Übung 5 Flusslängsprofile mit Python (Sawtooth Mountains, Idaho)

Transkript

1 Übung 5 Flusslängsprofile mit Python (Sawtooth Mountains, Idaho) Zur Berechnung von Flusslängsprofilen auf Basis von Höhenmodellen wurde im Zuge dieser Übungen die Programmiersprache Python verwendet, die mit ArcGIS gekoppelt ist. Dabei werden zunächst die Tools Flow Direction, Flow Accumulation und Flow Length über ein Python-Skript aufgerufen und als Layer erstellt. Ziel in dieser Übung ist es, das Flusslängsprofil des längsten Fließweges in einem Einzugsgebiet in den Sawtooth Mountains (Idaho) automatisch zu erstellen. Neben der Berechnung dieses Profils enthält das zur Verfügung stehende Python- Skript auch die Berechnung eines hypothetischen, idealen Flusslängsprofils, das als Funktion anhand der Formel S = k s A θ berechnet wird. Flüsse tendieren grundsätzlich zu solchen Idealprofilen, werden in der Realität aber häufig durch diverse Oberflächenprozesse (z.b. Massenbewegungen, Vereisungen) oder geologische Diskontinuitäten gestört, wodurch eine gewisse Abweichung von diesem Längsprofil zustande kommt. Das Flusslängsprofil für das vorliegende Einzugsgebiet wurde über das Skript geplottet und ist in Abb. 1 dargestellt. Abbildung 1: Gesamtes Flusslängsprofil (blau) sowie das ideale Flusslängsprofil (rot) 1

2 Im Zuge der Berechnungen wurde außerdem die Abweichung des realen Flusslängsprofils zum idealisierten Profil errechnet und als Normalized Root Mean Square Error (NRMSE) ausgegeben. Je niedriger diese Abweichung (hoher Fit), desto stärker befindet sich das reale Flusslängsprofil am Idealzustand. Für das Profil in Abb. 1 wurde ein NRMSE von errechnet. Dies ist bereits ein recht hoher Wert, jedoch zeigt das Profil an manchen Stellen größere Abweichungen. Dies ist vor allem an diesem Knickpunkt im oberen Teil des Flusslängsprofils zu sehen, vor welchem die Neigung des Flusses stark abnimmt, danach aber wieder rapide zunimmt. Hierbei muss es sich demnach um irgendeine Art von Störung handeln. Weiters kann mit dem vorliegenden Skript ein separates Flusslängsprofil für einzelne Segmente mit dazu gehörigem Idealprofil für dieses Segment berechnet werden, welches außerdem auf die gesamte Flusslänge extrapoliert wird. Auf Basis des Profils in Abb. 1 wurden weiters die Flusslängsprofile zweier Segmente erstellt. Das obere Segment verläuft bis zum angesprochenen, markanten Knickpunkt, der bei ca m Flusslänge auftritt. Das untere Segment beginnt bei diesem Punkt und verläuft bis zum Ende. Die Flusslängsprofile samt Idealprofil dieser Segmente sind in Abb. 2 und 3 zu finden. Abbildung 2: Flusslängsprofil mit Idealprofil für das obere Segment (rot) und Extrapolation (grün) 2

3 Abbildung 3: Flusslängsprofil mit Idealprofil für das untere Segment (rot) und Extrapolation (grün) Man sieht, dass sich der Fluss in beiden Segmenten aber getrennt voneinander betrachtet - fast perfekt an dessen Idealprofil anpasst. Vor allem am Beispiel des oberen Segmentes kann man jedoch sehr gut erkennen, dass es hier zu einer Störung gekommen ist, da der Fluss nicht entlang der extrapolierten grünen Linie verläuft, sondern nach dem Knickpunkt mit größerer Hangneigung und tieferer Erosion weiter fließt. Der weitere Flussverlauf ab dem Knickpunkt ist aber wieder nahe am idealen Flusslängsprofil (NRMSE von 0,03 beim oberen Segment; NRMSE von 0,01 beim unteren Segment) und somit befinden sich die Flusslängsprofile der beiden Segmente im Gleichgewicht. Verwendet man für die Konstante θ den konstanten Wert 0,45 (für ein theoretisches Gleichgewichtsprofil) und berechnet auf Basis dessen das hypothetische Idealprofil erneut für beide Segmente, gelangt man zu den Ergebnissen in Abb. 4 und 5. 3

