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Apr 27, 2024

Hyperkonzentrierte Überschwemmungen verursachen einen extremen Kiestransport durch die sandigen Flüsse der Ganges-Ebene

Communications Earth & Environment Band 4, Artikelnummer: 297 (2023) Diesen Artikel zitieren 541 Zugriff auf 15 altmetrische Metrikdetails Die Gangesebenen bestehen aus steilen kiesigen Flusskanälen, die

Communications Earth & Environment Band 4, Artikelnummer: 297 (2023) Diesen Artikel zitieren

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15 Altmetrisch

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Die Ganges-Ebene besteht aus steilen kiesigen Flusskanälen, die 10–40 km flussabwärts der Bergfront in sandige Kanäle mit geringem Gefälle übergehen. Dieser „Kies-Sand-Übergang“ ist durch einen abrupten Abfall des Gefälles und der Sedimentkorngröße um mehr als eine Größenordnung gekennzeichnet, was auf ein gewisses Maß an Langzeitstabilität hindeutet. Die stratigraphische Aufzeichnung des Kies- Der Sandübergang in der miozänen Siwalik-Gruppe zeigt den intermittierenden Transport von grobem Kies mehrere Dutzend Kilometer flussabwärts des Übergangs. Solche Ereignisse in heutigen Kanälen würden zu Kanalausrissen führen und das Überschwemmungsrisiko erhöhen, was zu verheerenden Auswirkungen auf Gemeinden in den Ebenen führen würde. Wir kombinieren sedimentologische Analysen von Siwalik Ablagerungen mit Mitnahmeberechnungen, die zeigen, dass eine Hyperkonzentration erforderlich ist, um grobes Geschiebe über Ebenen mit geringem Gefälle zu transportieren. Transportbedingungen sind erreichbar, wenn intensiver Monsunniederschlag (ein 200- bis 1000-jähriges Ereignis) mit erhöhten Schwebstoffkonzentrationen in Kanälen kombiniert wird. Voraussichtliches Klima Veränderungen und anhaltende Seismizität erhöhen die Wahrscheinlichkeit solcher Extremereignisse in diesem Jahrhundert.

Das große Himalaya-Flusssystem der Ganges-Ebene (Abb. 1) beherbergt 10 % der Weltbevölkerung und ist die Heimat einiger der ärmsten und am dichtesten besiedelten Gemeinden der Welt. Die Ganges-Ebene zeichnet sich durch ein günstiges Klima, fruchtbare Böden und eine reichliche Wasserversorgung aus und gilt als „Brotkorb“ Südasiens, der Hunderten Millionen seiner Bewohner Nahrungs- und Lebensunterhaltssicherheit bietet1,2. Viele dieser Flüsse sind es jedoch auch auch die Quelle verheerender Überschwemmungen. Im Jahr 2008 kostete ein einziges Abrissereignis entlang des Kosi-Flusses im Osten Nepals fast 500 Menschen das Leben und über eine Million Menschen wurden dauerhaft vertrieben3,4,5.

a Geologie des Himalaya-Gebirges mit begleitenden Hauptverwerfungen (MFT – Main Frontal Thrust, MBT – Main Boundary Thrust, MCT – Main Central Thrust, STDS – South Tibetan Detachment System, ISMZ – Indus-Tsangpo Melange Zone) und den Hauptflüssen von Die Ganges-Ebene wurde digitalisiert und auf einem 90 m langen digitalen Höhenmodell der Shuttle Radar Topography Mission71,75,76 mit begleitendem geologischen Querschnitt platziert. Der geologische Querschnitt wurde aus Lit. übernommen. 77. b Geologie der Mohand-Antiklinale/Dehradun-Region und der Hauptflüsse (Yamuna und Ganga), die den westlichen Himalaya entwässern. Entlang der Mohand-Antiklinale sind nur mittlerer Siwalik-Sandstein und oberes Siwalik-Konglomerat freigelegt. Veröffentlichte Siwalik-Sedimentprotokolldaten, die in der Studie verwendet wurden (MS – Mohand-Abschnitt 71, KS – Karnali-Abschnitt 63, SK – Surai Khola-Abschnitt 63) und Siwalik-Sedimentprotokolldaten, die in dieser Studie gesammelt wurden (*CS – Chakrata-Abschnitt), sind durch violette Linien markiert. Die rote gestrichelte Linie stellt veröffentlichte Daten zur aktuellen Position des GST in den Ganges-Ebenen dar7,53. Weiße Sterne stellen die ungefähre Position des holozänen Kosi-Megafächerkerns dar8. Die Paläoflussdaten des oberen Siwalik-Konglomerats stammen aus Ref. 71, und legt nahe, dass Flüsse, die die in dieser Studie aufgezeichnete Siwalik-Stratigraphie abgelagert haben (*CS), in die gleiche Richtung flossen wie die Flüsse, die derzeit die Gangesebene besetzen (überwiegend nach Süden fließen).

In den Ganges-Ebenen stellt der Kies-Sand-Übergang (GST) die flussabwärts gelegene Grenze der groben Geschiebefracht dar. Es liegt 10–40 km flussabwärts der Bergfront und definiert eine abrupte geomorphologische Grenze, die durch eine zehnfache Verringerung des Kanalgefälles flussabwärts gekennzeichnet ist6,7. Es gibt keine Hinweise darauf, dass historische Überschwemmungen (die sich in den letzten 101–102 Jahren ereigneten) Kies über die GST hinaus transportiert haben, weder in junge Terrassenablagerungen noch in moderne Flusskanäle. Allerdings wurden grobe Kiesablagerungen in holozänen Kernen des Kosi-Megafans beobachtet (Abb. 1), wo Bohrlöcher 30–40 km südlich des modernen GST intermittierende Kiesablagerungen verzeichnen8. Der Transport und die Ablagerung von grobem Kies in sandigen Kanälen mit geringem Gefälle würde langfristige Veränderungen in der Morphologie der Kanäle bewirken und die Förderkapazität verringern, was das Risiko einer Überschwemmung der Auen und eines Kanalausrisses erhöhen würde (z. B. Ref. 9).

Die Prozesse, die extreme Transportbedingungen über Vorlandbecken wie den Ganges-Ebenen erzeugen könnten, sind nicht gut verstanden. In der Region beschränkten sich Paläoüberschwemmungsstudien auf die Rekonstruktion des historischen Transports von grobem Sediment und Felsbrocken in einem begrenzten Talbereich des Hohen Himalaya10, wobei die rekonstruierten Abflüsse 105–106 ms−1 entsprachen. Solche Abflüsse wurden auf Gletschersee-Ausbruchsüberschwemmungen (Glacial Lake Outburst Floods, GLOFs) und den Zusammenbruch von durch Erdrutsche aufgestauten Seen (Seen, die durch die Verstopfung von Flusstälern durch Erdrutschmaterial entstanden sind) zurückgeführt. Im Himalaya kommt es häufig zu katastrophalen Abflüssen aus GLOFs und durch Erdrutsche aufgestauten Seen, obwohl sich viele dieser Überschwemmungen auflösen, bevor sie die Gangesebenen erreichen11,12,13,14,15.

