Onder het oppervlak van rivieren schuilt een gevaar dat niet goed wordt begrepen, maar dat grote schade kan aanrichten aan mensen en gemeenschappen in de buurt van het water.

Veranderingen in weerpatronen kunnen riviergeulen die historisch gezien stevig waren, verontrustend maken, waardoor ze naar twee uitersten worden gedreven:versnelde erosie of overstroomde overstromingen.

Nu begint een wetenschapper aan de St. Louis's Washington University een nieuw experiment dat kan anticiperen op - en misschien zelfs voorkomen van - schade veroorzaakt door intense regenval, een probleem dat urgenter is geworden nadat een recordbrekende stortbui St. Louis vorige week overstroomde.

"We zijn geïnteresseerd in wat er gebeurt als het water de grond raakt", zegt Claire Masteller, een geomorfoloog aan de Washington University die het project leidt. "En hoe het landschap zich moet aanpassen aan het feit dat de hoeveelheid water die de grond raakt verandert."

Masteller en haar team zetten een laboratorium op dat overstromingen in riviersystemen over de hele wereld kan simuleren. De onderzoekers zullen vloedwater door buizen en dozen van rotsen en grind laten stromen om te onderzoeken hoe de structuur van rivierbeddingen evolueert met verschuivende neerslag.

En wetenschappers kijken toe.

De impact van klimaatverandering op riviersystemen is moeilijk te begrijpen, omdat factoren die eenvoudiger te bestuderen zijn op het land, zoals temperatuur en neerslag, veel gecompliceerder worden wanneer ze door de watercyclus worden gefilterd, zei Jason Knouft, een zoetwaterwetenschapper van St. Louis University die niet bij het onderzoek betrokken is.

Het project van Masteller zou kritische details kunnen belichten, zei hij, van de impact van klimaatverandering op specifieke rivieren.

"En dat heeft allerlei implicaties voor ecosystemen, menselijk gebruik van riviersystemen en waterveiligheid," zei Knouft.

De vorm van zelfs de grootste rivierkanalen begint met de kleinste rotsen op een rivierbedding.

Kiezelstenen in alle soorten en maten zijn opgesloten in een delicate balans tussen wrijving, zwaartekracht en het trekken van de waterstroom.

Wanneer de stroming die over de rivierbedding loopt zacht is, drukt hij uitstekende kiezelstenen aan tot een compacter patroon, waardoor de rivier beter bestand is tegen erosie.

Maar als de stroom van de rivier voldoende sterk wordt om de krachten te overwinnen die de rotsen op hun plaats houden, worden degenen die het verst uit de rivierbedding steken, stroomafwaarts geveegd. En wanneer de grote kiezelstenen bewegen, verdrijven ze hun buren en vormen ze een bewegende sedimentmassa die stroomafwaarts stroomt.

Met andere woorden, het kanaal erodeert. De rivier wordt breder. Sterkere stromingen scheuren meer rotsen uit de rivierbedding en laten een gekarteld oppervlak met uitstekende randen achter. En hoe meer rotsen uit de rivierbedding steken, hoe gemakkelijker het water ze kan opzuigen.

"Dit zijn de zwakke punten in het bed die erosie kunnen veroorzaken," zei Masteller.

Deze natuurlijke balans tussen erosie en verdichting is de sleutel tot hoe rivieren hun vorm in de loop van de tijd ontwikkelen. Wetenschappers hebben ontdekt dat stromen zich verwijden met intense waterstromen, zoals overstromingen, totdat ze net groot genoeg zijn dat er ongeveer om de twee jaar overstromingen plaatsvinden.

Klimaatverandering gooit een sleutel in het systeem.

In Missouri wordt verwacht dat stijgende temperaturen de frequentie van extreme stormen zullen verhogen, zoals degene die vorige week recordregen op St. Louis heeft gedumpt, door de ingrediënten die nodig zijn voor grote stormen meer algemeen te maken.

En naarmate meer stormen meer rivieren bombarderen met meer overstromingen, heeft het sediment van de rivierbedding misschien geen tijd om op natuurlijke wijze aan elkaar te hechten, maken onderzoekers zich zorgen. Dat zou betekenen dat de geul voortdurend kwetsbaar zou zijn voor erosie.

"When another big rainstorm hits," Masteller said, "that riverbed's already primed to go."

On the other hand, climate change is expected to dry up some regions like the West, leaving rivers more reliant on water trickling in from snowmelt. That could leave plenty of low flow for grains to pack together more closely, developing resistance to erosion.

And if the river can't erode to accommodate a storm, the water has to go somewhere else.

"Our container is too small, so that extra water has to go over the top," Masteller said.

To better understand the dynamics, Masteller has set up an experimental water slide.

The $250,000 setup, called a flume, is a glass-walled channel lined with river rocks that scientists can gush water through to simulate floods. It tilts up and down to mimic different slopes.

"We can jack it all the way up to the ceiling and get some pretty gnarly stuff," Masteller said.

Basically, she said, they can model everything from the Mississippi River to mountain streams of the Swiss Alps.

And that's what they'll do. They'll create different types of stream channels in the flume matching different rivers and subject each one to flooding to test how it responds.

A chaotic mix of large and small rocks will imitate mountain rivers. A more uniform blend of small, similarly sized gravel will represent lowland rivers.

"We're starting with the most fundamental building block," Masteller said, "which is literally what does a single grain do when you run water over it?"

Sediment will rush down the tube into the scale in varying amounts depending on the power of the flood and the ingredients of the river bed. The researchers will weigh their catch using a basket hanging from the mouth of the flume to quantify how much erosion happens with each flood pattern. They'll take photos of the river bed itself to quantify how many rocks are projecting out of the surface.

At the same time, they'll run water through wider stream tables—basically, big sandboxes—to better understand how the shape of a river can change with erosion.

Then the science will go aerial. The researchers will tap into laser imagery, called LIDAR, captured by the U.S. Geological Survey, which measures the topography of a landscape down to the scale of single meters. They'll compare the width of rivers captured by the mapping system before and after flooding events and see if what they learn in the lab matches what happens in real rivers.

"Those are our test cases in reality, to go all the way from the grain scale to the landscape scale," Masteller said.

They're not quite sure yet how their idea will pan out in different streams. One theory is that lowland rivers might widen, and swallow up surrounding roads, homes and communities. That's because those types of riverbeds, with smaller, uniformly sized rocks, Masteller said, are like a bed of marbles. If all the marbles in a river channel are the same size, there will still be space left between them even when they are packed as closely together as possible.

In mountain streams, however, a tumultuous arrangement of different-sized rocks might fit more easily together, creating a more erosion-resistant, flood-prone surface.

"If you have many different grains of many different sizes, you can sort of fill in your gaps," Masteller said.

The ultimate goal is a mathematical model that can predict which rivers are at highest risk of accelerated erosion or supercharged flooding. Scientists could use those predictions to help prevent either disaster from spilling over to humans, Masteller said, by bolstering storm water systems or reinforcing banks, for example.

Knouft, the St. Louis University scientist, said the research could be critical to making rivers more resilient as the climate warms.

"We can't do that without the type of information that this project is developing," Knouft said. + Verder verkennen

Impact of climate on river chemistry across the United States

2022 the St. Louis Post-Dispatch.
Verdeeld door Tribune Content Agency, LLC.