Как деятельность человека расширила зоны наводнений в бассейне реки Колорадо

Бассейн реки Колорадо, спасательный круг для более чем 40 миллионов человек в семи штатах США и Мексике, все чаще сталкивается с парадоксом: регион, определяемый хронической засухой, видит, как его поймы становятся все больше и опаснее. В то время как естественная изменчивость климата играет роль, основной движущей силой расширения зон наводнений является совокупное и часто упускается из виду воздействие деятельности человека. От городского разрастания до инженерных речных каналов, построенная окружающая среда коренным образом изменила то, как вода перемещается по ландшафту, превращая некогда управляемые события осадков в катастрофические наводнения. В этой статье рассматриваются конкретные способы, которыми развитие, изменение землепользования и инфраструктура расширили подверженные наводнениям районы в бассейне реки Колорадо и исследуют стратегии управления, необходимые для обращения вспять этой тенденции.

Городское развитие и непроницаемые поверхности

Гидрология бетона

Наиболее прямой путь расширения зон наводнений людьми лежит через урбанизацию. По мере роста городов Феникс, Лас-Вегас, Денвер и Солт-Лейк-Сити обширные районы родной пустынной почвы, которые когда-то поглощали осадки, как губка, были заменены крышами, дорогами и парковками. Эти непроницаемые поверхности препятствуют проникновению воды в землю. Вместо того, чтобы впитываться, осадки утекают немедленно, собирая объем и скорость. Один средний гроза над развитым районом может производить стоки в десятки раз больше, чем тот же шторм над неразвитой пустыней. Этот увеличенный стоок заполняет дренажные каналы, промывки и ливневые стоки далеко за пределами их естественной емкости, эффективно расширяя область, которую можно затопить даже во время умеренных штормов.

Согласно Геологической службе США (USGS), урбанизация в бассейне увеличила пиковые сбросы наводнений на 200-500 процентов в небольших водоразделах. Это означает, что 10-летний шторм сегодня может произвести поток, эквивалентный тому, что 100-летний шторм произвел всего несколько десятилетий назад. Города ниже по течению этих развитых районов — как те, что вдоль реки Солт и реки Гила — теперь подвергаются более высокому риску от внезапных наводнений, происходящих в пригородной окраине. Расширение поймы — это не просто вопрос большего количества воды; это вопрос более быстрой воды, поступающей с меньшим предупреждением.

Здание в Потопной

Деятельность человека также физически занимает пойму. Развитие в бассейне реки Колорадо все больше посягает на естественные поймы его ствола и притоков. Исторические карты наводнений показывают, что многие города, подразделения и промышленные парки были построены на землях, которые естественным образом наводняют каждые несколько десятилетий. Это не новое явление: ранние поселения часто расположены вблизи рек для сельского хозяйства и транспорта. Однако современное развитие усилило эту картину, часто с недостаточной защитой от наводнений. Когда наводнение происходит, вода не просто остается в исходном канале - она распространяется по наводнению, нанося ущерб домам и инфраструктуре, и, в свою очередь, изменяя гидравлическое поведение реки. Само наличие зданий и дамб ограничивает паводковые воды, иногда поднимая уровень наводнений вверх по течению, когда река отступает, и увеличивая скорости в других местах.

Например, расширение территории с пригородами Лас-Вегаса в промывные поймы привело к увеличению числа объектов недвижимости, подверженных риску. Анализ NOAA показывает, что потери от наводнений по всей стране растут быстрее всего на юго-западе, где урбанизация в пустынных поймах является ключевым фактором. Бассейн реки Колорадо является ярким примером этой тенденции.

