Επιπτώσεις στα αμέσως κατάντη του Φράγματος των Τριών Φαραγγιών στη μορφοδυναμική των προσαμμώσεων του ποταμού Changjiang στη Κίνα
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Επιπτώσεις στα αμέσως κατάντη του Φράγματος των Τριών Φαραγγιών στη μορφοδυναμική των προσαμμώσεων του καναλιού μεταξύ του κλάδου Yichang-Chenglingji του ποταμού Changjiang στη Κίνα
Πρωτότυπος Τίτλος: 'Immediately downstream effects of Three Gorges Dam on channel sandbars morphodynamic between Yichang-Chenglingji Reach of the Changjiang River, China'
Συγγραφείς: WANG Jie(1), DAI Zhijun(1),(2), MEI Xuefei(1), LOU Yaying(1), WEI Wen(1) and GE Zhenpeng(1)
(1) State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China (2) Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, 266061, China
Πηγή: Journal of Geographical Sciences volume 28, pages629–646(2018) (1)
Λέξεις Κλειδιά: Mορφοδυναμική, Προσαμμώσεις, Φράγμα Τριών Φαραγγιών, Three Gorges Dam (TGD), Τηλεπισκόπηση, Yichang-Chenglingji, Ποταμός Changjiang
Περίληψη: Οι προσαμμώσεις είναι ζωτικής οικολογικής και περιβαλλοντικής σημασίας, ωστόσο έχουν υποστεί έντονες επιρροές από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Οι μορφοδυναμικές διεργασίες των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji του ποταμού Changjiang, δηλαδή του καναλιού αμέσως μετά το φράγμα των Τριών Φαραγγιών (Three Gorges Dam - TGD), αξιολογούνται βάσει εικόνων τηλεπισκόπησης μεταξύ του 2000 και του 2016. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι ολόκληρη η περιοχή των προσαμμώσεων μειώνεται δραστικά κατά 19,23%, από 149,04 km2 το 2003 σε 120,38 km2 το 2016, συνοδευόμενη από αύξηση του πλάτους της επιφάνειας του νερού. Λόγω των διαφορών στο μέγεθος των κόκκων των ιζημάτων και στην αντοχή κατά της διάβρωσης, η περιοχή των προσαμμώσεων στο ανάντι αμμοχάλικο (Yichang-Dabujie) και ο κατάντι αμμώδης κλάδος (Dabujie-Chenglingji) μειώνονται κατά 45,94% (από 20,79 km2 σε 11,24 km2) και 14,93 % (από 128,30 km2 έως 109,14 km2), αντίστοιχα. Περαιτέρω, οι μορφολογικές εξελίξεις των προσαμμώσεων επηρεάζονται από τον τύπο του καναλιού: σε ευθυτενές κανάλι με μικρές καμπές, οι προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού εμφανίζουν μετακίνηση προς τα κάτω ενώ διατηρούν το βασικό τους προφίλ. Σε κανάλι μαιάνδρου, οι σημειακές προσαμμώσεις υπόκεινται σε διάβρωση και εναποτίθενται σε κυρτή και κοίλη κοίτη αντίστοιχα, με τις προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού να κατανέμονται σποραδικά. Σε πλεξοειδές κανάλι, οι σημειακές προσαμμώσεις υπόκεινται σε διάβρωση και κινούνται προς τα κάτω ενώ οι προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού υπόκεινται σε διάβρωση στη κορυφή τους μαζί με το περιφερειακές υποχωρήσεις. Τεκμηριώνεται ότι ο πρωταρχικός μηχανισμός συρρίκνωσης των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji μπορεί να αποδοθεί στη μείωση της συγκέντρωσης ιζημάτων που προκαλείται από το TGD και στην αύξηση της ακόρεστης ικανότητας μεταφοράς ιζημάτων. Επιπλέον, ο τύπος καναλιού μπορεί να επηρεάσει τη μορφολογική εξέλιξη των προσαμμώσεων. Κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji, οι προσαμμώσεις στο ευθυτενές κανάλι επηρεάζονται περισσότερο από τη ροή του νερού από ότι στο πλεξοειδές κανάλι. Αντικείμενο μελέτης: Ο ποταμός Changjiang προέρχεται από το οροπέδιο Qinghai-Tibet και ρέει ανατολικά προς τη θάλασσα της Ανατολικής Κίνας, με μήκος μεγαλύτερο από 6300 km (Εικόνα 1a). Η λεκάνη απορροής καλύπτει έκταση άνω των 1,8 × 106 km2 και περιλαμβάνει πολυσύνθετους τύπους γεωμορφολογίας, βλάστησης και παραποτάμων. Από