Fluviální geomorfologie včera a dnes Zdeněk Máčka Z8308 Fluviální geomorfologie (1) Fluviální geomorfologie – vymezení disciplíny Fluviální geomorfologie se zabývá úlohou řek při modelování povrchu kontinentů. Fluviální geomorfologie se zaměřuje na studium historie vodou modelovaných tvarů, pochopení jejich formativních procesů a predikování jejich budoucích změn za použití kombinace terénního výzkumu, experimentálních studií a numerického modelování. Fluviální geomorfologie zažívá oživení díky spolupráci s vodním hospodářstvím (river engineering/management) a využití nových analytickým a přístrojových metod. Jasný start … • Playfair’s law • Quantitative physiographic factors • Infiltration theory of surface runoff • Surface erosion by overland flow • Origin and development of stream systems and their valleys by aquaeous erosion • Drainage basin topography Robert E. Horton Medal Robert E. Horton Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology BULLETIN OF THE GEOLOGICAL SOCIETY OF AMERICA roč. 56, 1945, s. 257–370, 40 obrázků Co mám zanechal pan Horton až do dnešních dnů … ŘÁD TOKU podle Hortona ŘÁD TOKU – POČET TOKŮ ŘÁD TOKU – DÉLKA TOKŮ ŘÁD TOKU podle Strahlera LIMITOVANÁ INFILTRAČNÍ KAPACITA PŮDNÍ EROZE POVRCHOVÝM ODTOKEM 𝑞𝑞𝑠𝑠= 𝐾𝐾𝑆𝑆 𝛿𝛿 𝑀𝑀 𝑞𝑞𝑠𝑠 … intenzita odtoku (objem/čas) 𝐾𝐾𝑆𝑆 … koeficient (sklon, odtoková délka, drsnost povrchu a charakter odtoku) 𝛿𝛿 … hloubka odtoku 𝑀𝑀 = 5/3 Wischmeier a Smith (1978) universal soil loss equation DÉLKA SVAHU – ZTRÁTA PŮDY VODNÍ EROZÍ VÝVOJ ÚDOLNÍ SÍTĚ CROSS GRADING a vznik MASTER RILL Příběh pokračuje … (50. a 60. léta) Stanley A. Schumm BULLETIN OF THE GEOLOGICAL SOCIETY OF AMERICA ROČ. 67, 1956, S. 597 – 646, 46 obrázků, 6 tabulí Evolution of drainage systems and slopes in badlands at Perth Amboy, New Jersey Relief ratio max 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛. 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 − min 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛. 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝í Hypsometrická křivka Constant of channel maintanance (závislost na převýšení, litologii a klimatu) C = 𝐴𝐴 ∑ 𝐿𝐿 = 1 𝐷𝐷𝑑𝑑 (m2.m-1) Topografická mapa badlandu v Perth Amboy Milestones: essential reading 1 Leopold LB, Wolman MG, Miller JP (1964) Fluvial Processes in Geomorphology zaměření na pochopení vztahu procesu a tvaru, nikoliv na historii (vývoj) tvaru THE EVOLVING LANDSCAPE • The changing scene • Geomorphology and the field problem PROCESS AND FORM • Climate and denudational processes • Weathering • The drainage basin as a geomorphic unit • Water and sediment in channels • Channel form and process • Hillslope characteristics and processes THE EFFECT OF TIME • Geochronology • Drainage pattern evolution • Channel changes with time • Evolution of hillslopes Luna Bergere Leopold 1915–2006 Nástup empirických měření fluviálních tvarů a procesů (70. léta) Luna B. Leopold River channel change with time: an example BULLETIN OF THE GEOLOGICAL SOCIETY OF AMERICA roč. 84, 1973, s. 1845 – 1860, 17 obrázků, 1 píseň Roy a Lane (2003): fluviální geomorfologie ‘now increasingly grounded in the measurement and understanding of individual cases’ 70. léta – rozplývání jasných kontur oboru Nové výzkumné techniky – společné využívání různými obory, rozmazávání hranic mezi fluviální geomorfologií a dalšími obory (zejména hydrologie a sedimentologie) Pozvolný návrat k historickému vývoji fluviálních tvarů – multidisciplinární paleohydrologie Mnoho fluviálního výzkumu, který je svou podstatou geomorfologický, není řazen pod hlavičku fluviální geomorfologie. GEORADAR ELEKTRICKÁ ODPOROVÁ TOMOGRAFIE Milestones: essential reading 2 Schumm SA (1977) The Fluvial System • Introduction • Variables and change • Climate change and paleohydrology • Drainage basin (zone 1) • Rivers (zone 2) • Valley and valley fills (zone 1 and 2) • Piedmont (zone 3) • Coastal plain (zone 3) • The fluvial system Milestones: essential reading (80. léta) David KNIGHTON (1984, 1998) Fluvial Forms and Processes • Introduction • Drainage networks • Fluvial processes • The adjustment of channel form • Channel changes through time Keith RICHARDS (1982) Rivers: Form and Process in Alluvial Channels • Alluvial river channels: their nature and significance • The drainage basin: environmental controls of the river channel • The mechanics of flow and the initiation of sediment transport • Sediment transport processes • The magnitude and frequency of channel-forming events • The morphology of river cross- sesctions • River channel pattern: processes, forms and sedimentology • Channel gradient and the long profile • River channel changes: adjustment of equilibrium • Channel management and design Marie MORISAWA (1985) Rivers: Form and Process • Introduction • Stream denudation • Hydraulics of streamflow • Entrainment and transport • Mechanics and landforms of fluvial erosion • River morphology: