人類工程導(dǎo)致密西西比河極端洪水

研究小組收集了3個(gè)牛軛湖底部沉積物的巖芯，以研究密西西比河下游主要洪水的歷史。牛軛湖又叫“U”形湖，一般是河流裁彎取直后，與主河流分開而形成的湖泊。在大洪水期間，兇猛的河水再次沖入牛軛湖，所帶來的泥沙和碎屑沉積到湖底，通過對這些沉積物的研究，研究人員可以識別這些洪水的“特征”。

一項(xiàng)新的研究，首次揭示了密西西比河最近500年的洪水歷史。該研究由伍茲霍爾海洋研究所的科學(xué)家們主導(dǎo)，首次拓展了密西西比河洪水的歷史記錄，研究的結(jié)果充分表明，美國近代的河流工程增加了密西西比河洪水發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度。

“我們在20世紀(jì)所遭遇的洪水，比我們過去500年的任何時(shí)候都要大得多?！蔽槠澔魻柡Ｑ笱芯克牟┦亢髮W(xué)者山姆·木茲說，他也是目前該項(xiàng)目的主要研究者之一，他們的研究成果發(fā)表于2018年4月5日出版的美國雜志《自然》上。研究表明，在過去的150年中，百年一遇洪水的發(fā)生頻率增加了約20%，百年一遇意味著每一百年有1次發(fā)生的可能，變化后的情況意味著每百年有1.2次發(fā)生洪水的可能。研究小組發(fā)現(xiàn)，大約四分之三的漫岸洪水可歸因于人類對河流及其流域的人為改造。

“一直有一個(gè)懸而未決的問題，就是人類對密西西比河的改變到底到了什么程度，可以說密西西比河是人類工程化程度最嚴(yán)重的河流，我研究的目的是這種河流工程化如何造成洪水發(fā)生頻率的變化?！蹦酒澱f，他現(xiàn)在是美國東北大學(xué)的助教。

為了回答這個(gè)問題，科學(xué)家使用了一種颶風(fēng)跟蹤技術(shù)，這是一種伍茲霍爾海洋研究所的古氣候?qū)W家杰弗·登雷利跟蹤沿海地區(qū)颶風(fēng)時(shí)所率先使用的技術(shù)，這種技術(shù)需要從湖泊或者沼澤底部沉積的泥沙中抽取沉積的巖芯，通過對巖芯中沉積物的分析，確定洪水發(fā)生的頻率，比較洪水發(fā)生與海洋和氣候的關(guān)系，從而得出結(jié)論。

“這種做法，有點(diǎn)類似于在奶昔中插一根吸管，將拇指放在吸管的頂部，使吸管密封，然后將吸管拉出來。”該研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人唐納利說。在這個(gè)研究中，“吸管”是一根長達(dá)10米的鋁管，鋁管通過一艘小型浮舟在湖面上被伸入湖泊的底泥中，“奶昔”是位于密西西比河附近的三個(gè)牛軛湖底部的淤泥和泥沙。

在大洪水期間，來自河道的洪水會攪動更大顆粒的泥沙懸浮于水流中，洪水帶來的大顆粒的泥沙流入湖泊中，并且不連續(xù)地沉積在湖泊的底部，沉積物中除了泥沙還有一些碎屑物質(zhì)，這些來自河流的物質(zhì)最終沉積在湖泊的底部，并且在湖泊的底部形成一個(gè)沉積層，隨著時(shí)間的推移，古老的或者年齡比較早遠(yuǎn)的沉積層會被年輕的沉積層所覆蓋和埋藏。這些沉積層是研究歷史洪水的線索。湖泊泥沙沉積得越深，科學(xué)家越可以追溯到更加久遠(yuǎn)的洪水線索。

沉積層中泥沙顆粒的大小，為研究洪水量級提供了線索。研究小組的另一位主要成員，伍茲霍爾海洋研究所的地球科學(xué)家里穆尼·奧斯說，洪水越大，河流中水的能量就越大，沉積在湖泊中的泥沙就越多。通過分析已知洪水事件泥沙顆粒的大小和洪水大小， 例如，1927年的密西西比河大洪水，穆尼·奧斯可以估算出沉積物巖芯中以前未知洪水的大小。

為了確定這些洪水何時(shí)發(fā)生，該團(tuán)隊(duì)使用了鉛、銫和碳的同位素來確定沉積巖中的粗沙層。來自卡羅萊納大學(xué)的茲熊·森使用了一種稱為“光學(xué)刺激發(fā)光”的技術(shù)來確定粗沙的年齡，該技術(shù)主要通過分析材料最后一次暴露在陽光下的時(shí)間，來確定材料的年齡。阿拉巴馬大學(xué)的馬修·泰諾使用樹木年輪來確定區(qū)域洪水發(fā)生時(shí)間。結(jié)合這些方法，研究團(tuán)隊(duì)追溯拓展了500多年的洪水歷史 ，比最早有記錄的洪水提前了350年左右。

接下來，研究人員比較了他們的發(fā)現(xiàn)與影響大西洋和太平洋海面溫度的自然波動周期的關(guān)系，例如厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，密西西比河的洪水周期與海洋氣候周期相對應(yīng)。

厄爾尼諾事件給北美中部帶來了風(fēng)暴和降雨，密西西比河流域的周邊土壤含水量飽和。大西洋波動周期的一個(gè)階段，可以為密西西比河流域帶來極端降雨。當(dāng)厄爾尼諾事件與大西洋波動事件重合時(shí)，更容易發(fā)生大洪水。

“我們第一次能夠真正解析氣候系統(tǒng)的自然變化如何影響洪水，以及人們?nèi)绾胃淖冞@種變化?！蹦履帷W斯說。

沉積物數(shù)據(jù)還表明，由海洋變化引起的洪水自然節(jié)奏，被1928年以后由聯(lián)邦政府投資的河流工程項(xiàng)目放大了，政府的這些項(xiàng)目包括在河道上進(jìn)行商業(yè)航行，以及保護(hù)社區(qū)和農(nóng)田免受洪水淹沒等?？茖W(xué)家表示，河流工程的社會效益應(yīng)該與更大的洪水對農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施和社區(qū)造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行權(quán)衡。此外，大洪水將更多的污染物和農(nóng)場徑流排放到墨西哥灣，造成海洋缺氧的“死亡區(qū)”。

穆尼·奧斯說，給河流更多的自然空間，讓河流回歸自然，洪水會帶來更多的泥沙到達(dá)密西西比河口，可以拯救這個(gè)逐漸下沉的河口三角洲。然而，據(jù)估計(jì)，讓河流回歸自然至少要花費(fèi)上百億美元。

該研究團(tuán)隊(duì)稱，研究小組接下來的任務(wù)，是要挖掘更深的河流沉積物，以便研究更長的洪水記錄，并應(yīng)用這種新方法來了解世界其他主要河流洪水發(fā)生的原因。