Sediment movement in cold-region fluvial environments: Monitoring flow-sediment interaction from rivers to estuaries - Salmela, Jouni (fi=Turun yliopisto|en=University of Turku|, 2022)
Comprehensive studies reflecting sediment flux in seasonal cold-region fluvial environments via local sediment processes are rare in the literature. To understand sediment flux, flow-sediment interaction needs to be studied in multiple parts of the river network. In addition, seasonal variation, characterized by snow and ice cover, needs to be considered in cold regions. In this study, I aim to provide new insights into sediment movement in coldregion river networks by studying flow-sediment interaction in river and estuary environments. The study is conducted by combining conventional field measurements, flow measurements, close-range remote sensing and hydrodynamic modelling to gain detailed information about sediment processes under seasonally varying conditions. The comparison of bathymetric mapping methods and monitoring of seasonal and annual morphological changes in shallow river channels is based on close-range remote sensing approaches. Flow conditions are either measured with ADCP or modelled with hydrodynamic modelling to estimate flowsediment interaction in river and estuary environments. Water sampling and sediment trapping are used to measure suspended sediment concentration and sedimentation rates, respectively. The combination of multiple approaches is expected to provide more detailed information than a single method. This study is conducted in the meandering, sand-bedded, subarctic Pulmankijoki River and hemiboreal non-tidal brackish water estuary of the Baltic Sea. The study’s results suggest that sediment movement in cold-region fluvial environments is episodic and controlled by low- and high-energy conditions. Sediment movement is strongest during high-energy events, such as discharge peaks, strong wind conditions and rapid sea level changes, and during low-energy conditions, sediment movement is calm and mostly depositional. Sediment movement is characterized by a combination of local and regional conditions. Although processes are primarily driven by a variation in discharge and sea level, local conditions, such as channel shape, estuary ice cover and salinity stratification also control sediment movement. This study shows the benefits of a multimethod approach in sediment movement studies, especially in flow-sediment interaction. Changes in geomorphic units or estuary sedimentation can be explained with measured or modelled flow conditions. In addition, the combination of multiple remote sensing applications, including LiDAR, photogrammetric mapping and sonar, are needed for highly detailed river environment mapping, enabling detailed change detection and further sediment load estimations. Sediment movement in cold-region river systems will most likely change due to expected temperature increases and discharge regime shifts caused by climate change. As spring-thaw-induced high-energy conditions in duration and magnitude will be substituted by shorter autumn and winter discharge peaks, sediment movement in river and estuary environments is expected to decrease during the spring thaw. This process may reflect the development and maintenance of geomorphic units in river channels and sediment-rich plume development in estuaries. In addition, coastal sedimentation will most likely increase due to sea ice cover loss, decreasing snow cover and increasing rainfall. The findings of this thesis can be applied to cold-region fluvial environments, in which strong spring-thaw-induced discharge peaks characterize discharge regime. Further, the thesis improves the understanding of sediment movement and monitoring in cold-region fluvial environments and provides background information for habitat modelling, river restoration, sediment load estimation and nutrient load modelling.

