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新模型详细说明了主要河流将如何应对不断变化的环境条件

  • 科学
  • 2020-07-14 08:58:44
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从尼罗河到密西西比河,再从亚马逊河到扬子,人类文明与我们社会发展的大河密不可分。但是河流是易变的,当这些水道改变方向时,河流所带来的好处很快就会成为灾难。

科学家们正在努力了解环境变化如何改变河流动力。由UC Santa Barbara地貌学家Vamsi Ganti合着的《美国国家科学院院刊》上的一项新研究概述了决定河流越过河道或水坑的频率的因素,以及对河三角洲的影响。研究结果有望帮助科学家和规划人员为海平面上升和土地利用变化的未来做好准备。

三角洲通过堆积沉积物来抵消海平面的上升,沉积物主要发生在河道本身附近。每隔一段时间,河流就会通过撕裂转换路线,并开始在其他地方建立三角洲。明尼苏达大学的博士后学者奥斯汀·查德威克(Austin Chadwick)说:“因此,撕脱是河流将沉积物扩散到整个景观的一种方式。”

他继续说:“我们要问的问题是,河水多久会自然地改变其航向,随着气候变化和人类干扰,这将如何改变。”

不幸的是,对于河流如何应对气候变化,以前一直没有共识。一些科学家认为,随着海平面上升,侵蚀率会增加,而另一些科学家则预测会降低。甘蒂说:“根本没有统一的理论来解释河流的侵蚀频率如何取决于海平面。”

为了弄清情况,甘蒂,查德威克和他们的合著者加州理工学院的迈克尔·兰姆将地质和历史记录的观测结果与河流动力学的数学模型结合在一起。通过关注这个特定问题,他们旨在最终获得确定的答案和有用的预测。

大型河流在靠近海洋时趋于平坦并减速。在某一点之后,海平面的下游条件开始影响河流的行为,这被科学家称为死水流体动力学。甘蒂解释说:“这是一个动态区域,沿海河流中会发生沉积和侵蚀。”

在先前的论文中,研究小组表明撕裂发生在这个回水区域内,该区域可以延伸到很远的内陆地区。例如,密西西比河的死水区距海岸500公里。更深,更平坦的河流(如密西西比河)的死水区域较大,因此有较大的三角洲。

研究人员的这项研究目标是运用他们对死水流体动力学影响的新发现,以了解撕脱本身的频率。

研究小组使用该模型并将其结果与现场数据进行了比较,发现三角洲可以通过三种方式响应海平面上升,这取决于海平面变化率与河流提供的沉积物之间的平衡。

第一种:当河流中有大量沉积物并且海平面上升相对缓慢时。根据该模型,这些河流具有抵御海平面上升的能力,其侵蚀率保持稳定。中国的黄河就是一个例子。

第二种情况是河流的泥沙较少或海平面上升更快。在这种情况下,撕脱变得更加频繁。不断上升的海洋促进了沉积,一旦河道填充到一定深度,河流就会跳水。

第三种情况是极端情况,即海平面上升超过河流沉积沉积物的能力。随着海洋渗透到三角洲,河流将达到其最大侵蚀率,整个系统将开始向内陆迁移。科学家以前从未知道过这种情况,这三种机制的发现共同解释了科学文献中以前的矛盾之处。

研究人员将观测值和数据输入到他们的模型中,以查看在预测的气候条件下各种三角洲的行为是否会有所不同。查德威克说:“对于大多数人来说,答案是肯定的。”“许多河流将遭受更频繁的撕裂,而一些河流还将在更远的内陆发生撕裂。”

河流撕毁具有巨大的社会影响,有可能引起经济和内乱。考古学家认为,印度西部印度河的航向变化直接导致了青铜时代哈拉潘文明的衰落。最近,撕扯导致1877年黄河洪水和1931年中国洪水,这是现代历史上最致命的两次自然灾害。

撕裂对密西西比河这样的河流可能会带来可怕的后果,自1963年以来,称为“旧河控制结构”的系统阻止了河道的跃迁。如果回水区向内陆迁移,河道可能会改变设施上游的路线并绕过它共。每分钟将有数百万加仑的水流过以前干燥的土地,而河道的下游部分将完全干燥。

作者已经使他们的模型可供任何可能想要使用它的人使用。他们甚至可以通过执行一些关于河流状况和动力学的基本假设,将多个公式简化为一个方程。

查德威克说:“诸如陆军工程兵团和内政部之类的组织可以使用此工具来应用任何三角洲。”“并希望它将有助于我们应对气候变化时在这些地方做出决定。”

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