Fluvialgeomorfologi. GEG2110 vår 2018

Transkript

1 Fluvialgeomorfologi 1 GEG2110 vår 2018

2 Det fluviale systemet Prosess respons system

3 Hvor kommer elvas energi fra? Potensiell energi (PE) Energi et legeme har i kraft av sin masse og høyde over et referansenivå. Jo høyere desto mer energi PE=mgh (m = masse, h er høyde over referansenivå) Potensiell energi tilføres vannet gjennom fordampingsprosessen og heving av luftmasser der vannet blir transportert til værs.

4 Bevegelsesenergi (KE) Oppstår når potensiell energi omdannes til bevegelsesenergi KE = (1/2)mv 2 (v er hastighet) Hastighet varierer Med avstand fra bunn På tvers av strømmen Langs lengdeprofilet Med tid Turbulens (sekunder) Endring i vannføring

5 Termisk energi? Hva brukes energien på? Arbeid!: Skjær og turbulens Friksjon mot bunnen Erosjon Transport Termisk energi kan ikke utføre mekanisk arbeid direkte

6 Vann et viskøs materiale Viskøse materialer er materialer som ikke kan motstå stress (belastning), men vil endre form selv ved små belastninger Vann har lav viskositet dvs. store endringer i form ved liten belastning. Sirup er en viskøs væske med høy viskositet).

7 Klassifisering av strømning Uniform/variert strømning Hastigheten er konstant/varierer i elvas lengdeprofil (tid konstant) Stabil/ustabil strømning Hastigheten er konstant/variabel i tid (sted konstant) Laminær strøm Vannpartiklene følger parallelle baner (Re < 500) (forkommer sjelden i naturen) Turbulent strøm Vannpartiklene krysser hverandres baner (Re>2500) Re= vr / hvor v = hastighet, R = hydraulisk radius, = vannets tetthet, = viskositet Subkritisk strøm Superkritisk strøm

8 Forholdet mellom drivkrefter og friksjonskrefter bestemmer vannets hastighet Drivkrefter - Gravitasjonen Akselererer vannet avhengig av gradient og mengde vann Friksjonskrefter Friksjon mellom vannmolekyler og mellom vann og elvebunn bredd. Egenskaper ved bunnmaterialet (kornstørrelse, pakking, kohesjon, vegetasjon etc)

9 Skjærstress Gravitasjonskraftens komponent parallelt med elvebunnen midlet over elvebunnen blir: g = gds er vannets tetthet (normalt = 1) g er tyngdekraftens akselerasjon (9.8 ms -2 ) d er elvas midlere dybde S er helningsgradient

10

11 Faktorer som skaper friksjon Bunnmateriale (relativ ruhet d/d) d er midlere kornstørrelse d50 D er vanndyp Bunnformer Riffler, dyner, step-pools, stone clusters Kanalform Bølger etc Vegetasjon

12 Ruhetsligninger Manning (1889) V = (1 /n)(r h ) 2/3 S 1/2 R er hydraulisk radius R = A/W A Tverrsnittsareal W våt omkrets S er gradient N er ruhetsfaktor Formål: Beregne vannhastigheten ut fra enkle parametre (målinger)

13 Hydraulisk radius Beregn R for følgende situasjoner: 1: Kanal, halvsirkelformet, r=2 2: Kanal, rektangulær: bredde = 4, d=2 3: Kanal, rektangulær: bredde = 80, d=0,1 Beregn v for (1,2,3) ved Mannings formel dersom alle andre parametre er like V = (1 /n)(r h ) 2/3 S 1/2 =k R h 2/3

14 Erosjon og transport Hvilke faktorer bestemmer en elvs evne til å erodere og transportere (utføre arbeid)

15 Løsmasse eller berggrunn? Forholdene som avgjør erosjon i løsmasser og berggrunn er i utgangspunktet svært forskjellige Løsmateriale: skjærstress, løft.. : krefter ved bunnen rive løs enkeltpartikler Berggrunn: avhengig av tools bunntransport! Fortsetter med løsmateriale-elver denne og neste forelesning Berggrunn 3 eller 4 forelesning

16 Hjulstrøms kurve

17 Begrensninger ved Hjulstrøms kurve Tar ikke hensyn til kornform Diskformede partikler er vanskeligere å sette i bevegelse enn runde og stavformede Tar ikke hensyn til pakking/fabric av bunnsedimentet Tar ikke hensyn til vanndyp som er en viktig faktor for skjærstress ved bunnen Veldig illustrativ og lettfattelig men bør være forsiktig med å bruke Hjulstrøms kurve i praksis.

