Mehr

Modul 12 – Bäche und Hochwasser - Geowissenschaften

Modul 12 – Bäche und Hochwasser - Geowissenschaften


Modul 12 – Bäche und Hochwasser - Geowissenschaften

Bewertung der geomorphologischen Wirksamkeit kontrollierter Hochwasser in einem Flechtfluss mit Hilfe eines numerischen Modells mit reduzierter Komplexität

Die meisten Alpenflüsse haben signifikante Veränderungen im Fließ- und Sedimentregime erfahren. Diese Veränderungen haben bemerkenswerte Auswirkungen auf die Morphologie und Ökologie von Flüssen. Eine Möglichkeit, solche Effekte abzumildern, ist das Management des Abflussregimes, insbesondere durch die Wiedereinführung von kanalbildenden Abflüssen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die morphologischen Veränderungen zu bewerten, die im Fluss Piave (Italien) durch zwei verschiedene kontrollierte Hochwasserstrategien verursacht wurden, wobei die erste durch eine einzige künstliche Flut pro Jahr und die zweite durch stärkere, aber seltenere Überschwemmungen gekennzeichnet ist. Diese Arbeit beinhaltete die Anwendung eines zweidimensionalen morphodynamischen Modells mit reduzierter Komplexität (CAESAR-LISFLOOD) auf eine 7 km lange Reichweite, die durch ein geflochtenes Muster und stark regulierte Entladungen gekennzeichnet ist. Numerische Modellierung ermöglichte die Bewertung morphologischer Veränderungen für vier Langzeitszenarien (2009–2034). Die Szenarien wurden unter Berücksichtigung des aktuellen Abflussregimes und des natürlichen Regimes definiert, das durch ein stochastisches physikalisch basiertes hydrologisches Modell geschätzt wurde. Veränderungen der Kanalmorphologie wurden durch Messen der Breite des aktiven Kanals und der Flechtintensität bewertet. Ein Vergleich von kontrollierten Hochwasserszenarien mit einem Basisszenario (d. h. keine kontrollierten Hochwasser) zeigte, dass künstliche Hochwasser wenig Einfluss auf die Kanalmorphologie hatten. Aus der Hochwasserstrategie hoher Magnitude resultierte eine stärkere Kanalaufweitung (13,5 %) als aus der Anwendung der anderen Strategie (8,6 %). Hinsichtlich der Flechtintensität wurde eine vernachlässigbare Änderung beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass kontrollierte Überschwemmungen keine effektive Lösung für die morphologische Erholung in geflochtenen Flüssen mit stark beeinflussten Fließ- und Sedimentregimen darstellen.

Menschliche Aktivitäten in Flussgebieten (d. h. Flussstauungen und -technik, Kiesabbau und Landnutzungsänderungen im Einzugsgebiet) haben in der Vergangenheit zu bemerkenswerten Veränderungen der Abflussregime geführt (Gore und Petts, 1989, Poff et al., 1997, 2007, Magilligan und Nislow, 2005 Zolezzi et al., 2011 Magilligan et al., 2013 Ferrazzi und Botter, 2019) und im Ökologischen (Collier, 2002 Céréghino et al., 2004 Paetzold et al., 2008 McDonald et al., 2010 Overeem et al., 2013 Espa et al., 2015) und geomorphologische Funktionsweise von Flusssystemen (Hicks et al., 2003 Petts und Gurnell, 2005 Melis, 2011 Ziliani und Surian, 2012 Magilligan et al., 2013 Mueller et al., 2014 Lobera et al. , 2016). Der Bau von Staudämmen gilt heute als tragfähige Strategie, um den Energie- und Wasserbedarf aufgrund des Klimawandels und des Bevölkerungswachstums zu decken (Weltbank, 2009, Lehner et al., 2011). Wie von Overeem et al. (2013) fangen große Stauseen mit einem Volumen von mehr als 0,5 km 3 weltweit mehr als 40 % des Flussabflusses und ∼ 26 % der von den Flüssen transportierten Sedimente ab, was die globale Sedimentzufuhr in die Ozeane verringert und häufig zu Küstenerosion führt.

Es wurden mehrere Metriken entwickelt, um das Ausmaß und die zeitlichen Trends von Änderungen in Flussabflussregimen zu bewerten, die durch die hydraulische Infrastruktur verursacht werden (Richter et al., 1996, 1997, Martínez Santa-María und Fernández Yuste, 2008, Yin et al., 2015). Darüber hinaus haben umfangreiche Untersuchungen zur Sedimentüberwachung und Sedimenthaushaltsschätzungen Veränderungen des Sedimentflusses quantifiziert (Surian und Cisotto, 2007 Schmidt und Wilcock, 2008 Melis, 2011 Trinity Management Council, 2014 Espa et al., 2015). Mehrere Studien haben die hydrologischen Auswirkungen ausgedehnter Staudammsysteme, insbesondere im Alpenraum, im 20. Jahrhundert dokumentiert (Botter et al., 2010 Comiti, 2012 Bocchiola und Rosso, 2014). Insgesamt hat die Änderung des Strömungsregimes signifikante Änderungen der Strömungsgröße, -frequenz, -zeit und -dauer sowie des Thermopeaks impliziert (Gore und Petts, 1989, Frutiger, 2004, Zolezzi et al., 2009, 2011). Die Auswirkungen von Stauungen auf den Sedimentfluss wurden in direkt betroffenen Abschnitten bewertet (Graf, 1980 Williams und Wolman, 1984 Gaeuman et al., 2005 Petts und Gurnell, 2005 Schmidt und Wilcock, 2008 Grant, 2012) sowie in Tiefland-Kiesbettflüsse, die von kaskadierenden verbundenen Stauseen und anderen menschlichen Störungen auf der Beckenebene betroffen sind (Rinaldi und Simon, 1998 Surian und Rinaldi, 2003 Bilotta und Brazier, 2008 Surian et al., 2009b Zawiejska und Wyżga, 2010 Ziliani und Surian, 2012 Skorpion et al., 2015).

Es ist allgemein anerkannt, dass ein reduzierter Sedimentfluss aufgrund des Dammbaus oder der Veränderung der Sedimentzufuhr im Beckenmaßstab (z. B. aufgrund von Aufforstung oder Wildbachkontrollarbeiten) zu Kanaländerungen führt, d. Seit den 1970er Jahren wird den Umweltauswirkungen großer Staudämme zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt (Turner, 1971, Vörösmarty et al., 2003). Es wurden verschiedene Strategien zur Bewirtschaftung von Flüssen gewählt, um dammbedingte Auswirkungen mit Hilfe von strukturellen, betrieblichen (z. Die Freisetzung von Abflüssen aus Dämmen wurde reguliert, um Aspekte natürlicher Regime (Abfluss und Sediment) zu reproduzieren, indem der saisonale Grundabfluss erhöht oder wiederhergestellt wird (McKinney et al., 2001 Sabaton et al., 2008), wobei der Zeitpunkt und die Rezessionsraten der Freisetzungen kontrolliert werden (Rood et al., 2003 Shafroth et al., 2010), künstliche Kiesvermehrung oder Sedimentumgehung (McManamay et al., 2013 Kondolf et al., 2014), Hochwasserfreisetzungen (Collier, 2002 Dyer und Thoms, 2006) und Flussfreisetzungen (Melis, 2011 Olden et al., 2014). In anderen Fällen konzentrierten sich die Managementstrategien direkt auf die Wiederherstellung morphologischer Merkmale durch Entfernen von Dämmen (Poulos et al., 2014 O'Connor et al., 2015) oder durch mechanisches Entfernen von Vegetation (Environment Canterbury Regional Council, 2015).

