Yellow River -formlen omhandler oversvømmelsesrisiko, bæredygtighed

Amerikanske og kinesiske geologer, der studerer Kinas gule flod, har skabt et nyt værktøj, der kan hjælpe kinesiske embedsmænd med bedre at forudsige og forhindre flodens alt for hyppige oversvømmelser, som truer hele 80 millioner mennesker. Det nye værktøj, en fysikbaseret formulering til beregning af sedimenttransport, kan også anvendes til at undersøge bæredygtigheden af ​​eroderende kyststrækninger på verdensplan.

Kendt på kinesisk som Huanghe, Den gule flod har et centralt, men todelt sted i historien. Som den kinesiske civilisations vugge, det kaldes ofte "Kinas mor." Men dens oversvømmelser, herunder flere af de dødeligste naturkatastrofer i den registrerede historie, også har fortjent det navnet "Kinas sorg." Hver identitet - den frugtbare plejer og den vilde morder - stammer fra det samme træk:Den gule flod vasker hvert år omkring en milliard tons sediment fra Loess -plateauet til Bohai -havet, og dermed det har en tendens til at blive så tilstoppet, at det ikke kun oversvømmer, men bogstaveligt talt ændrer kurs, hopper til en ny kanal miles væk.

"Huanghe er nok den mest undersøgte finkornede flod i verden, "sagde sedimentologen Rice University Jeffrey Nittrouer, en hovedforfatter af den nye undersøgelse om den gule flod, der vises online i denne uge i Videnskab fremskridt . "Bortset fra det, de typiske formler og relationer, der bruges til at beskrive sedimentstrømmen i de fleste andre floder, virker simpelthen ikke for Huanghe. De forudsiger konsekvent flodens sedimentbelastning med en faktor 20. "

I undersøgelsen, Nittrouer og hovedforfatter Hongbo Ma, en postdoktor fra Kina, der sluttede sig til Rice i 2014, brugte de nyeste teknikker inden for sedimentprøvetagning og 3-D flodbundskortlægning til at skabe en "universel sedimenttransportformulering". Formuleringen er den første fysikbaserede sedimenttransportmodel, der er i stand til nøjagtigt at beskrive, hvordan Huanghe bærer sediment.

"Med hensyn til sedimenttransport, Haunghe er næsten den perfekte flod, "Sagde Ma." Dens bund er næsten flad og uden egenskaber, hvilket betyder, at den kan bruge næsten al sin energi til at flytte sediment. "

Nittrouer, en assisterende professor i jordvidenskab, der har studeret snesevis af floder på tre kontinenter, sagde, at han ikke har set noget lignende Huanghe. "I typiske lavlandssand -floder - som Amazonas, Mississippi, you name it - kun omkring 40 til 60 procent af energien bruges til at transportere sediment nedstrøms. I den gule flod, godt 95 procent af energien er tilgængelig til at flytte sediment. "

Nittrouer og Ma besøgte Huanghe første gang i sommeren 2015 som en del af et fireårigt, $ 2 millioner undersøgelse finansieret af National Science Foundation (NSF). Deres hensigt var at undersøge det geologiske, socioøkonomiske og tekniske lektioner fra Kinas årtiers lange bestræbelser på at kontrollere Huanghe og lede væksten af ​​dets delta i Bohai-havet.

"Haunghe flytter så meget sediment, at det er ekstremt effektivt til at generere nyt land hvert år og er derfor det bedste sted for os at lære om, hvordan man bruger sediment fra floder til at forbedre delta -bæredygtighed, "Sagde Nittrouer." Eksemplet tættest på hjemmet er Mississippi -floden, hvor der er en betydelig indsats for at genopbygge kystnære Louisiana. Men en endnu mere presserende grund til at studere Den Gule Flod er, at 80 millioner mennesker bor på dens flodslette og er truet af dens oversvømmelser. Potentialet for menneskelig lidelse er enormt. Målet med vores arbejde er at afbøde Huanghe -oversvømmelser, samtidig med at vi udvikler teknikker gennem forskning, der kan overføres for at evaluere flodsystemer verden over. "

Ma og Nittrouer sagde, at de aldrig vil glemme deres første forsøg på at lave et 3D-kort over Huanghe-bunden. De planlagde at lave et detaljeret billede af flodbredden ved hjælp af et ekkolodssystem, som Nittrouer tidligere havde brugt til at kortlægge flere andre flodsystemer. I alle tidligere undersøgelser, han havde fundet ud af, at kanalen indeholdt bedform -funktioner, der ligner ørkeners klitter.

