Xói mòn định hình dòng chảy sông
Các nhà nghiên cứu phát hiện các con sông sẽ hình thành nhiều nhánh nếu tốc độ xói mòn bờ sông nhanh hơn tốc độ lắng đọng trầm tích ở các bờ đối diện.
Sông ngòi là động mạch của Trái Đất. Nước, trầm tích và các chất dinh dưỡng tạo thành những dòng chảy năng động, đa dạng từ núi ra biển. Một số con sông chảy theo một dòng duy nhất, trong khi một số con sông khác lại chia thành nhiều dòng đan xen. Các hình thái dòng chảy này ảnh hưởng đến nguy cơ lũ lụt, xói mòn và các dịch vụ hệ sinh thái cho hơn ba tỷ người sống dọc theo các hành lang sông (không gian tối thiểu cần thiết để duy trì các chức năng chính của sông) trên toàn thế giới.
Việc tìm hiểu nguyên nhân định hình dòng chảy của các con sông là bài toán đau đầu với các nhà nghiên cứu trong hơn một thế kỷ. Các nhà địa lý tại Đại học California, Santa Barbara (UCSB), đã lập bản đồ động lực của các nhánh sông dọc theo 84 con sông dựa trên các hình ảnh vệ tinh trên toàn cầu trong 36 năm, từ đó tìm ra yếu tố ảnh hưởng đến hình thái dòng chảy của các con sông.
“Chúng tôi phát hiện các con sông sẽ hình thành nhiều nhánh nếu tốc độ xói mòn bờ sông nhanh hơn tốc độ lắng đọng trầm tích ở các bờ đối diện. Điều này khiến con sông mở rộng và phân dòng theo thời gian”, Austin Chadwick, tác giả chính, người đã thực hiện nghiên cứu này với tư cách nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại UCSB, cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả này trên tạp chí Science. Họ không chỉ giải quyết một bài toán nan giải về khoa học sông ngòi mà còn cung cấp cái nhìn sâu hơn về các thảm họa thiên nhiên và nỗ lực phục hồi sông ngòi.
Hai loại sông
Từ lâu, các nhà khoa học Trái đất đã phân chia sông ngòi thành hai loại: đơn dòng và đa dòng, cả hai thường được nghiên cứu riêng biệt. Hầu hết các con sông lớn nhất thế giới đều là sông đa dòng. Một ngoại lệ nổi tiếng là sông Mississippi đơn dòng ở Mỹ.
Hầu hết các nghiên cứu thực địa đều tập trung vào các dòng sông đơn dòng, một phần vì chúng đơn giản hơn. Trong khi đó, các nghiên cứu thực nghiệm lại tập trung vào các dòng sông đa dòng, do những thách thức trong việc tái tạo các dòng sông đơn dòng trong các bể chứa trong phòng thí nghiệm.
Nghiên cứu này bắt nguồn từ quá trình thực hiện một trong các thí nghiệm sử dụng bể chứa tại Phòng thí nghiệm St. Anthony Falls của Đại học Minnesota. Khi nghiên cứu các dòng sông đa dòng trong phòng thí nghiệm, Chadwich nhận thấy chúng liên tục mở rộng và phân chia. “Tôi vô cùng bối rối vì cứ đo được lượng xói mòn nhiều hơn bồi tụ. Và đó không phải là điều chúng tôi được dạy ở trường”, ông nhớ lại, thắc mắc liệu tình trạng này có xảy ra trong tự nhiên hay không.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu Landsat được lưu trữ tại kho lưu trữ Google Earth Engine, tập trung vào 84 con sông ở các khu vực khác nhau trên toàn cầu. Họ theo dõi xói mòn và bồi tụ bờ sông bằng một thuật toán xử lý hình ảnh gọi là phép đo vận tốc dòng chảy bằng hình ảnh hạt. Các nhà nghiên cứu đã cải tiến thuật toán này – vốn được dùng để theo dõi chuyển động của các hạt trong ảnh chụp chất lỏng trong phòng thí nghiệm – để theo dõi vị trí lòng sông trong ảnh vệ tinh về các vùng đồng bằng ngập lụt.
Ở những con sông đơn dòng, xói mòn và bồi tụ cân bằng nhau. Do vậy, chiều rộng của lòng sông không đổi, chúng có thể chuyển hướng theo những khúc cua, tạo ra dòng chảy dài uốn khúc quanh co. Trái lại, ở những con sông đa dòng, tình trạng xói mòn diễn ra nhanh hơn bồi tụ, khiến lòng sông mở rộng rồi tách làm đôi, tạo ra các nhánh mới chứ không thể uốn lượn quá dài.
Thế kỷ 20 đã chứng kiến nhiều con sông bị chuyển thành các dòng chảy hẹp, tách biệt khỏi vùng đồng bằng ngập lụt. Điều này giúp có thêm đất định cư, giảm thiểu một số mối nguy hiểm khi sống gần sông. Tuy nhiên, đây lại là thảm họa với các hệ sinh thái ven sông, có thể thúc đẩy các mối nguy hiểm trong lâu dài. Việc tách một con sông khỏi vùng đồng bằng ngập lụt đồng nghĩa với việc trầm tích lắng xuống lòng sông, nâng cao mực nước sông trong khi vùng đồng bằng ngập lụt lân cận đang thiếu trầm tích. Điều này khiến nước sông dễ tràn bờ hơn khi xảy ra lũ lụt hoặc vỡ đê.
Việc tái kết nối các vùng đồng bằng ngập lụt với các con sông đã bị phân dòng ngày càng được quan tâm. Những giải pháp phục hồi dựa trên tự nhiên đòi hỏi phải xác định được độ rộng của hành lang sông cần thiết, cũng như thời gian để một con sông hồi phục trạng thái tự nhiên. Với kết quả nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã đưa ra một công thức cho vấn đề này, bao gồm các biến số như thời gian một con sông hình thành dòng chảy mới.
Thanh Bình lược dịch từ Đại học California, Santa Barbara