Umweltmanagementpläne zielen darauf ab, unerwünschte Kanalanpassungen aufgrund von Dammoperationen abzumildern. Angesichts der Kosten dieser Programme fordern Entscheidungsträger zunehmend die wissenschaftliche Gemeinschaft auf, geeignete Instrumente zu entwickeln, mit denen (i) die Faktoren identifiziert und kontrolliert werden können, die zu Kanaländerungen führen, und (ii) die Wirksamkeit von Managementprogrammen bewerten. Umweltbehörden in mehreren Ländern verlangen, dass Staudammbetriebe Freisetzungsprotokolle einhalten, um negative Auswirkungen auf stromabwärts gelegene Ökosysteme zu mindern (Schmidt und Wilcock, 2008 Olden und Naiman, 2010 Watts et al., 2011 Konrad et al., 2012). Obwohl erfolgreiche empirische Erfahrungen vorliegen (Souchon et al., 2008, Konrad et al., 2011), werden dringend robuste Vorhersageinstrumente und -modelle benötigt, um Kanalreaktionen auf Dammoperationen und die Unterbrechung des Längsflusskontinuums vorherzusagen (Bliesner et al., 2009 McDonald et al., 2010 Melis, 2011 Coulthard und Van De Wiel, 2013 Gaeuman, 2014).

Die evolutionäre Trajektorie der Kanalmorphologie kann konzeptionell (zB Kanalentwicklungsmodelle – CEMs, wie beschrieben in Schumm et al., 1984 Simon and Hupp, 1986 Simon, 1989), empirisch (Lane, 1955 Schumm, 1977 Rhoads, 1992) bewertet werden. und numerische Modelle, entweder Computational-Fluid-Dynamic (CFD)-Modelle oder Modelle mit reduzierter Komplexität (RCMs Larsen et al., 2014). Frühere Anwendungen von RCMs auf Flechtflüssen konzentrierten sich hauptsächlich auf theoretische skalenunabhängige Analysen (Murray und Paola, 1994), Laborexperimente (Doeschl-Wilson und Ashmore, 2005 Doeschl et al., 2006 Nicholas, 2010) oder kurze Kiesbettflüsse erreicht (Coulthard et al., 2002, 2007 Thomas und Nicholas, 2002 Thomas et al., 2007 Van De Wiel et al., 2007). In dieser Studie, wie bei Ziliani et al. (2013) und Ziliani und Surian (2016) wenden wir ein RCM-Modell auf mesospatialen (d. h. 5–50 km) und mesotemporalen (d. h. 10–100 Jahren) Skalen an. Insbesondere wird das CAESAR-LISFLOOD-Modell (Bates et al., 2010 Coulthard et al., 2013) auf einen 7 km langen geflochtenen Abschnitt des Piave River (Italien) angewendet, einem der am stärksten und historisch am stärksten regulierten Flusssysteme in Italien.

Wir haben das CAESAR-LISFLOOD-Modell (im Folgenden C-L) angewendet, um die morphologischen Auswirkungen von zwei Strategien zum Management des Strömungsregimes zu bewerten. Die erste ist gekennzeichnet durch jährliche kontrollierte Überschwemmungen mit Spitzen, die Sedimente transportieren können, während die zweite aus selteneren Überschwemmungen höherer Größenordnung besteht (d. Beide Strategien wurden nach zwei Hauptkriterien entwickelt: (i) die Maximierung der Renaturierung des Abflussregimes, d. h. die Dauer des kontrollierten Hochwassers (CF) wird so gestaltet, dass sie den natürlichen Bedingungen so weit wie möglich entspricht, und (ii) die Machbarkeit der Strategie, die durch die Tatsache bestätigt wird, dass die kumulierte pro Jahr freigesetzte Menge geringer ist als die maximale Menge in den Stauseen vor dem untersuchten Bereich.

Dieses Papier behandelt zwei Hauptthemen: (i) die Wirksamkeit kontrollierter Überschwemmungen für die geomorphologische Erholung eines stark regulierten Flechtflusses und (ii) die Eignung und Zuverlässigkeit des morphodynamischen Modells CAESAR-LISFLOOD mit reduzierter Komplexität, um die morphologische Entwicklung großer Kiesbettflüsse auf bestimmten Mesoskalen. Im ersten Abschnitt der Arbeit geben wir eine kurze Beschreibung der untersuchten Flussreichweite. Im zweiten Abschnitt werden die verfügbaren Daten, die beiden verwendeten Modelle, das morphodynamische CAESAR-LISFLOOD-Modell (Bates et al., 2010 Coulthard et al., 2013) und das hydrologische Modell (Botter et al., 2007), sowie die Kriterien zur die Szenariostrategie entwerfen. Der dritte Abschnitt präsentiert die Ergebnisse in Bezug auf (i) historische morphologische Flussreichweitenanpassungen, (ii) Änderungen des Abflussregimes, (iii) die CAESAR-LISFLOOD-Kalibrierung und (iv) die Simulationen von drei kontrollierten Hochwasserfreisetzungsszenarien. Abschließend diskutieren wir die Ergebnisse kritisch und untersuchen die Stärken und Schwächen von CAESAR-LISFLOOD sowie die Wirksamkeit der untersuchten Flow-Management-Strategien.


Lernziele

Die Aktivitäten der Einheit 3 ​​unterstützen die Modulziele, die Prinzipien der Umweltgerechtigkeit in Bezug auf ein Beispiel für Oberflächenwasserknappheit artikulieren zu können. Nach Abschluss dieser Einheit sollten die Studierenden in der Lage sein:

  • Verknüpfen Sie Topographie, Niederschlag und Oberflächenwasserfluss und ihre Beziehungen zu Wassereinzugsgebieten und Entwässerungsscheiden.
  • Untersuchen Sie die Zusammenhänge zwischen Oberflächenwasser und Umweltgerechtigkeit mit den digitalen Bildwerkzeugen von Google Earth.
  • Beziehen Sie Probleme der Umweltungleichheit mit Veränderungen in Verbindung, die durch den Missbrauch von Oberflächenwasserprozessen verursacht werden.

Prozesse, die den Meeresspiegel ansteigen lassen

Für die meisten Menschen wird der Meeresspiegelanstieg durch schmelzende Eisschilde verursacht. Es ist so einfach, sich einen Gletscher vorzustellen, der mit dem Ozean verschmilzt. Ein ebenso wichtiger Faktor ist, wie sich herausstellt, die Ausdehnung des Meerwassers bei der Erwärmung. In diesem Abschnitt untersuchen wir diese verschiedenen Mechanismen im Detail.

Wachstum und Schmelzen von Eisschilden

Wie werden absolute Änderungen des Meeresspiegels verursacht? Wie wir gesehen haben, führt der direkteste Weg über das Wachstum und das Schmelzen der großen Eisschilde, wie im folgenden Video erläutert.