Studien haben gezeigt, dass eine zunehmende Konzentration suspendierter Sedimente die Mitnahme von grobem Geschiebe fördert16,17,18. Hyperkonzentrierte Überschwemmungen treten auf, wenn der Hochwasserabfluss im Vergleich zu klaren Wasserströmen einen erhöhten Fluss an Schwebstoffen (ca. 8–40 % Volumen) enthält19. Zu den üblichen Auslösemechanismen für hyperkonzentrierte Strömungen gehören das Einschneiden von Hügeln und Kanälen bei starken Regenstürmen19,20, Überschwemmungen aus Seen21,22, GLOFs23 und der Eintrag großer Sedimentmengen durch Erdrutsche und/oder Recycling von Überschwemmungsgebieten9,24.

Hier nutzen wir die stratigraphische Aufzeichnung von Sedimenttransportprozessen am GST, wie sie an der Grenze zwischen den miozänen mittleren und oberen Siwalik-Formationen entlang der Bergfront des Himalaya in Indien aufgezeichnet wurden (Abb. 1). Wir analysieren die Sedimentstrukturen, die Korngröße, die Schichtdicke und die Textureigenschaften isolierter Konglomerat-Ereignisschichten, die in dicken Sandsteinen der oberen mittleren Siwalik-Sukzession erhalten sind. Solche Ereignisbetten zeichnen die Ablagerung von grobem Kies in sandigen Ebenen mit geringem Gefälle auf. Die Daten werden verwendet, um Berechnungen zur Geschiebemitnahme einzuschränken, die darauf abzielen, den Abfluss von Paläoflüssen, die Konzentrationen suspendierter Sedimente und den Geschiebefluss abzuschätzen. Die rekonstruierten Überschwemmungsgrößen werden mit modernen Überschwemmungsintervallen für den Karnali-Fluss verglichen (Abb. 1), der als analog zu den Flüssen angesehen wird, die die Siwalik-Stratigraphie abgelagert haben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass hyperkonzentrierte suspendierte Sedimentfrachten in Kombination mit extremen Hochwasserabflüssen (z. B. eine in einem 200- bis 1000-jährigen Ereignis) die notwendigen Bedingungen für den Transport grober Geschiebefracht über die GST hinaus über die Kanäle mit geringem Gefälle der Gangesebene bieten. Der prognostizierte Anstieg der Intensität extremer Regenfälle und damit extremer Hochwasserabflüsse25 in Verbindung mit anhaltender seismischer Aktivität in der Region26 dürfte die Wahrscheinlichkeit sedimentbeladener Überschwemmungen in der Zukunft erhöhen.

Seit dem Miozän dominieren große Trans-Himalaya-Flüsse die Landschaft der Ganges-Ebene und versorgen das Vorlandbecken kontinuierlich mit den Erosionsprodukten des Himalaya27. Die anhaltende tektonische Konvergenz zwischen den Ganges-Ebenen und dem Himalaya hat zu einer dünnhäutigen Falten- und Überschiebungsverformung geführt, die die Ablagerungen des Vorlandbeckens in die Himalaya-Gebirgsfront hinein angehäuft hat und die Siwalik-Ausläufer gebildet hat27,28,29,30 (Abb. 1). Die Siwalik-Vorberge bestehen aus einer dicken Abfolge (ca. 5–8 km), die in drei Einheiten unterteilt ist, die im Allgemeinen von Schluffsteinen und Sandsteinen nach oben hin zu groben Konglomeraten vergröbern. Diese werden als Untere, Mittlere und Obere Siwaliks bezeichnet und spiegeln die aktuellen Ablagerungsumgebungen in den Ebenen wider. Die proximalen Kiesbereiche der heutigen Himalaya-Flüsse werden durch das Konglomerat des oberen Siwalik repräsentiert, und die sanddominierten mittleren und distalen Bereiche werden durch die unteren bis mittleren Siwaliks repräsentiert31. Der Kontakt zwischen den mittleren und oberen Siwaliks zeigt einen abrupten Anstieg der Korngröße nach oben um den Faktor ~1006 (Abb. 2). Es wird davon ausgegangen, dass dieser Kontakt die alte GST darstellt und innerhalb der Stratigraphie diachron ist6, da er die fortschreitende Wanderung von Sedimenten, die hauptsächlich aus groben Kiesel- und Geröllsteinen bestehen, über die stromabwärts gelegenen, sandreichen Regionen mit geringerem Gefälle aufzeichnet6 (Abb. 2). Diese Wanderung verfolgt die vom Vorland ausgehende Bewegung der Deformationsfront des Himalaya mit Geschwindigkeiten von 12–20 mm/Jahr32,33. Isolierte Konglomeratbetten, die unterhalb des mittleren bis oberen Siwalik-Kontakts beobachtet werden, stellen punktuelle Episoden des Kiestransports über das GST hinaus in die distalen sandreichen Ebenen dar (Abb. 2).

Diagramm, das zeigt, wie Siwalik-Sedimentsequenzen mit verschiedenen Flussumgebungen von proximal nach distal (relativ zur Bergfront) in der Gangesebene zusammenhängen. Sedimentprotokoll 3 stellt die isolierten Konglomerat-Ereignisbetten dar, die wir in dieser Studie dokumentieren (dh C1 und C2). Die Konvergenz-32,33 und Sedimentakkumulationsraten58,59 wurden veröffentlichten Datensätzen entnommen und werden in Berechnungen zur Schätzung der Transportentfernung des Konglomerat-Ereignisbetts in Middle Siwalik verwendet (Methoden).

Die Mohand-Antiklinale im Nordwesten Indiens legt örtlich Siwalik-Felsen frei und wird im Westen vom Yamuna-Fluss und im Osten vom Ganga-Fluss begrenzt (Abb. 1). Die Antiklinale ist von den Gebirgsketten des Kleinen Himalaya durch ein „Dun-Tal“ (dh ein intermontanes Sedimentbecken) getrennt, das lokal als Dehradun bekannt ist, und bildet das Hängende des Main Frontal Thrust (MFT)34. Entlang der Mohand-Antiklinale ist die Siwalik-Formation aufgrund ihrer vorherrschenden Lithologie aus Sandstein bzw. Konglomeraten in mittlere und obere Siwalik-Einheiten unterteilt.

Zwei bedeutende Konglomeratbetten (in Bezug auf die Mächtigkeit) sind 400 m unterhalb des Kontakts zwischen mittlerem und oberem Siwalik innerhalb der abgeholzten Mohand Middle Siwalik-Sandsteine ​​entlang der Mohand-Antiklinale verzeichnet (Abb. 3). Die erste Lagerstätte (C1) zeichnet sich durch eine erosive Basis aus, die von 2 m gut abgerundetem, wohlsortiertem, grobkörnigem (D50 = 52 mm) Konglomerat überlagert ist, das wenig Klastenverflechtung aufweist (Abb. 3). Das Konglomerat besteht überwiegend aus Klasten und kleinen, von der Matrix getragenen Linsen und weist kaum Hinweise auf eine innere Struktur oder eine Trennung der Korngrößen auf. Die 2 m hohe Konglomeratbasis wird von 4,1 m mittlerem Sandstein überlagert, der zur Oberseite der Lagerstätte hin eine schwache Schichtung mit geringem Winkel aufweist, ansonsten aber strukturlos ist. Die Gesamtdicke des Ereignisbetts (Konglomerat und darüber liegender Sandstein) beträgt 6,1 m.

ein zusammenfassendes Sedimentprotokoll durch die Siwalik-Abfolge, freigelegt entlang der Mohand-Antiklinale. Die Konglomerate von Upper Middle Siwalik bis Upper Siwalik wurden im Detail untersucht, um konglomerate Ereignisbetten unterhalb des Kontakts von Middle bis Upper Siwalik zu erfassen. Im Untersuchungsgebiet wurde kein Lower Siwalik-Sandstein freigelegt. b Detailliertes Sedimentprotokoll der Konglomeratbetten C1 und C2. Geometrien (Kanaltiefe; Abb. 5) und Korngröße (Konglomeratbetten) wurden aus dem C2-Konglomeratbett entnommen und in Gleichungen für den Geschiebetransport verwendet. Das Siwalik-Datum (GPTS-Alter 4,4 Ma) wurde aus einem nahe gelegenen protokollierten Siwalik-Abschnitt (30 km östlich des protokollierten Abschnitts; Abb. 1) entnommen und kann daher hinsichtlich des Alterskontexts grob mit unserem untersuchten Abschnitt korreliert werden71.