τον Ιούνιο του 2003, το TGD παγίδευσε τη πλειονότητα των ιζημάτων στον ταμιευτήρα του, χωρίς να τροποποιήσει σημαντικά το μέγεθος της ροής κατάντη (Dai et al., 2015). Έτσι, η σύνδεση της δραστικά μειωμένης συγκέντρωσης αιωρούμενων ιζημάτων (SSC) και εκκένωσης (SSD) με σχεδόν αμετάβλητη απορροή νερού παράγει αξιοσημείωτη διάβρωση στην κατάντη κοίτη του ποταμού (Yang et al., 2011; Mei et al., 2016; Dai et al., 2016). Οι Xu και Milliman (2009) αποκάλυψαν ότι περίπου το 60% του SSD παγιδεύτηκε πίσω από το TGD κατά τη διάρκεια της περιόδου 2003-2006, το οποίο προκάλεσε σημαντική διάβρωση στο κύριο ρεύμα και στη λίμνη Dongting. Οι Chang et al. (2010) εκτίμησαν ότι το ποσό στερεομεταφοράς κατά μήκος του ποταμού Jing (από το Zhicheng έως το Chenglingji) αντιπροσωπεύει το 78,9% του συνολικού ποσού καθ 'όλο το μήκος του κλάδου από το Yichang στο Chenglingji εντός της περιόδου 2003-2008. Ο Luo (2012) βρήκε μια απότομη διαμήκη μετάβαση του αμμοχάλικου του ιζήματος του πυθμένα του ποταμού στη μέση και στην κάτω πλευρά του ποταμού Yangtze κατά την περίοδο μετά το TGD. Εν τω μεταξύ, ο Yuan (2012) δημοσιοποίησε ότι η πιο προφανής στερεομεταφορά συνέβη αμέσως δίπλα στο TGD, λόγω της αυξημένης δυναμικότητας μεταφοράς ιζημάτων. Οι Dai και Liu (2013) ανέφεραν ότι 10 χρόνια μετά τη λειτουργία του TGD, η διαμόρφωση του καναλιού κατά μήκος της συνάγκειας καθ 'όλη την έκταση του ποταμού και ο πυθμένας του ποταμού θα μετατραπεί από αποθετική πριν από την κατασκευή του φράγματος σε διαβρωτική μετά. Οι Yang et al. (2014) απέδειξαν ότι τα αλλουβιακά και μαιανδρικά κανάλια κατά μήκος του μέσω-κάτω ποταμού Changjiang παρουσίαζαν τάσεις περικοπής λόγω των κατακρατήσεων του TGD. Οι Zhang et al. (2017) έδειξαν ότι η ποτάμια ροή και η λεπτή άμμος αποκαταστάθηκαν το 2003–2014 μετά την κατασκευή του TGD, δεδομένου ότι τα κανάλια του ποταμού δέχτηκαν παρεμβάσεις για την προμήθεια νέων αλλουβιακών ιζημάτων. Παρόλο που έχουν εκτελεστεί εκτενείς μελέτες σχετικά με την απόκριση του κατάντη-γεωμορφολογικού συστήματος στις αλλαγές τις ποτάμιας ροής που προκαλείται από το TGD, λίγη προσοχή αποδίδεται σχετικά με την εξέλιξη της μορφοδυναμικής των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji (YC) αμέσως μετά το TGD (Εικόνα 1b). Ο κλάδος YC του ποταμού Changjiang καλύπτει μια μεγάλη κλίμακα πολλαπλών προσαμμώσεων (Εικόνα 1b), οι οποίες είναι ευαίσθητες στις πολύπλοκες αλλαγές στο υδρο-ιζηματική δυναμική λόγω της εγκατάστασης του TGD. Για την ανίχνευση της μορφοδυναμικής τω ν προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου YC του ποταμού Changjiang χρησιμοποιήθηκαν συνθετικά δεδομένα υδρολογίας, αιωρούμενων ιζημάτων και πολλών τηλεσκοπικών δορυφορικών εικόνων. Οι κύριοι στόχοι αυτής της μελέτης, επομένως, είναι: (1) να διερευνηθούν τα χωρικά-χρονικά χαρακτηριστικά των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου YC, (2) να διακριθούν τα πιθανά μορφοδυναμικά μοτίβα τους και (3) να προσδιοριστούν οι πιθανοί παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τις μορφοδυναμικές διεργασίες των προσαμμώσεων. Περιοχή μελέτης: Αμέσως κατάντη του TGD, ο κλάδος YC βρίσκεται στο πάνω μισό της μεσαίας έκτασης του ποταμού Changjiang και είναι εκεί όπου ο ποταμός μετατρέπεται από βραχώδες φαράγγι σε αλλουβιακή πεδιάδα (Xia et al., 2016) (Εικόνα 1a). Οι αλλουβιακές προσαμμώσεις κατά μήκος του κλάδου YC είναι διαφοροποιημένες μεταξύ τους, και μπορούν να ταξινομηθούν ως σημειακές προσαμμώσεις και προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού, σύμφωνα με τις τοποθεσίες ανάπτυξής τους και τα μοτίβα τους.