Video: NASA: Eine Tour durch die Kryosphäre 2009 (5:12)

Obwohl kalt und oft abgelegen, beeinflussen die eisigen Weiten der Arktis, Antarktis und anderer gefrorener Orte das Leben aller Menschen auf der Erde. Wir beginnen unsere Tour in der Antarktis. Wo sie auf das Meer treffen, brechen und bröckeln Eisberge. Die resultierenden Eisberge können jahrelang schweben. Eisschelfs umgeben den halben Kontinent. Sie verlangsamen den unerbittlichen Marsch von Eisströmen und Gletschern wie Dämme, die Flüsse zurückhalten. Aber die Region verändert sich. Mit steigenden Temperaturen sehen wir eine wachsende Zahl von Schmelzteichen. Wenn dieses schwere Schmelzwasser in Risse eindringt, werden Schelfeise geschwächt und können schließlich zusammenbrechen. Nach zwölftausend Jahren brach das Larsen-B-Schelfeis in nur fünf Wochen zusammen. Offshore bildet sich Meereis, wenn die Meeresoberfläche gefriert und das Salz aus dem Eis drückt. Das kalte, salzige Oberflächenwasser beginnt zu sinken und pumpt tieferes Wasser aus dem Weg und treibt die globale Ozeanzirkulation an. Diese Strömungen beeinflussen das Klima weltweit. Das meiste Eis existiert in den kalten Polarregionen, aber wir sehen Gletscher wie diesen in den Anden auf der ganzen Welt. Die meisten schrumpfen. Hier in Nordamerika erleben jedes Jahr Millionen von Menschen die Kryosphäre. Nach Osten ziehende Stürme legen Schnee ab, wie dicke Pinsel. Bergschneedecken speichern Wasser. Snowmelt liefert drei Viertel der im amerikanischen Westen verwendeten Wasserressourcen. Erheblicher Winterschnee produzierte 2003 einen grünen Colorado, aber trockenere Bedingungen im Vorjahr begrenzten das Vegetationswachstum und erhöhten das Risiko von Bränden. In den Rocky Mountains gibt es Flecken gefrorenen Bodens, die als Permafrost bezeichnet werden und niemals auftauen. Diese Regionen sind in den mittleren Breiten ungewöhnlich, aber weiter nördlich ist der Permafrost weiter verbreitet und durchgehend und bedeckt fast ein Fünftel der Landoberfläche der nördlichen Hemisphäre. Meereis variiert von Saison zu Saison und von Jahr zu Jahr. Daten zeigen, dass das arktische Meereis in den letzten Jahrzehnten dramatisch geschrumpft ist. Die Auswirkungen könnten tiefgreifend sein. Wenn das Polareis abnimmt, könnte mehr offenes Wasser eine stärkere Erwärmung fördern. Eine stärkere Erwärmung könnte zu einem schnelleren Schmelzen führen und den Kreislauf verstärken. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, könnte der Arktische Ozean bis zum Ende des Jahrhunderts im Sommer eisfrei sein. Diese Veränderungen der Eisbedeckung sind nicht auf Ozeane beschränkt. Grönlands Eisschild enthält fast 10 % des Gletschereises der Erde. Gletscher in Westgrönland produzieren die meisten Eisberge im Nordatlantik. Nach Jahrzehnten der Stabilität hat sich Grönlands Jakobshavn-Eisstrom, einer der am schnellsten fließenden Gletscher der Welt, dramatisch verändert. Das Eis hat sich gelichtet und die Front hat sich deutlich zurückgezogen. Zwischen 1997 und 2003 hat sich die Fließgeschwindigkeit des Gletschers auf 1,5 m pro Stunde fast verdoppelt. Dies sind nur einige der kryosphärischen Prozesse, die NASA-Satelliten aus dem Weltraum beobachten. Kontinuierliche Beobachtung bietet eine kritische globale Perspektive, da sich unser Heimatplanet von Tag zu Tag, von Jahr zu Jahr und weiter in die Zukunft verändert.

Eisberg Bilder

Die folgenden Videos beschreiben das Abschmelzen von Eisschilden auf Grönland und der Antarktis.

Video: Unbedingt Video vom Schmelzen Grönlands sehen (2009.02.20)(3:00)

Erzähler: Der Glaziologe Jason Box und der Physiker Basil Singer sind in Grönland, um zu sehen, ob sie die Gletscher des Planeten retten können. Sie wollen messen, wie schnell dieser schmilzt. Jason: Der Mulan ist wirklich das Epizentrum unserer Sorge. Da das gesamte Wasser in diesen einen Punkt fließt, können wir durch Messen der Durchflussraten verstehen, wie viel Wasser in den Gletscher gelangt. Oh wow. Basilikum: Wow! Jason: Willkommen im Epizentrum der globalen Erwärmung. Das ist bodenlos. Kein Licht entweicht. Erzähler: Basil hat sich freiwillig gemeldet, um die erste Lesung zu übernehmen. Basil: Geh einfach zurück. Lehne dich nicht zu mir, lehn dich zurück. Das sieht extrem beängstigend aus. Jason: Die einzige Möglichkeit zu wissen, wie viel Wasser in den Mulan fließt, besteht darin, unsere Sensoren einzustecken und direkt dort, neben einer bodenlosen Grube, eine Messung durchzuführen. Basilikum: Das Wasser tropft eine ganze Meile lang. Da möchte man nicht runterfallen. Jason: Es gibt kein Entkommen vor einem Mulan. Basilikum: Schau nach oben! Schau hoch! Jason: Da steht nur Gefahr. Ich hätte nie gedacht, dass ich so am Rande des Abgrunds stehen würde. Basil: Ich habe solche Angst. Jason: Aber die Informationen sind so wichtig, dass wir dieses Risiko eingehen müssen. Machen wir diese Messungen und gehen wir der Gefahr aus dem Weg. Erzähler: Sie verwenden einen Durchflussmesser, um die Wassergeschwindigkeit zu messen. Jason: Mal sehen, wie schnell das Wasser in dieses Loch fließt. Basil: Also messen wir jetzt die Flussrate. Jason: Tu es da rein. Basil: Whoa, das ist so stark. Schau dir das an, whoa. Hier ist so viel Energie, das ist die Kraft dieses Wassers. Jason: Wie hoch ist die Geschwindigkeit? Basil: Das erreichte seinen Höhepunkt bei neun Komma vier Meilen pro Stunde. Das ist wirklich bewegend. Das müssen ungefähr tausend Kubikfuß pro Sekunde sein. Das ist mehr Schmelz als ich erwartet hatte. Basil: Auf einer Skala von null bis zehn, wie ernst ist dieses Schmelzproblem? Jason: Es ist eine 11. Erzähler: An nur einem Tag fließen fast 42 Millionen Liter Süßwasser allein durch diesen Mulan, und Jason glaubt, dass es Hunderte, möglicherweise Tausende mehr davon auf der grönländischen Eiskappe gibt. Die Daten lassen Basil einen Schauer über den Rücken laufen, und das kommt nicht von der Kälte. Bei dieser Schmelzrate verliert Grönland jedes Jahr genug Wasser, um Deutschland einen Meter tief zu bedecken.

Video: Antarktischer Wilkins-Schelfeiskollaps (2:20). Dieses Video wird nicht erzählt.

Dieser Prozess war über einen Großteil der geologischen Zeit hinweg aktiv, außer in den wärmsten Zeiten, in denen es keine polaren Eisschilde gab. Wenn wir das gesamte Eis der Antarktis und Grönlands schmelzen würden, würden wir einen Meeresspiegelanstieg von fast 70 Metern erleben (Grönland würde etwa 6 Meter Meeresspiegelanstieg verursachen, Antarktis etwa 60 Meter). Dies würde ein Abschmelzen des relativ stabilen Inneren der Eisschilde erfordern, was Tausende von Jahren dauern wird, wenn die modernen Erwärmungsraten unvermindert anhalten. Allerdings wissen wir nicht viel über das Verhalten der dynamischeren Bereiche der Eisschilde näher an den Rändern, und dies macht die Vorhersagen des Meeresspiegelanstiegs in den kommenden Jahrhunderten sehr unsicher.