Sedimentin kulkeutuminen kylmän alueen virtavesissä – virtaus-sedimenttidynamiikan monitorointi Tämä väitöskirja käsittelee sedimenttivuota kylmän ilmaston virtavesissä. Sedimenttivuohon vaikuttavat uomaverkoston paikalliset tekijät, kuten jokiuoman morfologia sekä rannikoiden jääpeite. Paikallisten tekijöiden vaikutusta sedimenttivuohon on tutkittu kuitenkin verrattain vähän vuodenaikojen mukaan vaihtelevissa virtavesissä. Tutkimalla virtausdynamiikan ja sedimentin vuorovaikutusta uomaverkoston eri osissa, saadaan tietoa sedimenttivuohon vaikuttavista tekijöistä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on selvittää sedimentin kulkeutumisen vuodenaikaisvaihtelua ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Tutkimuksen pääpaino on virtausdynamiikan ja sedimentin välisessä vuorovaikutuksessa. Tutkimus toteutetaan yhdistelemällä perinteisiä kenttämittauksia, lähikaukokartoitusta sekä virtausmittauksia ja – mallinnuksia. Tutkimuksessa hyödynnetään monipuolisesti erilaisia mittaus- ja mallinnusmenetelmiä. Oletuksena on, että tutkimusmenetelmien monipuolinen yhdistäminen tuottaa tarkempaa tietoa suhteessa yksittäisiin menetelmiin. Ensimmäisessä osatutkimuksessa vertaillaan erilaisten syvyysmallinnustekniikoiden soveltuvuutta matalan kirkasvetisen joen kartoittamiseen. Toinen osatutkimus keskittyy jokiuoman muutostulkintaan ja muutoksen mittaamiseen lähikaukokartoitustekniikoilla. Jokiuoman muutosta tarkastellaan suhteessa mitattuihin virtausnopeuksiin. Kolmas osatutkimus keskittyy sedimenttipitoisen jokipluumin esiintymiseen erilaisissa rannikko-olosuhteissa. Viimeisessä osatutkimuksessa vertaillaan kahden syyskevätkauden (kylmä ja leuto) välisiä sedimentaatioeroja rannikolla hyödyntäen sedimenttikeräimiä ja virtausmallinnusta. Väitöstutkimus toteutettiin subarktisen ja boreaalisen ilmaston virtavesiympäristöissä: Lapissa sijaitsevalla Pulmankijoella ja Saaristomerellä sijaitsevalla Halikonlahdella. Tulokset osoittavat sedimentin kulkeutumisen olevan jaksottaista. Kulkeutuminen on suurimmillaan voimakkaiden virtausolosuhteiden aikana, joita aiheuttavat esimerkiksi korkeat jokivirtaamat sekä voimakkaat tuuliolosuhteet ja nopeat vedenpinnan korkeusvaihtelut rannikolla. Heikkojen virtausolosuhteiden aikana sedimentin kulkeutuminen on maltillista ja sedimentti pääosin kasaantuu. Kulkeutumiseen vaikuttavat sekä paikalliset että alueelliset tekijät. Alueelliset tekijät, kuten jokivirtaaman vaihtelu, merenpinnan korkeusvaihtelut ja tuuliolosuhteet ohjaavat sedimentin kulkeutumista voimakkaimmin, mutta myös paikalliset tekijät, kuten uoman muodot, rannikon jääpeite sekä meriveden kerrostuneisuus vaikuttavat kulkeutumiseen. Yhdistelemällä useita tutkimusmenetelmiä pystytään selvittää virtauksen ja sedimentin kulkeutumiseen vaikuttavia syy-seuraussuhteita. Esimerkiksi mitattujen ja mallinnettujen virtausolosuhteiden avulla on mahdollista selittää jokiuoman geomorfologisten yksiköiden muutoksia ja rannikon sedimentaatiota. Myös jokiuoman korkeusmallien luomiseen tarvitaan usean lähikaukokartoitustekniikan yhdistämistä. Korkeusmallien välisten erojen avulla voidaan arvioida sedimenttikulkeumaa jokiuomassa. Väitöskirjatutkimuksen perusteella ilmastonmuutoksesta aiheutuva ilmakehän lämpeneminen ja virtaamaolosuhteiden muutos vaikuttavat todennäköisesti sedimentin kulkeutumiseen kylmän alueen virtavesissä. Kevättulvien keston ja voimakkuuksien heikkenemisen sekä syys-talvivirtaamien nousun seurauksena sedimentin kulkeutuminen heikkenee kevättulvien aikana ja lisääntyy muina aikoina. Heikentyvien kevättulvien aikana myös virtausnopeudet todennäköisesti alanevat. Virtausnopeuksien heikkeneminen vaikuttanee myös jokiuoma muotoon sekä sedimenttipitoisen jokipluumin käyttäytymiseen rannikoilla. Tuloksien mukaan rannikkoalueiden sedimentaatio oletettavasti kasvaa ilmastonmuutoksesta aiheutuvan jäätalvien lyhenemisen, vesisateiden yleistymisen ja lumipeitteen vähenemisen seurauksena. Väitöskirjan tuloksia voidaan yleistää kylmien alueiden virtavesiympäristöihin, joille on tunnusomaista vuosittainen kevättulva. Tulokset tarjoavat myös taustatietoa vesielinympäristöjen mallintamista varten, jokien kunnostustoimenpiteisiin, sedimenttikulkeuman arviointiin ja ravinnekuormituksien mallintamiseen.