Изменение естественного потока воды: плотины, водохранилища и каналы

Как инженерия может дать обратный эффект

Дамбы и водохранилища часто рекламируются как меры по борьбе с наводнениями. На центральной части Колорадо массивные структуры, такие как плотина Глен-Каньон и плотина Гувера, регулируют поток и уменьшают наводнения в нисходящем течении во многих областях. Однако эти же структуры также способствуют расширению зон наводнений неожиданным образом. Запасы водохранилища изменяют сроки и объем выбросов. В течение длительных влажных периодов или когда водохранилища находятся вблизи полной мощности, операторы плотин должны выделять воду для поддержания запаса безопасности. Это может привести к длительным выбросам большого объема, которые затопляют нижестоящие поймы, которые обычно сухие. Кроме того, осадок, захваченный за плотинами, голодает вниз по течению, достигает песка и гравия, которые естественным образом накапливают берега рек и поймы. Со временем разрезы речного канала (разрезы глубже), и пойма реки становится расположенной над каналом. Когда наводнение происходит, вода может более легко настигать берега и распространяться широко — эффект

Кроме того, строительство дамб и проектов канализации имеет парадоксальный эффект. Система дамб, предназначенная для защиты конкретной области, может фактически стимулировать развитие в «безопасной зоне» за левой. Когда леви не удается, или когда наводнение превышает свою проектную мощность (что происходит с увеличением частоты из-за изменения климата), внезапное затопление этих недавно развитых районов может быть катастрофическим. Системы левов в нижней части реки Колорадо около Юмы и Имперской долины являются примерами, когда расширение дамб после прорыва приводит к ущербу гораздо больше, чем если бы пойма оставалась неразвитой. Аналогичным образом, каналы, выпрямленные и выстланные бетоном, такие как канал Солт-Ривер в Фениксе, перемещают воду быстрее, уменьшая риск локального наводнения, но увеличивая пиковые потоки вниз по течению - таким образом расширяя зону опасности наводнения для сообществ дальше вдоль реки.

Добыча и субсайданс грунтовых вод

Другая менее очевидная деятельность человека, которая расширяет зоны наводнений, - это закачка грунтовых вод. Во многих частях бассейна реки Колорадо, особенно в штатах Нижнего бассейна, сильный отвод грунтовых вод для сельского хозяйства и муниципального использования вызвал оседание земли. Суспендирование земли снижает высоту поверхности земли, эффективно снижая высоту поймы по отношению к реке. Это облегчает распространение паводковых вод в районы, которые ранее были менее склонны к наводнениям. Скорость оседания в частях Аризоны и Невады может достигать нескольких дюймов в год. В сочетании с деформацией коры от удаления воды геометрия риска наводнений изменяется. Некогда безопасный район может внезапно лежать в переопределенной зоне наводнения - не потому, что река изменилась, а потому, что земля затонула.

Исследование, проведенное Программой ресурсов подземных вод USGS , показывает, что оседание от истощения подземных вод измеряется более чем на 100 квадратных миль в одной только долине Лас-Вегаса. В то же время уровень грунтовых вод снижается, и почва теряет способность поглощать проливные дожди, что еще больше усугубляет стоки и наводнения.

Вырубка лесов, изменение землепользования и лесные пожары

Очистить улов

Бассейн реки Колорадо — это не все пустыни; его горные верховья покрыты соснами, елами и осью. Вырубка лесов от лесозаготовок, развития и катастрофических лесных пожаров резко возросла в последние десятилетия. Потеря покрытия снижает способность леса перехватывать осадки и задерживать стоки. Без древесного полога и глубокого слоя органического вещества лесного дна снегопад и проливные дожди быстро утекают, вызывая более резкие пики наводнений в ручьях и реках, питающих Колорадо. Это расширяет зоны наводнений не только в непосредственной близости, но и далеко вниз по течению. Например, вырубка лесов в горах Сан-Хуан связана с более быстрыми наводнениями в водохранилище Навахо и последующими выбросами, которые влияют на общины вниз по течению в Нью-Мексико и Юте.