the channel • River morphology: channel pattern • River deposition and fluvial landforms • Quantitative basin analysis • Structural and lithological controls • Impact of man on rivers Integrace fluviální geomorfologie a vodního hospodářství (90. léta) Občas bolestivý proces: • geomorfologie se vodohospodářům zdá být dosud málo etablovaný obor • fluvgeo sbírá rozmanitá data v terénu, namísto aby počítala (modelovala) jako hydraulika otevřených koryt • poznatky fluvgeo přicházejí často od ochranářů či zájmových skupin • fluvgeo řeší často problém v jiné časové perspektivě (delší časová měřítka) Thorne CR – Hey RD – Newson MD (1997) Applied Fluvial Geomorphology for River Engineering and Management Nové výzkumné metody a techniky nelineární chování řek, rozmanitá časoprostorová měřítka nutnost aplikovat více nástrojů současně pochopení vztahů, řešení problémů Kondolf GM – Piégay H (eds.) (2002) TOOLS IN FLUVIAL GEOMORPHOLOGY Historie fluviálních systémů klima, tektonika, povodně, člověk >>> aluviální sedimenty/archivy často špatně zachovaný sedimentární záznam (puzzle) sedimentologie, stratigrafie; geochronologie; pedologie; hydrologie, hydraulika; ekologie Modelování proudění a splaveninového transportu computational fluid dynamics (CFD) parametrizace topografie a dnové drsnosti (GPS, digitální fotogrametrie, remote sensing /ALS, SAR, LiDAR/) Ekologické a vodohospodářské studie integrace geomorfologie a ekologie typy proudění, substráty, dnové formy >>> ekotopy, podklad pro revitalizace koryt swath sonar bathymetry přesná morfologie říčního dna, sledování změn LiDAR + geoelektrické metody (2D GPR, 3D ERT) 3D architektura sedimentárních výplní údolí vrtné práce, trenching stratigrafie tagy emitující rádiové vlny monitoring pohybu ryb, štěrku a říčního dřeva Příklad multidisciplinárního projektu z oblasti historického vývoje fluviálních systémů Grantová agentura Av ČR: IAAX00130801 Vztahy mezi klimatem, antropogenní činností a erozí krajiny zaznamenané v přírodních archívech Strážnického Pomoraví (ČR) (2008-2011) Participující pracoviště: HLAVNÍ ŘEŠITEL: Geologický ústav AVČR • Botanický ústav AVČR • Ústav anorganické chemie AVČR • Ústav jaderné fyziky AVČR • GÚ PřF MU • G Impuls Praha Mix použitých výzkumných metod: • sedimentologie (mělké vrty, profily v nátržích), paleomagnetismus • palynologická rekonstrukce druhové skladby rostlinných společenstev nivy a její historický vývoj • chemické a mineralogické analýzy, průmyslové znečištění • datování: 14C, dendrochronologie, OSL • změny hydrografické sítě (staré mapy), chronologie povodní, změny krajinné pokrývky • georadar, ERT Fluviální geomorfologie zahrnuje více než jen studium fluviálních tvarů (a procesů) … Fluviální geomorfologie “the study of the morphology of environments worked by rivers“ Dictionary of Physical Geography (2000) Kondolf a Piégay (2003) “We define fluvial geomorphology in its broadest sense, considering channel forms, floodplain, network, and catchment … we consider fluvial geomorphology at different spatial and temporal scales within a nested systems perspective … Analysis of fluvial geomorphology can involve application of various approaches from reductionism to a holistic perspective, two extremes of continuum of underlying scientific approach along which the scientist can choose tools according to the question posed.“ Současné trendy ve fluviální geomorfologii • čistá věda /core scientific issues/ – revival tradičních témat – hydraulika proudění v otevřených korytech – pohyb splavenin, charakter proudění v meandrech – environmental flows – říční vzory – vztah k transportu splavenin a sedimentologii – slope-channel coupling, depozice sedimentů do niv, říčních jezer a pobřežních mokřadů • management životního prostředí /environmental management problems/ – klasifikace řek a říčních koryt, projektování přirozených stabilních koryt → povodí jako trvale udržitelný hydrosystém • multidisciplinarita výzkumu a aplikací – ekologie; od 90. let horké téma biosložka řek – ripariánní sedimentace, large wood → biogeomorfologie a ekohydrologie – fyzika; fyzikálně založené teorie a modelování chování koryt →predikce – paleohydrologie; dlouhodbé režimy řek, příčiny/mechanizmy krátkodobých hydrologických změn → globální změna prostředí Zastoupení a výzkumná témata fluviální geomorfologie po r. 2000 Progress in Physical Geography 2010-14 Earth Surface Processes and Landforms 2006-11 2010 2011 2012 2013 2014 fluvgeo 7 8 6 7 0 celkem 56 58 49 50 23 procento 12,5 13,8 12,2 14 0 Témata v PPG 2010-14 book review, classics revisited ii discipline progress iii sediment transfer iiiiiiiii channel pattern ii human impact i hydraulics iii biogeomorphology i river management iii soil erosion i methods, techniques i 6th International Conference of the International Association of Geomorphologists Zaragoza, 2005 sekce: Fluvial Geomorphology and Palaeohydrology (95 příspěvků)