利用密西西比河洪水所夾帶的沉積物質重建河口濕地

摘譯自2012年2月Science 期刊;Carolyn Gramling;林莉萍編譯,鄭鈺琳審校

洪水沉積物如何有效幫助重建河口濕地,Carolyn Gramling在2012年2月3日Science期刊(第335卷6068號520-521頁)中指出,經由2011年密西西比河開放洩洪道疏解洪水行動的後續觀察,現在已有更具突破性的進展。

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2011年春天密西西比河洩洪道開放以紓解大洪水的事件,讓水文和水理科學家們獲得靈感以復育消失中的河口三角洲。

消失中的密西西比河口三角洲濕地

密西西比河口是大量沉澱物堆積成的「 鳥趾三角洲(Bird’s Foot Delta)」,訴說著至少600到800年的河川地理脈絡。河川的季節性氾濫把砂、淤泥、黏土帶往海岸地區,蘊育出一大片廣大的濕地,而近年來人們大量 建造人工河堤護岸、水壩等試圖用來節制水流,避免沿岸社區遭受洪氾侵擾,卻讓三角洲所需的沉積物供給減少了一大半。此外,氣候變遷導致海平面上升以及抽地 下水、石油或天然氣造成的地層下陷,也是濕地消失的原因之一。

這個全球生物最多樣性的溼地生態系統正受到快速侵蝕而消失。河川堆積作用歷時7,000年才形成這個面積廣達21,000平方公里的密西西比河三角 洲,海水的侵蝕卻在不到半世紀的時間就將之大量淘空。路易斯安那大學的地質學家Alex Kolker表示,土地的消長與密西西比河及其河川沉澱物的管理息息相關,密西西比河三角洲自從1900年以來已經消失了4,900平方公里的土地面積, 大約是一個德拉瓦州的大小。三角洲的消失是一個大問題,路易斯安那州的海岸生態系統具有龐大的經濟價值,從住宅興建業到商業或休閒漁業,產值每年達35 億,而海岸濕地的動植物生態每年產生的旅遊業產值也高達2.2億。此外,像在2005年的卡崔納颶風和麗塔颶風侵襲期間,完整的濕地和其外島屏障就形成自 然的緩衝區,減少海浪對海岸地區造成的破壞。

海岸管理專家和科學家們一直試圖想辦法讓水流能聚積在濕地地區,並讓河水夾帶的沉澱物能有效堆積,但直到2011年的大洪災才讓大家發現,若要增加 河水夾 帶的沉積物,就應針對既有的河川沿岸結構物作檢討。伊利諾大學香檳城分校的地質學家Jeffrey Nittrouer就說道:過去一個世紀以來,這些結構物就矗立在那邊,實際上我們可以利用這些結構物來重建或回復濕地的生態。

                          

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密西西比河水在2011年洪泛期間湧入Morganza洩洪道的10頓水閘門口(照片摘錄自Science 期刊2月份)

                                                      
2011年洪災開放Morganza洩洪道的影響

2011年4月和5月間的密西西比河洪災是該地區自1927年以來最大的的洪泛災害,造成數條人命和高達40億美金的財產損失。當時為要達到分洪的 效果,避免洪水再往下游侵襲Baton Rouge市和New Orleans市,美國工兵署首次進行了自1973年以來頗具爭議性的舉動:開放Morganza洩洪道。

洩洪的河水淹沒了蚵田和下游小鎮,但是對Kolker等致力於保育和重建密西西比河三角洲的科學家們,這個舉措反而讓他們彷彿進行了一場大規模的自 然實驗。許多海岸管理人士開始思索,或許能管理密西西比河每年洪氾的最好方法,就是讓河水夾帶沉積物流到濕地內,也就是讓河水能部分分流出去,讓洪水期的 水流能疏散到寬而廣的流域地區,枯水期時洩洪道就予以關閉。

洩洪的河水淹沒了蚵田和下游小鎮,但是對Kolker等致力於保育和重建密西西比河三角洲的科學家們,這個舉措反而讓他們彷彿進行了一場大規模的自 然實驗。許多海岸管理人士開始思索,或許能管理密西西比河每年洪氾的最好方法,就是讓河水夾帶沉積物流到濕地內,也就是讓河水能部分分流出去,讓洪水期的 水流能疏散到寬而廣的流域地區,枯水期時洩洪道就予以關閉。

目前沒有研究資料顯示分流會如何影響洪水能夾帶的沉積物質,但自從2011年的洩洪道開啟事件以後,美國國家科會基金會(U.S. NSF)的研究經費已經迅速地協助一些學者進行研究,Kolker認為至少學者們已經親身觀察和搜集的洪氾的實際資料。

