Zmiany biegu rzek mogą zagrozić milionom ludzi

Tworzenie się nowego koryta rzeki (awulsja) to naturalny proces geomorfologiczny. Dzięki badaniom nad tym zagadnieniem naukowcy z Indiana University opracowali sposób przewidywania, kiedy i gdzie rzeki mogą nagle i radykalnie zmienić bieg. Uzyskane wyniki rzucają światło na proces, który ukształtował historię ludzkości poprzez niszczycielskie powodzie i nadal zagraża milionom ludzi na całym świecie.

Woda płynie w dół, podążając drogą, na której napotyka najmniejszy opór. Jednak często wcale nie staje się z tego powodu krótsza, a jej przebieg - prostszy. Przeciwnie, rzeki na równinach tworzą zakola i meandry, co zwiększa opory przepływu i zmniejsza nachylenie koryta. Na terenach górskich mogą znaleźć nowe, bardziej spadziste koryto.

Nurt wody niesie ze sobą osady, powodując erozję jednego brzegu, a osadzanie się osadów na drugim. To, jaki jest przepływ, zależy od zmiennych klimatycznych, takich jak opady i temperatura powietrza. Na kształtowanie się koryta rzeki wpływają także ilość, rodzaj i czas odkładania osadów, lokalna topografia czy sposób użytkowania gruntów.

Meandry tworzą się zazwyczaj na terenach nizinnych, w dolnym oraz środkowym odcinku rzeki. W miarę upływu czasu meandry przesuwają się ku ujściu, zwiększając swoją krzywiznę. Mogą wówczas zostać odcięte od głównego biegu rzeki, zwłaszcza na skutek chwilowego podniesienia się poziomu wody i wymycia nowego koryta; dawny meander staje się wtedy łukowatym jeziorem – starorzeczem.

Zespół badawczy pod przewodnictwem Jamesa „Jake’a” Gearona, doktoranta w Katedrze Nauk o Ziemi i Atmosferze (EAS) w College of Arts and Sciences na Indiana University Bloomington, po raz pierwszy nakreślił warunki, które powodują zmiany biegu rzek. Współautorami badań (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07964-2) są Harrison Martin (doktorat EAS ’23), obecnie pracownik naukowy CalTech; Clarke DeLisle (doktorat EAS ’23), obecnie pracownik EVS, Inc; Eric Barefoot, pracownik naukowy IU Bloomington, a obecnie członek wydziału UC-Riverside; oraz profesor Douglas Edmonds, profesor nauk geologicznych w Katedrze Nauk o Ziemi i Atmosferze Indiana University Bloomington.

Wykorzystując zaawansowaną technologię satelitarną do obrazowania rzeźby terenu zespół ustalił, w jaki sposób określone cechy krajobrazu zwiększają prawdopodobieństwo zmiany biegu rzeki.

 „Pomiar topografii wokół rzeki jest trudny i czasochłonny ze względu na gęstą roślinność — powiedział Gearon. - Skorzystaliśmy z nowego satelity, który wykorzystuje lasery do pomiarów topograficznych”. 

Ta technologia, zwana lidarem, penetruje roślinność, aby określić położenie nagiej ziemi, umożliwiając dokładne pomiary topograficzne.

„Zmiany biegu rzek, które prawdopodobnie są inspiracją dla starożytnych mitów o powodziach, spowodowały największe powodzie w historii ludzkości i nadal zagrażają milionom — wyjaśnił Edmonds. - Zmiany klimatu modyfikują globalne cykle wodne, a ekspansja człowieka na obszary narażone na powodzie wzrasta, więc zrozumienie i przewidywanie procesów awulsji nigdy nie było ważniejsze”.

Do zmian biegu dochodzi, gdy woda w rzece podnosi się ponad otaczający krajobraz, często z powodu nagromadzenia się osadów w dotychczasowym korycie. Kiedy tak się dzieje, rzeka może wylać się z brzegów i wytyczyć nowy bieg przez równinę zalewową. Może to prowadzić do groźnych powodzi, ponieważ rzeka przepływa przez obszary zwykle nieprzystosowane do radzenia sobie z taką ilością wody. Na przykład awulsja rzeki Kosi w północnych Indiach w 2008 r. bezpośrednio wpłynęła na losy ponad 30 milionów mieszkańców, zabiła setki osób i spowodowała szkody o wartości ponad miliarda dolarów.

Tradycyjnie naukowcy uważali, że nagłe zmiany biegu występują z powodu dwóch głównych czynników: albo koryto rzeki zostało podniesione ponad równinę zalewową, albo ziemia po obu stronach rzeki oferowała bardziej stromą, łatwiejszą ścieżkę dla wody.

„Teraz możemy faktycznie przetestować te 80-letnie koncepcje za pomocą danych topograficznych, które zebraliśmy z kosmosu — powiedział Edmonds. — Byliśmy zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że oba czynniki współdziałają i odgrywają różne role w zależności od położenia rzeki”.

Naukowcy przeanalizowali dane ze 174 awulsji rzek na całym świecie, wykorzystując zdjęcia satelitarne do śledzenia ruchów rzek w ciągu ostatnich kilku dekad. Autorzy ujawniają, że zmiany biegu są dużo częstsze w pobliżu pasm górskich i obszarów przybrzeżnych niż w środkowych odcinkach rzek. 74 procent tych awulsji miało miejsce w pobliżu pasm górskich lub linii brzegowych, obszarów, w których zwykle szybko gromadzą się osady.

Ponadto, wykorzystując dane topograficzne, naukowcy opracowali nowy model mapowania tego, co nazywają „korytarzami awulsji rzeki” — ścieżek, którymi rzeki mogą podążać, jeśli zboczą ze swojego obecnego biegu. To narzędzie może pomóc rządom i planistom zidentyfikować obszary o wysokim ryzyku nagłych powodzi, szczególnie w regionach o ograniczonych zasobach.

Badanie podkreśla znaczenie uwzględniania awulsji rzeki w ocenach zagrożenia powodziowego. 

„Tradycyjne modele powodzi koncentrują się na wzroście poziomu wody w wyniku ulewnych deszczów, ale awulsje mogą wystąpić bez ostrzeżenia, nawet w obszarach, w których opady deszczu nie stanowią poważnego problemu. To sprawia, że są szczególnie niebezpieczne i trudne do przewidzenia, podobnie jak trzęsienia ziemi” – powiedział Gearon.

Wyniki mogą być cenne zwłaszcza dla Globalnego Południa — mniej rozwiniętych części Afryki, Ameryki Łacińskiej i Azji, gdzie awulsje są częstsze i mogą być bardziej katastrofalne w skutkach. W wielu z tych regionów połączenie czynników geologicznych i wyzwań infrastrukturalnych sprawia, że społeczności są bardziej narażone na nagłe zmiany biegu rzeki. Na przykład powódź związana z awulsją rzeki Indus w Pakistanie w 2010 r. dotknęła ponad 20 milionów ludzi.

Nowy model może pomóc przygotować się na katastrofy związane z zmianą koryta rzeki, potencjalnie ratując życie i zmniejszając szkody gospodarcze. Ma to tym większe znaczenie, że zmiany klimatyczne nadal wpływają na wzorce pogodowe i zwiększają zagrożenia powodziowe na całym świecie.

Źródło: PAP