The fluvial morphology of a river channel is a function of the river’s hydrologic and sediment regime. Within-channel river benches are a fluvial feature widely identified in the international literature as geomorphically and ecologically important. Despite this recognition the relationship between bench morphology and the flow regime is poorly understood. The aim of this thesis is to identify the components of the flow regime responsible for the formation and destruction of within-channel benches. / Opinions on the formative flows for benches are highly varied with reports that benches are formed by flows which just inundate the bench; to low-flow periods and sub-bankfull flows; bankfull flows and the annual flood; and moderate, medium and catastrophic sized floods. A large body of research also treats benches as a static morphology. Opinions on destructive flows are similarly varied. There is little empirical evidence for these suggestions. / A bench is most commonly referred to as comprising a horizontal (planar) surface which results from within-channel deposition, but the term is also used to describe bars, floodplains and erosional features. The inability of researchers to agree on the relationships between bench morphology and river hydrology is influenced by the lack of a consistent definition and classification for benches. To adequately address the aim this thesis is presented in two parts: Part A addresses bench nomenclature and provides a sound basis for Part B which addresses the processes of bench formation and destruction. (for complete abstract open document)

Over the last century, the construction and management of large dams and stream-flow diversions, and periodic drought have resulted in significant declines in stream flow of the lower Rio Grande in the Big Bend region. Reductions in mean annual flow and peak discharge have resulted in channel narrowing by the formation of vertically accreting inset floodplains. Narrowing has been temporarily interrupted by infrequent large dam releases greater than 1000 m3/s that have temporarily widened the channel; however, after each of these events, narrowing has resumed. Prior to 1942, floods of this magnitude occurred approximately once every 4 years and maintained a wide sandy channel. Since 1942, they have occurred 4 times. The decline in frequency of these large floods has resulted in a channel approximately 50% narrower than in the 1940s. Since the most recent channel widening floods in 1991, the channel has narrowed between 35 and 50%. In two large floodplain trenches, we observed between 2.75 and 3.5 m of vertical accretion during the same period. Additionally, nearly 90% of bare active channel bars have been converted to vegetated floodplains. Since 1991, the cross section channel area at the Johnson Ranch gage has decreased by approximately 30%. The reduction in cross section area and the invasion of non-native vegetation have resulted in higher flood stages, flooding at lower discharges, and continued vertical accretion. Channel narrowing has negatively impacted the native and endemic aquatic ecosystem through the loss of ecologically important habitats such as backwaters, side channels, and low velocity portions of the channel. Reductions in cross section area and resultant increased flood stages have also endangered historic cultural sites within the Big Bend region. Restoration efforts are currently underway within the region without a clear understanding of these historical channel changes and why they occurred. Our reconstruction of historical channel changes shows that the most significant periods of channel narrowing occurred during drought and increased stream-flow management. Management practices also appear to have enabled the invasion of non-native riparian species, which promoted sedimentation, bank stabilization, and additional channel narrowing. In order to restore historical measures of channel width, management options include non-native vegetation removal, common low magnitude dam releases that provide flood disturbance and prevent vegetation establishment, and large dam releases in excess of 1000 m3/s that create and maintain a wide channel. Vegetation management is expensive; and time consuming, and managed dam releases are politically unpopular and expensive, however, without the management of non-native riparian species and reinstatement of portions of the historical flood regime, ecological restoration will be difficult.

Damming disrupts natural sediment flow to downstream resulting in legacy sediment accumulation. Legacy sediments have been well investigated in streams throughout the Piedmont region; however, there is no research of legacy sediments following dam removal in low-gradient Coastal Plain streams. Research objectives were to: characterize legacy sediments in a low-gradient stream restoration, quantify pre-impoundment accretion and carbon dynamics, and assess current sediment deposition rates via 14C analyses within sediment cores and sediment collection tiles. Carbon accumulation and accretion rates of modern tidal sediment have reached that of the tidal relic benchmark and current sediment deposition rates are similar between the natural reference and restored tidal wetlands. At this site, the pattern of legacy sediment accumulation and stream incision was reversed relative to previous studies in higher gradient systems. Results suggest in dam impacted Coastal Plain streams, legacy sediment may become a benefit rather than a liability for downstream tidal wetlands.

