1

رودخانه‌ها ستون فقرات زیستی سیاره ما هستند. آن‌ها آب، رسوب و مواد مغذی را از کوه‌ها به دریاها منتقل می‌کنند، مسیری می‌سازند که هم زیست‌بوم‌ها را تغذیه می‌کند هم جوامع انسانی را.

برای بیش از یک قرن، دانشمندان در تلاش بودند تا بفهمند چرا برخی رودخانه‌ها یک مسیر مارپیچ واحد را طی می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به کانال‌هایی چندشاخه تقسیم می‌شوند. پژوهش تازه‌ای سرانجام پاسخی برای این معما ارائه می‌دهد.

چه چیزی باعث شاخه‌شاخه شدن رودخانه‌ها می‌شود؟

بررسی داده‌های ماهواره‌ای در مقیاس جهانی

در مطالعه‌ای از سوی جغرافی‌دانان دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا، پژوهشگران داده‌های ماهواره‌ای ۳۶ ساله از ۸۴ رودخانه در سراسر جهان را بررسی کردند. هدف آن‌ها این بود که بفهمند چرا برخی رودخانه‌ها به جای باقی ماندن در یک کانال واحد، به مسیرهایی چندگانه تقسیم می‌شوند.

آستین چادویک، نویسنده اصلی این مطالعه، این تحقیق را به عنوان پژوهشگر فوق‌دکتری در UCSB انجام داد.

«دریافتیم که رودخانه‌ها زمانی چندشاخه می‌شوند که فرسایش در کناره‌ها سریع‌تر از رسوب‌گذاری در کناره‌ی مقابل باشد. این عدم تعادل باعث می‌شود کانال پهن‌تر شود و با گذشت زمان تقسیم گردد.»

این یافته، به بحثی دیرینه در علم زمین‌شناسی پایان می‌دهد و همچنین راه تازه‌ای برای درک بهتر خطرات سیل و بازسازی رودها به حالت طبیعی‌شان ارائه می‌کند.

طبقه‌بندی رودخانه‌ها: تک‌شاخه در برابر چندشاخه

دو نوع اصلی رودخانه

رودخانه‌ها معمولاً به دو نوع تقسیم می‌شوند: تک‌شاخه (single-threaded) و چندشاخه (multi-threaded). هر دو نوع در جهان رایج‌اند، اما اغلب رودهای بزرگ دنیا چندشاخه هستند.

استثنای قابل‌توجهی در این میان رودخانه می‌سی‌سی‌پی در ایالات متحده است، که به‌دلیل مطالعات گسترده، همچنان تک‌شاخه باقی مانده است.

تمرکز تاریخی پژوهش‌ها بر رودخانه‌های ساده‌تر

رودخانه‌های تک‌شاخه معمولاً توجه بیشتری از سوی محققان میدانی داشته‌اند، زیرا مطالعه آن‌ها آسان‌تر است. در مقابل، پژوهشگران آزمایشگاهی بیشتر به سراغ رودهای چندشاخه رفته‌اند، چون بازسازی آن‌ها در مخازن آزمایشگاهی ساده‌تر است.

پیدایش ایده اصلی تحقیق

مشاهدات غیرمنتظره در آزمایشگاه

ایده اصلی این تحقیق از یک مخزن آزمایشگاهی در آزمایشگاه سنت آنتونی فالز دانشگاه مینه‌سوتا شکل گرفت. زمانی که چادویک در حال بررسی رودهای چندشاخه بود، متوجه رفتار عجیبی شد: کانال‌ها مدام پهن می‌شدند و تقسیم می‌گشتند، و میزان فرسایش بیشتر از رسوب‌گذاری بود.

«مرتب با خودم کلنجار می‌رفتم، چون اندازه‌گیری‌هایم همیشه نشان می‌دادند که فرسایش از رسوب بیشتر است. و این برخلاف چیزی بود که در دانشگاه یاد گرفته بودیم.»

