Investigating the influence of vegetation on hydraulic loads on dikes

Mozer, Anne; Fröhle, Peter; Schüttrumpf, Holger

doi:HT031528051

Investigating the influence of vegetation on hydraulic loads on dikes

Mozer, Anne^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anne Mozer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH* ; Fröhle, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06482
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038374/files/1038374.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)471796635 - Der Einfluss der Vegetationseigenschaften auf schießende Luft-Wasser-Strömungen (V-A-W-Flow) (471796635) (471796635)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aerated flows (frei) ; dike (frei) ; erosion (frei) ; hydraulic loads (frei) ; overflow (frei) ; vegetation (frei) ; wave impact (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Begrünte Deiche stellen eine vielversprechende naturbasierte Lösung für den multifunktionalen Hochwasserschutz dar, da sie eine Verringerung der hydraulischen Belastung durch erhöhte Rauheit, Belüftung und Energieableitung mit einer verbesserten Erosionsbeständigkeit sowie Vorteilen für die Biodiversität verbinden. Allerdings sind die Planungsrichtlinien nach wie vor begrenzt, da noch nicht vollständig untersucht ist, wie Vegetationseigenschaften wie Höhe, Biegeverhalten, Wurzeldichte, Bedeckungsgrad und Artenvielfalt mit den Auswirkungen von überkritischem Überströmen und brechenden Wellen interagieren. In dieser Arbeit wurden drei sich ergänzende experimentelle Ansätze im Labor- und Feldmaßstab genutzt: (i) kontrollierte Überströmversuche auf Kunstrasen (15 – 40 mm Höhe); (ii) natürlichem Rasen (3 – 12 cm Höhe) auf einer 18°-Böschung, um realistische Biege-, Schwankungs- und Belüftungsbedingungen zu erfassen; und (iii) In-situ-Wellendruckschlagsimulationen auf einem Prototyp-Seedeich mit Standardgras und artenreichen Gräsern auf sandigen und nährstoffarmen Böden, um die Widerstandsfähigkeit verschiedener Vegetationsarten gegen Wellenbelastung zu erfassen. Wichtige Erkenntnisse zeigen, dass Vegetation die hydraulische Belastung während des Überströmens erheblich mindert: Höhere Vegetation verschiebt den Beginn der Lufteinschlüsse stromaufwärts, erhöht die durchschnittliche Luftkonzentration (auf bis zu 18 %) und den Blaseneintrag in die Wassertiefe (mit Spitzenwerten bei y/y90 ≈ 0,75 – 0,99). Die Restenergiehöhe konnte bei moderaten Abflüssen (q = 0,027 – 0,18 m²/s) um bis zu 90 % reduziert werden, vergleichbar mit der Energiedissipation auf gestreppten Gerinnen. Biegeverhältnisse (hd/hi ≈ 0,4 – 0,94) und Schwankungsbewegungen beeinflussen die effektive Rauheit (fe = 0,08 – 2,4) der Vegetation. Es wurden empirische Beziehungen zwischen hd/hi und der Froude-Zahl, dem Verhältnis zwischen Vegetationshöhe und Wassertiefe, und den Eigenschaften der Vegetation formuliert. Darüber hinaus erhöht die Belüftung die Fließtiefe, was zu einer Unterschätzung der Fließgeschwindigkeiten um 6 – 22 % führt, sodass für genaue Geschwindigkeitsberechnungen die Reinwassertiefe erforderlich ist. Es wurden Gleichungen formuliert, die die belüftete Strömungstiefe und die Strömungsgeschwindigkeit auf bewachsenen Böschungen vorhersagen. Bei wiederholtem Wellendruckschlag (kumulativer Druck bis zu 1126 kPa) werden Erosionstiefen und -volumina durch Wurzeldichten >15 kg/m³ in den oberen 10 cm, hohe Bedeckungsgrade (>70 %) und gröbere Böden (geringer Feinkornanteil <5 %) minimiert. Biodiverse Mischungen weisen nach ihrer Etablierung eine vergleichbare Widerstandsfähigkeit wie herkömmliches Gras auf, ohne dass es zu einem Kompromiss zwischen Biodiversität und Stabilität kommt, da eine höhere Krautvielfalt mit dichteren Wurzeln korreliert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Vegetation als expliziter Gestaltungsparameter: Eine dichte Vegetationsdecke kann dazu beitragen, Schäden durch Überströmung zu verhindern. Darüber hinaus sind stabile Wurzeln und eine dichte Vegetationsdecke für die Widerstandsfähigkeit gegen Wellendruckschlag unerlässlich. Durch die Quantifizierung dieser Prozesse liefert die Dissertation eine Grundlage für zuverlässige, ökologisch verbesserte Deichkonstruktionen, die klimabedingten Extremereignissen widerstehen.

Vegetated dikes represent a promising nature-based solution for multifunctional flood protection, combining hydraulic load reduction through enhanced roughness, aeration, and energy dissipation with improved erosion resistance and biodiversity benefits. However, quantitative design guidance remains limited due to an incomplete understanding of how vegetation properties, such as height, bending behaviour, root density, coverage, and species diversity, interact with supercritical-overflow and breaking-wave impacts. This thesis synthesizes three complementary experimental approaches across laboratory and field scales to address these gaps: (i) controlled overflow tests on artificial turf (15 – 40 mm heights) to isolate stem-scale hydraulics; (ii) natural grass (3 – 12 cm heights) on an 18° embankment to capture realistic bending, swaying, and aeration; and (iii) in situ wave-impact simulations on a prototype sea dike with standard grass, herb-rich biodiverse mixtures, and hay-based covers over sandy and nutrient-poor soils to investigate the resistance of vegetation against wave impact loads. Key findings reveal that vegetation substantially mitigates hydraulic loads during overflow: taller vegetation shift the air entrainment inception point upstream, increase mean air concentrations (up to 18 %) and bubble penetration (with peaks at y/y90 ≈ 0.75 – 0.99), and reduce residual specific energy by up to 90 % at moderate discharges (q = 0.027 – 0.18 m²/s), often matching stepped spillways. Bending ratios (hd/hi ≈ 0.4 – 0.94) and swaying motions affect effective roughness (fe = 0.08 – 2.4). Empirical relations linking hd/hi to Froude number, submergence, and stem properties were formulated. Furthermore, aeration bulks flow depths resulting in an underestimation of flow velocities by 6 – 22 %, necessitating clear-water equivalents for accurate velocity and shear estimates. Equations were formulated that predict the flow depth under bulking and the flow velocity on vegetated embankment. Under repeated wave impacts (cumulative pressures up to 1126 kPa), erosion depths and volumes are minimized by root densities >15 kg/m³ in the top 10 cm, high coverage (>70 %), and coarser soils (low fines <5 %); biodiverse mixtures yield comparable resistance to conventional grass once established, with no systematic biodiversity-stability trade-off, as higher forb diversity correlates with denser roots. These results underscore vegetation as an explicit design parameter: dense cover of vegetation can help prevent damage due to overflow. Furthermore, stable roots and dense cover are essential for impact resistance. By quantifying these processes, the thesis provides a foundation for reliable, ecologically enhanced dike designs resilient to climate-driven floods.

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