Das zweite Kiesbett (C2) (Abb. 3) schneidet die darunter liegende Sandsteinablagerung des Kiesbetts C1 ab. Es verfügt über eine wellige, erosive Basis mit einzelnen Klasten, die im Sandsteinkörper direkt unterhalb des erosiven Kontakts schwimmen (Abb. 3). Die unterste Einheit besteht aus 2 m grobem (D50 = 45 mm) Konglomerat. Das Konglomerat zeigt eine schwache Aufwärtsveränderung von überwiegend Matrix zu klastengestützter und seltener, schwacher Klastenschuppung. Oberhalb des Konglomerats liegen 9,3 m strukturloser mittlerer Sandstein mit geringer Schichtung. Die Gesamtdicke des Ereignisbetts (Konglomerat und der dazugehörige darüber liegende Sandstein) beträgt 11,3 m.

In der gesamten oberen mittleren Siwalik-Einheit sind siebzehn dünnere Kieselschichten vorhanden. Die Schichten haben an ihrer Basis eine dünne (~20–50 mm) erosive Kieselschicht, die von mittlerem Sandstein mit unterschiedlichem Anteil seltener, schwacher Schichtung in geringem Winkel überlagert ist. Die Gesamtdicke des Bettes (einschließlich der Kieselschichtbasis und des damit verbundenen darüber liegenden Sandsteins) liegt zwischen 2 und 14,2 m. Die dünnen mittleren Siwalik-Kiesbetten ähneln denen, die in holozänen Kosi-Megafächerkernen beobachtet wurden8 (Abb. 4). Sowohl die Konglomeratschichten (C1 und C2) als auch die dünneren Kieselschichten sind Bestandteile einiger der dicksten Schichten im untersuchten Siwalik-Abschnitt (Abb. 3, 5). Dies könnte darauf hindeuten, dass eine Mindestkanalhöhe/Abflussmenge erforderlich ist, um Kies weit in die distalen Ebenen zu transportieren.

a Fotos des Konglomeratbetts C2. b Nahaufnahme von groben Kieselsteinen, die im Sandstein unter dem Konglomeratbett C2 schwimmen. c Konglomeratbett C1. Die Fotos (d) und (e) veranschaulichen die dünnen Kiesschichten, die im mittleren Siwalik-Sandstein beobachtet wurden. Die Fotos (f) und (g) zeigen dünne Kiesschichten, die im Kosi-Megafan-Kern (Kern KS4 bzw. KS3; Abb. 1) beobachtet wurden. Die gestrichelten roten Linien in den Bildern (a) und (b) markieren die erosive Basis der Konglomeratbetten (C1 und C2).

Flussgeometrien (a Gefälle, b Kanaltiefe, c Kanalbreite) zeitgenössischer Flüsse in der Gangesebene und der Flüsse, die die entlang der Mohand-Antiklinale freigelegten Siwaliks abgelagert haben (Abb. 1). Die horizontale rote Linie ist der Mittelwert. Sedimentologische Daten und empirische Beziehungen legen nahe, dass der Fluss, der in dieser Studie die Siwalik-Sukzession ablagerte, (hinsichtlich der Geometrie) mit den heutigen Flüssen der Ganga-Ebene vergleichbar ist. d–f Frequenz-/Schichtdickendaten für die Abschnitte Mohand, Surai Khola und Karnali (Abb. 1)63, dargestellt im Format (d) log/lineare Achsen, (e) log/log-Achsen und (f) gruppierte Daten (Nur Mohand-Abschnitt). Die Balkenfarben entsprechen den in den Diagrammen (d) und (e) verwendeten Farben. Siehe Methoden für Berechnungen zur Bestimmung der Siwalik-Flussgeometrien.

Das Fehlen einer internen Sortierung der Klasten in den 2-m-Konglomeratbetten deutet auf eine schnelle Ablagerung hin, bei der kaum oder gar keine Möglichkeit zur Bildung einer Klastenschicht besteht. Wenn die Klasten im Konglomerat durch Rollen und Salzen unter der Strömung transportiert würden, würden wir eine gewisse Korngrößensortierung und Klastenverschachtelung erwarten. Die massiven Sandsteine, die über den Konglomeraten liegen, könnten ein Hinweis auf den Niederschlag suspendierter Sedimente sein, der ausreichte, um die Entwicklung von Schichten oder Strukturen zu unterdrücken35,36. Diese Eigenschaften sind typisch für den schnellen Sedimentabfall aus hyperkonzentrierten Strömungen mit einem hohen Grad an Turbulenz und Sedimentsuspension, die über die gesamte Wassersäule verteilt ist37,38,39. Sedimentologische Daten (Sohlhöhe) und empirische Beziehungen legen nahe, dass der Fluss, der die Mohand-Siwalik-Sukzession abgelagert hat, mit den heutigen Flüssen in der Ganga-Ebene vergleichbar ist (dh Kanaltiefe und Neigung) (Abb. 5, Methoden). Hier konzentrieren wir uns auf das Ereignisbett C2, da es sich um das größte Ereignis (im Hinblick auf die Kiesablagerung) handelt, das im Abschnitt Mohand Middle Siwalik aufgezeichnet wurde.

Zunächst schätzen wir den Ablagerungsort des Konglomeratbetts (C2) relativ zur zeitäquivalenten Position des GST. Die Grenze der Kiesablagerung stromabwärts des GST definiert die Grenze, an der Gebiete in unmittelbarer Nähe des Flusses aufgrund der Verringerung der Kanalkapazität von einer erhöhten Überschwemmung betroffen sein werden9. Indem wir die Verkürzungsrate und die stratigraphische Mächtigkeit vom Konglomeratbett (C2) bis zum oberen Siwalik-Kontakt kennen und einen annähernd stabilen Abstand von der Bergfront zum GST und eine konstante Sedimentansammlungsrate im Becken annehmen, berechnen wir den Abstand stromabwärts der GST, in der das Konglomerat abgelagert wurde (Methoden). Basierend auf diesen Berechnungen wird geschätzt, dass sich das Ereignisbett C2 zwischen 7 und 25 km stromabwärts seines zeitäquivalenten GST gebildet hat. Diese Schätzungen stimmen mit den dünnen Kiesablagerungen überein, die in den Kosi-Kernen gefunden wurden, die sich zwischen 30 und 40 km flussabwärts des modernen GST8 befinden. Die Entfernung von 7 bis 25 km stellt eine konservative Schätzung der gesamten flussabwärts gerichteten Transportentfernung dar, da sich die Konglomeratlagerstätte zwar weiter in das Becken hinein ausgedehnt hätte, jedoch mit abnehmender Mächtigkeit.

