Το βάρος των πόλεων: Επιπτώσεις αστικοποίησης στο υπέδαφος της Γης

Σε όλο τον κόσμο, οι άνθρωποι επιλέγουν όλο και περισσότερο να ζουν σε πόλεις. Μέχρι το 2050, το 70% του πληθυσμού της Γης θα ζει σε μεγάλες αστικές περιοχές. Κατά την εξέταση μιας μεγάλης πόλης, προκύπτουν ερωτήματα όπως, πόσο ζυγίζει; Ποιες είναι οι επιπτώσεις του στο τοπίο; Προκαλεί μετρήσιμη καθίζηση; Εδώ υπολογίζω το βάρος της αστικοποίησης της περιοχής του Κόλπου του Σαν Φρανσίσκο, όπου ζουν 7,75 εκατομμύρια άνθρωποι ή κοντά στην ακτή. 

Είναι δύσκολο να λογαριάσεις όλα όσα υπάρχουν σε μια πόλη. Υποθέτω ότι το μεγαλύτερο μέρος του βάρους είναι τα κτίρια και το περιεχόμενό τους, γεγονός που επιτρέπει τη χρήση δεδομένων περιγράμματος βάσης και ύψους για να προσεγγίσει τη μάζα τους, η οποία είναι σωρευτικά 1,6·1012 kg.

 Κατασκευάζω μια σειρά από μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων για να μελετήσω τις επιπτώσεις της πίεσης που ασκείται από την κατανομή βάρους. Εντός του ελαστικού πεδίου, εξετάζω τη συμπίεση, την κάμψη, την ισοστατική αντιστάθμιση, την αλλαγή τάσης, τη διαστολή και τις αλλαγές ροής υγρού. Στο μη γραμμικό πεδίο δείχνω παραδείγματα υπολογισμών πρωτογενούς και δευτερογενούς καθίζησης εδαφών υπό φορτίο. 

Η συνδυασμένη μοντελοποιημένη καθίζηση από τα κτιριακά φορτία είναι τουλάχιστον 5–80 mm, με τις μεγαλύτερες συνεισφορές να προέρχονται από τη μη γραμμική καθίζηση και τον ερπυσμό στα εδάφη. Ένα γενικό αποτέλεσμα είναι το κλείσιμο του χώρου των πόρων και η ανακατεύθυνση των υγρών πόρων. Ενώ η υπολογιζόμενη καθίζηση της περιοχής του κόλπου είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με άλλες πηγές υψομετρικής αλλαγής, όπως η άντληση και η επαναφόρτιση υδροφορέων, όλες οι πηγές καθίζησης αφορούν δεδομένη την αναμενόμενη άνοδο της στάθμης της θάλασσας κατά 200–300 mm στο Σαν Φρανσίσκο μέχρι το έτος 2050.

Σε αυτό το άρθρο, υπολογίζω το βάρος μιας μητροπολιτικής περιοχής και μελετώ τις αλλαγές στη στερεή γη κάτω από αυτήν χρησιμοποιώντας τεχνικές αριθμητικής μοντελοποίησης. Θεωρώ ότι η καθίζηση κάτω από αυτό το βάρος δεν είναι ασήμαντη και ότι προστίθεται σε άλλες αιτίες αστικής καθίζησης, όπως η άντληση υπόγειων υδάτων. Καθώς οι παγκόσμιοι πληθυσμοί μετακινούνται δυσανάλογα προς τις ακτές, αυτή η πρόσθετη καθίζηση σε συνδυασμό με την αναμενόμενη άνοδο της στάθμης της θάλασσας μπορεί να επιδεινώσει τον κίνδυνο που σχετίζεται με πλημμύρα.

Η ανθρώπινη δραστηριότητα παρατηρείται ότι επηρεάζει τον φλοιό της Γης. Οι συγκεντρώσεις μάζας που σχετίζονται με την άντληση δεξαμενής νερού βρέθηκε ότι προκαλούν καθίζηση (π.χ. Tangdamrongsubab et al., 2019), επηρεάζουν τους ρυθμούς σεισμών (Gahalaut & Gahalaut, 2010· Talwani, 1997) και ακόμη αλλάζουν το σχήμα και την περιστροφή της Γης (Boy & Chao, 2002). Αναμένεται άμεση διευθέτηση μετά την κατασκευή των κτιρίων (π.χ. Day, 2010) και μπορεί επίσης να συμβεί περαιτέρω απρογραμμάτιστη καθίζηση (π.χ. Polcari et al., 2019· Post, 2019).