Μεθοδολογία: Για την ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων, χρησιμοποιείται ένας τροποποιημένος κανονικοποιημένος δείκτης νερού (MNDWI) για τον προσδιορισμό της γεωμορφολογίας των σημειακών προσαμμώσεων και των προσαμμώσεων στα μέσα του καναλιού (Xu, 2006; Soti et al., 2009), ο οποίος έχει εφαρμοστεί για τον εντοπισμό της ανάπτυξης των υδάτινων σωμάτων. Αποκαλύπτει αλλαγές στη βλάστηση, περιβαλλοντικές προβλέψεις, αλλαγές στις ακτές και ούτω καθεξής (Hui et al., 2008; Sun et al., 2012; Ullah et al., 2013; Tran et al., 2014; Ghosh et al., 2015). Το MNDWI διαφοροποιεί την εδαφική γεωμορφολογία των προσαμμώσεων από άλλα φυσικά χαρακτηριστικά όπως τα υδατικά σώματα μέσω του τύπου:
Οι διαδικασίες ταξινόμησης και τα αντίστοιχα στατιστικά στοιχεία επιτυγχάνονται με το λογισμικό Esri-ArcGIS (Institute System Research Institute-Arc Geographic Information System) 10.2. Μόλις οριοθετηθεί η συνολική περιοχή προσαμμώσεων, δηλαδή των σημειακών προσαμμώσεων και των προσαμμώσεων στα μέσα του καναλιού, αναλύονται περαιτέρω χρησιμοποιώντας τεχνική διαβαθμισμένων στατιστικών. Υιοθετήθηκαν οι κλασικές θεωρίες της ικανότητας μεταφοράς ιζημάτων (SCC) (Qian and Wan, 2003), που έχουν εφαρμοστεί καλώς στον ποταμό Changjiang από προηγούμενους ερευνητές (Yu et al., 2005; Li et al., 2011; Yuan et al., 2012), για να απεικονίσουν τις υδρο-ιζηματικές διεργασίες κατάντι. Οι σχετικοί τύποι εμφανίζονται ως εξής:
όπου Svm είναι η ικανότητα μεταφοράς ιζημάτων (απαραίτητο SSC σε ισορροπία). Τα k και m είναι σταθερές, και σε αυτή τη μελέτη ορίζονται ως 0,07 και 1,14, αντίστοιχα. Το U είναι η ταχύτητα του νερού. Το g είναι επιτάχυνση βαρύτητας (9,8 m/s2), h είναι το βάθος νερού, ω είναι η ταχύτητα καθίζησης ιζημάτων. Το Sv είναι SSC. Το ω0 ρυθμίζει την ταχύτητα δεδομένου ιζήματος με διάμετρο D και πυκνότητα ρs (2650 kg / m3) και το ρw είναι η πυκνότητα νερού (1000 kg / m3).
