Fluvialgeomorfologi - 3. GEG2110 v2018

Transkript

1 Fluvialgeomorfologi - 3 GEG2110 v2018

2 Sedimentbudsjett Flux eller mengde inn Flux eller mengde ut Lager (kortere eller lengere sikt) Massebalanse! -?

3 Sedimentkilder forts. Fra nedbørsfeltet: overflateerosjon: wash load Wash load er materiale som på et sted IKKE går som bunntransport eller finnes i vesentlige mengder i bunnen Supply limited: vil transporteres uansett - om det først kommer i transport Fra elvekanalen(e): bed-material load; bunntransport eller suspensjonstransport alt ettersom Kornfordeling, dekksjikt, imbrikasjon, steinklynger, sortering (nedstrøms) Transport limited Fra elvebankene: Fluviale/alluviale? Kolluviale? Fra skråningsprosesser (alt mulig) Transport limited/supply limited - avhengig av kornstørrelse Små felt (under 10 km 2 ) kan ha downstream coarsening; tolket som debris flow-dominerte

4 Sedimentkilder forts. Geologisk historie avgjørende: Styrer type avsetninger (fra marin leire til grov ur) Styrer topografi og berggrunn: kolluvium Klima avgjørende: Skråningsprosesser Breer erosjon koblet (?) til elvekanalene Frost, permafrost: endret kanalgeometri, overflateavrenning; frostforvitring, destabiliserer elvebanker etc Cryo-conditioning (Berthling & Etzelmüller 2011) Avløpsregime (snø, flom, middelvannføring, tørke) Geomorfologiske (inkludert fluviale) prosesser avgjørende: Feedbackprosesser, organisering av kanalene

5 Wash load Norske forhold: Erosjon fra jordbruksareal etc Overflateerosjon fra morenemateriale (men hvor vanlig/viktig er det?) Nedskjæring i arvet geologisk materiale (inkludert raviner i marin leire, morenedekker osv.) Finmateriale fra glasial erosjon Skråningsprosesser (kobling et vesentlig spørsmål) Internasjonalt: Semiaride strøk, jorderosjon, løss-områder (Yellow river) Store elver med opphav i fjellområder

6 Sedimentkilder og prosesser Dråpeerosjon (splash erosion) Jordart Vegetasjon Type Dekningsgrad (jordbearbeiding) Frost Styrtregn Skråningsvask (sheet erosion)

7 Begrensninger for materialtransport Supply limited Sedimenttransporten i elva er begrenset av mengde og type materiale som tilføres elva Transport limited Sedimenttransporten er begrenset av elvas hydrauliske kapasitet/kompetanse til å transportere tilført sedimentmengde

8 Rette Meandrerende Forgreina Anastomose Hvorfor er disse elvene så ulike?

9 ..sagt om elver, deres morfologi og prosesser.. det som ser komplekst ut ved første øyekast fremstår ofte enda mer kompleks ved nærmere undersøkelser Rosgen (1994)

10 Fluvialgeomorfologi Uavhengige variable (styrt av klima og menneskelig aktivitet) Vannføring Sedimenttilgang (transport) Delvis avhengige variable Størrelse og friksjon fra partikler i transport Avhengige variable Dybde, bredde, hastighet, gradient, løpsmønster

11 Løpstype direkte påvirket av: Drivkrefter = Tyngdekraften Vannføring Gradient Gitt at alt annet er likt: høye verdier høy hastighet økt instabilitet (energien kan brukes til erosjon/endring) Elvas tilpasninger: Bredde-dybdeforholdet (tverrprofilet) Hydraulisk radius R h = A/W Samlet styrer dette stream power ω = ρgqs/w

12 Løpstype direkte påvirket av: Bredde dybde; forhold mellom disse (tverrprofil) Styrer hydraulisk radius ( R h = A/W) Vannføring og vannhastighet Gradient Alle disse er gjensidig avhengige av hverandre i varierende grad En endring i en av disse variablene vil føre til en endring i minst en av de andre, og på sikt medføre endringer i elvas løpsform

13 Effektiv (channel forming) vannføring (bankful discharge) Den mengde vann som elva kan transportere uten å gå ut over sine bredder Antas å være den vannføringen elva justerer sin dimensjon i forhold til.

