Sedimenttiprosessit ja fluviaalimorfologia

Transkriptio

1 Sedimenttiprosessit ja fluviaalimorfologia Luento ekohydrauliikka-kurssilla Kaisa Västilä Vesitekniikka

2 Sedimentit - miksi tärkeitä? Virtavesiekosysteemeissä olennainen abioottinen tekijä Luo ja tuhoaa elinympäristöjä Kuljettaa mm. ravinteita ja raskasmetalleja Hienoaines samentaa vettä Tärkeitä perinteisen ja luonnonmukaisen vesirakentamisen kannalta: luiskastabiliteetti, sedimentoituminen tekoaltaissa, kosteikot, luomu-uomat Ymmärretään ihmistoiminnan vaikutukset sedimentteihin

3 Tällä luennolla keskitytään uomaprosesseihin, mutta muistetaan myös Valuma-alueen prosessit Valuma-alueelta tulevaa sedimenttikuorma: esim. USLE-yhtälö. Suomessa noin 7 (Ritobäcken) (Kurinkrotti) t/km 2 /a Eri eroosiotyypit: roiske-eroosio (splash erosion), pintaeroosio (sheet erosion), noroeroosio (rill erosion) (Marsh 1987) (Ritter 2006)

4 Virtauksen, sedimenttien ja morfologian väliset vuorovaikutukset Virtausolosuhteet Sedimenttiprosessit -virtausnopeus -leikkausjännitys pinnoilla -turbulenttisuus Fluviaalimorfologia -liikkeellelähtö/eroosio -kulkeutuminen -sedimentaatio -meanderointi -särkät, deltat -virtapaikka-suvanto-vuorottelu

5 Sedimenttien luokittelu Materiaalin ominaisuudet: kitka-/koheesiosedimentit Kulkeutumistapa: pohja-/ suspensiokulkeutuminen Materiaalin partikkelikoko: pohjamateriaali/ hienoaines/liukoinen (Knighton 1984)

6 Mittausmenetelmät Suspendoitunut: manuaalisesti/automaattisesti pulloon, sameusanturi, ADCP Pohjakulkeuma: näytteenottimet, näytekaivo, rakeiden merkitseminen esim. väreillä Välillisesti: maanmittausmenetelmät, laserkeilaus (USGS 2005)

7 Hydrauliikkaa τ b = ρghs u = τ b / ρ τ = leikkausjännitys=voima/pinta-ala τ b = pohjan leikkausjännitys (ASCE 2008)

8 Liikkeellelähdön raja kitkasedimenteillä - periaatteet (Hjulström 1935)

9 Liikkeellelähdön raja kitkasedimenteillä Y cr = c τ = τ c ρgrd X cr = u c D /υ R = ( ρ s ρ) / ρ τ c = kriittinen leikkausjännitys D= partikkelien halkaisija R= sedimentin suhteellinen tiheys ρ s = sedimentin tiheys Koheesiomaille parametrit määritettävä mielellään in-situ

10 Kulkeutumisyhtälöt kitkasedimenteille Tyyppiä: q = q ( τ, τ c, R) missä q * = dimensioton pohjakulkeuma R= sedimentin suhteellinen tiheys qb q = R = ( ρ s ρ) / ρ D grd q b = volumetrinen pohjakulkeumanopeus D= partikkelien halkaisija ρ s = sedimentin tiheys Esim. Meyer-Peter & Muller (1948): q missä = 8( τ τ c ) τ = 3/ 2 τ b ρgrd (ASCE 2008)

11 Koheesiomaan prosessit monimutkaisempia Enemmän fysikaalis-kemiallisia prosesseja: laskeutuminen, turbulenttinen diffuusio, aggregaatio, konsolidoituminen Eroosioyhtälö tyyppiä n E = kd ( z)( τ b τ c ( z)) missä E=resuspensionopeus k d =erodoituvuus -> k d ja τ c määritettävä in-situmittauksilla (Clark & Wynn 2007)

12 Koheesiosedimenttien erityispiirteitä Paljon maan eroosioominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä: vesipitoisuus, kuivatiheys, org. aineksen pitoisuus, juuret... Meteorologisia ilmiöitä, jotka vaikuttavat maan rakenteeseen: jäätymissulamis-ilmiö, maan kuivuminen (Wynn et al. 2008)

13 Koheesiosedimenttien prosesseja Ritobäckenillä: syksy SSC=kiintoainepitoisuus Västilä & Järvelä 2011

14 Koheesiosedimenttien prosesseja Ritobäckenillä: kevät SSC=kiintoainepitoisuus Västilä & Järvelä 2011

15 Vuodenaikaisvaihtelu Snowmelt, 22 Duration (d) Total load (t) Winter, 107 Autumn, 49 Snowmelt, 28.1 Autumn, 13.8 Winter, 4.9 Average discharge (l/s) Winter, 45 Autumn, 155 Average SSC (mg/l) SSC=kiintoainepitoisuus Snowmelt, 974 Snowmelt, 15.2 Winter, 11.9 Autumn, 21.0

16 Ritobäckenin kaivun aikainen kiintoainekuorma Västilä & Järvelä 2011 Additional load during excavation was ~2% of the total annual load Kaisa Västilä and Juha Järvelä Water Engineering

17 Uomamorfologia Vaikuttavia tekijöitä: virtaama, sedimentit, topografia Dynaamisuus Vasteet muutoksiin vaikuttavissa tekijöissä Kynnysarvot, resilienssi (Hanski 2000)

18 Uomien morfologisia muodostelmia (Brown 2006, Allen 1965)

19 Määräävä virtaama (channel-forming /dominant discharge) Uomamorfologia sopeutuu vallitseviin virtaama- ja sedimenttijakaumiin pitkällä aikavälillä Yksinkertaistus: on olemassa 1 määräävä virtaama, joka pitkällä aikavälillä aikaansaisi saman uomageometrian kuin vallitsevat jakaumat Uomantäysi (bankfull) virtaama Tehokas (effective) virtaama Tietyn toistuvuusajan omaava virtaama

20 (Wolman & Miller 1960, Williams 1978, Andrews 1980, Knighton 1984)

21 Hydraulinen geometria (Emmett 1975, Schumm 1960, Charlton et al. 1978, Knighton 1984) Mukana voi olla myös sedimenttikerroin: W=k 1 Q k2 D 50 k3 D=k 4 Q k5 D 50 k6 S=k 7 Q k8 D 50 k9 Missä k 1 -k 9 = kertoimia W=leveys D=syvyys S=kaltevuus D 50 = pohjan keskim. raekoko

22 Uomien luokittelu, esim. Rosgen (1994)

23 Meanderointi λ=aq y x a,y = kertoimia, Q x = keskivirtaama /keskiylivirtaama tms. (Knighton 1984)

24 Stabiilius ja tasapaino Stabiilius vs. dynaaminen tasapaino QS ~ Q s D 50 Lane (1955)

25 Ihmistoiminta vaikuttaa virtaamiin ja sedimentteihin Lanen tasapainon avulla: esim. tekoaltaat, uomien suoristaminen Maankäytön muutokset: metsien hakkaaminen, maanviljelys, kaupungistuminen Ilmastonmuutos

26 Luonnonmukainen vesirakentaminen Pyritään pitämään sedimenttiprosessit hallittuina Kosteikot,laskeutusaltaat, pohjakynnykset, kaksitasoiset uomat

27 Kysymyksiä?