Basierend auf der Dicke der Bettform und den Korngrößen verwenden wir Berechnungen zur Kornmitnahme und zum Sedimentfluss, um das Ausmaß der Überschwemmung und die Konzentrationen suspendierter Sedimente zu bewerten, die die grobe Bettlast 10 km über die GST hinaus transportiert haben könnten. Unter Verwendung des Konglomeratbetts C2 (größtenteils strukturlose massive Ablagerung) näherten wir uns unseren Abflussberechnungen auf der Grundlage eines Kanals mit einer Tiefe von mindestens 11 m und einem Kanaltalweg aus Kies mit einem mittleren Durchmesser von 45 mm. Schwebstoff- und Geschiebeabflüsse (pro Flussbreiteneinheit, ms−1/m) werden mithilfe etablierter empirischer Ansätze geschätzt und gehen von einem rechteckigen Kanal aus, in dem Kies über die gesamte Flussbreite transportiert wird. In der Literatur gibt es zahlreiche empirische Formeln zur Schätzung des Geschiebetransports, und der Wert der Geschiebetransportrate kann je nach verwendeter Gleichung um eine Größenordnung variieren. In dieser Studie haben wir den Ansatz von Meyer-Peter und Müller40 gewählt, da gezeigt wurde, dass dieser weithin etablierte Ansatz den Medianwert für die Geschiebetransportrate aus einer Reihe empirischer Formeln in der Literatur41 liefert (Ergänzende Anmerkungen 6, Ergänzende Tabelle 2).

Für den oben beschriebenen Flusskanal wurde die zur Mobilisierung von 45-mm-Geschiebepartikeln erforderliche Schwellengeschwindigkeit mit etwa 3,75 ms−1 berechnet (Methoden). Geht man von dieser Schwellengeschwindigkeit für die Kornmitnahme aus, implizieren Geschiebeberechnungen, dass es bei Strömen mit niedrigen Schwebstoffkonzentrationen (angenommene Flüssigkeitsdichte – Dichte von klarem Wasser) mehrere Monate lang anhaltend hohen Abfluss mit einer Stärke von mehr als dem Doppelten des durchschnittlichen Monsunabflusses geben würde erforderlich, um den Kies 10 km flussabwärts des GST zu bewegen (Ergänzende Anmerkungen 6, Ergänzende Tabelle 2). Diese Dauer sehr hoher Abflüsse ist für vom Monsun gespeiste Flüsse unwahrscheinlich, da in den historischen Aufzeichnungen beobachtete Überschwemmungsspitzen ähnlicher Größenordnung einige Stunden bis zu einem Tag anhielten. Darüber hinaus deuten die untersuchten groben Konglomeratablagerungen im mittleren Siwalik-Sandstein auf ein hochenergetisches, kurzlebiges Ereignis hin, was durch die erosive Konglomeratbasis und das Fehlen einer inneren Kieselschichtung und -sortierung angezeigt wird. Wir untersuchen den Einfluss, den Schlüsselparameter wie Fließgeschwindigkeit und Schwebstoffkonzentration auf die Kieslaufzeiten haben.

Ein Großteil der vorhandenen Schwebstoffdaten aus Nepal wurde während mäßiger Überschwemmungen (<8000 ms−1 und/oder stromaufwärts des GST) gesammelt, wobei die maximalen Sedimentkonzentrationen zwischen 1 und 6 Vol.-% (~25 gl−1 bis 150 gl−) lagen 1;42,43). Eine Konzentration von 8 Vol.-% ist die untere Grenze einer hyperkonzentrierten Strömung44. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei extremen Abflussereignissen und/oder wenn reichlich Feinsediment aus Erdrutschablagerungen oder -schichten vorhanden ist und Ufererosion wurden Konzentrationen von über 50 Vol.-% (~1600 gl−144,45) beobachtet. In den Ganges-Ebenen stellen hohe Recyclingraten des Flussbetts und der Ufer unterhalb des GST43 eine Quelle für feinkörniges Sediment dar könnte für den großen Anstieg an suspendierten Sedimenten verantwortlich sein, der für den Übergang der Strömung von verdünnten zu hyperkonzentrierten sedimentbeladenen Bedingungen erforderlich ist44. Bei hyperkonzentrierten Strömungen verteilen sich hohe Sedimentkonzentrationen in der Wassersäule und folgen nicht dem logarithmischen Konzentrationsprofil, das in verdünnten Gewässern beobachtet wird Wasser fließt46. Daher ist die Dichte des Wasser-Sediment-Gemisches höher als bei klarem Wasser, was Turbulenzen dämpft, die Geschwindigkeit der Flutwelle erhöht und zu mehr Erosion führt44. Wenn die Konzentration zunimmt, verringert sich die Absetzgeschwindigkeit der Partikel, sodass Sedimente als Waschladung über längere Strecken flussabwärts transportiert werden können, selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt44.

Während eines mäßigen Monsuns (1-jähriger Wiederkehrintervallabfluss) wurde die Thalweg-Tiefe unterhalb der GST im Karnali mit 4 m aufgezeichnet, mit einer maximalen bodennahen Konzentration von ~6 Vol.-% und einer tiefengemittelten Konzentration von ~1 Vol.-%. 43. Während der Passage hyperkonzentrierter Strömungen in einigen chinesischen Flüssen wurde beobachtet, dass sich die Kanäle verengen und um mehrere Meter vertiefen, da Bettsedimente erodiert und in Suspension gebracht werden46. Obwohl hyperkonzentrierte Strömungen in den distalen Ebenen Nepals bisher nicht dokumentiert wurden, könnte dieses Phänomen den starken Anstieg der Flusstiefe während des aufgezeichneten C2-Ereignisses erklären, das eine Tiefe von mehr als 11 m aufwies (Konglomeratbett und darüber liegender Sandstein; Abb. 3). , 4). Unter der Annahme, dass mehrere Meter Bett in Suspension gebracht werden, um diese Flusstiefe zu erreichen, würden wir eine Sedimentkonzentration erwarten, die viel größer ist als die 1 bis 6 Vol.-%, die zuvor während eines gemäßigten Monsuns beobachtet wurden43. Mit Standardberechnungen für suspendierte Sedimente41 können wir die tiefengemittelte Konzentration suspendierter Sedimente (für D50 = 0,25 mm, 0,35 mm oder 0,5 mm) bei unterschiedlichen Massenströmungsgeschwindigkeiten und äquivalenten Abflussgrößen und Wiederkehrintervallen von Hochwasserereignissen annähern (Methoden). Wir kombinieren diese Berechnungen mit der Meyer-Peter-Müller-Gleichung40, um die Geschiebetransportrate und den Abfluss abzuschätzen, der erforderlich ist, um in weniger als einem Tag genügend Kies zu transportieren, um ein 2 m dickes Kiesbett 10 km stromabwärts des GST zu erzeugen ähnlich wie große Überschwemmungen in der jüngeren Geschichte.

