Стратегии усиления седиментации представляют собой проекты управления окружающей средой , направленные на восстановление и облегчение процессов застройки земель в дельтах . [1] Наличие и отложение отложений важны, поскольку дельты естественным образом опускаются и, следовательно, нуждаются в накоплении отложений для поддержания своей высоты, особенно с учетом растущих темпов повышения уровня моря . [2] [3] Стратегии усиления седиментации направлены на увеличение седиментации на дельтовой равнине, прежде всего, за счет восстановления обмена воды и наносов между реками и низменными дельтовыми равнинами. Стратегии усиления седиментации могут применяться для стимулирования повышения высоты суши , чтобы компенсировать повышение уровня моря. [4] Интерес к стратегиям усиления седиментации в последнее время возрос из-за их способности повышать высоту суши, что важно для долгосрочной устойчивости дельт. [1]
По сравнению с традиционной инфраструктурой защиты от наводнений, такой как насыпи и дамбы , стратегии усиления седиментации дают различные преимущества. Во-первых, сооружения для защиты от наводнений могут усугубить экологические проблемы в дельтах: мелиорация земель и строительство дамб приводят к потере площади водохранилищ во время пиковых расходов рек , что может вызвать повышенный риск наводнений ниже по течению. Насыпи также усугубляют потерю высоты земель из-за осушения почвы и препятствуют естественному накоплению отложений. [5] Напротив, стратегии усиления заиления не вызывают этих проблем, а вместо этого решают несколько проблем одновременно: они снижают риски наводнений , одновременно восстанавливая экосистемы , улучшая производственные (например, рыболовство ) и культурные (например, ландшафтные ) экосистемные услуги . [4] [6]
Стратегии усиления седиментации также более гибки, чем традиционная защита от наводнений. Крупномасштабная инфраструктурная защита от наводнений является дорогостоящей и жесткой, требующей значительных инвестиций для адаптации инфраструктурной защиты от наводнений к изменяющимся пограничным условиям . [5] В частности, учитывая неопределенные будущие сценарии из-за изменения климата , повышения уровня моря и пиковых расходов рек, жесткая защита от наводнений может быть не оптимальным выбором. [6] Стратегии усиления седиментации более гибки и адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды , что повышает вероятность их удовлетворительной работы при различных будущих сценариях. [6]
Одним из основных препятствий на пути реализации стратегий увеличения седиментации является то, что они требуют пространства, которого может не быть, поскольку дельты являются одними из самых густонаселенных регионов в мире. [7] Изменение землепользования , чтобы освободить место для стратегий усиления заиления, требует участия заинтересованных сторон , но жители дельты могут не захотеть менять землепользование. [5] Кроме того, сокращение поступления речных наносов из-за строительства плотин вверх по течению и других экологических изменений в водосборах, вызванных деятельностью человека [8] означает, что в дельтах остается меньше наносов для стратегий увеличения седиментации. Успех стратегий по увеличению седиментации во многом зависит от контекста и зависит, например, от речного стока, концентрации наносов в воде, землепользования в дельте, диапазона приливов , участия заинтересованных сторон и финансовых ресурсов страны, в которой находится дельта.