4 Abbildung 4: Hypothetisches Flusslängsprofil des oberen Segmentes mit konstantem θ von 0.45 Abbildung 5: Hypothetisches Flusslängsprofil des unteren Segmentes mit konstantem θ von

5 Sowohl die Plots in Abb. 4 und 5 als auch die NRMSE-Werte von jeweils 0,08 zeigen, dass der Wert von 0,45 auch in diesem Fall durchaus Anwendung findet. Zwar lässt die Güte dabei etwas nach bzw. die Abweichung von diesem Idealprofil nimmt zu. Dennoch kann ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Diese theoretisch ermittelte Konstante von 0,45 würde für ungestörte Flusslängsprofile noch besser, was sich in einem niedrigeren NRMSE-Wert äußert. Andererseits gibt es in der Realität kein gänzlich ungestörtes Flusslängsprofil ohne kleinerer Unregelmäßigkeiten. Wie bereits erwähnt, dürften jene Bereiche unterhalb des Knickpunktes höherer Erosion ausgesetzt sein, da dort eine größere Gerinneneigung vorliegt. Um diesem Umstand nachzugehen, wurde versucht, den Knickpunkt auf dem Hillshade des Einzugsgebietes zu finden. Dabei wurde von den Gratbereichen (=Wasserscheide) mit dem Messtool m flussabwärts gemessen (siehe Abb. 6). Da sich jedoch mehrere Flussäste im Einzugsgebiet befinden, war zunächst nicht klar, welcher der längste ist. Allerdings konnte man die Auswahl auf 2-3 Äste beschränken. Sieht man sich die Topographie des Gebietes in Google Earth an, sieht man, dass nur ein Tal einen derart markanten Knickpunkt aufweist, der in etwa bei entlang des Flusslängsprofils liegt und auch in etwa in der richtigen Höhe liegt (siehe roter Stern in Abb. 7). Abbildung 6: Abmessen von m entlang eines Flussastes 5

6 Abbildung 7: Knickpunkt in Google Earth Betrachtet man sich die Position dieses Knickpunktes sowie den Verlauf dieses Tals auf dem Hillshade (Abb. 8), können folgende Beobachtungen gemacht werden. Zum einen fällt neben dem markanten Knickpunkt im Gerinneverlauf auf, dass sich der Verlauf des Tals im Bereich des Knickpunktes plötzlich ändert und nach Süden entwässert, während die vorherrschende Entwässerungsrichtung vor dem Knickpunkt Südwest war. Alle anderen umliegenden Täler entwässern in diesem Muster und zeigen somit alle nach Südwesten. In Abb. 8 ist außerdem zu sehen, dass im selben Einzugsgebiet ca m östlich des Knickpunktes eine Abschiebung kartiert wurde, die am Ausgang eines Seitentals endet. Diese könnte eine mögliche Erklärung für die Existenz dieses markanten Knickpunktes sein, indem diese Störung weiter verläuft, aber nicht entsprechend kartiert werden konnte. Gemäß dem Verlauf dieser Abschiebung könnte sie für die Bildung dieses tieferen Haupttals unterhalb des Knickpunktes verantwortlich sein. Der Bereich oberhalb des Knickpunktes würde sich demnach relativ zum Haupttal gehoben haben (oder anders gesagt: das Haupttal hat sich relativ abgesenkt). Flüsse tendieren immer auf direktem Weg ins Tal zu fließen, wodurch er hier im Bereich des Knickpunktes sowohl eine Richtungsänderung als auch eine Neigungsänderung erfährt und eine plötzliche Stufe ins Haupttal bildet. Die Terminologie wurde hier so gewählt, dass der längste 6

7 Fließweg im Einzugsgebiet nicht durch das Haupttal (unten) verläuft, sondern durch das Seitental, in dem sich auch der Knickpunkt befindet. Der Knickpunkt ist unserer Meinung nach also tektonisch bedingt, da zudem aus lithologischer Sicht keine Argumente eingebracht werden können. Zwar befindet sich am Südrand des Einzugsgebiets (Gegenhang) eine Gesteinsgrenze, zum einen müsste sich diese aber direkt beim Knickpunkt befinden um plötzliche Erosionskontraste zu erzeugen. Zum anderen handelt es sich bei dieser lithologischen Grenze um eine Grenze zwischen zwei kristallinen Einheiten (Granit vs. Granodiorit), zwei harten Gesteinen deren Erosionskontrast eher gering sein dürfte. Abbildung 8: Position des Knickpunktes und Verlauf von umliegenden Störungen 7