Amerikanska och kinesiska geologer som studerar Kinas gula flod har skapat ett nytt verktyg som kan hjälpa kinesiska tjänstemän att bättre förutsäga och förhindra flodens alltför frekventa översvämningar, som hotar så många som 80 miljoner människor. Det nya verktyget, en fysikbaserad formulering för att beräkna sedimenttransport, kan också tillämpas för att studera hållbarheten för eroderande kustlinjer över hela världen.

Känd på kinesiska som Huanghe, Gula floden har en central men dikotom plats i historien. Som vaggan för den kinesiska civilisationen, det kallas ofta "Kinas mor". Men dess översvämningar, inklusive flera av de dödligaste naturkatastroferna i historien, har också fått det namnet "Kinas sorg." Varje identitet – den bördiga vårdaren och den hänsynslösa mördaren – härrör från samma särdrag:Gula floden sköljer omkring en miljard ton sediment varje år från Löss-platån till Bohaihavet, och därmed den har en tendens att bli så igensatt att den inte bara svämmar över utan bokstavligen ändrar kurs, hoppar till en ny kanal mil bort.

"Huanghe är förmodligen den mest studerade finkorniga floden i världen, " sa Rice University sedimentolog Jeffrey Nittrouer, en huvudförfattare till den nya studien om Gula floden som dyker upp online den här veckan i Vetenskapliga framsteg . "Trots att, de typiska formlerna och sambanden som används för att beskriva sedimentflödet i de flesta andra floder fungerar helt enkelt inte för Huanghe. De förutsäger konsekvent flodens sedimentbelastning med en faktor 20."

I studien, Nittrouer och huvudförfattare Hongbo Ma, en postdoktor från Kina som började på Rice 2014, använde de senaste teknikerna inom sedimentprovtagning och 3D-kartering av flodbotten för att skapa en "universell sedimenttransportformulering." Formuleringen är den första fysikbaserade sedimenttransportmodellen som kan exakt beskriva hur Huanghe transporterar sediment.

"När det gäller sedimenttransport, Haunghe är nästan den perfekta floden, " sa mamma. "Dess botten är nästan platt och utan särdrag, vilket innebär att den kan använda nästan all sin energi för att flytta sediment. "

Nittrouer, en biträdande professor i geovetenskap som har studerat dussintals floder på tre kontinenter, sa att han inte har sett något liknande Huanghe. "I typiska låglandssandbäddar - som Amazonas, Mississippi, you name it - bara cirka 40 till 60 procent av energin används för att transportera sediment nedströms. I Gula floden, långt över 95 procent av energin är tillgänglig för att flytta sediment."

Nittrouer och Ma besökte Huanghe första gången sommaren 2015 som en del av ett fyraårigt, 2 miljoner dollar studie finansierad av National Science Foundation (NSF). Deras avsikt var att undersöka det geologiska, socioekonomiska och tekniska lärdomar från Kinas decennierlånga ansträngningar att kontrollera Huanghe och styra tillväxten av dess delta in i Bohaihavet.

"Haunghe flyttar så mycket sediment att det är extremt effektivt att generera nytt land varje år och är därför den bästa platsen för oss att lära oss om hur man använder sediment från floder för att förbättra deltats hållbarhet, ", sa Nittrouer. "Exemplet närmast hemmet är Mississippifloden, där det finns betydande ansträngningar för att fylla på kustnära Louisiana. Men en ännu mer pressande anledning att studera Gula floden är att 80 miljoner människor bor i dess översvämningsslätter och hotas av dess översvämningar. Potentialen för mänskligt lidande är enorm. Målet med vårt arbete är att mildra Huanghe-översvämningar, samtidigt som man utvecklar tekniker genom forskning som är överförbara för att utvärdera flodsystem över hela världen."

Ma och Nittrouer sa att de aldrig kommer att glömma sitt första försök att skapa en 3D-karta över Huanghe-botten. De planerade att göra en detaljerad bild av flodbädden med hjälp av ett ekolodssystem som Nittrouer tidigare hade använt för att kartlägga flera andra flodsystem. I alla tidigare studier, han hade funnit att kanalen innehöll sängformade drag som liknade sanddyner i öknar.

"Jag tittade en gång på avläsningen på båten och trodde att instrumentet var trasigt, "Sa Nittrouer." Botten såg platt ut som glas. "

mamma sa, "Först när vi tog tillbaka data till labbet såg vi att det fanns funktioner, men bildförhållandet var sådant att vi inte kunde se dem på båten. "

Till exempel, när Nittrouer avbildade botten av Mississippifloden, han såg vanligtvis sängformer som var upp till 10 meter höga och placerade cirka 200 till 300 meter från varandra. I kontrast, data från Gula floden visade 1 meter höga sanddyner var 500:e till 2:e 000 meter.

Med hjälp av dessa data och andra mätningar från nedre Huanghe, inklusive från dess vidsträckta delta, Ma skapade en fysikbaserad formulering som kan exakt förutsäga flödet - volymen av sediment som transporteras under en given tidsperiod - i Huanghe.

"Syftet är att titta på sambandet, när det gäller sedimentrörelser och vattenflöde, bland floden, deltat och den kustnära marina regionen, sa mamma, som valde att bli sedimentolog efter den förödande jordbävningen i Sichuan i Kina 2008.

Medan han fortfarande studerade vid Tsinghua University, Ma gick med i ett labb som studerade de potentiella översvämningarna som kan bli följden av dammbrott orsakade av jordskred i jordbävningen 2008. Den potentiella förlusten av liv från översvämningarna var större än de 90, 000 människor dödades eller skadades av själva skalvet, och Ma blev fascinerad av att skapa teknologier som kunde hjälpa till att förhindra så stora översvämningar.

"Jag föddes och växte upp långt från Haunghe i nordöstra Heilongjiang-provinsen, men jag, som många kineser, känner djupt Huanghe -sorgen, som har dödat miljoner under de senaste 2, 000 år, och jag tänker på sorgen över alla översvämningsrisker när jag genomför min forskning, " han sa.

Ma sa att han hoppas att den nya formeln kan vara användbar för kinesiska ingenjörer som hanterar flödet av vatten och sediment från dammar längs Huanghe. Till exempel, ingenjörer har i decennier försökt minska risken för Huanghe-översvämningar genom att periodvis skura flodbottnen med massiva utsläpp av sedimentutarmat sjövatten.

Ma sa att ett fynd från den nya modellen är att sådan skurning oavsiktligt kan öka risken för översvämningar i vissa delar av floden eftersom även om den rensar silt, det skapar också en grov strukturerad flodbädd som minskar mängden energi som floden kan använda för att flytta sediment.

"Vår formel indikerar att detta kommer att sänka sedimenttransporteffektiviteten med en storleksordning, "sa han." Dessutom, det extra motståndet som produceras av sanddyner kan öka vattenstadiet och lämna systemet benäget att övertoppa under översvämningar. Detta hot kan vara unikt för fallet med Haunghe."

Judy Skog, programdirektör i NSF:s direktorat för geovetenskap, som finansierade forskningen genom sin Coastal Science, Program för teknik och utbildning för hållbarhet, sa, "Att förstå flödet av sediment i floder är viktigt för det stora antalet människor runt om i världen som bor nära floder. Denna studie kan leda till förutsägelser om när och var floder transporterar sediment, och till en förståelse för hur detta sedimentflöde påverkas av bevarande- och förvaltningsinsatser, som borttagning av dammar."