In der Literatur wurde die Meyer-Peter-Müller-Gleichung40 im letzten Jahrzehnt überarbeitet, um Strömungsregime zu berücksichtigen, die sich von den in ihrer Ableitung berücksichtigten stationären Strömungsbedingungen unterscheiden47,48,49. Cao et al.49 verwendeten einen Modifikationskoeffizienten φ (Gleichung 16), um schnelle, turbulente Strömungsbedingungen zu berücksichtigen, die während eines Dammbruchs beobachtet wurden, und stellten fest, dass ein Wert von 3 bis 6 eine gute Übereinstimmung mit Daten aus Laborstudien zu Kaskaden ergab Dammbrüche und Erdrutsch-Dammereignisse über erodierbaren Schichten, wobei ein Koeffizient von 1 eine stationäre Strömung bedeuten würde und zunehmende Koeffizienten zunehmend turbulente und erosive Strömungsbedingungen darstellen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung des Modifikationskoeffizienten von Cao et al.49 in Kombination mit Hyperkonzentrationen suspendierter Sedimente die Kiestransportzeit um mehrere Größenordnungen verkürzen könnte (Abb. 6) im Vergleich zu Schätzungen, die unter Annahmen niedriger Sedimentkonzentrationen erhalten wurden. Beispielsweise könnte der Kies durch ein 200- bis 1000-jähriges Hochwasser (Abfluss entsprechend 23.200 ms−1 bis 27.500 ms−1, Abb. 6) oder in weniger als 24 Stunden 10 km flussabwärts des GST transportiert werden 12 Stunden für ein 500- bis 2000-jähriges Hochwasser (äquivalenter Abfluss 26.200 ms−1 bis 30.500 ms−1).

a, b Zeit, die benötigt wird, um ein 2 m dickes Kiesbett über eine Distanz von 10 km zu transportieren, im Vergleich zur tiefengemittelten Konzentration suspendierter Sedimente bei einer Fließgeschwindigkeit von (a) 7 m/s und (b) 8 m/s. Die farbigen Linien in (a–d) stellen verschiedene experimentell eingeschränkte Koeffizienten dar, die zur Modifizierung der Meyer-Peter-Müller-Geschiebetransportgleichung verwendet werden, wobei φ = 1 die Standard-Meyer-Peter-Müller-Gleichung (15) und φ = 6 ist ist die modifizierte Meyer-Peter-Müller-Gleichung (16), angepasst für stark turbulente und erosive Strömungen. c, d Konturdiagramme der Schwebstoffkonzentration und der Abflusskombinationen, die erforderlich sind, um in 12 Stunden (c) und 24 Stunden (d) ausreichend Kies zu transportieren, um ein 2 m dickes Kiesbett 10 km stromabwärts des GST abzulagern; Die gestrichelten Linien stellen die Konzentration des suspendierten Sediments (D50 = 0,25 mm, 0,35 mm, 0,5 mm) im Verhältnis zur Abflussmenge dar, geschätzt unter Verwendung von Standardgleichungen für den Sedimenttransport. Der Schnittpunkt der farbigen und gestrichelten Linien stellt die geschätzten Mindestabflüsse und Sedimentkonzentrationen dar, die erforderlich sind, um den Kies 10 km flussabwärts zu transportieren. Höhere φ-Werte (z. B. φ = 6) bedeuten eine größere Strömungsturbulenz und damit eine höhere Kapazität zum Kiestransport bei geringeren Abflüssen und Schwebstoffkonzentrationen. e Geschätztes Wiederkehrintervall für jährliche Spitzenabflussmessungen für den Karnali-Fluss, Nepal, von 1962 bis 2014 an der Messstation Chisapani. Der Karnali-Fluss wird als typisches Beispiel für einen großen Trans-Himalaya-Fluss verwendet. Spitzenentladungsmessungen (schwarze Kreise) wurden aus43) erhalten. Die prognostizierten Wiederkehrintervalle wurden mithilfe einer Gumbel-Verteilung geschätzt (schwarze gestrichelte Linie). Rote gestrichelte Linien stellen die oberen und unteren 95 %-Konfidenzgrenzen dar. Der schattierte blaue Bereich stellt Entladungen und zugehörige Rückkehrintervalle dar, um ein 2 m dickes Kiesbett 10 km flussabwärts des GST innerhalb von 24 Stunden für φ-Werte im Bereich von 3 bis 6 zu transportieren.

Bei diesen Berechnungen handelt es sich um konservative Obergrenzen, die durch die Schwebstoffkonzentrationen begrenzt werden, die unter Verwendung äquivalenter Fließgeschwindigkeiten für diese Hochwasserereignisse im Rückkehrintervall berechnet wurden, und durch unsere Annahmen zu Flussquerschnitten (Abb. 6, Ergänzende Anmerkungen 2, 3, 4). Bei den Berechnungen gehen wir davon aus, dass der Kies über die gesamte Breite des Kanals transportiert wird. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass der Kies nur im Talweg des Flusses transportiert wurde, wo die Fließtiefe und -geschwindigkeit am höchsten war, was es ermöglichen würde, den Kies bei kleineren, häufigeren Abflussereignissen mit der gleichen Geschwindigkeit zu transportieren. Eine Variation der mittleren Korngröße des Kieses um etwa 20 % (±10 mm) könnte die Laufzeit unter Verwendung des modifizierten Meyer-Peter-Müller-Ansatzes um bis zu 6 % verändern.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Transport von grobem Kies weit in die Ebenen mit geringem Gefälle der Himalaya-Flüsse während eines extremen Monsunereignisses, das einer 200- bis 1000-jährigen Überschwemmung entspricht, nur dann auftreten kann, wenn hyperkonzentrierte Strömungsbedingungen ausgelöst werden.

Auslösemechanismen für hyperkonzentrierte Ströme könnten aus mehreren Quellen stammen. Die Region verfügt über eine ausgedehnte Gletscherbedeckung50 und ist seismisch aktiv26. Katastrophale, mit Sedimenten beladene Überschwemmungen aufgrund von GLOFs und durch Erdrutsche aufgestauten Seen kommen häufig vor, lösen sich jedoch häufig auf, bevor sie die distalen Ebenen erreichen11,12,15. Die in der Siwalik-Stratigraphie aufgezeichneten Ereignisse resultieren wahrscheinlich aus Auslösern näher an der Gebirgsfront, wie dem Einsturz eines durch Erdrutsche aufgestauten Sees in den Frontalketten in Kombination mit der verstärkten Vermischung des Abflusses mit recycelten Flussbett- und Ufersedimenten (z. B. Ref. 43). ). Ähnliche Kiesablagerungen werden in Megafan-Kernen aus dem Holozän von Kosi beobachtet8, was darauf hindeutet, dass ähnliche hyperkonzentrierte Ereignisse in jüngerer Zeit während des Holozäns aufgetreten sind. Die Seltenheit solcher Beobachtungen lässt darauf schließen, dass diese Ereignisse über lange Zeiträume (103–106 Jahre) episodisch auftreten.

Der vorhergesagte Klimawandel und die anhaltende Seismizität in der Region werden jedoch die Wahrscheinlichkeit ähnlich großer Ereignisse in den nächsten Jahrhunderten erhöhen. Mithilfe einer Reihe allgemeiner Zirkulationsmodelle zeigten Chapagain et al.25, dass die Intensität extremer Niederschlagsereignisse in Westnepal in mittlerer bis ferner Zukunft um bis zu 60 % zunehmen könnte. Die Vorhersage der Wahrscheinlichkeit extremer Überschwemmungen, wie sie in den Langzeitaufzeichnungen der Siwaliks dokumentiert sind, bleibt eine große Herausforderung für das zukünftige Katastrophenrisikomanagement, aber die Auswirkungen eines solchen Ereignisses könnten weitreichende Folgen haben.

