Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A hazai folyórendszerek az elmúlt évszázad során jelentős átalakuláson mentek keresztül. A nagy-, közép- és kisvízi szabályozási beavatkozások – például a partok stabilizálása, folyószabályozási művek építése, kanyarulat-átvágások, ipari kotrások – számottevő antropogén terhelést jelentettek. A befogadó tanszék kutatásai egyértelműen kimutatták, hogy ezen beavatkozások következtében hazai folyóink medrei mélyültek, ami számos vízgazdálkodási problémát eredményezett. Ide tartozik a folyómenti talajvízszintek süllyedése, a hajózási feltételek romlása, a gravitációs vízkivételek lehetőségének csökkenése, valamint bizonyos helyeken az árvízkockázat növekedése is.
A kedvezőtlen hidromorfológiai változások miatt elengedhetetlenné vált a folyómedrek helyreállítása, amelynek célja olyan, hosszú távon fenntartható folyógazdálkodási megoldások kialakítása, amelyek megfelelnek a jelenkori társadalmi, gazdasági és környezeti elvárásoknak. A lehetséges beavatkozások közé tartozik például a korábban átvágott kanyarulatok visszaállítása, a mellék- és holtágak újbóli összekapcsolása a főmederrel, a partvédő művek eltávolítása vagy átalakítása, illetve a szabályozási művek átépítése. Ezen megoldások megtervezéséhez olyan tudományosan megalapozott vizsgálatok szükségesek, amelyek képesek előrejelezni a várható áramlási és mederváltozási folyamatokat.
A jelen kutatás fő célja, hogy hazai viszonylatban elsőként, mozgómedrű laboratóriumi fizikai kismintamodellezéssel vizsgáljon folyóhelyreállítási beavatkozásokat modern mérési technológiák alkalmazásával, és ezzel párhuzamosan korszerű numerikus modellezéssel is elemezze a morfodinamikai folyamatokat. A két módszer kombinációja különösen értékes, mivel az egyszerűsítések és torzítások mindkét megközelítésben eltérőek. A fizikai modellnél elkerülhetetlen a méretarányból fakadó torzulás, ún. méretarány hatás (scaling effect) megjelenése, ugyanakkor előnye, hogy a kísérletek valós környezetben, vízzel és hordalékkal zajlanak. A számítógépes modell ezzel szemben tetszőleges méretarányban felépíthető, így lehetőség nyílik mind a prototípus, mind a kisminta léptékének vizsgálatára. Ugyanakkor a numerikus hordaléktranszport-modellek az áramlásokat leíró fizikai egyenleteket közelítő módon oldják meg, továbbá túlnyomórészt empirikus hordalék-képletekre épülnek, amely bizonytalanságot visz az eredményekbe.
A két módszert párhuzamosan alkalmazva és összekapcsolva lehetőség nyílik:
• a numerikus modellek bizonytalanságának csökkentésére,
• a hordalékmozgást leíró tapasztalati összefüggések finomhangolására,
• a kismintamodellezés során fellépő torzítások szisztematikus számszerűsítésére,
• valamint a korszerű folyóhelyreállítási beavatkozások hatásainak megbízható előrejelzésére.
A kutatás során a jelölt az alábbi feladatokat látja el:
• A mozgómedrű kismintamodellezés szakirodalmának feltárása, különös tekintettel a hazai nagy folyókra (pl. Duna, Tisza) alkalmazható modelltörvényekre, torzítási jelenségekre és korszerű vizsgálati módszerekre.
• Közreműködés egy reprezentatív folyóhelyreállítási beavatkozási esettanulmány kiválasztásában, valamint a hozzá tartozó fizikai kismintamodell megtervezésében. A feladat részét képezi a méretarány megválasztása, a hordalékanyag kiválasztása, a mérési technikák (akusztikus és optikai módszerek) specifikálása, és a modell elrendezésének kialakítása a befogadó tanszék hidraulikai laboratóriumában.
• A kismintamodell-kísérletek végrehajtásában való aktív részvétel, beleértve az áramlási, hordalékmozgási és medermorfológiai mérések elvégzését korszerű, akusztikus és képalapú technológiák alkalmazásával, valamint az adatok feldolgozását és értékelését.