Ständig tauchen neue Forschungsergebnisse auf, die gefährdete Teile des antarktischen Eisschildes aufzeigen, insbesondere seine Schelfe. Geologen können mit Radarinstrumenten die Basis des Schelfeises und den Meeresboden abbilden. Schelfeis beziehen sich auf Orte, an denen Eis über Meerwasser oder Gesteinen liegt, die unter dem Meeresspiegel liegen. Vor kurzem haben Glaziologen Stellen in der Westantarktis gefunden, an denen der darunterliegende Meeresboden viel glatter ist als erwartet, was bedeutet, dass der Gletscher unter den richtigen Umständen leicht vorrücken kann. Darüber hinaus sind einige dieser Orte anfällig für eine zukünftige Erwärmung durch warme Meeresströmungen. Wir haben die physischen Beweise für das Schmelzen des Eises in Modul 2 präsentiert, unten sind Vorher- und Nachher-Fotos aus Alaska, um Sie daran zu erinnern.

Der zweite Prozess, der den Anstieg des Meeresspiegels auf menschlicher Zeitskala verursacht, ist die physikalische Ausdehnung des Meerwassers infolge des Temperaturanstiegs. Wenn Materialien erhitzt werden, dehnen sie sich aus und im Falle der Ozeane steigt die Wasseroberfläche dadurch an. Dieser thermische Mechanismus kann absolute Meeresspiegeländerungen in der Größenordnung von Millimetern und Zentimetern pro Jahrzehnt verursachen. Sie variiert geografisch je nachdem, wie schnell sich der Ozean an einzelnen Orten erwärmt, und zeitlich abhängig von Schwankungen der Meerestemperaturen, die mit Klimaschwankungen wie El Niño verbunden sind. So schwer es sich bei all der Presseaufmerksamkeit über schmelzendes Eis vorzustellen ist, aber die thermische Ausdehnung könnte im 21. Jahrhundert tatsächlich zu einem weiteren Anstieg des Meeresspiegels führen.

Das folgende Video beschreibt, wie Satelliten ein sehr detailliertes Bild der Änderung des Meeresspiegels liefern.

Video: NASA-Klimawissenschaftsexperte Josh Willis (3:50)

Die globale Änderung des Meeresspiegels war im letzten Jahr wirklich interessant, weil der globale Meeresspiegel tatsächlich zwischen 2010 und 2011 gesunken ist. Es war kein großer Rückgang, er betrug etwa fünf Millimeter. Und in den letzten 20 Jahren ist der Meeresspiegel um etwa fünf Zentimeter gestiegen. Wir sprechen also von einer Art 10%-Signal. Aber nichtsdestotrotz ist es etwas, das wir messen können und es hat eine Menge Aufregung in der Meeresspiegel-Community und den Menschen ausgelöst, die die globale Erwärmung und den Anstieg des Meeresspiegels untersuchen. Eines der erstaunlichsten Werkzeuge, die wir haben, um zu messen, wohin das Wasser fließt, sind die Gnadensatelliten. Dies ist eigentlich ein Paar von Satelliten, die sich gegenseitig jagen, während sie den Planeten umkreisen. Und wenn man über etwas Schweres fährt, beschleunigt es tatsächlich ein wenig durch die Anziehungskraft der Schwerkraft. Dann, wenn der zweite folgt, fliegt er auch über das schwere Ding und holt ein wenig auf. Und indem wir den Abstand zwischen diesen beiden Dingen sehr, sehr genau messen, können wir die Dinge, über die sie fliegen, tatsächlich wiegen. Und was es uns dieses Jahr sagt, ist, dass der Ozean tatsächlich an Gewicht verloren hat. Wasser wurde tatsächlich aus dem Meer und zurück an Land geleitet. Also was ist passiert? Nun, 2010 gab es einen gewaltigen El Niño aus dem Pazifischen Ozean, und es folgte sofort ein wirklich, wirklich starker La Niña, einer der größten, den wir seit Jahrzehnten hatten. Jetzt haben El Niño und La Niña einen großen Einfluss auf die Niederschläge, und was dieses Jahr geschah, war, dass Regen, der normalerweise über den Ozean fällt, über das Land verlagert wurde. Und der Nettoeffekt war, dass Wasser vom Ozean auf das Land getragen wurde und dies zu einem Rückgang des Meeresspiegels führte. Nun stellt sich die Frage: „Tut dieser Tropfen, um weiterzumachen?“ und die Antwort ist wahrscheinlich „nein“. Wir wissen, dass El Niño ein zyklisches Phänomen ist und wir können auch sehen, wohin das meiste Wasser floss. In diesem Fall ging es in Südamerika, Australien, Indonesien und Südostasien. Die Eisschilde verloren tatsächlich weiter an Masse. Grönland und die Antarktis schütteten also weiterhin Eis in den Ozean. Aber die Wirkung des El Niño war so groß, dass sie für kurze Zeit überwältigt wurde. Australien hatte letztes Jahr enorme Überschwemmungen. Südamerika hatte 2010 eine riesige Dürre und 2011 folgten Überschwemmungen. Dies sind also massive Wasserbewegungen auf den Kontinenten und zwischen Ozean und Land. Diese Orte liegen in der Nähe des Äquators, sie befinden sich in niedrigen Breitengraden. Es ist ziemlich warm. Es ist nicht so, als würde es sich auf die Eisschilde türmen. Das heißt, in einem weiteren Jahr, vielleicht in zwei Jahren, wird dieses Wasser seinen Weg zurück in die Ozeane finden und wir werden sehen, wie der Meeresspiegel wieder ansteigt. Tatsächlich deuten die jüngsten Beobachtungen darauf hin, dass damit bereits begonnen wurde. Der langfristige Ausblick ist also definitiv ein Anstieg des Meeresspiegels und der globalen Erwärmung.

In der Vergangenheit wurde der signifikante Anstieg des Meeresspiegels durch größere Vulkanausbrüche verursacht, die Krusten in den Meeresbecken hinzufügten und Meerwasser in Richtung Land verdrängten. Dies geschah, als Prozesse tief im Erdinneren zu einer Zunahme der Ausbreitungsraten des Meeresbodens und zu massiven Eruptionen von vulkanischen U-Boot-Plateaus abseits des Rückens führten. Diese Prozesse laufen auf sehr langen oder geologischen Zeitskalen ab und spielen heute keine Rolle mehr.


Stärken des Moduls

  • Konstruieren Sie ihr eigenes Verständnis des Verhaltens von Flüssen durch die Verwendung von Flusstabellen und echten Flussdaten
  • Beteiligen Sie sich an einer datenreichen Aktivität, die gut auf die Next Generation Science Standards (NGSS) abgestimmt ist
  • Analysieren Sie Abfluss- und Niederschlagsdaten und wenden Sie ihr Wissen an, um ihre lokale Gemeinschaft über Hochwassergefahren zu informieren
  • Verwenden Sie Google Earth, um Entfernungen und Höhen zu messen und Bachgefälle zu berechnen
  • Berechnen Sie die Wiederholungsintervalle von Hochwasser
  • Suchen Sie nach Trends in Bezug auf Niederschlags- und Abflussdaten

Leistungserwartungen:

  • 5-ESS3-1 Erhalten und kombinieren Sie Informationen darüber, wie einzelne Gemeinschaften wissenschaftliche Ideen nutzen, um die Ressourcen und die Umwelt der Erde zu schützen.
  • MS-ESS2-5 Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des Wasserkreislaufs durch die Systeme der Erde, angetrieben durch Sonnenenergie und Schwerkraft.
  • Große Idee 1: Geowissenschaftler verwenden wiederholbare Beobachtungen und überprüfbare Ideen, um unseren Planeten zu verstehen und zu erklären.
  • Große Idee 5: Die Erde ist der Wasserplanet.
  • Große Idee 8: Naturgefahren bergen Risiken für den Menschen.
  • Grundprinzip 7: Der Klimawandel wird Folgen für das Erdsystem und Menschenleben haben.

