Changing discharge regimes and sediment transport in seasonally ice-covered rivers
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
Cold-region rivers, many of which are seasonally ice covered, are undergoing rapid hydroclimatic change as rising air temperatures alter precipitation phase, snow accumulation, freeze–thaw cycles, and river-ice regimes. These changes modify discharge seasonality and flow and sediment processes that have traditionally been dominated by spring snowmelt and stable winter ice cover. Despite their importance, flow conditions and sediment transport beneath river ice remain poorly understood, particularly in natural rivers. This thesis examines climate-change-driven alterations in cold-region river systems by integrating watershed-scale analyses of long-term discharge records with reach-scale field observations of under-ice flow and sediment processes. It is based on two long-term time series and applies three complementary approaches: (1) statistical analyses of multi-decadal discharge records from unregulated Finnish rivers, (2) multi-year in situ measurements of near-bed flow and sediment transport beneath ice cover in a subarctic meander bend, and (3) near-bed turbulence analyses to assess hydraulic controls on ice-covered flow processes. Results show that climate change is redistributing river discharge within the hydrological year across Finland. Spring flood peaks are occurring earlier, while winter and autumn flows are increasing, whereas annual total discharges remain largely unchanged. Reach-scale observations demonstrate that the ice-covered period is morphodynamically active, even during the lowest midwinter discharges, with sediment transport occurring year-round. Turbulence analyses reveal that water-column height beneath the ice is the primary regulator of near-bed turbulence and shear stress, with ice thickness, discharge, and channel morphology further modulating bedload transport. Overall, wintertime processes play a key role in cold region sediment dynamics. As warming continues, flow and sediment transport are likely to become less concentrated during spring floods and increasingly distributed across winter and autumn events. The impacts of their changes must be considered when assessing the effects of climate change in cold-region rivers.
Muuttuvat virtaamaolosuhteet ja sedimenttiprosessit jääpeitteisissä joissa
Kylmien alueiden joet, joista monet ovat kausittain jääpeitteisiä, ovat nopean hydro klimaattisen muutoksen kohteena, kun ilmastonmuutoksen muuttaa sateen olo muotoa, lumen kertymistä, jäätymis-sulamissyklejä ja jääolosuhteita. Nämä muutok set vaikuttavat virtaaman vuodenaikaisvaihteluun sekä virtaus- ja sedimenttiproses seihin, joita ovat aiemmin hallinneet lumen sulaminen keväällä ja pysyvä jääpeite talvella. Merkityksestään huolimatta virtausolosuhteet ja sedimentin kulkeutuminen jääpeitteen alla tunnetaan edelleen puutteellisesti, erityisesti luonnontilaisissa joissa. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan ilmastonmuutoksen vaikutusta kylmien alueiden joissa yhdistämällä valuma-aluetason pitkien virtaama-aikasarjojen tarkastelu kent tähavaintoihin jäänalaisista virtaus- ja sedimenttiprosesseista. Tutkimus perustuu kahteen pitkään aikasarjaan, ja menetelminä käytetään kolmea toisiaan täydentävää lähestymistapaa: (1) sääntelemättömien suomalaisten jokien monikymmenvuotisten virtaama-aineistojen tilastollinen tarkastelu, (2) pohjanläheisen virtauksen ja sedimentin kulkeutumisen monivuotiset kenttämittaukset jääpeitteen alla sekä (3) pohjanläheisen turbulenssin tarkastelu jään alla ja siihen vaikuttavien hydraulisten tekijöiden arviointi. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ilmastonmuutos on muuttanut virtaamarakennetta suomalaisissa joissa. Kevättulvien huiput ajoittuvat aiemmaksi, kun taas talvi- ja syysvirtaamat kasvavat. Vuotuisten kokonaisvirtaa mien määrät pysyvät kuitenkin pääosin ennallaan. Tämä viittaa virtaamahuippujen ajankohdan muuttumiseen, ja tulokset osoittavat kevättulvien aikaistuneen ja talvivirtaamien kasvaneen. Jokiuoman mittakaavan havainnot osoittavat, että jääpeitteinen kausi on morfodynaamisesti aktiivinen myös keskitalven alhaisimpien virtaamien aikana ja sedimentin kulkeutumista tapahtuu ympäri vuoden. Turbu lenssianalyysit osoittavat, että jäänalaisen vesipatsaan korkeus on keskeinen pohjanläheisen turbulenssin ja leikkausjännityksen säätelijä ja että jään paksuus, virtaama ja uoman pohjan morfologia muokkaavat edelleen pohjakuljetusta. Koko naisuutena talviajan jääprosessit ovat keskeisiä kylmien alueiden sedimenttidyna miikassa, ja niiden muutosten vaikutukset tulee huomioida arvioidessa ilmaston muutoksen vaikutuksia.
Sarja
Turun yliopiston julkaisuja - Annales Universitatis Turkuensis, Ser AII: Biologica, Geographica, Geologica|433
Saavutettavuusominaisuudet
Navigointi mahdollista, kuvilla vaihtoehtoiset kuvaukset, taulukot saavutettavia, looginen lukemisjärjestys