人类工程导致密西西比河极端洪水

李文

研究小组收集了3个牛轭湖底部沉积物的岩芯，以研究密西西比河下游主要洪水的历史。牛轭湖又叫“U”形湖，一般是河流裁弯取直后，与主河流分开而形成的湖泊。在大洪水期间，凶猛的河水再次冲入牛轭湖，所带来的泥沙和碎屑沉积到湖底，通过对这些沉积物的研究，研究人员可以识别这些洪水的“特征”。

一项新的研究，首次揭示了密西西比河最近500年的洪水历史。该研究由伍兹霍尔海洋研究所的科学家们主导，首次拓展了密西西比河洪水的历史记录，研究的结果充分表明，美国近代的河流工程增加了密西西比河洪水发生的频率和严重程度。

“我们在20世纪所遭遇的洪水，比我们过去500年的任何时候都要大得多。”伍兹霍尔海洋研究所的博士后学者山姆·木兹说，他也是目前该项目的主要研究者之一，他们的研究成果发表于2018年4月5日出版的美国杂志《自然》上。研究表明，在过去的150年中，百年一遇洪水的发生频率增加了约20%，百年一遇意味着每一百年有1次发生的可能，变化后的情况意味着每百年有1.2次发生洪水的可能。研究小组发现，大约四分之三的漫岸洪水可归因于人类对河流及其流域的人为改造。

“一直有一个悬而未决的问题，就是人类对密西西比河的改变到底到了什么程度，可以说密西西比河是人类工程化程度最严重的河流，我研究的目的是这种河流工程化如何造成洪水发生频率的变化。”木兹说，他现在是美国东北大学的助教。

为了回答这个问题，科学家使用了一种飓风跟踪技术，这是一种伍兹霍尔海洋研究所的古气候学家杰弗·登雷利跟踪沿海地区飓风时所率先使用的技术，这种技术需要从湖泊或者沼泽底部沉积的泥沙中抽取沉积的岩芯，通过对岩芯中沉积物的分析，确定洪水发生的频率，比较洪水发生与海洋和气候的关系，从而得出结论。

“这种做法，有点类似于在奶昔中插一根吸管，将拇指放在吸管的顶部，使吸管密封，然后将吸管拉出来。”该研究的联合负责人唐纳利说。在这个研究中，“吸管”是一根长达10米的铝管，铝管通过一艘小型浮舟在湖面上被伸入湖泊的底泥中，“奶昔”是位于密西西比河附近的三个牛轭湖底部的淤泥和泥沙。

在大洪水期间，来自河道的洪水会搅动更大颗粒的泥沙悬浮于水流中，洪水带来的大颗粒的泥沙流入湖泊中，并且不连续地沉积在湖泊的底部，沉积物中除了泥沙还有一些碎屑物质，这些来自河流的物质最终沉积在湖泊的底部，并且在湖泊的底部形成一个沉积层，随着时间的推移，古老的或者年龄比较早远的沉积层会被年轻的沉积层所覆盖和埋藏。这些沉积层是研究历史洪水的线索。湖泊泥沙沉积得越深，科学家越可以追溯到更加久远的洪水线索。

沉积层中泥沙颗粒的大小，为研究洪水量级提供了线索。研究小组的另一位主要成员，伍兹霍尔海洋研究所的地球科学家里穆尼·奥斯说，洪水越大，河流中水的能量就越大，沉积在湖泊中的泥沙就越多。通过分析已知洪水事件泥沙颗粒的大小和洪水大小， 例如，1927年的密西西比河大洪水，穆尼·奥斯可以估算出沉积物岩芯中以前未知洪水的大小。

为了确定这些洪水何时发生，该团队使用了铅、铯和碳的同位素来确定沉积岩中的粗沙層。来自卡罗莱纳大学的兹熊·森使用了一种称为“光学刺激发光”的技术来确定粗沙的年龄，该技术主要通过分析材料最后一次暴露在阳光下的时间，来确定材料的年龄。阿拉巴马大学的马修·泰诺使用树木年轮来确定区域洪水发生时间。结合这些方法，研究团队追溯拓展了500多年的洪水历史 ，比最早有记录的洪水提前了350年左右。

接下来，研究人员比较了他们的发现与影响大西洋和太平洋海面温度的自然波动周期的关系，例如厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）现象。他们发现，密西西比河的洪水周期与海洋气候周期相对应。

厄尔尼诺事件给北美中部带来了风暴和降雨，密西西比河流域的周边土壤含水量饱和。大西洋波动周期的一个阶段，可以为密西西比河流域带来极端降雨。当厄尔尼诺事件与大西洋波动事件重合时，更容易发生大洪水。

“我们第一次能够真正解析气候系统的自然变化如何影响洪水，以及人们如何改变这种变化。”穆尼·奥斯说。

沉积物数据还表明，由海洋变化引起的洪水自然节奏，被1928年以后由联邦政府投资的河流工程项目放大了，政府的这些项目包括在河道上进行商业航行，以及保护社区和农田免受洪水淹没等。科学家表示，河流工程的社会效益应该与更大的洪水对农业、基础设施和社区造成破坏的风险进行权衡。此外，大洪水将更多的污染物和农场径流排放到墨西哥湾，造成海洋缺氧的“死亡区”。

穆尼·奥斯说，给河流更多的自然空间，让河流回归自然，洪水会带来更多的泥沙到达密西西比河口，可以拯救这个逐渐下沉的河口三角洲。然而，据估计，让河流回归自然至少要花费上百亿美元。

该研究团队称，研究小组接下来的任务，是要挖掘更深的河流沉积物，以便研究更长的洪水记录，并应用这种新方法来了解世界其他主要河流洪水发生的原因。