14 Drivkrefter balanseres av friksjon Ruhet Kornstørrelse og sortering Bunnformer (riffle pool, step pool, banker ) Løpsform (forgreina, meandrerende) Vegetasjon Overskuddsenergi brukes på erosjon og transport oppstår under flom! Alle disse er gjensidig avhengige av hverandre i varierende grad En endring i en av disse variablene vil kunne føre til en endring i minst en av de andre, og på sikt medføre endringer i elvas løpsform

15 Elvas liv Samspill mellom en elvs form (tverrprofil, lengdeprofil, bunnformer, planform) og fluviale prosesser har over tid søkt å oppnå en dynamisk likevekt. Matematisk betyr det at endringsraten er 0 Elva har en stabil form samtidig som den er i kontinuerlig endring for å tilpasse seg eksterne variable Input = output Sedimentasjon = erosjon Stabilitet innebærer at elva returnerer til oprinnelig tilstand etter en forstyrrelse Likevekt betyr ikke ingen endring.

16 Dynamisk likevekt Rivers tend toward dynamic equilibrium, and more specifically, dynamic metastable equilibrium 1. the system (river) is more or less constantly changing (the dynamic part). 2. equilibrium is a state or condition the system settles into after a change or perturbation.. the response to the change has run its course relaxation time equilibrium 3. metastable means that these equilibrium states are not necessarily stable and self-maintaining, and may be sensitive to future disturbances even relatively small ones. Pinter s message is that dynamic equilibrium in rivers means that rivers are constantly changing.

17 Erosjon i elvebanker

18 Erosjon av elvebanker Materiale: partikkelstørrelse, lagdeling, pakking, kohesivitet. Vanligvis fluvialt/alluvialt Høyde i forhold til midlere vannføring/vannstand? Vinkel? Vertikale kohesive Vegetasjon? Armering, senker vannhastighet og skjærstress Frost? Stabiliseringstiltak?

19 Erosjon av elvebanker Hydrauliske forhold Hastighetsgradienter, yttersving Direkte erosjon + undergraving Kohesive banker Tørre forhold: vanskelig eroderbare Våte/frostaktivitet: lett eroderbare Massebevegelser Undergraving Strømningskrefter i grunn/markvann Frost, permafrost (thermokarst)

20

21 Tiltak

22 Elvebanker kan også være kolluviale

23 Skråninger kolluviale sedimenter (samme prinsippene om elva går nedskåret i alluviale/fluviale sedimenter) Elva kan ha direkte aksess til sedimentene:

24 Skråninger kolluviale sedimenter (samme prinsippene om elva går nedskåret i alluviale/fluviale sedimenter) Massebevegelser kan føre materiale til elva

25 Skråninger kolluviale sedimenter (samme prinsippene om elva går nedskåret i alluviale/fluviale sedimenter) Ofte transport limited

26 Beregning av variabler Sinuositet Elvas lengde / dalens lengde Nedkuttings ratio (entrenchment ratio) Flomutsatt bredde / Bankfull bredde Flomutsatt bredde = bredde ved vannstand = 2 x maksimum dybde (bankfull bredde) Gradient Vertikal avstand / horisontal avstand

27 Høy sinuositet (meandrerende)

28

29 Strømingsmønster meandersving

30

31

32 Temporær utvikling

33

34

35

36 Forgreinet

37 Begrep: Forgreinet ( braided ) elveløp

38

39

40

41

42

43

44 Hvorfor klassifisere elver? Utvikle en forståelse av hydrauliske forhold og sediment-transport for ulike typer elver Lage referanseramme for kommunikasjon mellom fagfolk Forutsi elvas oppførsel Konsekvenser av inngrep og klimaendringer Forvaltning og planlegging

45 Rosgen s (1994) klassifikasjonssystem - hovedvariable Lengdeprofil Dele elva opp i strekk med lik gradient Bunnformer, sedimenttransport og planform er styrt av gradienten Tverrprofil (både elvekanalen og områdene i umiddelbar nærhet (elveslette, terrasser)) Planform Rette, lav sinuositet, meandrerende, høy sinuositet) Materiale i elvebunn og elvebredd (kohesive, ikke kohesive) (altså ikke type sedimenttransport!).

