrated that increasing imbrication strength leads to a measurable but limited decrease in porosity (≈0.03 absolute) due to only slight enhancements in grain-scale organization. In contrast, field samples from the Buëch River showed that natural imbrication can reduce in-situ porosity by approximately 30% relative to the same material in a randomly packed state. This difference is attributed to the elimination of large, stable pores that arise from particle interlocking in natural sediments. The influence of stratification was investigated through a combination of non-destructive laboratory measurements and DEM-based numerical modelling. A novel experimental setup was developed to capture the vertical porosity distribution within stratified sphere packings, revealing characteristic transition layers in which porosity decreases and subsequently recovers. The experiments were used to calibrate and validate a DEM model, which enabled systematic exploration of particle-size ratios and depositional scenarios. From the combined laboratory and numerical datasets, empirical relationships were derived to predict transition-layer thickness, minimum porosity and average porosity as functions of grainsize ratio. These relationships for stratified systems were integrated with existing random-packing predictors to quantify the influence of stratification on packing porosity, revealing that stratification can increase porosity by up to 57% on average compared to a well-mixed sediment of identical grain composition. Finally, a morphodynamic modelling case study demonstrated that porosity reductions or increases induced by imbrication and stratification can substantially influence predicted bed-level changes, underscoring the importance of incorporating structural effects into sediment transport models. Overall, this research provides the first comprehensive quantification of porosity variations arising from imbrication and stratification in fluvial sediments, introduces new measurement and modelling tools, and establishes empirical predictors that significantly enhance the accuracy of porosity estimation in structured sediment deposits.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031448532
Interne Identnummern
RWTH-2026-04188
Datensatz-ID: 1033496
Beteiligte Länder
Germany
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