Die Anpassung von Küstenniederungen, Seemarschen und Inseln an klimatische Veränderungen und einen steigenden Meeresspiegel ist eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu eingedeichten Küstenmarschen und Inseln besitzen tidebeeinflusste Seemarschen ein natürliches Anpassungspotential an sich verändernde hydrologische Rahmenbedingungen. Überflutungsabhängige Sedimenteinträge führen zu einem Anwachsen der Marschoberfläche und kompensieren somit einen Anstieg des Meeresspiegels. Die 10 verbliebenen nordfriesischen Halligen (Schleswig-Holstein, Deutschland) (Kapitel 1) sind bewohnte Inselmarschen, welche aufgrund ihrer anthropogenen Überprägung von naturbelassenen Seemarschen unterschieden werden müssen. Diese umfasst z.B. den Bau von flachen Sommerdeichen und Sielanlagen. Inwiefern sich diese Veränderungen auf die Sedimentdynamik der Marschen auswirken, ist bislang unzureichend belegt, was eine fundierte Diskussion bezüglich zukünftiger Entwicklungsperspektiven der Halligmarschen verhindert. Die vorliegende Arbeit ist dazu angelegt, diese Wissenslücke zu schließen. Sie untersucht das vertikale Marschwachstum exemplarisch auf den Halligen Hooge, Langeneß und Nordstrandischmoor und beurteilt deren Anpassungsvermögen an einen steigenden Meeresspiegel. Darüber hinaus werden zukünftige Entwicklungsperspektiven diskutiert. Um Faktoren und Prozesse, welche maßgeblich die Sedimentdynamik der Halligen beeinflussen, messbar zu machen, musstengeeignete Methoden entwickelt und angewendet werden. Zur Berechnung jährlicher Überflutungshäufigkeiten wurden Pegelschwellenwerte für Überflutungsereignisse auf Basis von digitalen Geländemodellen (DGMs) und d-GPS (differential global positioning system) Messungen errechnet und auf die verfügbaren, regionalen Pegeldaten angewendet (Kapitel 2). Sedimentfallen, bestehend aus LDPE (low density polyethylene) Flaschen (1 Liter) und Kunstrasenmatten (20 x 30 cm), bilden die Grundlage einer dreijährigen (November 2010 – März 2013) Feld- und Laborstudie zur zeitlichen und räumlichen Erfassung der sturmflutabhängigen Sedimentdeposition (Kapitel 3). Durch die Verwendung regionaler bodenphysikalischer Parameter (Lagerungsdichte und Gehalt an organischer Bodensubstanz) können Depositionsraten in eine vertikale Wachstumskomponente transformiert werden. Dazu werden Ergebnisse einer Rammkernsondierung genutzt, welche 12 Sedimentkerne mit einer Länge von maximal 100 cm umfasst. Die Sedimentbohrkerne sind weiterhin die Grundlage für eine 137Cs- und 210Pb-Datierung. Die Kombination beider Datensätze (Kapitel 4) ermöglicht einen schlüssigen Vergleich der Marschentwicklung seit dem Jahr 1915 mit regionalen Pegeldaten und Projektionen des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs. Die Analyse der verfügbaren Pegeldaten (Kapitel 2) zeigt eine hohe Variabilität der jährlichen Überflutungshäufigkeiten. Das zehnjährige Mittel eintretender Ereignisse beträgt 2 Überflutungen auf Hooge, 9 – 10 Überflutungen auf Langeneß und 15 Überflutungen auf Nordstrandischmoor. Aufgrund der künstlichen Überhöhung der Marschkante durch Sommerdeiche mit + 1.54 m ü. mittlerem Tidehochwasser (MThw) auf Hooge und + 0.98 m ü. MThw auf Langeneß werden die betreffenden Halligen lediglich bei selten eintretenden Sturmflutereignissen überflutet. Die Höhe des wasser- und sedimentundurchlässigen Steinpflasters auf Nordstrandischmoor beträgt lediglich + 0.7 m ü. MThw. Die methodischen Untersuchungen bezüglich der Nutzung von Sedimentfallen (Kapitel 3) zeigen, dass beide Typen von Sedimentfallen vergleichbare Ergebnisse liefern. Oberhalb einer Depositionsrate von ~ 2.0 kg/m2 sinkt das Rückhaltevermögen der Kunstrasenmatte im Vergleich zur LDPE Flasche deutlich ab. Die parallele Nutzung beider Fallentypen, insbesondere wenn die Depositionsraten den Schwellenwert (~ 2.0 kg/m2) nicht überschreiten, erlaubt: (1) Die Überprüfung, ob beide Datensätze konsistent sind. (2) Die Identifizierung von Ausreißern. (3) Eine Abschätzung, ob Sediment auf oder in der Sedimentfalle nach der Überflutung remobilisiert wird. Um die