Реки выбирают свой путь на основе эрозии

Фото из открытых источников

Реки – это артерии Земли. Вода, осадки и питательные вещества самоорганизуются в разнообразные, динамичные русла по мере своего движения с гор к морю. Некоторые реки прокладывают единый путь, в то время как другие разделяются на множество переплетающихся нитей. Эти особенности русла определяют риски наводнений, опасность эрозии и экосистемные услуги для более чем трёх миллиардов человек, живущих вдоль речных коридоров по всему миру.

Понимание того, почему некоторые водные пути образуют единые русла, а другие разделяются на множество рукавов, уже более века озадачивает исследователей. Географы Калифорнийского университета в Санта-Барбаре недавно составили карту динамики русел 84 рек, используя данные спутниковых снимков, собранных за 36 лет, чтобы определить, что определяет этот аспект поведения рек.

«Мы обнаружили, что реки образуют несколько русел, если их берега размываются быстрее, чем откладывается осадок на противоположных берегах. Это приводит к расширению русла и его разделению с течением времени», — сказал ведущий автор исследования Остин Чедвик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Результаты, опубликованные в журнале Science, разрешают давнюю загадку в науке о реках. Они также проливают свет на стихийные бедствия и меры по восстановлению рек.

Геологи давно разделяют реки на одно- и многорукавные и обычно изучают их отдельно. Хотя ни один из типов не превосходит другой по численности, большинство крупнейших рек мира имеют многорукавность. Заметным исключением является однорукавная река Миссисипи в США, где проводились многочисленные исследования рек.

Большинство полевых исследований было сосредоточено на однопоточных реках, отчасти из-за их простоты. В то же время экспериментальные работы были сосредоточены на многопоточных реках из-за сложностей с воссозданием однопоточных русел в лабораторных условиях.

Именно работая над одним из таких экспериментов в бассейне в лаборатории Сент-Энтони-Фолс при Университете Миннесоты, Чедвик вдохновился на это исследование. Изучая многорусловые реки в лаборатории, он заметил, что они постоянно расширяются и разветвляются.

«Я бился головой о стену, потому что постоянно измерял, что эрозия преобладает над отложениями. А нас этому не учили в школе», — вспоминал он. «Это побудило меня прочитать несколько старых книг армейского корпуса и другие источники, где приводились примеры, где береговая эрозия преобладает над отложениями». В конце концов, ему стало интересно, встречается ли такое в природе.

Это классический пример научного метода: «Вы выдвигаете гипотезу в лабораторных условиях, а затем можете проверить ее в природе», — сказал соавтор Эван Гринберг также из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Команда использовала данные Landsat, хранящиеся в репозитории Google Earth Engine, сосредоточившись на 84 реках в разных регионах мира. Они отслеживали эрозию и отложения на берегах каждой реки, используя алгоритм обработки изображений, называемый велосиметрией частиц. Авторы адаптировали этот алгоритм, изначально разработанный для отслеживания движения частиц на лабораторных фотографиях жидкости, для отслеживания положения русла на спутниковых снимках пойм.

В однопроточных реках эрозия и отложение наносов уравновешиваются. В результате ширина русла остаётся постоянной, что позволяет рекам изгибаться в изгибах и образовывать широкие, извилистые русла. В отличие от этого, в многопроточных реках береговая эрозия опережает отложение наносов, в результате чего русло со временем расширяется, пока не разделяется на две части. В результате многопроточные реки перестраивают свои русла, прежде чем они успевают слишком сильно изгибаться в пойме.

Каждое из этих динамических явлений происходит, когда река находится в устойчивом состоянии (не растет и не уменьшается).

«Нельзя сказать, что многопоточные реки в среднем набирают воду. Они по-прежнему переносят одинаковое количество воды с течением времени, но делают это за счёт постоянного изменения размера отдельных потоков», — пояснил старший автор Вамси Ганти из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Когда авторы говорят, что эрозия преобладает над отложением, они имеют в виду берега реки. В многорусловых реках излишки осадка, смытые с берегов, переотлагаются на дне, в конечном итоге образуя острова и пересыпи, разделяющие русла.

Исследователи выявили несколько исключений из тенденции эрозии и осадконакопления, но обнаружили, что каждое из них совпадало с очевидными изменениями в водоразделе, которые вывели реку из естественного устойчивого состояния. Например, река Сан-Франсиску в Бразилии не демонстрировала чрезмерной эрозии, как другие многорукавные реки, поскольку река пересыхала из-за строительства плотин в её верховьях и забора воды для орошения.

