La domanda apparentemente semplice su cosa governa le forme dei canali fluviali è stata una sfida di lunga data per geologi e ingegneri civili. Un nuovo studio condotto da scienziati dell'UC Santa Cruz mostra che la quantità di sedimenti trasportati da un fiume è un fattore chiave nel determinare la geometria del canale fluviale e la dimensione dei grani di sedimento sul letto del fiume.

Le scoperte, pubblicato il 13 marzo nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , minano un presupposto comune sui fiumi con letto di ghiaia. L'idea, supportato da decenni di osservazioni, è che i fiumi ricoperti di ghiaia raggiungano un equilibrio, chiamato canale di soglia, dove i grani di dimensione mediana sul letto del fiume iniziano a muoversi solo quando il canale è pieno (la fase di "flusso di bankfull", poco prima dell'allagamento).

"Se tutti i canali sono canali soglia, è conveniente perché ci aiuta a fare previsioni per le decisioni gestionali e per modellare l'evoluzione del paesaggio, " ha detto il primo autore Allison Pfeiffer, un dottorando in Scienze della Terra e planetarie presso l'UC Santa Cruz.

Ma Pfeiffer ha scoperto che l'ipotesi non vale per i fiumi in regioni con alti tassi di erosione che portano a grandi quantità di sedimenti che si muovono attraverso i canali del fiume. Queste condizioni sono comuni nei ripidi, paesaggi tettonicamente attivi trovati lungo la costa occidentale del Nord America. Quando Pfeiffer ha analizzato i dati sulle geometrie dei canali e sui tassi di erosione per i fiumi ricoperti di ghiaia in tutto il Nord America, ha scoperto che la maggior parte dei fiumi che violano il presupposto della soglia si trovano sulla costa occidentale.

"I fiumi in paesaggi ripidi come le montagne di Santa Cruz trasportano molti sedimenti rispetto ai fiumi in, dire, Michigan o nello stato di New York, " ha detto Pfeiffer. "Questi fiumi con elevate riserve di sedimenti hanno adattato la loro geometria per trasportare i sedimenti a flussi più moderati, quindi non ci vuole un evento alluvionale per spostare molti sedimenti".

Di conseguenza, il sedimento sul letto del fiume è molto più fine di quanto sarebbe previsto dal modello del canale di soglia. Coautore Noah Finnegan, professore associato di scienze della Terra e planetarie presso la UC Santa Cruz, ha spiegato che i canali di soglia possono svilupparsi solo in ambienti in cui un basso apporto di sedimenti consente ai grani più piccoli di essere spazzati via e non sostituiti. Viene lasciato uno strato di "armatura" sul letto del fiume costituito da grani più grandi che potrebbero muoversi solo alle portate più elevate.

"I fiumi della costa occidentale tendono ad avere uno strato di armatura meno sviluppato, " disse Finnegan. "Se cambi la riserva di sedimenti, la cosa più veloce da regolare sarà la dimensione dei grani nello strato di armatura."

Quando lui e i suoi studenti prendono le misurazioni nei fiumi locali, Egli ha detto, i risultati in genere non sono conformi al paradigma del canale di soglia. Pfeiffer ha riscontrato questo problema nel corso di un progetto per prevedere la distribuzione dell'habitat di riproduzione del salmone nelle montagne di Santa Cruz. I salmoni hanno bisogno di ghiaia in una certa gamma di dimensioni per costruire i loro nidi. Utilizzando l'ipotesi di soglia, Le previsioni di Pfeiffer sulla dimensione della ghiaia erano sbagliate di un fattore tre.

"Può essere un'enorme differenza per un salmone Coho, " ha detto. "Ora sappiamo che l'approvvigionamento di sedimenti è un fattore chiave che deve essere preso in considerazione se stiamo cercando di prevedere l'habitat del salmone".

I risultati possono anche avere implicazioni pratiche per la progettazione di progetti di ripristino fluviale. I fiumi sono sistemi autoformanti, e i loro canali si formano e si riformano con ogni evento alluvionale. Gli sforzi per imporre loro progetti umani non hanno sempre successo.

"I fiumi sono enigmi complicati che continuano a portarci nuove sfide, " Pfeiffer ha detto. "L'importanza dell'approvvigionamento di sedimenti è forse stata sottovalutata. Non abbiamo ancora il tipo di modello teorico di canali fluviali che vorremmo avere, ma questo studio mostra che l'apporto di sedimenti è una variabile che deve essere inclusa nel modello".