این مشاهدات، او را به سمت متون قدیمی ارتش آمریکا و منابع دیگر هدایت کرد که در آن‌ها نیز نمونه‌هایی از فرسایش بیشتر از رسوب‌گذاری ذکر شده بود.

سؤال بزرگ‌تر این بود: آیا این رفتار عجیب فقط در آزمایشگاه رخ می‌دهد، یا در طبیعت هم دیده می‌شود؟

بررسی مسیر حرکت رودخانه‌ها

آزمایش فرضیه در طبیعت

برای آزمودن این فرضیه، تیم تحقیقاتی از تصاویر ماهواره‌ای استفاده کرد؛ به‌ویژه داده‌های لندست از طریق Google Earth Engine. آن‌ها با بهره‌گیری از تکنیکی به نام تصویربرداری حرکت ذرات، الگوهای فرسایش و رسوب‌گذاری را در ده‌ها رودخانه بررسی کردند.

این تکنیک که در اصل برای ردیابی ذرات در مایعات آزمایشگاهی طراحی شده بود، در این پژوهش برای ردیابی کناره‌های رودخانه در عکس‌های ماهواره‌ای به‌کار گرفته شد.

نتایج کلیدی مطالعه

رودخانه‌های تک‌شاخه

در این نوع رودخانه‌ها، تعادلی میان فرسایش و رسوب‌گذاری وجود دارد. این تعادل باعث می‌شود کانال باریک باقی بماند و با حرکاتی مارپیچ در سراسر منظره جریان یابد.

رودخانه‌های چندشاخه

در این سیستم‌ها، فرسایش چیره است. کناره‌ها سریع‌تر از آنکه رسوب در طرف دیگر انباشته شود، دچار فرسایش می‌گردند. نتیجه این می‌شود که کانال آن‌قدر پهن می‌شود تا در نهایت تقسیم گردد.

«رودخانه‌های چندشاخه به طور کلی آب بیشتری حمل نمی‌کنند. بلکه همان مقدار آب را از طریق کانال‌های متعدد و در حال تغییر انتقال می‌دهند.»
– وامسی گانتی، استاد جغرافیا در UCSB

بینش تازه درباره شاخه‌شاخه شدن رودخانه‌ها

نقش رسوب در شکل‌دهی به کانال‌ها

تفاوت اصلی نه در مقدار آب، بلکه در نحوه تأثیر آن بر کناره‌ها و جابجایی رسوب است. بیشتر رسوب در رودهای چندشاخه در بستر رود ته‌نشین می‌شود، نه در کناره‌ها. این امر منجر به تشکیل جزایر و بارهای رسوبی‌ای می‌شود که کانال‌ها را از هم جدا می‌کنند.

استثناهایی مانند رودخانه سائو فرانسیسکو

برای مثال، رودخانه سائو فرانسیسکو در برزیل از این الگو پیروی نمی‌کند. اما تیم تحقیقاتی دلیل آن را کاهش دبی رودخانه به‌دلیل سدسازی و آبیاری در بالا‌دست دانستند.

چرا این کشف مهم است؟

سؤال اینکه چرا یک رودخانه تک‌شاخه یا چندشاخه می‌شود، به قدمت خود علم ژئومورفولوژی بازمی‌گردد. این مطالعه بالاخره پاسخی روشن ارائه می‌دهد: مسئله به تعادل میان فرسایش و رسوب‌گذاری بازمی‌گردد.

البته شرایط محیطی مثل شیب، دبی جریان، نوع رسوب و استحکام کناره‌ها نیز مؤثرند، اما تأثیرشان از طریق تغییر این تعادل بروز می‌یابد.

قطع ارتباط رودخانه‌ها از دشت سیلابی

هزینه‌های پنهان مهندسی رودها در قرن بیستم

در قرن بیستم، بسیاری از رودخانه‌ها به کانال‌های باریک محدود شدند تا فضا برای شهرسازی و کشاورزی باز شود. این اقدام گرچه خطر سیلاب را در برخی مناطق کاهش داد، اما به قیمت از بین رفتن زیست‌بوم‌ها تمام شد.

