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2023-02-02 13:55

科学家试图了解河道的变化

圣路易斯——河流表面下潜伏着一种尚未被充分了解的危险——但它可能会对附近的居民和社区造成严重破坏。

气候模式的变化可能会使历史上坚固的河道动荡不安,使它们走向两个极端:加速侵蚀或增压洪水。

现在,圣路易斯华盛顿大学的一名科学家正在开始一项新的实验,该实验可以预测——甚至可能防止——强降雨造成的破坏,在上周圣路易斯遭遇破纪录的倾盆大雨后,这个问题变得更加紧迫。

“我们感兴趣的是水撞击地面时会发生什么,”华盛顿大学(Washington University)领导该项目的地貌学家克莱尔·马斯特勒(Claire Masteller)说。“以及地形如何调整,以应对撞击地面的水量正在变化的事实。”

马斯特勒和她的团队正在建立一个可以模拟世界各地河流系统洪水的实验室。研究人员将让洪水从装有岩石和砾石的管道和盒子中喷出,以研究河床的结构如何随着降水的变化而演变。

科学家们正在观察。

圣路易斯大学(St. Louis University)的淡水科学家杰森·努夫特(Jason Knouft)说,气候变化对河流系统的影响很难理解,因为在陆地上研究温度和降水等更简单的因素,在经过水循环过滤后会变得复杂得多。他没有参与这项研究。

马斯特勒的项目可以阐明气候变化对特定河流影响的关键细节,他说。

努夫特说:“这对生态系统、人类对河流系统的利用和水安全有着各种各样的影响。”

即使是最大的河道,其形状也始于河床上最小的岩石。

各种形状和大小的鹅卵石都被锁在摩擦、重力和水流拖曳之间的微妙平衡中。

当流过河床的水流平缓时,它会把凸出的鹅卵石压成更紧凑的图案,使河流更能抵抗侵蚀。

但是,如果河水的水流强度足够大,足以克服岩石的固定力,那么那些离河床最远的岩石就会被冲到下游。当大卵石移动时,它们会移走相邻的卵石,形成一大堆移动的泥沙顺流而下。

换句话说,河道侵蚀。河水变宽了。更强的水流从河床上撕裂了更多的岩石,留下了锯齿状的突出边缘表面。河床上凸出的岩石越多,水就越容易把它们捞起来。

马斯特勒说:“这些是床的薄弱环节,可以引发侵蚀。”

侵蚀和压实之间的这种自然平衡是河流如何随着时间演变形状的关键。科学家们发现,河流在湍急的水流下会变宽,比如洪水,直到水流足够大,大约每两年就会发生一次洪水。

气候变化给这个系统带来了一个障碍。

在密苏里州,不断上升的气温预计会增加极端风暴的发生频率,比如上周圣路易斯遭遇了创纪录的降雨,这使得大风暴所需的成分变得更加常见。

研究人员担心,随着更多的风暴袭击更多的河流,导致更多的洪水,河床沉积物可能没有时间自然聚集在一起。这就意味着河道很容易受到侵蚀。

“当另一场暴雨来袭时,”马斯特勒说,“河床已经准备好了。”

另一方面,气候变化预计将使西部等一些地区干涸,使河流更加依赖融雪流入。这可能会留下大量的低流量,让谷物更紧密地聚集在一起,形成对侵蚀的抵抗力。

如果河流不能被侵蚀以适应风暴,水就会流向其他地方。

马斯特勒说:“我们的容器太小了,所以多余的水必须溢出来。”

为了更好地理解动力学,马斯特勒建立了一个实验性的水滑道。

这个耗资25万美元的装置被称为“水槽”,它是一个玻璃壁的通道,两边排列着河石,科学家们可以通过它来模拟洪水。它向上和向下倾斜,模仿不同的斜坡。

马斯特勒说:“我们可以把它一直吊到天花板上,弄出一些非常粗糙的东西。”

她说,基本上,他们可以模拟从密西西比河到瑞士阿尔卑斯山的山间溪流的所有东西。

这就是他们将要做的。他们将在水槽中创建不同类型的溪流渠道,以匹配不同的河流,并对每一个河流进行洪水测试,以测试其反应。

“我们从最基本的构件开始,”马斯特勒说。“这就是当你在一粒谷物上浇水时它的作用。”

根据洪水的威力和河床的成分,沉积物会以不同的数量冲下管道进入尺度。研究人员将用吊在水槽口的篮子来衡量他们的捕获物,以量化每种洪水模式发生的侵蚀程度。他们会拍下河床本身的照片来量化有多少岩石从河床表面伸出来。

与此同时,他们将让水通过更宽的流台面——基本上就是大沙箱——以便更好地了解河流的形状如何随着侵蚀而变化。

然后,科学将走向空中。研究人员将利用美国地质调查局捕获的激光成像技术(LIDAR)来测量地形地貌,精确到米级。他们将比较地图系统在洪水发生前后捕捉到的河流宽度,看看他们在实验室中得到的信息是否与真实河流中的情况相符。