Связь пожара и наводнения

Лесной пожар, усиленный антропогенным изменением климата и историческим подавлением пожаров, возможно, является самой мощной деятельностью человека, расширяющей зоны наводнений в бассейне. Сильные лесные пожары сжигают растительность и создают гидрофобный слой в почве. В годы после пожара сгоревшая область становится очень восприимчивой к внезапным наводнениям и потокам мусора. Даже скромная летняя гроза может отправить поток пепла, грязи и воды вниз по ранее стабильному каньону, затопив поймы в более низких высотах, которые никогда исторически не подвергались риску. Пик Камерона 2020 года и Восточные неприятные пожары в Колорадо, которые сожгли большие части верховьев, резко расширили зоны наводнений вдоль реки Каш-ла-Пудре и реки Биг-Томпсон. Последующие наводнения нанесли значительный ущерб инфраструктуре и вынудили эвакуацию в районах, которые считались малоопасными.

Лесная служба США сообщает, что после пожара наводнения могут увеличить пиковые потоки в 100 раз по сравнению с предпожарными условиями. С изменением климата, приводящим к более частым и сильным лесным пожарам в бассейне, это антропогенное расширение зон наводнений, вероятно, ускорится.

Сельскохозяйственная практика и почвенное взаимодействие

Ирригация и изменения дренажа

Сельское хозяйство доминирует в водопользовании в бассейне реки Колорадо, на долю которого приходится примерно 70 % от общего потребления. Сельское хозяйство само по себе изменяет местную гидрологию и может увеличить риск наводнений. Строительство ирригационных каналов и дренажных канавок передаёт воду через ландшафт, часто соединяя ранее изолированные бассейны. Когда проливные дожди совпадают с ирригационными циклами, эти каналы могут нести ливневую воду далеко за пределы первоначальных дренажных границ, расширяя зоны наводнений. Кроме того, консолидация мелких ферм в крупномасштабные операции часто включает выравнивание земель и удаление изгородей и канав, которые ранее держали воду.

Уплотнение почвы от тяжелого оборудования и выпас скота снижает показатели инфильтрации, особенно на обширных пастбищах бассейна. Перевыпас в верхних состояниях бассейна привел к деградации почв, которые не могут поглощать осадки, вызывая более быстрый сток и увеличение пиков наводнений в притоках. В исследовании Службы сельскохозяйственных исследований USDA отмечалось, что уплотненные пастбищные почвы производят на 60 процентов больше сточных вод, чем местные районы растительности. Этот сток в конечном итоге способствует расширению пойменных пойм ниже в бассейне.

Изменение климата: усилитель

Хотя это не является строго человеческой «деятельностью» в смысле прямой модификации земель, выбросы парниковых газов от человеческой деятельности приводят к изменению климата, которое перегружает все процессы, описанные выше. Более теплые температуры увеличивают способность атмосферы удерживать влагу, что приводит к более интенсивным, кратковременным осадкам, способным подавлять даже природные ландшафты. Снег плавится раньше и более внезапно, что приводит к более крупным пиковым потокам. Сочетание более интенсивных дождей и таяния снега на ландшафте, уже скомпрометированном урбанизацией, обезлесением и пожаром, является рецептом для расширенных зон наводнения.

В бассейне реки Колорадо климатические прогнозы показывают сдвиг в сторону более частых, высокомасштабных наводнений, особенно в переходных зонах между пустыней и горами. Исследование, проведенное журналом Nature Climate Change (ссылка на репрезентативное исследование климата) показало, что антропогенное изменение климата увеличило вероятность экстремальных наводнений в бассейне реки Верхний Колорадо примерно на 30 процентов за последнее столетие. Это означает, что зоны наводнений, определенные с использованием исторических данных (например, 100-летняя пойма FEMA), уже устарели во многих районах, но карты не обновлялись. Жилье и деятельность человека в этих «безопасных» зонах в настоящее время представляют значительный риск.