«Вопрос о том, почему река является однопоточной или многопоточной, существует примерно столько же, сколько и сама геоморфология», — сказал Ганти.

Обычно географы рассматривают динамику рек с точки зрения множества переменных, включая уклон вниз по течению, скорость потока воды, тип наносов и устойчивость берегов. Новая модель объясняет тип реки исключительно балансом между осадконакоплением и эрозией. Различные географические факторы влияют на этот баланс, объясняя, почему определённые условия среды благоприятствуют развитию определённых типов рек.

В XX веке многие реки были загнаны в узкие русла, оторванные от своих исторических пойм. Это освобождает больше земель для заселения и смягчает некоторые риски, присущие жизни вблизи реки. Однако это катастрофично для прибрежных экосистем и может даже усугубить долгосрочные риски. Отсечение реки от поймы приводит к оседанию наносов на русле, поднимая реку относительно соседней, бедной осадками поймы. Это повышает вероятность выхода реки из берегов в случае наводнения или прорыва дамбы – явление, которое группа тщательно исследовала.

«Вспомните ураган Катрина, — сказал Чедвик. — Когда дамбу прорвало, произошло масштабное наводнение, отчасти потому, что пойма была так долго отрезана от Миссисипи, что её уровень опустился относительно реки, и паводковые воды скапливались там».

Предпринимаются всё более активные усилия по восстановлению русел рек и их пойм, чтобы дать им больше пространства для движения. Для природоохранных мероприятий необходимо определить ширину русла, необходимого реке для возвращения к естественному состоянию, а также время, необходимое для этого.

Благодаря новому пониманию динамики рек, команда разработала формулу, которая учитывает такие переменные, как время выхода реки из русла. Формула также описывает, возвращается ли река к одно- или многорусловому состоянию. Они рассчитали ширину и время восстановления для различных типов рек на основе спутниковых наблюдений.

Чедвик, Ганти и Гринберг обнаружили, что время и пространство, необходимые реке для восстановления её естественного состояния, значительно различаются у одно- и многопоточных рек. Однопоточной реке требуется примерно в десять раз больше пространства и времени, чтобы вернуться в состояние многопоточной реки с той же мощностью течения, которая определяется количеством энергии, необходимой потоку для размывания и перемещения осадочных пород.

Выводы статьи могут быть полезны при разработке проектов по развитию инфраструктуры и восстановлению. Формула, разработанная авторами, позволяет инженерам и учёным оценить необходимую ширину участка для проекта восстановления, что является решающим фактором его осуществимости и стоимости. Анализ также может помочь политикам определить приоритеты для восстановления. Исследования, восстановление и смягчение последствий стихийных бедствий исторически были сосредоточены на однопоточных каналах, но переход к проектам на многопоточных водных путях может обеспечить большую отдачу при меньших затратах.

Фактически, выводы команды свидетельствуют о том, что восстановление реки может оказаться менее затратным, чем предполагалось. Растёт понимание того, что многие однопроточные реки исторически были многопроточными до вмешательства человека, особенно на западе США. Например, фотографии реки Лос-Анджелес 1930-х годов, до того, как её канализировали, показывают её многопроточную структуру. Чедвик пояснил, что проект, который сейчас считается чрезмерно масштабным или дорогим, на самом деле может быть доступным, если река была неправильно классифицирована.

Лаборатория Ганти в настоящее время изучает ускорение и замедление течения рек, а также изменение количества притоков в реке с течением времени. «Эти временные тенденции, вероятно, отражают влияние изменения климата и вмешательства человека на динамику рек», — сказал он.

Чедвик всё ещё интересуется, почему эрозия опережает накопление осадков в некоторых реках. Он планирует продолжить изучение разнообразия многопоточных рек, уделяя особое внимание механизмам их формирования. Тем временем Гринберг, работающий в Лаборатории реактивного движения (JPL), использует дистанционное зондирование для измерения переноса осадков в реках. Он также завершает работу, изучая, как плотины влияют на форму реки с течением времени и на развитие речного русла.

Реки сыграли важную роль в истории человечества. Они орошают посевы, которые мы выращиваем на их плодородных равнинах, и перевозят наши товары туда и обратно. Но они также затапливают наши города и внезапно оставляют изношенные русла. Узнав больше о реках, мы сможем лучше сосуществовать с этими изменчивыми природными явлениями в эпоху беспрецедентных перемен.