Angesprochene, von der Community entwickelte, national anerkannte Prinzipien der atmosphärischen Wissenschaftskompetenz:

  • Risiken mindern und Widerstandsfähigkeit gegen natürliche und vom Menschen verursachte Gefahren (AGI) aufbauen
  • Erkennen des Signals innerhalb der natürlichen Variabilität und Kommunikation von Unsicherheit und relativem Risiko [für Überschwemmungen] (GSA)

Diese Materialien wurden auf ihre Übereinstimmung mit den Next Generation Science Standards überprüft. Oben auf jeder Seite können Sie auf das NGSS-Logo klicken, um die jeweiligen Verbindungen anzuzeigen. Besuchen Sie InTeGrate und das NGSS, um mehr über den Ausrichtungsprozess und die Verwendung von InTeGrate-Materialien zur Implementierung des NGSS zu erfahren.

NGSS in diesem Modul

In diesem Modul lernen die Studierenden, anhand von Daten und Modellen zu beurteilen, wie fließendes Wasser Gestein erodiert und transportiert, Landschaften im Laufe der Zeit formt und kurzfristige Hochwassergefahren charakterisieren und darauf reagieren kann. Bei der Abstimmung des Moduls mit NGSS wurde beobachtet, dass Einheiten eine starke disziplinäre Grundlage für das Verständnis des Wasserkreislaufs und seiner Komponenten und Flüsse bieten. Lehrern, die dieses Modul verwenden, wird empfohlen, Aspekte der Wasserqualität und -verfügbarkeit hervorzuheben. Das Hinzufügen einiger Fallstudien zur Wasserverschmutzung und ihren Auswirkungen auf Ökosysteme würde die Querschnittsthemen verstärken.

Passt hervorragend zu Kursen in:

  • Einführung in die Geowissenschaften
  • Geowissenschaften für Lehramtsstudierende*
  • Umweltwissenschaft
  • Wasservorräte

Dieses Modul ist für einführende geowissenschaftliche Kurse konzipiert, die auf aktives Lernen und Gruppenarbeit ausgerichtet sind. Der in diesem Modul verwendete konstruktivistische Lernstil eignet sich besonders für Lehrveranstaltungen der Hauptfächer der Grundschule, ist aber für jeden Studienanfänger der Geowissenschaften zugänglich. Obwohl es als Einheit allein stehen kann, würde es am besten in einem Kurs funktionieren, in dem es mit anderen, ähnlich strukturierten Einheiten zusammenpasst. Es sind keine Vorkenntnisse erforderlich, es werden jedoch Anregungen für die Vermittlung dieses Moduls angeboten, wenn bereits Hintergrundwissen in Plattentektonik vorhanden ist.


Sedimentbelastung

Das in Bächen fließende Wasser erodiert, transportiert und lagert Sedimente ab. Die meisten Gesteine ​​und Mineralien sind viel dichter als Wasser. Ausreichende Energie im Bach ist erforderlich, um Gesteine ​​aus der Erde zu lösen und zu bewegen. Je schneller ein Bach fließt, desto mehr Energie hat er und desto größere Sedimentstücke kann er transportieren. Das Kompetenz eines Baches bezieht sich auf die maximale Größe der Sedimentstücke, die er bewegen kann. Schneller fließendes Wasser hat eine größere Kompetenz und kann größere Sedimentstücke bewegen.

Das Kapazität eines Baches ist die Gesamtmenge an Sediment, die er bewegen kann. Die Kapazität hängt davon ab, wie schnell sich der Strom bewegt und wie stark er vollständig entladen ist. Wenn ein Stream langsamer wird, werden seine Kompetenz und Kapazität reduziert. Der Bach beginnt mit der Ablagerung von Sedimenten, beginnend mit den größten Stücken. Mehrere Faktoren führen zu einer Verlangsamung eines Baches, darunter die Aufweitung des Bachkanals, das Überlaufen des Baches und die Ausbreitung in eine Überschwemmungsfläche, die Verringerung des Bachgefälles (Gefälle) und die Entleerung des Baches in ein größeres, langsamer fließendes Gewässer.

Ströme transportieren klastisches Sediment in Abhängigkeit von der Partikelgröße auf zwei Arten. Das gröbere Sediment wird Geschiebe genannt und besteht aus Partikeln, die zu groß sind, um längere Zeit in der fließenden Wasserströmung suspendiert zu werden. Die Geschiebepartikel, die größten Sedimentpartikel, die von einem Bach transportiert werden, verbringen die meiste Zeit auf dem Boden des Bachkanals und rollen, rutschen oder hüpfen in Anfällen flussabwärts. Das feinere Sediment wird als Schwebstoff bezeichnet und besteht aus Partikeln, die klein genug sind, um in der fließenden Wasserströmung suspendiert zu werden. Die schwebende Last bewegt sich ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit wie das fließende Wasser. In einem schlammigen Fluss wird der Schlamm belastet


Inhalt

Als Beispiel erstellen wir eine Reihe von Einzugsgebieten mit ihren Entwässerungsöffnungen genau an den Stellen, an denen die Bäche eine Straße kreuzen. Wir gehen davon aus, dass unsere Startdaten ein Höhen-Raster namens "dem" und einen Linienvektor namens "Straßen" enthalten. Wir erstellen zuerst die regulären Hydrologieschichten.

Vorbereitung

Bisher recht unkompliziert. Es gibt reichlich Informationen zu r.watershed . Ich erwähne nur, dass der Schwellenwert die Anzahl der ist Zellen das wird die minimale Einzugsgebietsgröße sein. Wenn die Auflösung unseres Dem-Rasters also beispielsweise 10x10 Meter beträgt (jede Zelle = 100 qm), dann würde ein Schwellenwert von 20.000 (=2.000.000 qm) Einzugsgebiete von mindestens 2 Quadratkilometern schaffen.

Erste Ergebnisse anzeigen

Wenn der Prozess abgeschlossen ist, haben wir drei neue Rasterkarten: die Fließrichtungskarte, die Bäche und die Einzugsgebiete. Mal sehen, was wir bisher haben:

Entwässerungspunkte bestimmen

Jetzt müssen wir alle Punkte finden, an denen Bäche Straßen kreuzen. Das Modul v.overlay behandelt keine Punktvektoren (Hinweis: v.select tut es). Stattdessen verwenden wir einen Trick in v.clean. Beim Bereinigen eines Linienvektors werden alle Punkte, an denen sich Linien kreuzen und kein Knoten existiert, als topologische "Fehler" betrachtet und können in einem neuen Punktvektor gespeichert werden. Durch Zusammenführen der Straßen- und Stromvektoren erstellen wir also einen Vektor mit Linien (Bächen), die andere Linien (Straßen) ohne Knoten kreuzen. Dann führen wir v.clean aus und erhalten all diese Schnittpunkte in einem neuen Vektor.

