Bewältigung mäandernder Wasserstraßen in einer sich verändernden Welt

So wie Wasser durch einen Fluss fließt, bewegen sich Flüsse selbst durch die Landschaft. Sie graben Täler und Schluchten, schaffen Überschwemmungsgebiete und Deltas und transportieren Sedimente vom Hochland ins Meer.

Ein Artikel der UC Santa Barbara präsentiert einen Bericht darüber, was die Migrationsraten mäandernder Flüsse antreibt. Die beiden Autoren stellten einen globalen Datensatz dieser Wasserstraßen zusammen und analysierten, wie sich Vegetation und Sedimentbelastung auf die Kanalbewegung auswirken.

„Wir finden einen globalen Trend zwischen der Menge an Sedimenten, die Flüsse transportieren, und ihrer Migrationsgeschwindigkeit über alle Variablen hinweg“, sagte Hauptautor Evan Greenberg, Doktorand am Institut für Geographie.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft, Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die die stabilisierende Wirkung der Vegetation betonten. In diesem Artikel beleuchten die Forscher, wie die Aktivität mäandernder Flüsse aus dem Zusammenspiel zwischen Sedimentablagerung und Uferstabilisierung durch Vegetation entsteht.

Einige der wichtigsten Wasserstraßen der Welt sind mäandrierende Flüsse. Daher ist das richtige Verständnis ihres Verhaltens von entscheidender Bedeutung für die Bewältigung dieser Naturphänomene in einer sich verändernden Welt.

Auf eine Flussbiegung wirken zwei Kräfte, Stangenschub und Uferzug genannt. Bar Push wird dadurch verursacht, dass Ablagerungen auf der Innenseite einer Kurve eine Sandbank bilden, die die Kurve nach außen drückt. Gleichzeitig zieht die Erosion am gegenüberliegenden Ufer die Kurve noch weiter nach außen. Auf Ersteres wirkt sich die Sedimentfracht stärker aus, auf Letzteres hat die stabilisierende Präsenz der Vegetation einen stärkeren Einfluss.

Wissenschaftler haben verschiedene Hypothesen aufgestellt, welcher Faktor einen stärkeren Einfluss auf die Mäanderwanderung hat. „Das ist ein ziemlich kontroverses Thema und es geht immer wieder hin und her“, sagte die leitende Autorin Vamsi Ganti, Greenbergs Beraterin und außerordentliche Professorin in der Geographieabteilung.

Um diese Dynamik zu untersuchen, haben Greenberg und Ganti vorhandene Messungen der Flussmigrationsraten zusammengestellt und Daten von etwa 60 weiteren Flüssen hinzugefügt. Insgesamt stellten sie Daten zu 139 mäandrierenden Flüssen auf der ganzen Welt zusammen, die sich über verschiedene Regionen, Klimazonen, Größen und Vegetationsregime erstrecken. Mithilfe von Satellitenbildern modellierten die Forscher jeden Flusskanal als eine Reihe von Liniensegmenten. Anschließend konnten sie verfolgen, wie sich diese Segmente im Laufe der Zeit verschoben, um die Wanderung des Flusses zu messen.

Das führende Paradigma war, dass die Vegetation diese Wanderung verlangsamt, indem sie das Außenufer gegen Erosion stabilisiert. Dies stand im Gegensatz zu experimentellen Beweisen, die darauf hindeuten, dass die Sedimentbelastung ein Einflussfaktor sein könnte. Der Uferzug ist in unbewachsenen Flüssen stärker, aber wie Greenberg und Ganti herausfanden, weisen diese tendenziell auch ein höheres Sedimentangebot auf, was es schwierig macht, die relativen Beiträge der beiden Prozesse zu unterscheiden.

Die Analyse von Greenberg und Ganti zeigte jedoch einen klaren Trend: Bei Flüssen, die im Verhältnis zu ihrer Größe viel Sediment transportierten, war die Migration schneller. Das Modell zeigte auch, dass die Vegetation die Flusswanderung verlangsamt, wie frühere Studien nahelegten. Der Effekt war jedoch viel geringer: Unbewachsene Flüsse wanderten viermal schneller als Flüsse ähnlicher Größe, statt wie von einigen ihrer Kollegen berichtet um das Zehnfache. Dies deutet darauf hin, dass der Bar-Push einen stärkeren Einfluss auf mäandrierende Flüsse hat als der Ufer-Pull.

Das Flussverhalten ergibt sich jedoch aus dem Zusammenfluss der beiden Prozesse. „In einem sich schlängelnden Fluss kann man nicht zulassen, dass einer den anderen dominiert“, sagte Ganti. „Wenn Sie nicht über genügend Sedimentvorräte verfügen, wird der Uferzug schneller sein als der Stangenschub, und am Ende entsteht ein verflochtener Fluss. Es ist also wirklich das Gleichgewicht zwischen dem Stangenschub und dem Uferzug, das diese stabilen, mäandrierenden Flüsse entstehen lässt.“ „

Staudämme bieten eine fertige Fallstudie zur Untersuchung der Beiträge dieser beiden Mechanismen, da die Bauwerke Sedimente einfangen, die Vegetation jedoch kaum beeinträchtigen. Als die Autoren die Bewegung von drei nordamerikanischen Flüssen oberhalb und unterhalb bemerkenswerter Dämme untersuchten, stellten sie fest, dass sich die Migrationsraten flussabwärts verlangsamten, wo dem Fluss Sedimente fehlten. Sie konnten nun sicher sein, dass die Sedimentfracht die Kurvenwanderung antreibt.

Greenberg untersucht außerdem die Auswirkungen von Staudämmen nicht nur auf mäandrierende Flüsse, sondern auf alle Arten von Flüssen mit Überschwemmungsgebieten. „Wir wollen wissen, welchen Einfluss Staudämme auf die Flusswanderung haben“, sagte er.

Viele der wichtigsten Wasserstraßen der Welt seien mäandrierende Flüsse, und Hunderte Millionen Menschen leben entlang ihrer Überschwemmungsgebiete, sagte Ganti. „Daher ist es wichtig zu wissen, wie sich Flüsse bewegen, um die Risiken zu bewältigen, die mit der Ufermigration einhergehen.

In früheren Arbeiten hat Ganti dokumentiert, wie sich der Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen im Sedimentangebot in der Zukunft auf die Flussdynamik auswirken könnten.

Die Ergebnisse zeichnen ein Bild von aktiveren, weniger vorhersehbaren Flüssen, insbesondere in Kombination mit extremerem Wetter und veränderter Landnutzung. Wissenschaftler gehen beispielsweise davon aus, dass es in vielen Flüssen zu einem erhöhten Sedimentangebot kommen wird. „Mehr Sediment bedeutet, dass Flüsse mehr leisten können“, bemerkte er.

Ganti plant, den Umfang seines Modells zu erweitern. Während sich Geographen und Geowissenschaftler in der Vergangenheit auf mäandrierende Flüsse konzentrierten, seien die meisten Wasserstraßen des Planeten wandernde, vielsträngige Flüsse, sagte er. Er und Greenberg arbeiten an der Quantifizierung der Flussmobilität im Allgemeinen über die vielen Flusskategorien hinweg.

Idealerweise wollen sie ein Modell entwickeln, das die Wanderung eines Flusses beschreiben kann, wenn er über seine gesamte Länge, vom Quellgebiet bis zum Meer, seinen Typ ändert.