18 Sedimenttransport Flytende

19 Betydning av bunntransport The bed load fraction of the total sediment load is most influential in channel forming processes and effective discharge (Emmett and Wolman, 2001). Effective discharge is that stream discharge that transports the most sediment over time (Wolman & Miller, 1960)

20 Bunntransport styres av Vannet/strømningen: Skjærstress Løft som skyldes hastighetsforskjell mellom vannet som strømmer over og det som strømmer ved bunnen av kornet Lokal turbulens med oppadrettet retning Sedimentene: Pakking av partikler (imbrikasjon, stein clusters) Kornform

21 Krefter i bunntransport

22 Hvilke av disse er enklest/vanskligst å Erodere / transportere?

23 Bunntransport to modeller Size - selective De minste partiklene settes først i bevegelse Stadig større partikler settes i bevegelse ved økende vannføring (Hjulstrøm) Equal mobility I en heterogen elvebunn vil små partikler bli skjult mellom de store Kreves like mye energi å erodere de små partiklene som de store da de er skjult mens de store er eksponert for kreftene i vannstrømmen

24 Faser av bunntransport (Ryan et al 2002)

25 Hva er kjemisk transport, og hvordan kan vi måle det og hvor viktig er den?

26 Størrelser oppløst mat. Konsentrasjon Reaksjoner Konduktivitet

27 Oppløst materiale Avhengig av berggrunn, løsmasser, klima Globalt: ca 20% av total transport, viktig størrelse

28 Sedimentkilder og Sedimentfluxer Hvilke sedimentkilder dominerer i norske vassdrag?

29 Er sedimenttransporten lik i alle norske elver? Om nei Hvorfor ikke? I hvilke elver forventer du stor materialtransport, og hvilken type transport? Bogen (1996)

30

31 Sedimenttransport i norske elver De fleste norske vassdrag er supply limited

32

33 Begreper relatert til ELVER Fluvial Alluvial Colluvial Kan dere si hva disse uttrykk betyr?

34 Fluvial

35 Fluviale sedimenter: direkte sammenheng med permanent kanal

36 Alluviale sedimenter/former: elvetransportert, men ikke direkte tilknytning til en permanent kanal

37 Alluvial

38 Kolluviale sedimenter/former: skråningsprosesser

39

40 Coupling and connectivity Coupling (kobling) Sier noe om hvor god kontakt det er mellom sedimentlagre (eks en moreneavsetning) og elvenettverket Ulike sedimentlagre opererer på ulik skala i tid og rom. Connectivity Beskriver den fysiske koblingen mellom ulike deler av elvenettverket (og omgivelsene) og muligheten for partikler å bli transportert mellom disse Skala tid og rom viktig

41 Grad av kobling

42 Hvor er det sterkest kobling? Kan man tenke ulik type kobling? Finkornet materiale Grovkornet materiale

43 Nedbørfelt som sedimentsystemer Sedimenttilførsel > sedimenttransport =? Sedimenttilførsel < Sedimenttransport =? Hvilke faktorer avgjør hvor raskt disse tilpasningene vil foregå? Årsak og størrelsesorden på endringene.

44 Skala i fluvialgeomorfologien

45 Reaksjonstid og avspenningstid Reaksjonstid Tiden det tar før en hendelse intreffer til systemet reagerer Avspenningstid Tiden det tar fra systemer har reagert til det finner ny likevekt

46 Sedimentlagre Type materiale Tilgjengelig lagringsplass Vegetasjonsdekke (type, mengde) Avstand fra elvekanal Sedimentlagring (tilgang) og temporær skala

47

48 Flom 9-10 juni 2011

49

50

51 Elver former landskapet

52

53

54 (1) Størrelser vannbevegelse Velocity Discharge Flow type Channel parameters

55 Avrenning Q er lik, A og V varierer

56

57 Hastighet i elva, varierer Med avstand fra bunn Profil sterkt påvirket av dybden og ruhetselementer ved bunn På tvers av strømmen Friksjonseffekt Tverrsnittsform Asymmetri Nedstrøms På tross av minkende gradient: konstant eller økende Mer hydraulisk effektiv kanal Med tid: Sekunder: turbulent strøming Endringer i vannføring