Во многих дельтах мира реки отделены от дельтовых равнин насыпями или дамбами, которые ограничивают водоемы и препятствуют гидрологическому обмену между водой и сушей. Речные отводы, предназначенные для устранения проблемы отключения, вызванной гидрологическими проектами , представляют собой инженерные сооружения вдоль реки, которые направляют воду и отложения из реки в прилегающие водно-болотные угодья . [9] [4] [10] Отводные конструкции могут варьироваться от простых затворов до более сложных сифонных или насосных систем. [4] Помимо необходимости строительства инженерных сооружений в местах отвода рек, эта стратегия опирается на естественные процессы застройки территории. Речная вода теряет энергию и замедляется при переходе из относительно узкой реки в более широкую приемную зону, вызывая отложение отложений , что повышает высоту суши и может привести к образованию новой суши. [4] [11]
За 20 век дельта Миссисипи потеряла примерно 25% своей территории. [10] [12] В настоящее время земля исчезает со скоростью почти 11 000 акров в год. [13] Чтобы бороться с такими быстрыми темпами потери земель , Управление по охране и восстановлению прибрежных территорий Луизианы (CPRA) разработало 50-летний план стоимостью 50 миллиардов долларов для дельты Миссисипи, центральным компонентом которого является повторное введение речной воды и наносов в дельту Миссисипи. дельтовую равнину через водозаборы рек. [14] [10] Инженерные отводы рек ранее были реализованы в дельте Миссисипи в Кернарвоне и Дэвис-Понд. Хотя эти отводы не были построены с основной целью строительства земель, рост земель произошел на обоих участках. Отвод Кернарвона шириной 2 км привел к отложению отложений толщиной до 42 см в приемной зоне, в результате чего за три месяца образовалась трещина площадью примерно 130 км 2 . [10] Планируемые в настоящее время водозаборы в Средней и Нижней Баратарии и Бретоне были специально разработаны для улавливания и отвода наносов из реки Миссисипи и размещения их в приемных бассейнах для застройки земли. [15]
Канал дель Дике — это 400-летний судоходный канал , соединяющий Рио-Магдалену с Картахенским заливом в Колумбии . [16] Строительство этого канала увеличило приток воды и наносов в Картахенский залив. [17] Отложение отложений в канале , соединенных озерах и болотах , а также в Картахенском заливе отрицательно повлияло на окружающую среду. В 2013 году голландская компания Royal HaskoningDHV разработала план, включающий два контрольных сооружения на канале. Одно регулирующее сооружение было построено вверх по течению для регулирования количества воды и наносов, стекающих из Рио-Магдалена в Канал дель-Дике. Второе контрольное сооружение было построено ниже по течению от канала в Пуэрто-Баделе для отвода воды и отложений в мангровые заросли к западу от канала. Таким образом, восстанавливается территория мангровых зарослей, застраивается земля, и в то же время уменьшается количество наносов в Картахенском заливе, что способствует экологическому восстановлению . [17] [16]
Приливное затопление польдеров влечет за собой (временное) прорыв дамб и позволяет приливной воде течь в обвалованную территорию во время прилива . [18] [19] Приливная вода может приносить большие концентрации наносов из моря в речную систему, которые откладываются и накапливаются внутри польдера, когда скорость потока снижается. Приливное затопление польдеров - это альтернативная форма береговой защиты , которая использует естественную приливную динамику и связанные с ней морфологические процессы. [20] В то время, когда польдер затоплен, территория может использоваться для аквакультуры . [19] Мы различаем приливное управление реками, реализованное в дельте Ганга-Брахмапутры-Мегны , Бангладеш , и биржевые польдеры, реализованное в дельте Рейна-Мааса , Нидерланды .
Польдеры, известные в Бенгалии как билы , строятся в Бангладеш с 1960-х годов. [18] Насыпи обеспечивают защиту от наводнений и первоначально увеличивают сельскохозяйственное производство . Однако, наряду с уменьшением подачи воды из-за строительства плотин выше по течению, насыпи вызвали увеличение заиления русла и засоров, затрудняя дренаж воды и судоходство . Еще одной проблемой Бангладеш является заболачивание , которое негативно влияет на продуктивность сельского хозяйства региона. [18] Управление приливными реками (TRM) возникло как восходящая, местная стратегия, направленная на уменьшение заболачивания и решение проблем перегруженности рек в Бангладеш. TRM также рассматривается как мера по адаптации к изменению климата из-за его способности поднимать землю за счет отложений