Durchschleifen von Ablaufstellen

Sobald wir die Kreuzungspunkte in einer Datei haben, führen wir einfach r.water.outlet in einer Schleife aus, um für jeden Kreuzungspunkt eine Wasserscheide zu erstellen. Das Rasterergebnis von r.water.outlet hat jedoch den Wert '1' in jeder Zelle, die stromaufwärts des Abflusspunkts liegt, und '0' überall sonst. Für unsere Zwecke wollen wir die Raster nach dem Ausführen der Schleife zusammenflicken, also brauchen wir Nullwerte außerhalb der Wasserscheiden, und jede Wasserscheide muss a anderer Wert in den vorgelagerten Zellen für seine Entwässerungsstelle. Um diese Ergebnisse zu erzielen, verwenden wir das r.null-Modul, um Zellen mit dem Wert '0' auf null zu setzen. Anschließend nutzen wir die Funktion r.reclass, um ein reklassifiziertes Raster mit unterschiedlichen Werten für jede Wasserscheide zu erstellen. So funktioniert es für GRASS 6:

Und so funktioniert es für GRASS 7:

Kombinieren von Wasserscheiden zu einem gepatchten Vektor

Als nächstes patchen wir alle reklassifizierten Raster (Wasserscheiden), konvertieren in Vektoren und bereinigen den zusammengeführten Wasserscheiden-Vektor.

Wählen Sie einen geeigneten Schwellenwert basierend auf Ihrer Regionsauflösung. Bei einer Regionsauflösung von 10 ist jede einzelne Zelle 100 m² groß. Wenn Sie also 150 als Schwellenwert für v.clean wählen, können diese kleinen Bereiche entfernt werden. Eine zusätzliche manuelle Reinigung kann erforderlich sein.

Höchstwahrscheinlich möchten wir die Fläche für jede Wasserscheide berechnen.

Und schließlich können wir die Einzugsgebiete und ihre Flächenwerte anzeigen (Sie können die wxGUI verwenden):

Berechnung der gesamten Entwässerungsfläche für jede Bachreichweite

Einige andere Software, wie die ArcGIS-Erweiterung "ArcHydro", kann die gesamte durchfließende stromaufwärts gelegene Einzugsfläche berechnen jeder Strom erreichen. Das gleiche Ergebnis wird in GRASS mit wenigen Hydrologiemodulen und einem Datenbank-Join erreicht. Beginnen Sie mit der erneuten Ausführung des Befehls r.watershed wie im ersten Abschnitt, fügen Sie jedoch ein Flussakkumulations-Raster als Ausgabe hinzu:

Erstellen Sie nun einen Stream-Vektor-Layer (oder verwenden Sie den oben erstellten Vektor-Layer) mit dem Modul r.stream.extract. Fügen Sie dann der Vektorattributtabelle Spalten für die Endpunktkoordinaten jedes Abschnitts des Baches und für das Fließsammelgebiet hinzu:

Wir haben jetzt eine Flussvektorkarte mit den X-Y-Koordinaten der Endpunkte jedes Abschnitts des Flusses und eine leere Spalte, die bereit ist, das flussaufwärts gelegene Entwässerungsgebiet aufzunehmen. Der nächste Schritt umfasst das Exportieren der Endpunktkoordinaten in einen Punkt-Layer und das Verwenden des v.what.rast-Moduls, um die Werte an jedem Punkt aus dem Flussakkumulationsgitter abzurufen. Dann hat der end_points-Vektor eine Attributspalte, die die Gesamtzahl der stromaufwärts liegenden Pixel enthält, die durch jeden Punkt fließen.

Im Folgenden wird die aktuelle Regionseinstellung für die Zellenauflösung abgefragt. The total number of upstream cells (from the flow accumulation raster) must be multiplied by the cell size in order to get upstream Bereich in map units. Finally an SQL expression updates the total upstream area to the streams attribute table, using the number of pixels from the end_points multiplied by the area of each pixel.

This leaves the accum_area column populated with values for total upstream drainage area for each stream reach.


Bodensenkungen

Like any layer in the subsurface, aquifers, and aquitards structurally support the overlying strata, and in turn, the ground level. If an aquifer is excessively pumped, water is drawn in from the surrounding aquitards. In cases where the aquitards are soft and unconsolidated, for example, composed of clays and silts, overpumping can cause these layers to fail structurally, expel much of their water, and literally collapse. When this happens, the overlying ground level can be lowered as a consequence, a process known as subsidence.

In the case of arid regions where aquifers are naturally recharged at very slow rates and where they are pumped intensively, significant subsidence can result. Some of the most drastic and best-known subsidence resulting from overuse of aquifers occurs in the San Joaquin and Sacramento Valleys of California, where the land level has subsided up to 10 meters in the last 90 years.

The San Joaquin and Sacramento rivers flow together in an area called the Sacramento-San Joaquin River Delta, an inland version of the Mississippi Delta where a series of tributary channels meander over a low-lying, flat plain. The area is an inland estuary with the Pacific Ocean on its western edge. The Delta area, as it is known, is some of the most productive farmland in the nation and provides 70% of the water supply of northern California. The water in the Delta channels has been controlled by human-made earthen levees to prevent flooding of low-lying agricultural areas as well as large developed areas including parts of the cities of Tracy, Stockton, and Sacramento. The 2600 mile long levee system has been built over more than 100 years and is beginning to suffer from the test of time. Subsidence has occurred as a result of oxidation of organic material in soils and compaction from farming, and the structures have been weakened by erosion and seepage. Areas behind the levees have subsided by up to 25 feet, placing further strain on the structures. Failure of levees has already occurred over 30 times in the last three decades, leading to substantial flooding, massive evacuation and six fatalities in Marysville in 1997.

Flooding in California due to levee breaks

Levees in the delta are maintained by the Army Corps of Engineers to withhold the strain of a 100-year flood. However, increased precipitation as a result of climate change has led some to question the Corps’ definition of the 100-year flood, and the same critics warn of catastrophic levee collapse, which could lead to massive numbers of fatalities and enormous property damage. Ultimately, what is required is a significant investment in fortifying levees to prevent this from happening.

Subsidence as a result of overpumping is actually a relatively common problem, especially in areas with rapid population growth, for example around Las Vegas, which until recently was the most rapidly growing city in the US. In Las Vegas, water use has exceeded recharge for many decades, leading to structurally controlled subsidence of up to 2 meters along pre-existing geological faults. Subsidence of some 3 meters has also occurred in the area around Houston as a result of population growth combined with extraction of large amounts of oil and gas from the subsurface.

As we will study in detail in Module 10, significant subsidence in the Mississippi Delta region around New Orleans has resulted partially as a result of over-pumping. Even along the east coast of the US in the Carolinas, subsidence, although not as severe as out west and along the Gulf Coast, has resulted from over pumping for agriculture and industry. In fact, one of the major demands on water in the Carolinas is for golf courses (see the lush grass in the photograph above), which account for about 60% of irrigation usage in some areas.

Without major changes in water usage and conservation, subsidence will continue and even accelerate into the foreseeable future.


Streams have a major role in geology. Streams sculpt and shape the earth’s surface by eroding, transporting, and depositing sediment. By eroding sediment from uplifted areas and creating landforms made of deposited sediment in lower areas, streams shape the earth’s surface more than glaciers do, more than waves on a beach do, and far more than wind does.

What Are Streams?

A stream is flow of water, driven by gravity, in a natural channel, on land. A small brook in a meadow and the Amazon River are both streams. It is interesting to watch water on a recently bulldozed construction site with a slope. At first the water saturates the ground and begins to flow downhill across the surface of the slope in a thin sheet. Soon, the water excavates small channels, known as rills, in the dirt. Rills coalesce to form larger channels. A network of streams, including tributaries, has formed. If not prevented, the channels may continue to deepen and erode soil from the construction site.

Over longer intervals of time the same processes we’ve imagined on the construction site have built systems of streams and stream valleys on the surface of the earth. Most valleys on earth are the product of streams. Streams erode dirt and rocks, transport the sediment, and redeposit it in new locations, shaping the earth’s surface into a system of stream valleys.