46 Rosgen (1994) Trinn 1 Morfologisk karakterisering Inndeling i helningsklasser er basert på empirisk sammenheng mellom bunnformer og gradient

47 Rosgen (1994) - bunnmateriale

48 Kohesive sedimenter og tverrprofil

49

50 Source to sink (M & B)

51 Montgomery and Buffington (1993, 1997) Utviklet for bratt terreng (som Norge) Basert på storskala bunnformer og ruhet Interaksjon mellom hydraulikk (energi), sedimenttransport og bunnformer.

52 Forenklet M & B klassifikasjon

53

54 Fra: Treatise on Geomorphology (J. Shroder, ed.)

55 Temporære endringer i fluviale systemer..the fluvial system is a physical system with history (Schumm 1977) The ability to interpret the past is partly dependent on the level of understanding of the present (Knighton 1998)

56 Variasjon i tid og room Hvordan får vi slike data?

57

58 Endringer, årsaker og skala Lang klima, tektonikk og erosjonsnivå Medium (postglasiale) menneskelig aktivitet økt viktighet klimasvingninger og endring i havnivå (landheving) Kort menneskelig aktivitet! ekstreme hendelser

59 Reaction and relaxation Reaksjonstid Tiden det tar for et geomorfologisk system å reagere på en varig endring i ytre forhold (eks klimaendring) Økt nedbør Økt sedimenttilgang og vannføring Relaxation (avspenning) Tiden det tar for et system å tilpasse seg en varig endring i ytre forhold.

60 Fig. 2. The hypothetical trajectory of fluvial metamorphosis following dam closure. Change from the natural regime state (N) to the adjusted regime state (A) passes through the relaxation period (Rl) comprising a reaction phase (Ra) and an adjustment phase (Ad). The relaxation period comprises a sequence of transient states. These include an accommodation state (S), in which regulated flows are accommodated within the inherited channel form, and changed channel states (here, C1 3) adjusted to the regulated flow and changing sediment loads as the adjustment process conveys sediments through the downstream sequence of regulated reaches (Petts and Gurnell 2004)

61 Disse avhenger av Systemets robusthet (evne til å motstå endringer) En elv med sandbunn vil være mindre motstandsdyktig enn en med store steiner, eller i fast fjell. Systemets kompleksitet Avhengig av systemets evne til å overføre impulser koblinger i systemet. Eks. tilstedeværelse av en innsjø vil dempe forstyrrelsen Endringens størrelse og retning Ulik respons på 10% økning vs reduksjon i vannføring Energitilstanden i miljøet Sideelver med variabel vannføring og sterk kobling mellom skråning og elv vil kunne være mer responsiv.

62 Effekten av ekstreme hendelser

63 Istidene i Norge, da spesielt den siste, har hatt stor betydning for fluvial erosjon, transport og avsetting, og gitt en tidsavhengig utvikling av fluvialgeomorfologien. På hvilken måte? Nevn 3 viktige faktorer! Gradient Sedimenttilgang: paraglasial justering Landheving

64 Konsekvenser av dambygging Det bygges en dam for produskjon av vannkraft i en elv. Hva slags konsekvenser dette kan medføre for det fluviale systemet?

65 Kanalisering/utretting av elveløp Hva slags effekter og konsekvenser kan utretting og kanalisering av elveløp gi?

66 Streamway Concept

67 Drainage Area 30 sq. mi. Streamway 120 * DA 0.43 = 518 ft Salt Creek Vinton County, Ohio