Under flodernas yta lurar en fara som inte är väl förstådd – men som kan orsaka förödelse för människor och samhällen nära vattnet.

Förändringar i vädermönster kan vara oroande flodkanaler som har varit historiskt robusta, vilket driver dem mot två ytterligheter:accelererad erosion eller överladdade översvämningar.

Nu startar en forskare vid St. Louis's Washington University ett nytt experiment som skulle kunna förutse – och kanske till och med förhindra – skador orsakade av intensiva regn, en fråga som har blivit allt mer brådskande efter att ett rekordstort skyfall översvämmade St. Louis förra veckan.

"Vi är intresserade av vad som händer när vattnet träffar marken", säger Claire Masteller, en geomorfolog vid Washington University som leder projektet. "Och hur landskapet måste anpassa sig för att hantera det faktum att mängden vatten som träffar marken förändras."

Masteller och hennes team håller på att inrätta ett labb som kan simulera översvämningar i flodsystem runt om i världen. Forskarna kommer att forsa översvämningsvatten genom rör och lådor med stenar och grus för att undersöka hur strukturen hos flodbäddar utvecklas med skiftande nederbörd.

Och forskare tittar på.

Klimatförändringarnas inverkan på flodsystem är svåra att förstå, eftersom faktorer som är enklare att studera på land, som temperatur och nederbörd, blir mycket mer komplicerade när de filtreras genom vattnets kretslopp, säger Jason Knouft, en sötvattensforskare vid St. Louis University. som inte är involverad i studien.

Mastellers projekt skulle kunna belysa kritiska detaljer, sade han, om klimatförändringarnas inverkan på specifika floder.

"Och det har alla möjliga konsekvenser för ekosystem, mänsklig användning av flodsystem och vattensäkerhet," sa Knouft.

Formen på även de största flodkanalerna börjar med de minsta stenarna på en flodbädd.

Småsten av alla former och storlekar är låsta i en känslig balans mellan friktion, gravitation och draget av vattenströmmen.

När strömmen som rinner över flodbädden är svag, stampar den ner utskjutande småsten till ett mer kompakt mönster, vilket gör floden mer motståndskraftig mot erosion.

Men om flodens flöde stärks tillräckligt för att övervinna krafterna som håller stenar på plats, svepas de som sticker längst ut ur flodbädden nedströms. Och när de stora småstenarna rör sig lossnar de sina grannar och bildar en rörlig massa av sediment som rinner nedför floden.

Med andra ord urholkas kanalen. Floden blir bredare. Starkare flöden river fler stenar från flodbädden och lämnar efter sig en taggig yta av utskjutande kanter. Och ju fler stenar som sticker ut ur flodbädden, desto lättare är det för vatten att plocka upp dem.

"Det här är svaghetspunkterna i sängen som kan starta erosion," sa Masteller.

Denna naturliga balans mellan erosion och packning är nyckeln till hur floder utvecklar sin form över tiden. Forskare har funnit att bäckar vidgar sig med intensiva vattenflöden, som översvämningar, tills de är precis tillräckligt stora för att översvämningar inträffar ungefär vartannat år.

Klimatförändringarna kastar en skiftnyckel in i systemet.

I Missouri förväntas stigande temperaturer öka frekvensen av extrema stormar, som den som dumpade rekordregn på St. Louis förra veckan, genom att göra de ingredienser som behövs för stora stormar vanligare.

Och eftersom fler stormar bombarderar fler floder med fler översvämningar, kan sedimentet i flodbädden inte ha tid att naturligt låsa sig, oroar forskarna. Det skulle innebära att kanalen skulle vara ständigt sårbar för erosion.

"När ett nytt stort regnväder slår till," sa Masteller, "är den flodbädden redan redo att gå."

Å andra sidan förväntas klimatförändringarna torka ut vissa regioner som väst, vilket gör floder mer beroende av vatten som rinner in från snösmältning. Det kan lämna mycket lågt flöde för korn att packa ihop tätare och utveckla motståndskraft mot erosion.

