Flow–plant–sediment interactions: Vegetative resistance modeling and cohesive sediment processes

Rantavyöhykkeen kasvillisuus luiskissa ja tulvatasanteilla vaikuttaa merkittävästi uomien virtausolosuhteisiin sekä hienojakoisen sedimentin ja muiden aineiden kulkeutumiseen. Nämä virtaus–kasvi–sedimentti-vuorovaikutukset muokkaavat virtavesien ekosysteemejä. Lisäksi niitä hyödynnetään luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmissä, kuten tulvatasanteellisissa kaksitasouomissa. Kasvillisuuden vaikutukset tulee voida arvioida eri skaaloilla, mutta taipuisan luonnonkasvillisuuden kuvailu hydraulisia analyysejä varten on ollut vaikeaa. Väitöskirjan tavoitteena oli lisätä tietämystä virtausvastuksesta ja koheesiivisen sedimentin prosesseista tulvatasanteellisissa uomissa keskittyen erityisesti taipuisten, lehdellisten luonnonkasvien parametrisoinnin kehittämiseen. Vastusvoima ja taipuisuuden aikaansaama rekonfiguraatio määritettiin viidelle puulajille laboratoriovirtauskourussa. Virtausvastusta sekä sedimentin kasautumista ja kulkeutumista selvitettiin koheesiivisessa kaksitasoisessa maatalousuomassa, jossa oli eri tavoin kasvitettuja tulvatasannekoealoja (kasviton, ruohovartinen, puuvartinen). Kokeellisen tutkimuksen lisäksi sovellettiin olemassaolevia ja uusia malleja. Lehdellisten puuvartisten kasvien vastusvoimaa ja rekonfiguraatiota sääteli lehtiala–varsiala-suhde, sillä sekä lehvästö että varsi vaikuttivat merkittävästi kokonaisvoimaan. Lehdellisen luonnonkasvuston virtausvastus mallinnettiin onnistuneesti käyttäen uutta vastuskertoimeen ja tiheyteen perustuvaa parametrisointia (yhtälöt 18–23), joka huomioi rekonfiguraation ja tiheyden erikseen lehvästölle ja varrelle. Uusi parametrisointi paransi puuvartisen kasvillisuuden kuvausta verrattuna tavanomaiseen tapaan esittää kasvit jäykkinä sylinterimäisinä kappaleina. Kaksitasouoman virtausvastus pystyttiin arvioimaan virtausmallilla, joka käyttää vastuskertoimen ja tiheyden lisäksi kasvillisuuden korkeutta ja sen perusteella määritettyä poikkileikkauksen peittävyyttä. Nämä kasviominaisuudet selittivät myös koheesiivisen sedimentin nettoeroosiota ja -kasautumista tulvatasanteella, vaikka pitkät tiheän kasvuston alueet rajoittivatkin kasautumista. Sedimenttikulkeuma ja sen ajoitus kaksitasoisessa maatalousuomassa määräytyivät uoman ulkopuolisten prosessien perusteella. Käytännöllisenä näkökohtana havaittiin, että sopivasti hoidetulla tulvatasannekasvustolla voidaan säädellä sedimentin kulkeutumista alavirtaan kaksitasouomissa. Tutkimuksen johtopäätöksenä on, että suoraviivaisilla analyyseillä ja fysikaalisperusteisella kasvillisuuden parametrisoinnilla voidaan kuvata rantavyöhykkeen kasvuston vaikutusta virtausvastukseen ja hienon sedimentin kasautumiseen.