и позволять жителям справляться с меняющимися условиями окружающей среды. TRM предполагает временное прорыв дамб вокруг низменных польдеров, чтобы позволить речной воде течь. [18] [19] Когда вода течет в обвалованные территории во время прилива, скорость потока воды уменьшается и откладываются отложения. [21] [22] Во время отлива скорость потока воды снова увеличивается, поскольку вода вытягивается обратно через каналы к морю, вызывая эрозию отложенных русловых отложений. Это увеличивает дренажную способность и судоходность каналов. [18] [23] TRM была внедрена в пяти билах на юге дельты Ганга-Брахмапутры-Мегны. Внедрение TRM местным населением ( снизу вверх ) оказалось особенно успешным. Например, земля в бил Бхайне была поднята на 1,5–2 метра возле места среза насыпи и на 0,2 метра к другому концу била. [18] Благодаря успеху TRM, Совет по развитию водных ресурсов Бангладеш также официально внедрил TRM в нескольких билах, что оказалось менее успешным из-за того, что внедрение сверху вниз вызвало конфликт между местными жителями и официальными учреждениями. [24]
Первые попытки мелиорации земель в юго-западной части дельты Рейна-Мааса в Нидерландах относятся к Средним векам . С тех пор этот район пережил множество штормов и экстремальных погодных условий , в том числе наводнение 1953 года, которое привело к строительству завода «Дельта» . [20] Строительство дамб , шлюзов и барьеров от штормовых нагонов , а также укрепление и поднятие дамб в этом районе первоначально повысило безопасность от наводнений . Однако со временем земля за дамбами начала опускаться, что становится весьма проблематичным в условиях повышения уровня моря. [20]
В Западной Шельде была предложена стратегия, аналогичная TRM, для естественного поднятия земли. [25] Во время прилива Западная Шельда доставляет наносы в районы за пределами насыпей. В результате эти территории естественным образом поднимаются вместе с уровнем воды . [26] Это иллюстрирует Het Verdronken Land van Saefthinge , территория, которая находится за пределами насыпей, но имеет более высокую высоту, чем другие районы, защищенные насыпями в Зеландии. [25] Следуя этому примеру, предлагаются биржевые польдеры, по-голландски называемые «wisselpolders». Биржевые польдеры используют естественные процессы осадконакопления для создания буфера возвышенных земель вдоль устья, защищая земли за дамбами от наводнений. [20] Обменные польдеры могут быть созданы путем прорыва прибрежной набережной, чтобы позволить приливной воде течь в зону насыпи. Вторая насыпь на другой стороне польдера не дает приливной воде течь дальше по суше внутрь. [26] Территория между насыпями будет воссоединена с Западной Шельдой и, следовательно, должна постепенно заиливаться по мере замедления прилива. [25] Биржевые польдеры еще не были реализованы, поскольку план подвергся критике со стороны местных фермеров. Они ставят под сомнение идею вернуть землю природе, поскольку в Нидерландах уже не хватает места, и опасаются увеличения засоления в этом районе. [27]
Некоторые стратегии усиления седиментации направлены конкретно на создание условий низкой энергии на мелководье . Отложение отложений происходит, когда поток воды замедляется, поскольку у воды больше нет энергии переносить более тяжелые частицы отложений , и поэтому они тонут. [28] Примерами стратегий, которые стимулируют условия низкого энергопотребления, являются полупроницаемые конструкции , изготовленные из таких материалов, как дерево , ветки и хворост.
Устье Эмс-Доллард расположен на границе Нидерландов и Германии и имеет высокую концентрацию ила . [29] Однако ил не может оседать на равнинах дельты из-за дамб, защищающих от наводнений, которые отделяют землю от воды. Кроме того, каналы в этом районе со временем были расширены и углублены для навигации , что увеличило силу приливного внутреннего паводкового течения и ослабило отливное течение обратно в море , в результате чего излишек ила переносится из моря в устье реки . [29] [30]
Концентрация ила в устье реки Эмс-Доллард увеличилась с 40 мг/л в 1954 году до 80–100 мг/л в настоящее время, [29] значительно ухудшив качество воды . Чем больше ила содержится в воде, тем она мутнее , что уменьшает количество света , проникающего в воду, и подавляет рост водорослей . Водоросли являются первичными производителями : они используют CO 2 , воду и свет для производства кислорода и пищи для других водных животных. Таким образом, снижение роста водорослей влияет на доступность кислорода и пищи для всей пищевой цепи. [29] [30] Изменение климата Повышение уровня моря, вызванное изменением климата, может негативно повлиять на первичное производство и пищевую цепочку , но также может затопить систему Эмс-Доллард, поэтому в устье реки реализуются пилотные проекты по осадконакоплению. Цель состоит в том, чтобы улавливать частицы ила на квелдерах — участках земли, покрытых растительностью и лежащих за пределами насыпей . Этого можно добиться, разместив в земле вдоль квелдера ивовые столбы , деревянные столбы, соединенные с ветвями, замедляя течение воды и способствуя осаждению осадков , что в конечном итоге может привести к образованию новой земли. [31]