In Umgebungen mit geringem Gefälle wie den Gangesebenen würden grobe Ablagerungen durch hyperkonzentrierte Strömungen die Kanalkapazität verringern und das Überschwemmungsrisiko für künftige Ereignisse mit moderaten Strömungen erhöhen9. Das Auffüllen des Kanals und die anschließende Überhöhung des Kanals könnten ebenfalls zu Abrissen44 führen, die zu einer großflächigen Überschwemmung der umliegenden Ebenen führen und zu Schäden an Gebäuden und Infrastruktur sowie zum Verlust von Menschenleben führen könnten. Darüber hinaus würde aufgrund der hyperkonzentrierten Beschaffenheit des Abflusses jeder Kanalausriss oder eine damit verbundene Überschwemmung Sand und Kies auf den umliegenden fruchtbaren landwirtschaftlichen Flächen ablagern. Da Kies viel weniger mobil ist als Sand, wären die Auswirkungen langanhaltend. Der Kosi-Abriss im Jahr 2008 lagerte bis zu 2 m Sediment auf der umliegenden Aue ab51. Obwohl die Überschwemmung bereits vor mehr als einem Jahrzehnt stattfand, sind die Auswirkungen der Zerstörung immer noch zu spüren: Landwirtschaftliche Flächen sind durchnässt und unfruchtbar geworden und eine Quelle von durch Vektoren übertragenen Krankheiten.

Der prognostizierte Klimawandel und die anhaltende Seismizität in der Region bedeuten, dass hyperkonzentrierte, grobe Geschiebetransportereignisse in Sandflüssen mit geringem Gefälle in den Gangesebenen wahrscheinlich häufiger auftreten werden. Wie diese Prozesse in künftige Katastrophenrisikomanagementstrategien integriert werden können, bleibt eine wichtige und große Herausforderung.

Von einem Abschnitt der Siwalik-Abfolge, der entlang der Mohand-Antiklinale in der Nähe des Chakrata-Flusses freigelegt wurde, wurden detaillierte Sedimentprotokolle erstellt (Gitterreferenzen 43R 0757817; 3359903). Die Sequenz wurde im Maßstab 1:50 protokolliert, wobei Korngrößen, Sedimentstrukturen und Kontakte gemessen und aufgezeichnet wurden (Abb. 1). Vollständige Sedimentprotokolle finden Sie in „Ergänzende Anmerkungen 8“.

Für jedes Konglomeratbett (C1 und C2) wurden zwei bis drei Fotos zur Verwendung in Bildanalysesoftware (Erdas) gemacht. Die Bildauflösung betrug 5184 × 3888 Pixel. Die kurze Achse oder C-Achse der Kieselsteine ​​war im Querschnitt deutlicher zu erkennen, wie in früheren Studien festgestellt (z. B. Lit. 52, 53) (ergänzende Abbildung 1). Die Größe der Kieselsteine ​​wurde anhand jedes Fotos gemessen, indem ein quadratisches Gitter mit 100 Knoten überlagert wurde und die c-Achse jedes Kieselsteins unterhalb des Knotens gemessen wurde7,52,53,54,55. In einigen Fällen waren die Kieselsteine ​​leicht von der c-Achse abgewinkelt, was zu einer leichten Über- oder Unterschätzung der c-Achse führen kann. Auf die Konglomerat-Kieselmessungen wurde eine Verhältniskorrektur angewendet, um die c-Achse in eine b-Achse umzuwandeln, die in Berechnungen zur Geschiebemitnahme verwendet werden kann. Das Verhältnis der b- und c-Achse wurde aus Quarzit-Kieselmessungen an heutigen Kiesbänken des Karnali-Flusses abgeleitet (Verhältnis von 1,5, basierend auf 200 Quarzit-Kieselmessungen53). Bei dieser Methode wird davon ausgegangen, dass die durchschnittlichen Seitenverhältnisse moderner und antiker Proben ähnlich sind53,56. Da Konglomeratschichten überwiegend aus Quarzitklasten (C1 – 95 % und C2 – 98 %) bestanden, ist die Verwendung von Aspektverhältnissen, die von Quarzitkörnern abgeleitet sind, angemessen.

Die Transportentfernung (l) des Konglomerat-Ereignisbetts (C2) jenseits des GST wurde unter Verwendung der Konvergenzgeschwindigkeit (Vc) über den Himalaya (als Konvergenzrate der Überschiebungsfront und des stabilen Indiens) und der Sedimentakkumulationsrate (Sa) geschätzt. im Becken (unter der Annahme eines stationären Zustands) und die Dicke (t) des zwischen dem Kiesbett (z. B. C2) und dem darüber liegenden mittleren-oberen Siwalik-Kontakt angesammelten Sediments, das die alte Position des GST aufzeichnet (Gl. (1), Ergänzende Abbildung 3).

Aufgrund der schrägen Konvergenz zwischen der Indischen und der Eurasischen Platte variieren die Konvergenzgeschwindigkeiten entlang des Streichens des Himalaya-Vorlandes57, wobei im westlichen Himalaya im Vergleich zum Osten langsamere Konvergenzraten gemeldet werden (18–20 mm pro Jahr und 12–15 mm pro Jahr). , bzw.32,33).

Auch die Sedimentakkumulationsraten variieren entlang des Streichens des Himalaya-Vorlandes, wobei im Osten höhere Raten beobachtet werden als im Westen. Die aus Sedimentkernen der quartären Gangesebene berechneten Sedimentakkumulationsraten58,59 stimmen weitgehend mit den Senkungsraten im Vorland7 und den langfristigen Sedimentakkumulationsraten der miozänen Siwalik-Gruppe27,60 überein.

Mediane und Standardabweichungen sowohl der Konvergenzgeschwindigkeiten (Vc) des westlichen Vorlandes als auch der Sedimentakkumulationsraten (Sa) wurden verwendet, um die Entfernung abzuschätzen, in der sich die Kiesablagerungen stromabwärts des GST ansammelten (Abb. Ergänzende Abb. 2).

Bei dieser Berechnung gehen wir von einem annähernd stabilen Abstand von der Bergfront zum GST aus. Diese Annahme wird durch zwei Punkte gestützt: das Zusammentreffen des GST mit einem ausgeprägten Bruchkanalgradienten7. Eine markante Änderung der Hangneigung über Entfernungen von mehreren Kilometern um bis zu einer Größenordnung würde erhebliche Zeit in Anspruch nehmen. Zweitens durch die Langzeitaufzeichnung der GST, die in der Sedimentabfolge von Siwalik beobachtet wurde. Wenn die GST innerhalb des Beckens als Reaktion auf eine anhaltende Änderung der Sediment-/Wasserableitung oder der Absinkungsraten progredient oder retrogradiert würde, würden wir erwarten, dass es im mittleren Siwalik-Sandstein dicke Abfolgen von Konglomeratbetten gibt (z. B. 61). Da in der mittleren Siwalik-Sukzession keine großen Konglomeratkörper beobachtet wurden, würde dies darauf hindeuten, dass die GST im Laufe der Zeit relativ stabil war.

Für Siwalik-Paläokanäle wurden Kanalgeometrien abgeleitet, die bei der Berechnung der Geschiebetransportrate verwendet werden können. Es wurde geschätzt, dass zeitgenössische Kanalgeometrien mit Siwalik-Kanalgeometrien verglichen werden, um zu sehen, wie vergleichbar die alten und zeitgenössischen Systeme sind.

