Nye modeller beskriver, hvordan store floder vil reagere på ændrede miljøforhold

Fra Nilen til Mississippi og fra Amazonas til Yangzi, menneskelig civilisation er uløseligt forbundet med de store floder, langs hvilke vores samfund udviklede sig. Men floder kan ændres, og de fordele, de giver, kan hurtigt blive katastrofer, når disse vandveje ændrer kurs.

Forskere arbejder på at forstå, hvordan miljøændringer ændrer floddynamikken. En ny undersøgelse i Procedurer fra National Academy of Sciences medforfatter af UC Santa Barbara geomorphologist Vamsi Ganti har skitseret de faktorer, der dikterer, hvor ofte floder springer kurs, eller avulse, og de virkninger dette vil have på floddeltaer. Resultaterne lover at hjælpe forskere og planlæggere med at forberede en fremtid med havstigning og ændret arealanvendelse.

Deltas modvirker stigning i havniveauet ved at opbygge sediment, som for det meste forekommer nær en flodkanal selv. En gang imellem, floden vil skifte kurs gennem en avulsion og begynde at opbygge deltaet et andet sted. "Så avulsioner er den måde, floden spreder sit sediment ud over hele landskabet, "sagde første forfatter Austin Chadwick, en postdoktor ved University of Minnesota.

"De spørgsmål, vi stiller, er, hvor ofte ændrer floder naturligt deres forløb, "fortsatte han, "og hvordan vil det ændre sig med klimaændringer og menneskelig indblanding."

Desværre, der har tidligere ikke været enighed om, hvordan floder reagerede på klimatiske ændringer. Nogle forskere troede, at avulsionshastighederne ville stige, når havniveauet stiger, mens andre forudsagde, at de ville falde. "Der var simpelthen ingen samlende teori for at forklare, hvordan flodavulsionsfrekvensen er afhængig af havets overflade, "Sagde Ganti.

For at rette op på situationen, Ganti, Chadwick og deres medforfatter Michael Lamb fra Caltech, kombinerede observationer fra de geologiske og historiske optegnelser med en matematisk model af floddynamik. Ved at fokusere på dette specifikke problem, de havde til formål at endelig få endelige svar og nyttige forudsigelser.

Store floder har en tendens til at flade ud og bremse, når de nærmer sig havet. Efter et bestemt punkt, havniveauets nedstrømsforhold begynder at påvirke flodens adfærd i det, forskere kalder bagvandshydrodynamik. "Dette er en dynamisk zone, hvor aflejring og erosion forekommer i kystnære floder, "Forklarede Ganti.

I et tidligere papir, holdet havde vist, at der forekommer avulsioner inden for denne bagvandsområde, som kan strække sig ret langt inde i landet. For eksempel, bagvandsområdet ved Mississippi -floden når 500 kilometer fra kysten. Dybere, fladere floder som Mississippi, som har større bagvandsområder, har derfor større deltaer.

Forskernes mål med denne undersøgelse var at anvende deres nyfundne forståelse af effekten af ​​bagvandshydrodynamik for at lære om frekvensen af ​​avulsioner selv.

Ved hjælp af modellen, og sammenligne deres resultater med feltdata, teamet opdagede, at der er tre måder, deltaer kan reagere på stigning i havniveau, som afhænger af balancen mellem ændringen i havniveauet og sedimentet fra floden.

Den første:når en flod har meget sediment og stigning i havniveauet er relativt langsom. Ifølge modellen, disse floder er modstandsdygtige over for havstigning, og deres avulsionshastigheder forbliver stabile. Kinas gule flod er et eksempel.

Det andet tilfælde opstår, når en flod har mindre sediment eller havniveauet stiger hurtigere. I dette scenario, avulsioner bliver hyppigere. Det stigende hav fremmer sedimentering, og når en kanal fylder til en bestemt dybde, floden vil springe sit løb.

Og repræsenterer det ekstreme, hvor stigning i havniveau overgår en flods evne til at deponere sediment, er det tredje tilfælde. Da havet infiltrerer deltaet, floden vil nå sin maksimale avulsionshastighed, og hele systemet vil begynde at migrere inde i landet. Forskere havde ikke kendt til denne sag før, og opdagelsen af ​​de tre regimer tilsammen forklarer de tidligere uoverensstemmelser i den videnskabelige litteratur.

Forskerne indtastede observationer og data i deres model for at se, om forskellige floddeltaer ville opføre sig anderledes under forudsagte klimaforhold. "Svaret er ja, for de fleste af dem, "Chadwick sagde." Mange floder vil opleve hyppigere avulsioner, og nogle floder vil også have avulsioner længere inde i landet. "

Flodavulsioner har enorme samfundsmæssige konsekvenser, med potentiale til at forårsage økonomisk og civil uro. Archaeologists believe that a course change of the Indus River in western India directly contributed to the decline of the Bronze Age Harappan civilization. For nylig, avulsions led to the 1877 Yellow River flood and 1931 China floods, two of the deadliest natural disasters in modern history.

An avulsion could have dire consequences for rivers like the Mississippi, where a system called the Old River Control Structure has prevented the river from jumping course since 1963. If the backwater region migrated inland, the river could change course upstream from the facility and bypass it altogether. Millions of gallons of water per minute would course through previously dry land, while the downstream portion of the channel would go completely dry.

The authors have made their model available and accessible to anyone who might want to use it. They were even able to reduce several formulas into a single equation by implementing a few basic assumptions about river conditions and dynamics.

"Groups like the Army Corps of Engineers and the Department of the Interior can use this tool to apply to any delta, " said Chadwick. "And hopefully it will help inform our decisions in these places as we cope with climate change."