Другой способ стимулирования отложения ила в устье реки Эмс-Доллард — это строительство двойных дамб . Территория между дамбами заполняется водой через контролируемую водопропускную трубу , где ил может легче оседать из-за низкого расхода или застойной воды. Осевший ил можно использовать для изготовления глины , которая используется для укрепления и возведения дамб в этом районе. [32]
Дельта Уланя расположена в районе Демак на севере Явы , Индонезия . Дельтовые береговые линии Северной Явы страдают от сильной береговой эрозии . [33] Более 3 километров береговой линии Демака уже затоплено морем. [34] Основными причинами береговой эрозии являются преобразование мангровых лесов в аквакультуру , мелиорация земель для прибрежной инфраструктуры и добыча грунтовых вод , вызывающая проседание земель . [34] [35] Восстановление мангровых зарослей было предложено в качестве стратегии по прекращению береговой эрозии в районе Демак. Пересадить только мангровые заросли в этом районе было невозможно, поскольку воздействие волн , время погружения и условия отложений больше не были оптимальными. [34] Вместо этого была реализована стратегия, аналогичная стратегии ивовых волн в устье реки Эмс-Доллард. Полупроницаемые барьеры были построены вдоль побережья Демака с использованием местных материалов, таких как бамбук , ветки и другой хворост. [33] Эти конструкции пропускают морскую и речную воду , гасят волны, улавливают отложения и создают защищенные, низкоэнергетические условия вблизи береговой линии для нарастания отложений. Основная идея этой стратегии заключается в том, что семена мангровых зарослей естественным образом заселят территорию, когда уровень берегового дна поднимется достаточно высоко. [34]
Первоначально проницаемые структуры захватывали значительное количество отложений, поднимая уровни пласта позади структур. Некоторые места были естественным образом заселены мангровыми зарослями , в других мангровые деревья были заново посажены. Однако молодые мангровые заросли сохранились только в наиболее защищенных отстойниках . В других местах они снова исчезли через несколько лет, потому что уровень дна снова упал ниже уровня моря из-за проседания. [36]
Прибрежные водно-болотные угодья — это экосистемы, временно или постоянно затопленные водой. Растительность водно-болотных угодий выполняет важные функции: она ослабляет приходящие волны и способствует отложению наносов. В результате повышения высоты суши некоторые водно-болотные угодья могут не отставать от повышения уровня моря. [5] [37] Многие водно-болотные угодья были преобразованы в другие виды землепользования путем строительства дамб, дамб и насыпей для предотвращения вторжения воды. В результате водно-болотные угодья отключаются от гидрологических источников и больше не получают отложений, что препятствует поднятию земель и может привести к потере высоты суши. Одной из стратегий восстановления водно-болотных угодий является депольдеризация, которая влечет за собой прорыв дамб и повторное соединение водно-болотных угодий с реками, эстуариями или морем , восстановление естественной гидрологии и потенциала застройки водно-болотных угодий. [38] [5]
Депольдеризация произошла в польдере в Бисбоше в рамках программы «Голландская комната для реки» . Бисбош — это пресноводное приливно-отливное угодье площадью 9000 га в юго-западной части Нидерландов. В 2008 году вода и отложения были вновь завезены в Ноордваард, сельскохозяйственный польдер в Бисбоше. [39] Насыпи были понижены на 2 метра, чтобы воссоединить водно-болотные угодья Бисбоша с рекой Мерведе , притоком нижнего Рейна . Этот проект был направлен на предотвращение наводнений во время пиковых разливов рек Рейн и Маас , при этом восстановленная динамика приливов и паводков будет способствовать восстановлению экосистемы . [40] [41] В результате этих усилий по восстановлению в районе Бисбоша уловилось примерно 46% поступающих отложений, а средняя скорость разложения составила 5,1 мм в год. [42] [43] В феврале 2020 года польдер Нордваард впервые затоплен из-за высокого уровня воды в реках, вызванного штормом и весенним приливом . [44]