Och om floden inte kan erodera för att ta emot en storm, måste vattnet gå någon annanstans.

"Vår behållare är för liten, så att extra vatten måste gå över toppen", sa Masteller.

För att bättre förstå dynamiken har Masteller satt upp en experimentell vattenrutschbana.

$250 000-uppställningen, som kallas en ränna, är en kanal med glasväggar kantad av flodklippor som forskare kan strömma igenom vatten för att simulera översvämningar. Den lutar upp och ner för att efterlikna olika sluttningar.

"Vi kan lyfta den hela vägen upp till taket och få några ganska knotiga saker," sa Masteller.

I grund och botten, sa hon, kan de modellera allt från Mississippifloden till bergsströmmar i de schweiziska alperna.

Och det är vad de kommer att göra. De skapar olika typer av strömkanaler i rännan som matchar olika floder och utsätter var och en för översvämningar för att testa hur den reagerar.

En kaotisk blandning av stora och små stenar kommer att imitera bergsfloder. En mer enhetlig blandning av litet grus av samma storlek kommer att representera låglandsfloder.

"Vi börjar med den mest grundläggande byggstenen," sa Masteller, "vilket är bokstavligen vad ett enstaka korn gör när du rinner vatten över det?"

Sediment kommer att rusa ner i röret i skalan i varierande mängd beroende på kraften i översvämningen och ingredienserna i flodbädden. Forskarna kommer att väga sin fångst med hjälp av en korg som hänger från rännans mynning för att kvantifiera hur mycket erosion som händer med varje översvämningsmönster. De kommer att ta bilder av själva flodbädden för att kvantifiera hur många stenar som skjuter ut från ytan.

Samtidigt kommer de att rinna vatten genom bredare bäckbord – i princip stora sandlådor – för att bättre förstå hur formen på en flod kan förändras med erosion.

Sedan kommer vetenskapen att flyga. Forskarna kommer att utnyttja laserbilder, kallade LIDAR, fångad av U.S. Geological Survey, som mäter topografin i ett landskap ner till enstaka meter. De kommer att jämföra bredden på floder som fångas av kartsystemet före och efter översvämningar och se om det de lär sig i labbet stämmer överens med vad som händer i riktiga floder.

"Det är våra testfall i verkligheten, att gå hela vägen från kornskalan till landskapsskalan", sa Masteller.

De är ännu inte helt säkra på hur deras idé kommer att utvecklas i olika strömmar. En teori är att floder i låglandet kan vidgas och svälja upp omgivande vägar, hem och samhällen. Det beror på att dessa typer av flodbäddar, med mindre stenar av samma storlek, sa Masteller, är som en bädd av kulor. Om alla kulor i en flodkanal är lika stora kommer det fortfarande att finnas utrymme kvar mellan dem även när de är packade så tätt som möjligt.

I bergsbäckar kan dock ett tumultartat arrangemang av stenar av olika storlek passa lättare ihop, vilket skapar en mer erosionsbeständig, översvämningsbenägen yta.

"Om du har många olika korn av många olika storlekar kan du liksom fylla i dina luckor," sa Masteller.

Det slutliga målet är en matematisk modell som kan förutsäga vilka floder som löper störst risk för accelererad erosion eller översvämning. Forskare skulle kunna använda dessa förutsägelser för att förhindra att någon av katastroferna sprider sig till människor, sa Masteller, genom att till exempel stärka dagvattensystem eller förstärka banker.

Knouft, forskaren vid St. Louis University, sa att forskningen kan vara avgörande för att göra floder mer motståndskraftiga när klimatet värms upp.

"Vi kan inte göra det utan den typ av information som detta projekt utvecklar," sa Knouft. + Utforska vidare

Klimatets inverkan på flodkemin över hela USA

2022 St. Louis Post-Dispatch.
Distribuerat av Tribune Content Agency, LLC.