جدا شدن رودخانه‌ها از دشت‌های سیلابی باعث بالا آمدن بستر رودخانه‌ها شد و در صورت بروز سیلاب، وضعیت را وخیم‌تر کرد.

«در طوفان کاترینا، شکست سد باعث سیلاب گسترده شد. یکی از دلایل آن این بود که دشت سیلابی می‌سی‌سی‌پی برای مدت طولانی از رودخانه جدا شده بود و به مرور نشست کرده بود، در نتیجه سیلاب در آن‌جا انباشته شد.»
– چادویک

راهکارهای تازه برای بازسازی رودخانه‌ها

فرمولی برای بازسازی طبیعی رودها

برای بازسازی مؤثر رودخانه‌ها و اتصال دوباره آن‌ها به دشت‌های سیلابی، باید دانست چه میزان فضا لازم است و این فرآیند چقدر زمان می‌برد. این مطالعه فرمولی ارائه می‌دهد که پهنای لازم برای مسیر طبیعی رودخانه و مدت زمان بازسازی را محاسبه می‌کند.

رودخانه‌های تک‌شاخه در برابر چندشاخه

مطالعه نشان داد رودهای تک‌شاخه به حدود ۱۰ برابر فضا و زمان بیشتری برای بازسازی نیاز دارند، اگر قدرت جریان آب ثابت باشد. این موضوع می‌تواند محاسبات بازسازی را تغییر دهد.

بازنگری در پروژه‌های بازسازی

عکس‌هایی از دهه ۱۹۳۰ نشان می‌دهد که رودخانه لس‌آنجلس زمانی چندشاخه بوده، پیش از آنکه به مسیر بتنی محدود شود.

بسیاری از رودخانه‌هایی که امروز آن‌ها را تک‌شاخه می‌دانیم، در اصل چندشاخه بوده‌اند. این یعنی پروژه‌های بازسازی ممکن است آسان‌تر یا کم‌هزینه‌تر از آنچه تصور می‌شود، باشند.

«پروژه‌ای که در حال حاضر بسیار پرهزینه یا بزرگ تصور می‌شود، اگر طبقه‌بندی رودخانه اشتباه بوده باشد، ممکن است قابل انجام باشد.»
– چادویک

نگاهی به آینده جریان رودها

تیم گانتی اکنون در حال بررسی تغییرات رفتار رودخانه‌ها در طول زمان است – این که آیا این روندها سرعت می‌گیرند، کند می‌شوند یا تعداد شاخه‌ها تغییر می‌کند. این داده‌ها می‌توانند بازتابی از تأثیرات تغییرات اقلیمی و توسعه انسانی باشند.

چادویک، که اکنون تحقیقات خود را در رصدخانه زمین لامونت-دوهرتی دانشگاه کلمبیا ادامه می‌دهد، همچنان به بررسی دلایل چیرگی فرسایش و تنوع رفتاری رودهای چندشاخه می‌پردازد.

در همین حال، گرینبرگ در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا از داده‌های ماهواره‌ای برای بررسی حرکت رسوب در رودها استفاده می‌کند و به بررسی تأثیر سدها بر شکل رودخانه‌ها در طول دهه‌ها مشغول است.

جمع‌بندی

رودخانه‌ها فقط جریان ندارند؛ آن‌ها مزارع را تغذیه می‌کنند، شهرها را شکل می‌دهند و کالاها را جابه‌جا می‌کنند. اما هم‌زمان سیلاب ایجاد می‌کنند، مسیر عوض می‌کنند و ما را غافلگیر می‌کنند.

این پژوهش تازه، ما را یک گام به درک بهتر از چگونگی تأثیر این نیروها بر جهان – و چگونگی زندگی بهتر در کنار آن‌ها – نزدیک‌تر می‌کند.

این مطالعه در نشریه Science منتشر شده است.