Водно-болотные угодья в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин быстро теряют высоту. В естественных условиях водно-болотные угодья в дельте часто подвергались затоплению. Почва была переувлажненной и анаэробной , и в этих условиях органический углерод накапливается быстрее, чем разлагается, что приводит к накоплению в почве . Однако водно-болотные угодья в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин были осушены для сельскохозяйственных целей, поэтому почва теперь находится на уровне уровня грунтовых вод или выше него , где она может быстро окисляться и разлагаться, что приводит к потере высоты. [45] Многие бывшие водно-болотные угодья в этом районе сейчас находятся более чем на 6 метров ниже среднего уровня моря , и скорость опускания достигает 5 см в год. [46] [47] Неглубокое затопление земель — это стратегия, используемая для уменьшения проседания и восстановления водно-болотных угодий в дельте. Добавление слоя воды в почву восстанавливает анаэробные условия, что приводит к нарастанию нового торфа и увеличению высоты поверхности . Средние темпы повышения высоты поверхности суши на исследуемых водно-болотных угодьях составили 4 см в год. [47]
Мангровые леса обеспечивают широкий спектр экосистемных услуг , таких как среда обитания для водных видов, связывание углерода , а их корневая система снижает воздействие приходящих волн и улавливает осадки, что приводит к увеличению высоты суши. Мангровые леса также играют роль в смягчении последствий изменения климата и экстремальных погодных явлений. [48] [49] По всем этим причинам мангровые леса являются одним из самых мощных природных решений проблемы изменения климата. [50] Однако почти 70 процентов мангровых зарослей в настоящее время утрачены или деградированы, и их состояние по-прежнему быстро ухудшается. [51] [50] Мангровые леса можно восстановить несколькими способами, например, путем предоставления места для расширения или путем пересадки . Если освободиться от антропогенного давления, виды мангровых зарослей могут быстро вновь заселить деградированные территории, в зависимости от наличия семян и способности семян получить доступ к деградированным территориям. В районах, где семена не могут легко мигрировать, лучшим вариантом будет пересадка. [52]
Усилия по восстановлению мангровых зарослей предпринимаются в дельте Махакама в Индонезии . С 1990-х годов мангровые леса в дельте находились под сильным давлением со стороны аквакультуры : 60-75% мангровых лесов в дельте Махакама были превращены в пруды для разведения креветок . [48] [49] С 2000 года частные нефтегазовые компании финансировали различные усилия по пересадке мангровых зарослей. С 2001 по 2005 год компания Total E&P Indonesia посадила в дельте более 3,5 миллионов деревьев на площади 646 га. [53] Total E&P инвестирует в восстановление мангровых зарослей по разным причинам, например, чтобы уменьшить эрозию и деградацию экосистемы [48] , что рассматривается как угроза газовым операциям , [48] и потому, что трубопроводы, проложенные для транспортировки нефти и газа, привели к вырубке мангровых зарослей. [52] Кроме того, в период с 2002 по 2007 год Департамент лесного хозяйства правительства Индонезии также посадил 819 га мангровых лесов. [53] Программы восстановления, финансируемые правительством и нефтегазовой промышленностью, направлены на пересадку мангровых зарослей в заброшенных прудах с креветками и поощрение комбинированной аквакультуры мангровых зарослей и креветок, также называемой лесоводством . [48] Мангровые заросли могут быстро восстановиться в этом районе, если физическая среда дельты не будет разрушена: каждый год сотни гектаров расчищенных территорий в дельте Махакама естественным образом заселяются мангровой растительностью, [54] вызывая прирост. [55]
Есть также свидетельства отложения осадков в восстановленных мангровых зарослях Вьетнама. [56]
Строительство плотин снижает нагрузку наносов в реках нижнего течения. Дамбы и насыпи также препятствуют отложению отложений на дельтовой равнине, что приводит к потере высоты суши. Исследования показали, что выемка и дноуглубление неглубоких, узких каналов на равнине дельты может быть эффективной стратегией увеличения поступления пресной воды и отложений в поймы рек , озера и лагуны в дельтах. [3]