Αποτελέσματα: Η συνολική έκταση των προσαμμώσεων εντός του κλάδου YC μειώνεται κατά 19,23% από 149,04 km2 προ του TGD σε 120,38 km2 το 2016 (Εικόνα 2a). Ενώ οι σημειακές προσαμμώσεις παρουσιάζουν μια παρόμοια παρατηρήσιμη τάση μείωσης στην περιοχή από 109,65 km2 το 2003 σε 86,49 km2 το 2016 (Εικόνα 2b), οι προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού δείχνουν μόνο μια ελαφρά μείωση περιοχής 5,52 km2 για την ίδια περίοδο (Εικόνα 2c). Επιπλέον, το ανάντι αμμοχάλικο και η κατάντι αμμώδης έκταση δείχνουν ποικίλους βαθμούς μεταβολής στην περιοχή των προσαμμώσεων. Συγκεκριμένα, η συνολική έκταση των προσαμμώσεων στη περιοχή αμμοχάλικου έχει απότομη πτώση από 20,79 km2 το 2003 σε 11,24 km2 το 2016 (Εικόνα 3a), ενώ στην αμμώδη έκταση φαίνεται μεγαλύτερη ποσότητα διάβρωσης από 128,30 km2 το 2003 σε 109,14 km2 το 2016 (Εικόνα 3d). Το εμβαδόν των προσαμμώσεων στα μέσα του καναλιού μειώνεται ουσιαστικά στην ανάντη έκταση αλλά δεν έχει παρατηρήσιμη διακύμανση στα κατάντι (Εικόνες 3b και 3e). Ταυτόχρονα, το εμβαδόν των σημειακών προσαμμώσεων στην κατάντη έκταση εμφανίζει μια πιο σημαντική τάση μείωσης από εκείνη στα ανάντι (Εικόνες 3c και 3f). Οι πολυετείς μέσες περιοχές των συνολικών προσαμμώσεων, μέσα στο κανάλι και σημειακά, μειώθηκαν αντίστοιχα κατά 8,73%, 7,72% και 9,10% από το 2000–2003 έως το 2004–2016. Πρέπει να τονιστεί ότι ολόκληρη η περιοχή των προσαμμώσεων στα ανάντι φτάνει μόνο το 20% αυτής των κατάντι και εμφανίζεται μια φθίνουσα τάση από έτος σε έτος (Εικόνες 3a και 3d). Εκτός αυτού, το συνολικό πλάτος του υδάτινου σώματος (TWSW) σε ολόκληρη την έκτασή του, το ανάντι αμμοχάλικο και η κατάντη αμμώδης έκταση παρουσιάζουν σημαντικά διευρυνόμενη τάση, αυξανόμενο αντίστοιχα κατά 9,29%, 9,73% και 9,10% από το στάδιο πριν από το TGD έως το 2016 (Εικόνα 4). Αυτό σημαίνει ότι η μείωση του εμβαδού των προσαμμώσεων έχει διευρύνει το TWSW σε κάποιο βαθμό.
Συμπεράσματα: (1) Η περιοχή των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji μειώνεται από 149,04 km2 το 2003 σε 120,38 km2 το 2016, με τις περιοχές σημειακών προσαμμώσεων και προσαμμώσεων στα μέσα του καναλιού αντίστοιχα να μειώνονται κατά 14,00% και 21,12%. Περαιτέρω, το εμβαδόν των προσαμμώσεων στο ανάντι αμμοχάλικο μειώνεται κατά 45,96%, ενώ στην κατάντη αμμώδη έκταση μειώνεται κατά 14,93% μετά την κατασκευή TGD. (2) Οι προσαμμώσεις σε διαφορετικούς τύπους καναλιών εμφανίζουν διαφορετικά μορφολογικά χαρακτηριστικά: οι προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού σε ευθυτενές κανάλι εμφανίζουν μετακίνηση προς τα κάτω, αλλά διατηρούν ένα βασικό προφίλ. Οι σημειακές προσαμμώσεις στο μαιανδρικό κανάλι δείχνουν αντίστοιχα διάβρωση και εναπόθεση στις κυρτές και κοίλες όχθες με συγκεκριμένες προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού να κατανέμονται σποραδικά. Οι σημειακές προσαμμώσεις στα πλεξοειδή κανάλια δέχονται διάβρωση και μεταναστεύουν κατάντι ενώ οι προσαμμώσεις στα μέσα του καναλιού εμφανίζουν διάβρωση στο τμήμα της κορυφής τους. (3) Το φράγμα Three Gorges προκάλεσε αξιοσημείωτο έλλειμμα κορεσμού της φέρουσας ικανότητας ιζήματος, που είναι ο κύριος μηχανισμός στερεομεταφοράς και συρρίκνωσης των προσαμμώσεων κατά μήκος του κλάδου Yichang-Chenglingji. Το μοτίβο των καναλιών μπορεί να επηρεάσει τις γεωμορφολογικές εξελίξεις των προσαμμώσεων σε κάποιο βαθμό, καθώς οι προσαμμώσεις στα ευθυτενή κανάλια είναι πιο ευαίσθητες στη ροή του νερού από τα πλεξοειδή κανάλια.