• Háromdimenziós numerikus modell felépítése az esettanulmány vizsgálatára, és morfodinamikai szimulációk végrehajtása mind a kisminta, mind a prototípus méretarányában. Ennek során a jelölt feladata a megfelelő modellrendszer kiválasztása (pl. RANS-alapú modell), a paraméterezés, kalibráció, verifikáció, valamint különböző beavatkozási forgatókönyvek szimulációja.
• A fizikai és numerikus vizsgálatok integrált értékelése és az alábbi kérdések megválaszolása:
◦ a méretarányból eredő torzítások szisztematikus számszerűsítése,
◦ a numerikus modellben alkalmazott hordalékvándorlási összefüggésekből adódó bizonytalanságok feltárása,
◦ a fizikai és numerikus modell kombinált alkalmazásából származó módszertani előnyök kimutatása a folyóhelyreállítási beavatkozások megbízhatóbb értékelése érdekében.
***
Over the past century, Hungarian river systems have undergone substantial morphological and hydrological changes. High-, mean-, and low-flow regulation measures, such as bank stabilisation, river training structures, meander cut-offs, and industrial dredging, have imposed significant anthropogenic pressures on the rivers. Research conducted at the host department has clearly demonstrated that these interventions have led to progressive channel incision in several Hungarian rivers. This phenomenon has resulted in a range of water-management problems, including declining groundwater levels, deteriorating navigation conditions, reduced opportunities for gravity-based water abstraction, and in some locations even increased flood risk.
Due to these adverse hydromorphological impacts, the restoration of rivers has become essential. The overarching goal is to design long-term sustainable river-management solutions that meet current societal, economic, and environmental expectations. Potential restoration measures include the re-establishment of artificially cut-off meanders, the reconnection of side channels and oxbows to the main channel, the removal or modification of bank protection structures, and the redesign of river training works. The planning of such interventions requires scientifically sound analyses capable of predicting future flow patterns and channel-morphological responses.
The primary aim of the proposed research is to, for the first time in Hungary, investigate river-restoration measures using mobile-bed laboratory physical modelling combined with state-of-the-art numerical morphodynamic simulations. The combination of these two approaches is particularly valuable, as their assumptions and simplifications differ fundamentally. Physical modelling inevitably introduces scaling effects, yet it has the advantage of reproducing real processes with water and sediment. In contrast, numerical models can be constructed at any scale (prototype or laboratory), but they rely on approximate solutions of the governing hydrodynamic equations and largely on empirical sediment-transport formulas, which introduce uncertainties into the results.
By applying both methods in parallel and integrating their outcomes, the research enables:
• the reduction of uncertainties associated with numerical modelling,
• the refinement and calibration of empirical sediment-transport equations,
• the systematic quantification of scaling effects inherent to physical modelling,
• and the reliable assessment of river-restoration measures based on combined insights from both approaches.

Tasks of the PhD Candidate:
The candidate will carry out the following tasks:
• Conduct a comprehensive literature review on mobile-bed physical modelling, with particular emphasis on scaling laws, distortion effects, and advanced measurement techniques relevant to large Hungarian rivers (e.g., the Danube and Tisza).
• Contribute to the selection of a representative river-restoration case study and to the design of the corresponding physical model. This includes the determination of the scale ratio, the choice of sediment material, the specification of acoustic and optical measurement methods, and the development of the model layout in the hydraulic laboratory of the hosting department.
• Participate actively in the execution of physical model experiments, including flow, sediment-transport, and bed-morphology measurements using modern acoustic and image-based techniques, as well as the processing and interpretation of experimental data.
• Develop a three-dimensional numerical model for the selected case study and conduct morphodynamic simulations at both physical-model and prototype scales. Tasks include choosing an appropriate modelling framework, parameterisation, calibration, verification, and the simulation of alternative intervention scenarios.
• Integrate and evaluate findings from the physical and numerical investigations, addressing the following key questions:
◦ quantitative assessment of scale effects in the physical model,
◦ identification and quantification of uncertainties arising from sediment-transport formulas in the numerical model,
◦ demonstration of the methodological advantages obtained by combining physical and numerical modelling for the evaluation of river-restoration measures.