Undersøgelse viser, hvordan flodkanaler tilpasser sig store sedimentforsyninger

Det tilsyneladende simple spørgsmål om, hvad der styrer formen på flodkanaler, har været en langvarig udfordring for geologer og civilingeniører. En ny undersøgelse ledet af videnskabsmænd ved UC Santa Cruz viser, at mængden af ​​sediment, en flod transporterer, er en nøglefaktor i bestemmelsen af ​​flodkanalgeometri og størrelsen af ​​sedimentkornene på flodlejet.

Fundene, udgivet 13. marts i Proceedings of the National Academy of Sciences , underminere en almindelig antagelse om grusfyldte floder. Ideen, understøttet af årtiers observationer, er, at floder, der er bundet af grus, når en ligevægt, kaldet en tærskelkanal, hvor de middelstore korn på flodlejet først begynder at bevæge sig, når kanalen er fuld (stadiet "bankfull flow", lige under oversvømmelse).

"Hvis alle kanaler er tærskelkanaler, det er praktisk, fordi det hjælper os med at forudsige ledelsesbeslutninger og modellere landskabsudvikling, " sagde førsteforfatter Allison Pfeiffer, en doktorgradskandidat i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz.

Men Pfeiffer fandt ud af, at antagelsen ikke holder for floder i regioner med høje erosionsrater, der fører til store mængder sediment, der bevæger sig gennem flodkanalerne. Disse forhold er almindelige i stejle, tektonisk aktive landskaber fundet langs Nordamerikas vestkyst. Da Pfeiffer analyserede data om kanalgeometrier og erosionshastigheder for floder med grus i hele Nordamerika, hun fandt, at de fleste af de floder, der overtræder tærskelantagelsen, er på vestkysten.

"Floder i stejle landskaber som Santa Cruz-bjergene transporterer masser af sediment sammenlignet med floder i, sige, Michigan eller upstate New York, " sagde Pfeiffer. "Disse floder med høje sedimentforsyninger har justeret deres geometri til at transportere sedimenter ved mere moderate strømme, så det kræver ikke en oversvømmelse at flytte en masse sediment."

Som resultat, sedimentet på flodlejet er meget finere, end tærskelkanalmodellen ville forudsige. Medforfatter Noah Finnegan, lektor i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz, forklaret, at tærskelkanaler kun kan udvikle sig i omgivelser, hvor en lav sedimenttilførsel tillader de mindre korn at blive fejet væk og ikke erstattet. Tilbage er et lag af "panser" på flodlejet bestående af større korn, der måske kun bevæger sig ved de højeste strømningshastigheder.

"Vestkystfloder har en tendens til at have et mindre veludviklet panserlag, " sagde Finnegan. "Hvis du ændrer sedimenttilførslen, den hurtigste ting at justere vil være kornstørrelsen i panserlaget."

Når han og hans elever måler i lokale floder, han sagde, resultaterne svarer typisk ikke til tærskelkanalparadigmet. Pfeiffer stødte på dette i løbet af et projekt for at forudsige fordelingen af ​​laksens gydehabitat i Santa Cruz-bjergene. Laks har brug for grus i en vis størrelse for at bygge deres reder. Ved at bruge tærskelantagelsen, Pfeiffers forudsigelser om grusstørrelse var en faktor tre af.

"Det kan være en kæmpe forskel for en Coho laks, " sagde hun. "Nu ved vi, at sedimentforsyningen er en nøglefaktor, der skal tages i betragtning, hvis vi forsøger at forudsige laksens levested."

Resultaterne kan også have praktiske konsekvenser for udformningen af ​​restaureringsprojekter for floder. Floder er selvdannende systemer, og deres kanaler dannes og reformeres med hver oversvømmelseshændelse. Bestræbelser på at påtvinge dem menneskelige designs er ikke altid succesfulde.

"Floder er vanskelige gåder, der fortsætter med at give os nye udfordringer, " sagde Pfeiffer. "Vigtigheden af ​​sedimentforsyningen er måske blevet undervurderet. Vi har endnu ikke den slags teoretiske model af flodkanaler, som vi gerne vil have, men denne undersøgelse viser, at sedimentforsyningen er en variabel, der skal inkluderes i modellen."