"Jeg tog et kig på aflæsningen på båden og troede, at instrumentet var brudt, "Sagde Nittrouer." Bunden så flad ud som glas. "

Mor sagde, "Først da vi bragte dataene tilbage til laboratoriet, så vi, at der var funktioner, men størrelsesforholdet var sådan, at vi ikke kunne se dem på båden. "

For eksempel, da Nittrouer afbildede bunden af ​​Mississippi -floden, han så typisk sengeformer op til 10 meter høje og mellem 200 og 300 meter fra hinanden. I modsætning, dataene fra Yellow River viste 1 meter høje klitter hver 500 til 2, 000 meter.

Ved hjælp af disse data og andre målinger fra den nedre Huanghe, herunder fra sit spredte delta, Ma skabte en fysikbaseret formulering, der var i stand til præcist at forudsige fluxen-mængden af ​​sediment, der transporteres i en given periode-i Huanghe.

"Målet er at se på sammenhængen, hvad angår sedimentbevægelse og vandgennemstrømning, blandt floden, deltaet og den kystnære havregion, "sagde mor, der valgte at blive sedimentolog efter det ødelæggende jordskælv i Sichuan i 2008 i Kina.

Mens han stadig er bachelor ved Tsinghua University, Ma sluttede sig til et laboratorium, der undersøgte den potentielle oversvømmelse, der kan skyldes dæmningsbrud forårsaget af jordskred i jordskælvet i 2008. Det potentielle tab af liv på grund af oversvømmelserne var større end 90, 000 mennesker dræbt eller såret af selve jordskælvet, og Ma blev fascineret af at skabe teknologier, der kunne hjælpe med at forhindre så store oversvømmelser.

"Jeg er født og voksede op langt fra Haunghe i den nordøstlige Heilongjiang -provins, men jeg, som mange kinesere, føler dybt Huanghe -sorgen, som har dræbt millioner i løbet af de sidste 2, 000 år, og jeg har sorgen over alle oversvømmelsesrisici i tankerne ved udførelsen af ​​min forskning, " han sagde.

Ma sagde, at han håber, at den nye formel kan vise sig nyttig for kinesiske ingeniører, der administrerer strømmen af ​​vand og sediment fra dæmninger langs Huanghe. For eksempel, ingeniører har i årtier forsøgt at reducere risikoen for Huanghe-oversvømmelser ved periodisk at skure flodbunden med massive udslip af sedimentforarmet søvand.

Ma sagde, at et fund fra den nye model er, at en sådan skurning utilsigtet kan øge risikoen for oversvømmelse i visse dele af floden, fordi selvom den rydder silt, det skaber også en ru struktureret flodleje, der reducerer mængden af ​​energi, floden kan bruge til at flytte sediment.

"Vores formel indikerer, at dette vil reducere sedimenttransporteffektiviteten med en størrelsesorden, "sagde han." Derudover den ekstra slæb, der dannes af klitterne, kan øge vandstadiet og efterlade systemet tilbøjeligt til oversvømmelse ved oversvømmelser. Denne trussel kan være unik for Haunghe -sagen. "

Judy Skog, programdirektør i NSF's direktorat for geovidenskaber, som finansierede forskningen gennem sin kystvidenskab, Engineering and Education for Sustainability Program, sagde, "Forståelsen af ​​sedimentstrømmen i floder er vigtig for det store antal mennesker rundt om i verden, der bor i nærheden af ​​floder. Denne undersøgelse kan føre til forudsigelser om, hvornår og hvor floder transporterer sediment, og til en forståelse af, hvordan sedimentstrømmen påvirkes af bevarings- og forvaltningsindsatser, såsom fjernelse af dæmninger. "