Die zeitgenössischen Kanalufertiefen wurden aus Kanalquerschnittsuntersuchungen mit dem Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) moderner Flüsse der Gangesebene stromabwärts des GST (Karnali River43 und Ganga River62) abgeleitet. Als Tiefe des gesamten Kanalufers wurde der tiefste aufgezeichnete Punkt der Kanaluntersuchung herangezogen. Aktuelle Kanalbreiten wurden auch aus ADCP-Untersuchungen beider Flüsse ermittelt.

Die alten Kanaltiefen wurden anhand der maximalen Mächtigkeit erhaltener Bettformablagerungen aus Siwalik-Abschnitten geschätzt. Zu den Abschnitten gehören die in dieser Studie dokumentierte Mohand-Abfolge sowie zuvor veröffentlichte detaillierte Abschnitte aus den Abschnitten Surai Khola und Karnali River63. In der Literatur wurde die Ufervollkanaltiefe als die durchschnittliche Dicke der gemessenen Stabformen definiert (z. B. Stabfüllablagerungen, unabhängig davon, ob sie von Geflechtstäben oder Punktstäben dominiert werden64,65,66). Diese Methode berücksichtigt nicht die unvollständige Erhaltung von Bettformen aufgrund von Kürzungen oder Verdichtungen aufgrund von Verschüttungen. Die durchschnittliche Bettformdicke stellt daher eine ungefähre, minimale Überhöhungshöhe dar. Darüber hinaus besteht möglicherweise eine Tendenz zur Erhaltung größerer Abflussereignisse und damit größerer Kanaltiefen (dh Bettformhöhen), die in der Siwalik-Stratigraphie aufgezeichnet wurden67. Weitere Einzelheiten finden Sie in den „Ergänzenden Erläuterungen 1“.

Zeitgenössische Kanalneigungsprofile, die sich von der Himalaya-Bergfront bis zum Ganga-Hauptstrom erstrecken, wurden aus einem 30 m langen Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model (SRTM DEM) für jeden der Hauptflüsse der Ganga-Ebene (Yamuna, Ganga, Sharda, Karnali, Gandak und Kosi7). Die Steigungswerte wurden über ein 10 km langes gleitendes Fenster gemittelt7. Neigungswerte oberhalb und unterhalb des GST, die kartiert und definiert wurden, indem der Punkt notiert wurde, an dem die Kanalablagerungen ausschließlich aus Sand (95 %) bestanden7,53, wurden in zwei diskrete Gruppen unterteilt (d. h. stromaufwärts und stromabwärts des GST).

Der Mohand-Siwalik-Paläoslope-Sest für oberhalb und unterhalb der GST (dh oberhalb und unterhalb des mittleren-oberen Siwalik-Kontakts) wird mit zwei veröffentlichten Methoden berechnet. Ganti et al.68 für unterhalb der GST in den Sandgebieten und Paola und Mohrig69 für oberhalb der GST in der von grobem Kies dominierten Region. Beide werden zunächst aus der einfachen Kräftebilanz abgeschätzt,

Dabei ist τb die Bodenschubspannung, ρ die Dichte des Wassers, g die Schwerkraft und h die mittlere Ufertiefe (m) (geschätzt aus Mohand-Siwalik-Protokollen (Abb. 3)). Vorausgesetzt, dass die dimensionslose Teilchenmobilitätszahl oder der Shields-Parameter

wobei s = ρs/ρ die relative Dichte von Sediment zu Wasser ist und D50 die mittlere Korngröße (m) ist, können wir in Gleichung einsetzen. (2) und schreiben Sie den Paläoslope um als:

Um den Bereich der formativen Schildspannung der mittleren Siwalik-Flüsse abzuschätzen (dominiert von Sand, unterhalb der GST), haben wir das von 68,70 vorgeschlagene Diagramm der Gebirgsformstabilität verwendet, wobei die Reynolds-Zahl Rep berechnet wurde von:

Dabei ist v die kinematische Flüssigkeitsviskosität, g die Erdbeschleunigung und D50 = 0,35 mm (gemessen aus Siwalik-Sedimentprotokollen in dieser Studie und veröffentlichten Daten6). Um Unsicherheiten zu berücksichtigen, haben wir einen Wertebereich von D50 von 0,25 mm bis verwendet 1 mm.

Wir haben einen Bereich des Shields-Parameters θ einbezogen, der der Existenz von Dünen und der Übergangszone zwischen Dünen und Schichten der oberen Ebene entspricht. Dies ist ein konservativer Ansatz, der den maximal möglichen Bereich von θ für die stabile Existenz von Dünen darstellt.

In Anlehnung an Ganti et al.68 führten wir 10.000 Monte-Carlo-Simulationen unter Verwendung von Gl. durch. (4) um die Paläoslope der mittleren Siwalik-Sandsteine ​​abzuschätzen (dh unterhalb der GST). Für die Simulationen haben wir Zufallsstichproben von θ (verteilt innerhalb der durch das Bettformstabilitätsdiagramm vorgegebenen Grenzen (0,045 – 1,1)) und Zufallsstichproben von D50 im Bereich von 0,25 mm – 1 mm und der mittleren Siwalik Mohand-Bettformhöhe von h (2,3) generiert m), entnommen aus den Messungen der Sandsteinbettformdicke von Mohand Middle Siwalik.

Für das grobe Upper Siwalik-Konglomerat wurde der Paläoslope-Schätzer für grobkörnige geschweifte Kanäle von Paloa und Mohrig69 implementiert, indem θ = (1 + ε)θc in Gleichung eingesetzt wurde. (4) so ​​dass,

Hier gehen wir von einer Quarzdichte von ρs = 2650 kg/m3 aus. ε = 0,2 ist eine theoretische Konstante, die die Scherspannung τb in der Kanalmitte mit der kritischen Scherspannung τc in Beziehung setzt. θc ist eine Konstante von 0,047. Durch Einsetzen in Gleichung (Gl. (6))69 erhalten Sie den Ausdruck:

Auch hier verwendeten wir 10.000 Monte-Carlo-Simulationen unter Verwendung von Gl. (7) um die Steigung für die grobkörnigen Konglomerat-Kanalablagerungen von Upper Siwalik abzuschätzen (dh oberhalb der GST). Die mittlere Böschungshöhe (aus der Schichtdicke entnommen) für die oberen Siwalik-Konglomerate, h = 3,95 m, wurde aus kombinierten veröffentlichten Daten und Felddaten ermittelt53,71. Die Klast-Korngröße und D50 wurden zufällig innerhalb eines realistischen Bereichs (40–60 mm) basierend auf veröffentlichten Daten und Felddaten aus dem Untersuchungsgebiet ausgewählt53,71. Weitere Einzelheiten finden Sie in den „Ergänzenden Erläuterungen 1“.

Bei hyperkonzentrierten Strömungen folgt die Sedimentkonzentration nicht dem logarithmischen Profil der Sedimente in Wasserströmungen46. Ausführlichere Beschreibungen der in den folgenden Abschnitten dargelegten Gleichungen finden sich in41,72.

Bei der Schätzung der Geschiebetransportrate wird die Dichte des Wasser-Sediment-Gemisches berechnet aus:

Dabei ist ρ die Dichte der Wasser-Sediment-Flüssigkeit, ρw die Dichte von klarem Wasser (1000 kg m−3 für Süßwasser), c die tiefengemittelte Konzentration des suspendierten Sediments (Volumenprozent) und ρs die Dichte der Körner (2650 kg m−3 für Quarzit).