В дельте Дуная ( Румыния ) вырыты неглубокие, узкие каналы . Основной причиной рытья каналов было то, что на рыболовство в дельте Дуная отрицательно повлияло ограниченное поступление пресной воды в дельтовые озера и лагуны . [57] Строительство сети каналов в дельте Дуная почти утроило приток воды к дельтовой равнине. Однако в то же время поступление наносов в нижнее течение реки Дунай сократилось из-за строительства плотин вверх по течению. [3] Интересно, что отложение наносов на дельтовой равнине не уменьшилось после строительства плотины . Подсчитано, что средний поток наносов в дельте Дуная увеличился с 0,07 г/см 2 в естественных условиях до 0,09-0,12 г/см 2 после строительства неглубоких узких каналов, что могло означать скорость седиментации 0,5-0,8. мм в год. [3] Это говорит о том, что искусственные каналы функционируют как ловушки для отложений, которые могут помочь предотвратить затопление дельты из-за повышения уровня моря. Однако после строительства каналов эрозия вдоль побережья Дуная усилилась. [3] Аналогичные результаты были получены в дельте Эбро : каналы, вырытые там для выращивания риса, доставляют отложения на равнину дельты, что приводит к темпам прироста земель , которые могут быть достаточно быстрыми, чтобы не отставать от повышения уровня моря . [58]
Наводнение является жизненно важным источником поступления пресной воды и наносов в поймы рек , что важно для поддержания возвышенности земель, удобрения почвы и поддержки здоровых экосистем водно-болотных угодий. [59] Дамбы предотвращают наводнения , создавая польдеры , которые больше не получают воду или наносы и, следовательно, теряют высоту. Кроме того, из-за строительства польдеров в верхних частях дельт паводковые воды больше не могут накапливаться в поймах выше по течению, что приводит к более сильным наводнениям ниже по течению. [60] Стратегия восстановления поступления пресной воды и наносов в поймы рек заключается в намеренном разрушении или значительном понижении дамб, чтобы позволить наводнениям произойти во время пиковых расходов. [57]
Разрабатываются планы по снижению и прорыву дамб в верхней части дельты Меконга во Вьетнаме недалеко от границы с Камбоджей , в районе, который обычно затопляется во время пикового сезона сброса воды с июля по декабрь. [61] [60] Однако во многих районах высокие дамбы были построены для защиты от наводнений круглый год. Благодаря такой полной защите от наводнений фермеры в дельте Меконга могут производить больше урожаев риса в год по сравнению с системой с более низкими дамбами или без них. Однако предотвращение попадания паводковых вод и наносов во вьетнамские поймы рек привело к увеличению пиковых расходов рек и рискам наводнений ниже по течению, снижению способности пойм к удержанию паводков, накоплению агрохимикатов в почве, а также уменьшению или прекращению осаждения наносов, что способствовало ускорению потери высоты над уровнем моря. [61] [60] [62] Чтобы смягчить эти негативные последствия, в верхней части дельты Меконга предпринимаются шаги по снижению дамб. Это позволит паводковым водам проникать на равнины только в пик сезона. В остальное время года нижние насыпи обеспечивают фермерам достаточную защиту при обработке своих земель. [61]
Новое экоинженерное решение по сохранению существующих приливно-отливных водно-болотных угодий от повышения уровня моря было реализовано на прибрежных водно-болотных угодьях на острове Кураганг в национальном парке Хантер-Уэтлендс в Ньюкасле , Австралия . [63] Из-за строительства дамб и внутреннего дренажа в этом районе в 20 веке, приливная вода не попала в водно-болотные угодья. Хотя приливные потоки уже были восстановлены в начале 2000-х годов, гидрология и топография этого места благоприятствовали расширению мангровых зарослей . Это создало ситуацию, в которой мангровые заросли быстро разрослись за счет другой растительности солончаков , что привело к более глубокому приливному наводнению, подобному тому, которое происходит при повышении уровня моря. [63]
Чтобы воссоздать желаемые естественные приливные условия, была применена стратегия, называемая методом приливной репликации. [64] Метод приливной репликации создает искусственный приливный режим с помощью автоматизированной системы управления приливами, которую авторы называют SmartGates. Ворота управляют приливным потоком, достигающим территории водно-болотных угодий , и имитируют приливные условия, необходимые для набора и создания растительности водно-болотных угодий. После внедрения нового метода на этом участке, который в естественных условиях мог бы быть затоплен, удалось эффективно восстановить солончаковую растительность. [63] Хотя основной целью этой стратегии является восстановление растительности солончаков, растительность захватывает осадки и, следовательно, может усиливать естественные процессы седиментации .