Streams flow downhill due to the force of gravity. The higher the hill, the more gravitational energy there is to drive the stream. Where the slopes are steepest and the hills the highest, the streams will be the most energetic and the rate of erosion will be fastest.

Drainage Area

The drainage area of a stream encompasses all the land from which surface runoff flows into that stream. A stream drainage area is also called a watershed. Boundaries between stream drainage areas are called drainage divides. What stream drainage do you live in?

Stream Order

It is common for one stream to flow into another. The smaller of the two streams is a tributary of the larger stream. A stream with no tributaries is a first order stream. A stream with only first-order tributaries is a second order stream. A stream that has any second-order tributaries and none higher is a third-order stream, and so on. The Mississippi River is a tenth order stream, one of the highest order streams on earth. As more and more tributaries join together a larger stream network is formed and the master stream, the highest order stream in the system has a discharge that is the sum of all the tributary discharges. When flooding occurs, higher order streams take longer to build up to flood stage than lower order streams and longer for the flood to subside.

Drainage Patterns

A stream system that includes multiple tributaries exhibits a distinct drainage pattern as seen on a map. The drainage pattern depends on the rock types and geologic structures underlying the stream system. Some types of rock are harder and more resistant to erosion than others. If the geology underlying a stream system is fairly uniform—rocks equally resistant to erosion in all directions—a dendritic drainage pattern will develop, as shown in figure 1. A dendritic drainage pattern is the most common type.

If a region is underlain by layered formations of rock that have been folded, and the layers have different degrees of resistance to erosion, the stream valleys will tend to follow the layers of less resistant rock, and the layers of harder rock will become ridges. This results in a trellis drainage pattern, as show in figure 2.

In some places the geology consists of a single type of rock that is resistant to erosion but the rock contains sets of parallel joints where it erodes more easily. The sets of joints typically intersect each other at high angles. As stream valleys develop in the joint system a rectangular drainage pattern develops, as shown in figure 3. The stream valleys will bend sharply where they switch from following one joint set to another.

Streams will radiate in all directions from the center of a broad, high-elevation area, such as a composite cone. This is known as a radial drainage pattern.

Graded Profile

Because streams erode more and remove more sediment where the stream gradient is higher, and deposit more sediment where the stream gradient is lower, a stream will develop a graded profile as shown. The graded profile shows how the elevation of the stream changes along the length of the stream, from its beginning at the highest elevation to its base level where it ends at the lowest elevation it reaches.

A graded profile starts with a steep slope at the beginning of the stream and tapers to a gentle slope at the base level of the stream. Imagine a hiker following a stream up to its beginning and tracking her progress on a topographic map. She starts out where the stream valley is low and wide and the gradient is gentle so the hiking is easy. As the day goes on, the going gets steeper as she approaches the stream source. Checking the topographic map, she sees that the contour lines are much closer together than they were earlier in the day and farther down the valley. As she approaches the small lake on the side of the mountain where the stream begins, the slope is so steep that nearly loses her footing. She has experienced for herself a typical stream profile that steepens from near the base-level to the origin of the stream.

Lakes and waterfalls are temporary features in a stream drainage. If a lake forms the stream feeding it will slow down and deposit sediment until the lake has been filled with sediment. Where a waterfall forms the energy of the stream going over the waterfall is high will erode the base of the waterfall, causing the waterfall to retreat upstream until a graded profile is established.

Stream Discharge

The amount of water flowing through a stream and speed at which it is moving is expressed as the discharge of the stream. Discharge is measured by multiplying the cross-sectional area of a stream by the average speed of water through that cross-section. Multiplying the area of the cross-section by the average speed of the water results in units of volume/time. For example, if a stream has a cross-sectional area of 150 square feet (ft 2 ) and is moving at an average speed of 10 feet per second (ft/s), multiplying the area and the speed results in a discharge of 1,500 cubic feet per second (ft 3 /s).

Sediment Load

The water flowing in streams erodes, transports, and deposits sediment. Most rocks and minerals are much denser than water. Sufficient energy in the stream is required to dislodge rocks from the earth and move them. The faster a stream flows, the more energy it has and the larger pieces of sediment it can transport. Das competence of a stream refers to the maximum size of the pieces of sediment it can move. Faster-moving water has greater competence and can move larger pieces of sediment.

Das Kapazität of a stream is the total amount of sediment it can move. Capacity depends on how fast the stream is moving and its total discharge. As a stream slows down, its competence and capacity are reduced. The stream starts to deposit sediment, beginning with the largest pieces. Several factors cause a stream to slow down, including the stream channel widening, the stream overflowing its banks and spreading into a floodplain, the stream gradient (downhill slope) diminishing, and the stream emptying into a larger, slower moving body of water.

Streams transport clastic sediment in two ways depending on the size of the particles. The coarser sediment is called bed load and consists of particles too large to be suspended in the moving current of water for an extended length of time. The bed load particles, the largest particles of sediment transported by a stream, spend most of their time on the bottom of the stream channel, rolling, sliding, or bouncing downstream in fits and starts. The finer sediment is called suspended load and consists of particles small enough to be suspended in the moving current of water. Suspended load moves at about the same rate as the flowing water. In a muddy river, the mud is suspended load

Überschwemmungsgebiete

Streams build floodplains through a combination of erosion and deposition at lower gradient stretches of stream valleys. Although a floodplain has a general downhill slope consistent with the overall stream gradient, a floodplain is relatively flat.

Floodplains are filled with sediments spread by the stream. These sediments are known as alluvium. Because alluvium is loose material that is easy for the stream to erode and redeposit, the location of a stream channel in a floodplain changes frequently.

Meanders

A stream running down a slope, even the gentle slope of a floodplain, will seldom follow a straight path for very long. Depending on the distribution of sediments and turbulence of the stream, one side of the channel may erode more easily than the other. The stream will migrate toward the area undergoing erosion, developing a curve in that direction. Once the stream channel has begun to curve, the energy of the water is concentrated on the outside of the curve.

The diagram shows a stretch of stream channel with a significant bend, also known as meander. The blue line shows how erosive energy is concentrated along the outside of each bend in the stream. As erosion occurs on the outside bank of a meander, deposition occurs on the inside bank where the water slows and drops sediment.

The diagram below shows two well-developed meanders that have formed in a stream. Along each meander, the outer stream bank that is being cut into by erosion is called a cut bank. The inner bank, which has grown by accretion of deposited sediment, is called a point bar.

In a stream, meanders enlarge and migrate downstream because the stream continually erodes its cut banks and grows its point bars. The diagram below shows the enlargement and downstream migration of a meander in a stream channel. As the meander is enlarged, its neck gets narrower. Eventually, the stream may cut through the neck of the meander, either as a result of gradual erosion and channel migration, or abruptly during high water and flooding. Once the stream has cut through the neck of the meander, the openings get filled with sediment dropped by water that slows down as it enters from the main stream. The sediment deposits will separate the cut off meander from the river channel and turn it into an oxbow lake. As the years go by, the oxbow lake will eventually be completely filled in with sediment because it is a low spot on the floodplain where any water that enters, such as during flooding, will come to a standstill and deposit its sediment load.

Entrenched Meanders

Typical meandering stream channels flow through broad flood plains full of alluvial sediment. However, in some situations meanders may cut directly into bedrock. A meander that has cut into bedrock is known as an incised or entrenched meander. In contrast to meanders in alluvium that erode and migrate rapidly or get cut off at the neck abruptly, entrenched meanders are relatively fixed. This is because entrenched meanders are walled in by bedrock on both sides and have little floodplain to easily erode and redeposit.