這次洪氾的自然觀察研究有了一些初步的結論。洪水確實已經夾帶足夠的沉積物可以協助濕地的重建,只是這些沉積物質不會剛好停留在能發揮最有效功能的 地方。去年的洪水洩洪事件也讓學者們發展出一些研究主題,例如:如何設計洩洪道以協助讓沉積物達到科學家們所期待的堆積狀況;通過洩洪道的洪水量要達到多 少才能有效協助濕地的重建。

分散水流的理論與實踐

2011年以前,多數的科學家都沒有辦法針對密西西比河在大規模且控制下的洪氾時,其河水內沉澱物作用的情況有基本的了解。由於海岸管理和河水分流 方面的文獻對這方面的研究比較缺乏,例如:洪氾過後水流內的沉積物質會一直留在河水中還是可能被帶到河口的濕地上;獲得控制的洪氾是否有足夠的能量夾帶沉 積物造成不同的結果;或者是即便是分流管理得當,濕地被水淹沒的速度仍遠大於重建的速度。

去年5月14日美國工兵署打開Morganza洩洪道,將密西西比河洪水從主河道分流到西邊廣大的Atchafalaya流域時所留下的航空照片, 記錄了流域內沉積物移動造成的羽流逐日變化的狀況。科學家用這些航空照片疊圖分析羽流(plume)的情形、沉積物在不同水流深度時的量和分布情形,也評 估不同粒徑的沉積物(砂、淤泥、黏土)在水裡的分佈狀況如何。目前的文獻揭露,「砂」對三角洲濕地的形成最有益,較大型的沉澱物質會比較早脫離水流而沉 積,而植物的移居也是喜於砂質土的環境。

Kolker 等研究人員利用水流計、溫度資料、鹽份等追蹤洪流和沉積物的羽流狀況,他們發現經分流進入Atchafalya流域的洪水,其所夾帶的沉積物會積累在沙洲 上,這點雖不意外但卻令人有些失望。惟令人振奮的則是洪水夾帶沉積物的量很驚人,而這對海岸地區濕地的重建是很有幫助的,接下去的任務就是研究如何能將這 些物質滯留在近岸地區。

洪水分流沉積物有助於濕地復育管理

另外的一個重要發現就是,洩洪道本身的設計對於沉積物產生的量會有決定性的影響。研究團隊比較在這次洪汛期間開放的2個洩洪道:Morganza和 Bonnet Carre(位於紐奧良以西19公里處),通過該2處洩洪道後產生的沉積物羽流狀況。二個洩洪道都有前池(forebay)的設計,這是洩洪道在開啟之前 收集洪水的大池,Morganza的前池範圍廣達數公里並把洪水沉積物都滯流在此,而無法到達Atchafalaya流域地區;相反地,Bonnet Carre的前池只有300公尺寬,沉積物就直接通過前池和洩洪道進入大湖,這份研究成果對於要使用洪水分流的作法來進行濕地復育和管理是相當重要 的,Bonnet Carre的結構設計就比較像分流計畫。最令科學家振奮的是,Bonnet Carre洩洪道設計讓即使水深5公尺的洪水中也能夾帶大量的沉澱砂質。此外河水分流的電腦模擬其實會低估沉澱物質的量,因為模擬的方式是將數十公里的河 道作一次平均值的模擬,而不是真實模擬河道轉彎或曲流造成沉積物量的變化情形,但這些地形的變化卻是將沉積物質夾帶離分流水域的重要因素。

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密西西比河和Atcgafalaya河富含沉積質的河水在2011年5月17號流到了墨西哥灣(照片摘錄自Science 期刊2012年2月份)

對研究人員的挑戰是,如何將這些細微的考量納入評估的模型中,以便協助未來海岸地區濕地復育和管理。2006年路易斯安那州成立了「 海岸保護及復育局(CPRA)」職司處理海岸地區的侵蝕問題,近期該局擬定了一個50年的復育計畫,由科學家、工程師、管理單位組成管理小組,在過去2年 已經形成了超過400項的科學解決方案,包括洪水分流、濕地重建、降低風險計畫(例如:建新堤以防止洪流,或是建造防洪結構物等等)。新計畫選定145個 方案去執行,總經費達到500億,濕地復育和降低風險二大項各佔一半,接下去要進行公聽會和說明會,預計3月間將提報州議會審定。

之前研究對於洩洪道對沉積物質的影響,其結論還是太簡要,無法形成分流及海岸管理計畫的具體內容,但這只是一個開端,對於分洪和沉積物如何從主河道 流向濕地等的細節還需要更進一步的研析。但可以確認的是,分流的沉積物就足以增加濕地復育的成效。不必有規模大到2011年那樣的水患,即使較小規模的水 流配上密西西比河沿線綿密的防洪網絡,就足以讓主河道內的沉積物有效率地分離堆積,有助於重塑新的河口濕地景觀。
閱讀 1856 次數 最後修改於 週一, 27 八月 2012 23:29