В этом месяце плотина Блуде будет удалена из реки Нижний Патапско возле Илчестера, штат Мэриленд.
Восстановление - единственный в своем роде естественный эксперимент, который поможет проверить, как относительно недорогие беспилотники могут помочь таким ученым, как я, понять целостность потоков и рек.
В число моих сотрудников входят студенты и исследователи из Университета Мэриленда округа Балтимор, Мэрилендской геологической службы, Департамента природных ресурсов Мэриленда, Национального управления океанических и атмосферных исследований и Геологической службы США.
Если наш подход сработает, он позволит нам отслеживать движение наносов более полно и точно, чем когда-либо прежде, за небольшую часть расходов.
Что изменится
Завершенная в 1907 году и эксплуатируемая в течение 30 лет, плотина Блуде содержала первую подводную гидроэлектростанцию в США, высотой 26, 5 фута, которая представляет собой одно из самых больших удалений плотины на восточном побережье.
Зачем снимать плотину? Штат, федеральные агентства и некоммерческие организации American Rivers надеются устранить опасную угрозу общественной безопасности.
Снятие плотины также дополнит восстановление после предыдущего удаления плотины вверх по течению и расширит среду обитания для рыб и других водных существ. Когда-то в Патапско проходили крупные пресноводные пробеги шады, алевифы и американского угря, которые были заблокированы плотиной. Лестница из рыбы оказалась неэффективной при соединении участков реки вверх по течению с устьем вниз по течению и Чесапикским заливом.
Кровавая плотина в марте. Устаревшая рыбная лестница находится на переднем плане. (Мэтью Бейкер / UMBC) Несмотря на заметную роль в начале производства в США, долина Патапско пострадала от экологических проблем. Колониальное судоходство было вынуждено перебазироваться в Балтимор после того, как первоначальный порт в Элкридж-Ландинг был забит осадками от судоходного балласта, добычи на берегах реки и расчистки лесов вверх по течению. Когда-то 10-футовый канал, окруженный соленым болотом, сегодня участок свежий, а канал менее двух футов в глубину.
Периодические наводнения также наносили ущерб узкому ущелью, что иногда приводило к катастрофическим последствиям. В последние несколько лет внезапные наводнения в Элликотт-Сити разорвали канализационную магистраль, проходящую вдоль дна долины, и реорганизовали большое количество песка, дерева и камня в нижнем течении.
Сегодня плотина хранит приблизительно 2, 6 миллиона кубических футов слоистого ила и песка менее чем в восьми милях от приливной воды Чесапикского залива. Когда плотина будет удалена, мы хотим знать, как много отложений будет перемещаться и насколько быстро.
Почему движение осадка?
Понимание движения наносов имеет решающее значение для управления рекой в каждой юрисдикции водосбора Чесапикского залива.
Осадок помогает сбалансировать поток воды для поддержания формы канала и стабильной среды обитания для водных растений, беспозвоночных и рыб. Речные отложения необходимы, чтобы помочь береговой линии устья в борьбе с повышением уровня моря. Тем не менее, мелкие отложения также могут быть загрязняющими веществами или переносить питательные вещества и тяжелые металлы в устья рек вниз по течению.
Аэрофотоснимок русла реки Патапско, показывающий месторождения гравия, булыжника и песка. (Мэтью Бейкер / UMBC) Хотя легко наблюдать признаки эрозии наносов с берегов рек или склонов холмов, часто неясно, где и сколько этого осадка перераспределено и хранится. Управление хранением отложений, особенно за плотинами, может быть несколько спорным.
После изучения нескольких других работ по удалению плотины, мы ожидаем, что осадок, захваченный за плотиной, быстро эвакуируется и перераспределяется вниз по течению в течение нескольких лет.
Тем не менее, мы еще многое не знаем. Наводнения после интенсивных штормов могут перемещать огромное количество отложений, изменяя дно долины за считанные часы. Будут ли такие бури переделывать осадок в другом месте ущелья или прибрежной поймы или доставлять его в бухту?
Новые способы отслеживания изменений
С логистической точки зрения сложно точно измерить большие и потенциально быстрые изменения каналов.
В типичном полевом обследовании технические специалисты измеряют глубину воды, расход, донный субстрат и другую информацию в определенных местах. Хотя каналы потока могут сильно изменяться как в пространстве, так и во времени, мы, ученые, редко можем представить такую изменчивость в наших измерениях. Вместо этого мы собираем отдельные снимки во времени. Это оставляет нам меньше понимания динамического движения наносов, опустошения, вызванного волнами наводнения, или разнообразия условий, необходимых для поддержания водной жизни.
Измерительные станции, расположенные выше и ниже по течению от плотины, измеряют поток воды и оценивают взвешенный материал, такой как мелкие илы и глины, но не более грубые пески и гравий, движущиеся вдоль дна канала. Обследования 30 поперечных сечений, распределенных по восьми милям, предоставляют информацию о том, как форма и состав канала изменяются при его пересечении, но относительно мало - около тысячи футов между каждым трансектом.
Более того, после сильного наводнения ученые должны проводить новые поперечные обследования, занимая иногда до месяца в опасных условиях.
Наша команда пытается добавить к нашим измерениям развертывание небольших готовых дронов, которые фотографируют все дно долины. Повторение фотографий до, во время и после удаления может помочь нам отследить местоположение шлейфа осадка при его движении вниз по течению. Они также позволяют новые перспективы реки.
Взгляд 3D облака пункта канала реки Patapsco. (Мэтью Бейкер / UMBC) Полагаясь исключительно на перекрывающиеся фотографии, собранные как до, так и после снятия плотины, мы будем создавать трехмерные компьютерные модели дна канала и глубины воды - не только на обследованных поперечных сечениях, но и через каждые несколько дюймов вдоль канала. Хотя эта технология лучше всего работает на мелководье, наши модели должны позволить нам значительно улучшить оценки как количества, так и местоположения изменения канала, когда донные отложения движутся вниз по течению.
Благодаря новому подходу наша команда собирает фотографии всех восьми миль всего за несколько дней, и дальнейшая работа происходит на настольном компьютере. Это означает, что измерения могут быть повторены или сделаны заново в любое время с использованием архивных изображений.
Хотя нам, безусловно, любопытно посмотреть, как движется этот осадок, нас особенно интересует, насколько хорошо мы можем его уловить. Если это сработает, эта технология, вероятно, изменит способ, которым ученые собирают измерения и контролируют реки.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Мэтью Э. Бейкер, профессор географии и экологических систем, Университет Мэриленда, округ Балтимор