Entrenched meanders form as a result of tectonic uplift of the stream drainage area. The uplift increases the gravity-driven energy of the stream causing it to incise rapidly down through the flood plain alluvium into the bedrock beneath. Entrenched meanders are striking landscape features because they are unusual and they provide strong evidence of tectonic activity in a region. Classic examples of entrenched meanders include the Goosenecks of the San Juan River, which are incised in the Colorado Plateau east of the Grand Canyon, and a stretch of the Yakima River with entrenched meanders, which are incised in a recently uplifted ridge of basalt in the Columbia Plateau of eastern Washington state.

Braided Streams

Rather than a single channel, some streams have multiple channels that weave in and out of each other forming what is known as a braided stream. Braided streams are associated with excessive amounts of sediment entering a stream system. Valleys draining alpine glaciers are common settings for braided streams. The glaciers deposit more sediment into the meltwater stream system than a stream of that discharge has capacity to transport in a single channel system. Braided stream systems are indicators that there is an additional source of sediment in the system besides the stream itself. Sources of excess sediment that lead to braided streams include glaciers, eruptions of pyroclastic material by volcanoes and landslides.

Flooding and Flood Frequency

Streams flood. Flooding is a normal part of stream behavior. The rate at which streams erode, transport, and deposit sediments greatly increases during flooding. A flood occurs when the water depth in a stream exceeds the depth of the stream channel and spreads beyond the stream channel onto the surrounding land. When a stream completely fills its channel it is said to be at bankfull stage. When a stream surpasses bankfull stage it is said to be in flood. When the flood spreads widely enough to cause property damage, a stream is said to be at flood stage.

Different streams have different flood behaviors. Some rivers tend to have an annual flood associated with a rainy season or snowmelt season in the higher part of the drainage area. Some streams only flood sporadically, often with years between floods. In the United States all the larger streams have their flow measured at gaging stations that are installed and monitored by the US Geological Survey. Records of stream flow must be kept for at least 30 years to be statistically valid. The likelihood of a flood of a specified magnitude occurring on a stream in a given year can be calculated from the stream flow data. The magnitude of a flood that has a 1 out of 100 chance of happening in a given year—also known as the 100-year flood—is calculated for a stream from it record of stream flow. The 100-year flood magnitude, and maps that show what would be covered by a 100-year flood, are key elements in granting permits for land use and building construction in floodplains.

Low order streams may flood rapidly during or immediately after heavy rainfall. Such rapid floods are called flash floods. Flash floods are often unpredictable. If a river drains through a canyon from a high elevation area, people may be walking along a stream in the canyon in the sunshine and not realize that a thunderstorm is occurring at the stream’s source. They may be surprised by a flash flood sweeping through the canyon. A slow building flood on a higher order stream can usually be predicted because major streams are monitored and it takes longer for water from heavy rainfall or rapidly melting snow to move through the higher order stream system. Floods on the highest order streams, such as the Mississippi River, may take several weeks to crest and subside.

Changes to the land in the drainage area of a stream, such as the addition of buildings and roads, can change how a stream floods. Buildings and pavement that cover the ground prevent infiltration and cause increased surface run off. Increased stream runoff means smaller amount of rain will cause the stream to reach flood stage than before the alterations to the land. The stream will flood more frequently. For the same amount and rate of rainfall that caused flooding prior to building, the stream will reach flood stage quicker and the flood will be deeper. The diagram below shows the flood response of a stream to a given amount of rainfall before and after the stream drainage area was urbanized by removal of forest and addition of buildings and roads. After urbanization, the stream reaches its peak flood level quicker and rises to a higher level than before urbanization. Unless countermeasures are engineered and installed, an urbanized area will flood more frequently and severely than the same area when it was forested.

Alluvial Fans

At the location where a stream reaches its base level, it slows down and deposits nearly all of the sediment it is carrying. A stream that comes down a canyon and enters a flat valley or plain builds a fan shaped deposit of sediment known as an alluvial fan. Alluvial fans are built mostly during flash floods. Alluvial fans are easy to recognize in arid areas but they form in wetter climates as well.

The diagram in figure 11 shows in cross-section how an alluvial fan develops over time as sediment is eroded from higher elevation and deposited on the adjacent lower elevation plain.

Deltas

Deltas are important landforms to civilization. They provide fertile soils, flat land, and water for agriculture, as well as river channels for transportation.

A delta is a landform composed of sediment deposited where a stream enters a larger, slower moving body of water, such as an ocean, a lake, or a larger river. The term delta comes from the triangular shape of the Greek letter delta (Δ). Ancient Greek geographers recognized the triangular shape of the land created by the Nile River where it emptied into the Mediterranean Sea and gave the name delta to that landform. The Nile River delta is one of several types of deltas that are defined by the predominate processes that shape them. The Nile delta is a wave-dominated delta. Waves of the Mediterranean Sea have pushed and distributed sediment along the coast, flattening the seaward side of delta.

The Mississippi River delta is an example of a stream dominated delta. Deposition of sediments has built the delta into the Gulf of Mexico faster than waves or tides could redistribute the sediment. As commonly occurs in a delta, the Mississippi River splits in the downstream direction into several branches that discharge across the delta into the Gulf of Mexico. These branches are known as distributaries. The mouth of each distributary has built part of the delta farther out into the Gulf of Mexico forming what is known as a bird’s foot delta, another name for a stream dominated delta based on the way it looks on a map.

The Ganges River delta is a tide dominated delta formed from sediment eroded from the Himalaya Mountains, the largest mountain range in the world. The mouth of the Ganges River is at the northern end of the Bay of Bengal, a large embayment of the Indian Ocean. The shape of this large bay has a magnifying effect on the tides. The combination of strong tides and the consistently high discharge from a river caring a large sediment load create a branching pattern of distributaries, in effect a braided stream system across the delta.

Deltas are lowlands that lie barely above sea level and are at high risk of being submerged under water. There are several ways in which deltas can be inundated by rising water. Floods coming down the river can cover a delta. Marine deltas can be subject to storm surges when extreme winds raise sea level along the coast and push ocean water inland. In the last several decades a new risk of submergence has arisen for marine deltas. Many marine deltas are undergoing gradual submergence as global sea level rises.


Module streams

Module streams are filters that can be imagined as virtual repositories in the AppStream physical repository. Module streams represent versions of the AppStream components. Each of the streams receives updates independently.

Module streams can be active or inactive. Active streams give the system access to the RPM packages within the particular module stream, allowing installation of the respective component version. Streams are active either if marked as default or if they are explicitly enabled by a user action.

Only one stream of a particular module can be active at a given point in time. Thus only one version of a component can be installed on a system. Different versions can be used in separate containers.

Each module may have a default stream which usually provides the latest or recommended version of the component. Default streams make it easy to consume CentOS packages the usual way without the need to learn about modules. The default stream is active, unless the whole module has been disabled or another stream of that module enabled.

Certain module streams depend on other module streams. Zum Beispiel die perl-App-cpanminus, perl-DBD-MySQL, perl-DBD-Pg, perl-DBD-SQLite, perl-DBI, perl-YAML, und freeradius module streams depend on certain perl module streams.

Das postgresql module provides the PostgreSQL database versions 9.6 and 10 in the respective streams 9.6 und 10. Stream 10 is currently the default one. This means that the system will attempt to install the postgresql-10.6 package if asked for postgresql.

For more information about modular dependencies, see Modular dependencies and stream changes.


Schau das Video: Hochwasser Hallein 2021