När klimatförändringarna höjer havsnivån, flodmynningsstäder står inför det dubbla hotet om översvämningar och betydande erosion. Forskning från ett gemensamt team från EPFL och UNSW Sydney kastar nytt ljus över de hydrodynamiska krafterna som spelar och banar väg för förebyggande strategier.

Nästan 60% av världens befolkning bor nära en mynning, och listan över flodmynningsstäder innehåller 21 av världens 30 största stadscentrum, inklusive New York och Tokyo. Blandningen av sött och saltvatten gör flodmynningar - några som sträcker sig hundratals mil långa - till olika och komplexa ekosystem. De tjänar också viktiga sociala och ekonomiska funktioner, från godstransporter till rekreation och fiske. Flodmynningar kan indelas i två grundtyper:beroende på om ingången är begränsad (smal) eller obegränsad (bred). Variationer i sedimentansamling och vattenutsläpp kan också få ingångskanaler att förändras med tiden.

Vid slutet av seklet, globala havsnivåer förväntas bli högre än de är idag. Den beräknade ökningen - var som helst mellan några dussin centimeter och 2,5 meter eller mer - beror på hur takten i de globala utsläppen av växthusgaser saktar ner, och hur snabbt isarken i Antarktis och Grönland smälter. Men i alla scenarier, stigande havsnivåer kommer att avsevärt förändra tidvattenhydrodynamik i flodmynningar. Effekterna av dessa förändringar kunde kännas inåt landet - inklusive i städerna som ligger vid deras stränder. Värsta förutsägelser pekar på översvämningar och ökad kusterosion.

År 2019, EPFL -studenten Steve Hottinger utforskade detta fenomen som en del av sitt magisterprojekt inom miljövetenskap och teknik. Sedan examen, han har tagit sitt arbete till nästa nivå, samarbetar med kollegor från UNSW Sydney, Australien, att publicera sina resultat i den prestigefyllda Q1 -tidskriften Estuarine, Kust- och hyllvetenskap. Hottinger heter som en av tidningens huvudförfattare.

Kritiska förhållanden

Forskarna studerade olika fenomen - tidvattenförstärkning, deformation, reflektion och resonans - för att beräkna de kritiska förhållandena mellan kanalstorlek och risk för översvämning och kusterosion. De observerade en anmärkningsvärd 20–60% minskning av tidvattenintervallet om ingångar är begränsade med 80% jämfört med obegränsade kanaler, och fann att även om maximal tidvattenströmhastighet är högre i den begränsade delen av kanalen, den är lägre i mynningsdelen.

Teamet modellerade 200 prismatiska mynningar för att bedöma deras hydrodynamiska svar på havsnivåhöjningar mellan 0 och 2 meter, efter justering för tidvattnet. De matade in ett antal parametrar i modellen, inklusive översvämningshastighet, bredd-till-längd-förhållande, entrébegränsning, tidvattensamplitud och strömhastighet, och vattendjup. För varje mynning kördes modellen i 60 dagar, med att forskarna gör tusentals mätningar var 15:e minut för att producera en rik datamängd.

Avvärja katastrof

Teamets resultat tyder på att, för vissa städer, begränsning av mynningsöppningar kommer att vara nödvändigt för att avvärja katastrof år 2100. Deras modell kan ge insikter om var och vilka åtgärder som behövs. "Vi kan definitivt se verkliga användningsområden för vår modell utanför labbet, "säger Giovanni De Cesare, operativ chef för EPFL:s plattform för hydrauliska konstruktioner, som övervakade Hottingers masterprojekt och är en av tidningens medförfattare.

De Cesare tänker sig också andra praktiska tillämpningar av modellen. "Vi kan titta på att installera ett tidvattenkraftverk i en mynning för att generera förnybar el, "föreslår han." Men vi skulle behöva undersöka varje enskilt fall utifrån dess fördelar och överväga de större sociala och miljömässiga konsekvenserna. "Teamet planerar att köra modellen igen, den här gången tar hänsyn till effekten av flodens flödeshastighet.