Die tiefengemittelte Konzentration wird angenähert, indem das Konzentrationsprofil als Funktion der Höhe (z) über dem Boden durch die Wassersäule integriert wird, sodass

Dabei ist h (m) die Wassertiefe, z (m) der vertikale Abstand über dem Boden und za (m) ein Referenzniveau, bei dem die Konzentration bekannt ist, und die lokale Konzentration c(z) des suspendierten Sediments im Abstand z ( m) über dem Bett wird aus dem Rouse-Profil als geschätzt

wobei die Rouse-Zahl \(\hat{z}=\frac{{w}_{s}}{k{u}_{* }}\) und ca die Referenzkonzentration auf der Referenzhöhe ist, z = za über dem Bett. Bei der Berechnung der Rouse-Zahl ist ws die Absetzgeschwindigkeit der Sedimentpartikel41, k = 0,4 die von Kármán-Konstante und u* die Schergeschwindigkeit.

73 empfehlen die folgenden Ausdrücke für ca und za:

wobei der Transportparameter \({T}_{{{\mbox{s}}}}=\frac{{\tau }_{b}-{\tau }_{c}}{{\tau }_ {c}}.\)τc ist die kritische Scherspannung, und die Mantelreibungskomponente der Bettschubspannung ist gegeben durch:

Dabei ist cfs der Hautreibungskoeffizient (Gleichung (13) unten) und u die tiefengemittelte Strömungsgeschwindigkeit, geschätzt unter Verwendung des Logarithmusgesetzes, so dass

Der Hautreibungskoeffizient cfs wird hier mithilfe einer logarithmischen Beziehung berechnet, so dass:

wobei k = 0,4 die von Kármán-Konstante und die Bettrauheitslänge \({z}_{0s}=\frac{2,5{D}_{50}}{30}\) für Sand41 ist, \({z}_ {0s}=\frac{6,8{D}_{50}}{30}\) für Kies74.

Nachdem wir die tiefengemittelte Konzentration mithilfe der Gleichungen geschätzt haben. (9) und (10) erhalten wir die Dichte des Wasser-Sediment-Gemisches mit Gl. (8).

Nachdem wir die Dichte der Wasser-Sediment-Flüssigkeit berechnet haben, schätzen wir als nächstes die Rate des Geschiebetransports bei hyperkonzentrierter Strömung. Ausführliche Beschreibungen der Geschiebetransportberechnungen finden sich in72.

Der Geschiebetransport qb (ms−1 pro m Breite) kann als Funktion der dimensionslosen Geschiebetransportrate Φ berechnet werden, sodass

Dabei ist g die Erdbeschleunigung (9,81 ms−2), D50 die mittlere Korngröße und die relative Dichte s = ρs/ρ, wobei ρs die Dichte der Körner und ρ die Dichte der sich darüber bewegenden Flüssigkeit ist das Bett, definiert in Gleichung (8).

In dieser Studie schätzen wir die dimensionslose Geschiebetransportrate mithilfe der40-Gleichung:

oder die modifizierte Gleichung,

wobei θ mit Gleichung berechnet wird. (3) und φ ist ein von49 eingeführter Modifikationskoeffizient (Ergänzende Anmerkungen 2, 3 und 4).

Aus Gl. (15) ist klar, dass Geschiebe nur dann mobilisiert wird, wenn θ > 0,047. Kombiniert man dies mit Gl. (3) für den Shields-Parameter und die Bettschubspannung Gl. (11) können wir den Schwellenwert der Bewegungsgeschwindigkeit u für eine gegebene Korngröße abschätzen:

Unter der Annahme einer Wassertiefe von 11 m und allen konstanten Variablen, die mit den in den Ergänzenden Anmerkungen 5, Ergänzungstabelle 1 definierten übereinstimmen, beträgt der Schwellenwert der Bewegungsgeschwindigkeit für Partikel mit einer Korngröße von 45 mm ungefähr u = 3,75 m/s. Unter der Annahme der Flussquerschnittsfläche A = 0,9 Bh (= 0,9 × 338 m × 11, Ergänzende Anmerkungen 5) und des Abflusses Q = uA entspricht diese Schwellengeschwindigkeit einem Abfluss von etwa 12.550 ms−1.

Alle bei der Erstellung dieses Papiers und der Abbildungen verwendeten Daten sind im Text, in den Methoden oder in den Ergänzenden Anmerkungen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 aufgeführt. Tabellierte Daten, die bei der Berechnung zeitgenössischer und Siwalik-Kanalgeometrien verwendet werden Berechnungen zur Laufzeit des Geschiebes sind unter https://doi.org/10.5525/gla.researchdata.1455 verfügbar.

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Die Autoren danken Prof. Vimal Singh, Prof. Rotash Kumar, Dr. Emma Graf, Parv Kasana, KK Sharma und DHM (Nepal) für ihre Hilfe, fruchtbaren Diskussionen und logistischen Unterstützung vor Ort. Sie danken auch der International Association of Sedimentologists (IAS) und der British Sedimentological Research Group (BSRG) für ihre finanzielle Unterstützung der Feldforschung. Sie danken außerdem Dr. Laure Guerit und einem anonymen Gutachter für ihre gründlichen und durchdachten Rezensionen. Diese Studie war Teil eines vom Natural Environment Research Council (NERC) finanzierten E3 DTP Ph.D. (NE/L002558/1).

Die University of Glasgow, School of Geographical and Earth Sciences, University Avenue, Glasgow, Großbritannien

Laura Quick

Die University of Glasgow, James Watt School of Engineering, Advanced Research Centre, Glasgow, Großbritannien

Maggie. J. Creed

Die University of Edinburgh, School of GeoSciences, Drummond St, Edinburgh, Großbritannien

Hugh. D. Sinclair & Mikaël Attal

Die University of Edinburgh, School of Engineering, King's Buildings, Edinburgh, Großbritannien

Alistair. GL Borthwick

Indian Institute of Technology Kanpur, Department of Earth Sciences, Kanpur, Indien

Rajiv Sinha

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Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit namentlich genannten Co-Autoren durchgeführt. LQ, MJC, HDS, MA und AGLB haben die Studie entworfen und das Manuskript geschrieben. LQ protokollierte die Siwalik-Aufschlüsse und berechnete die Kiestransportdistanz in die Ebenen und zeitgenössische/alte Kanalgeometrien. MJC berechnete Schwebstoffkonzentrationen, Geschiebetransportraten, Transitzeiten von Konglomeratbetten und entsprechende Hochwasserabflüsse. Die Abbildungen wurden von LQ unter Verwendung der Plotpakete ArcMap, Inkscape und Python erstellt. RS gewährte LQ Zugang zum Kosi-Megafan-Kern und besprach ihn in der Kernlaboranlage am IIT Kanpur, Indien.

Korrespondenz mit Laura Quick.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Earth & Environment dankt Laure Guerit und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteur: Joe Aslin. Eine Peer-Review-Datei ist verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Quick, L., Creed, MJ, Sinclair, HD et al. Hyperkonzentrierte Überschwemmungen verursachen einen extremen Kiestransport durch die sandigen Flüsse der Ganges-Ebene. Commun Earth Environ 4, 297 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00953-9

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Eingegangen: 02. Mai 2023

Angenommen: 03. August 2023

Veröffentlicht: 23. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00953-9

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