Sedimentdeposition in eine vertikale Wachstumsrate zu übersetzen, muss die mittlere Bodendichte als auch der Gehalt an organischer Bodensubstanz des Marschbodens berücksichtigt werden. Die Bohrkernuntersuchungen zeigen, dass diese bodenphysikalischen Parameter auf den unterschiedlichen Halligen stark variieren. Marschen, die häufig überflutet werden lagern weniger organisches Material im Oberboden ein als selten überflutete Marschen. Niedrige Gehalte an leichten organischen Materialien geringer Dichte resultieren wiederum in einer höheren Lagerungsdichte des Marschbodens (Hooge 0.64 g/cm3, Langeneß 0.67 g/cm3, Nordstrandischmoor 0.83 g/cm3). Autochthones organisches Material (welches primär von der Halligvegetation stammt) trägt mit einem Anteil von 9.0 ± 1.4 % (Hooge) bis 21.4 ± 6.6 % (Nordstrandischmoor) zum Marschwachstum bei. Die Ergebnisse der Sedimentfallenuntersuchungen als auch der Datierungen zeigen deutlich ein Ungleichgewicht zwischen Marschwachstum und Meeresspiegelanstieg seit Beginn des 20. Jahrhunderts. Die langjährigen Wachstumsraten, basierend auf der 210Pb-Datierung, liegen mit 1.0 ± 0.3 mm/a auf Hooge, 1.2 ± 0.3 mm/a auf Langeneß und 2.6 ± 0.9 mm/a auf Nordstrandischmoor deutlich unterhalb des MThw-Anstiegs von 5.0 ± 0.3 mm/a (1951 – 2011, Wyk auf Föhr). Projektionen des Meeresspiegelanstiegs bis zum Jahr 2100 (Berechnet durch das fwu, Siegen) weisen darauf hin, dass extreme Wasserstände (höchste, jährliche Tidehochwasserstände, HThw, 6.6 ± 3.8 mm/a) deutlich schneller ansteigen werden als das MThw oder der mittlere Meeresspiegel (2.6 ± 0.4 mm/a). Aufgrund dieser Beobachtungen ist von einem zukünftigen Anstieg des Gefährdungspotentials für die Halligen auszugehen, wenn es nicht gelingt, ein sedimentologisches Gelichgewicht zwischen Meeresspiegel und Marschwachstum herzu stellen. Der Anstieg der Wellenhöhe und Periode, aufgrund von steigender Wassertiefe und einer geringeren Wellentransmissionsrate an den Sommerdeichen, resultiert in einer steigenden hydrodynamischen Belastung der Warften und der Marschoberfläche. Das sedimentäre Ungleichgewicht, besonders auf Hooge und Langeneß, kann eindeutig auf das hydrologische Management der Halligen zurückgeführt werden. Aus sedimentologischer Sicht sind die beiden Hauptkritikpunkte (1) die geringe Anzahl an Überflutungen aufgrund der Deichanlagen und (2) der eingeschränkte Transport suspendierter Feststoffe über die Binnenpriele. Letzteres resultiert aus der Blockade der Binnenpriele durch Sielanlagen und führt zu einer Abnahme der Sedimentdeposition mit zunehmender Entfernung zur Uferlinie. Um dem Ungleichgewicht zwischen Marschwachstum und Meeresspiegelanstieg entgegenzuwirken, ist es dringend erforderlich, neue Managementstrategien für die Halligen zu entwickeln (Kapitel 6), welche sedimentologische/geomorphologische Aspekte sowie die speziellen Bedürfnisse der Halligbevölkerung gleichermaßen berücksichtigen. Letztere beinhalten die Minimierung ökonomischer Schäden wie etwa Einschränkungen der landwirtschaftlichen Nutzung oder des Tourismus. Mögliche Szenarien können ein Abflachen der bestehenden Deiche oder deren Rückbau und Erneuerung durch wasser- und sedimentdurchlässige Rauhstreifen (z.B. Elastocoast®, BASF) beinhalten. Weiterhin erscheint die Reaktivierung der blockierten Binnenpriele eine plausible Maßnahme zu sein. Erste Freilandexperimente auf Hallig Langeneß (Kapitel 5) belegen einen erhöhten Sedimenttransport in die Binnenmarsch aufgrund geöffneter Sielanlagen in Verbindung mit Windstau (Thw-Ereignisse über Springtideniveau). Ob die generelle Umsetzung derartiger Maßnahmen möglich ist, ist in erster Linie davon abhängig, ob die Halligbevölkerung derartigen Veränderungen ihrer Umwelt aufgeschlossen gegenübersteht und diese lokalpolitisch getragen werden. Auf jeden Fall ist ein Umdenken dahingehend erforderlich, die halligtypischen Überflutungen (Land-Unter) nicht ausschließlich als Bedrohung zu verstehen. Sie sind ein natürliches Phänomen, welches notwendig ist, um das Gleichgewicht zwischen Meeresspiegelanstieg und Sedimentdeposition aufrechtzuerhalten.