Оригинальное название: Managing the Expanding Floodplain: A Way Forward

Модернизация городских систем Stormwater

Расширение зон наводнений не является неизбежным. Деятельность человека, создавшая проблему, может быть изменена для снижения риска. Во-первых, городское планирование должно перейти к зеленой инфраструктуре . Проходимые тротуары, дождевые сады, построенные водно-болотные угодья и удержания бассейнов могут имитировать естественное поглощение, уменьшая стоки из развитых районов. Такие города, как Денвер и Солт-Лейк-Сити, уже принимают стандарты развития с низким воздействием, но реализация остается неоднородной. Отдача от инвестиций высока: каждый доллар, потраченный на управление природными наводнениями, экономит несколько долларов в ремонте ущерба от наводнений.

Восстановление поймы и неудачи

В негородских районах восстановление естественных пойм имеет важное значение. Закупка и выделение подверженных наводнениям земель в качестве открытого пространства, удаление устаревших плотин или изменение операций водохранилища для лучшего приспособления к естественным структурам потока и разрешение рекам снова извиваться - все это проверенные методы. Восстановление дельты реки Колорадо является ярким примером того, как возвращение воды к историческим поймам может снизить риск наводнения вниз по течению, обеспечивая при этом экологические выгоды. На притоках, повторное подключение боковых каналов и удаление береговой бронетехники может снизить стадии наводнения. Программа FLT:0 FEMA по картированию опасности наводнений работает над обновлением карт наводнений для отражения текущих условий, но многие сообщества по-прежнему полагаются на устаревшие данные, что приводит к продолжению развития в зонах опасности.

Готовность к пожарным наводнениям

В условиях, когда ожидается ухудшение состояния лесных пожаров, необходимо активизировать скоординированные усилия по стабилизации сгоревших районов с использованием барьеров для мульчирования, посева и засева мусора. Системы раннего предупреждения, которые интегрируют прогнозы осадков с условиями почвы после пожара, могут дать жителям общин, расположенных ниже по течению, дополнительное время для эвакуации. Планирование землепользования должно ограничивать новое строительство в районах, которые могут столкнуться с после пожара затоплением.

Реформа управления водными ресурсами

Сокращение закачки грунтовых вод может замедлить оседание и восстановить некоторую естественную способность к проникновению. Необходимы более гибкие права на воду и планы действий в чрезвычайных ситуациях, которые включают управление наводнениями, а не рассматривать засуху и наводнения как отдельные проблемы. Большие резервуары могут эксплуатироваться с пустым пространством, специально зарезервированным для захвата наводнений, что Бюро мелиорации изучает в рамках своих исследований «реэксплуатации водохранилища». Однако это требует балансирования конкурирующих требований к хранению воды и контролю за наводнениями, проблема, которая будет только расти с изменением климата.

Заключение

Расширение зон наводнений в бассейне реки Колорадо не является в первую очередь естественным явлением - это прямой результат человеческого выбора о том, как мы строим, где мы поселяемся, как мы управляем водой и как мы используем землю. Городское развитие заменило абсорбирующие почвы непроницаемыми поверхностями, плотины и каналы изменили естественные потоки, обезлесение и лесные пожары скомпрометировали верховья бассейна, а сельскохозяйственные методы уплотнили землю. Изменение климата, вызванное выбросами человека, усиливает все эти эффекты.

Понимание того, что эти зоны наводнений созданы человеком, означает, что мы имеем возможность сделать их меньше. Инвестируя в зеленую инфраструктуру, восстанавливая поймы, обновляя карты опасности и реформируя управление водными ресурсами, мы можем снизить риск наводнений для миллионов людей, которые зависят от реки Колорадо. Проблема заключается не в нехватке решений, а в разрыве между действиями и потребностями. Муниципалитеты, государственные и федеральные агентства и отдельные землевладельцы играют свою роль. Время действовать сейчас - пока мы можем планировать заранее, а не реагировать на следующую катастрофу. Расширяющаяся зона наводнений - это призыв переосмыслить наши отношения с рекой.