Ο πρωταρχικός αντίκτυπος της προσθήκης βάρους σε τοπικές περιοχές αναμένεται να είναι η καθίζηση σε κάποιο μέγεθος. Υπάρχουν πολλές διεργασίες στη Γη που αλλάζουν τα υψόμετρα της επιφάνειας σε σχέση με το επίπεδο της θάλασσας. Επομένως, εάν υπάρχει κάποιο σήμα αλλαγής υψομέτρου από την αστικοποίηση, αναμένεται να τυπωθεί πάνω από πολλά άλλα αποτελέσματα. Οι υψηλότερες αλλαγές μεγέθους συνήθως συνδέονται με την άντληση και την επαναφόρτιση των υπόγειων υδάτων (π.χ. Holzer & Galloway, 2005). για παράδειγμα, η περιοχή Santa Clara Valley της περιοχής του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο υποχώρησε 3,9 m μεταξύ 1916 και 1966 (Πολωνία & Ιρλανδία, 1988). Πιο πρόσφατα, παρατηρείται εποχιακή ανύψωση και καθίζηση της τάξης των 35 mm/έτος (Schmidt & Bürgmann, 2003). Αυτά τα μειωμένα μεγέθη καθίζησης προκύπτουν από μια αλλαγή από την άντληση υπόγειων υδάτων σε μια πρακτική εισαγωγής νερού, το οποίο συγκρατείται σε ταμιευτήρες (Ingebritsen & Jones, 1999).

Οι τεκτονικές δυνάμεις προκαλούν επίσης σταθερές και ξαφνικές υψομετρικές αλλαγές. Γενικά, η περιοχή του Κόλπου του Σαν Φρανσίσκο υποχωρεί αργά με ρυθμούς 1–2 χιλιοστά/έτος (Hammond et al., 2016· Shirzaei & Bürgmann, 2018), αν και σημειώνεται τοπική ανύψωση και καθίζηση της τάξης των ±2 mm/έτος που συνδέονται με δομικές πολυπλοκότητες κατά μήκος των ρηγμάτων San Andreas και Hayward (π.χ. Bürgmann et al., 2006 Ryan et al., 2008). Πιο ξαφνικές αλλαγές συνδέθηκαν με μεγάλους σεισμούς. ο σεισμός M7,9 του 1906 προκάλεσε καθίζηση της τάξης του 0,5–1 m στο παράκτιο Σαν Φρανσίσκο (Geist & Zoback, 1999; Ryan et al., 2008), ενώ ο σεισμός M6,9 του 1989 στη Loma Prieta ανύψωσε τμήματα της Santa Cruz Βουνά έως και 0,6 μ. (Marshall et al., 1991).

Οι υψομετρικές αλλαγές αναφέρονται συνήθως στο επίπεδο της θάλασσας. Ωστόσο, ούτε αυτή η αναφορά είναι σταθερή. Η παγκόσμια στάθμη της θάλασσας αυξήθηκε κατά μέσο όρο 1,7 ± 0,5 mm/έτος κατά τον 20ο αιώνα (Bindoff et al., 2007), γεγονός που, σε συνδυασμό με την καθίζηση των ακτών στην περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο, συνεπάγεται αυξημένο κίνδυνο πλημμύρας (Shirzaei & Bürgmann, 2018). . Μέχρι το έτος 2050, η στάθμη της θάλασσας στο Σαν Φρανσίσκο είναι πιο πιθανό να ανέβει κατά 0,2–0,3 m, ανάλογα με διαφορετικά σενάρια για την παγίδευση της ατμοσφαιρικής θερμότητας (Griggs et al., 2017).

Το υψόμετρο του αστικού εδάφους εξαρτάται επίσης από την κίνηση και τη σταθεροποίηση του ιζήματος. Οι σεισμοί και οι έντονες βροχοπτώσεις προκαλούν συνήθως κατολισθήσεις και ροές συντριμμιών, ειδικά σε περιοχές με πιο απότομη τοπογραφία (π.χ. Mirus et al., 2020). Η κανονική διάβρωση και εναπόθεση από βουνά/λόφους σε λεκάνες επηρεάζεται από το δομημένο περιβάλλον επειδή τα αστικά δίκτυα αποστράγγισης είναι πολύ αποτελεσματικά στη μεταφορά ιζημάτων μακριά από τις πόλεις και επειδή οι πλακόστρωτες περιοχές προκαλούν απορροή στις αστικές λεκάνες απορροής για να αυξήσουν τη διάβρωση στις μη ανεπτυγμένες περιοχές που παραμένουν (Russell et. al., 2017). Και οι δύο επιδράσεις μειώνουν την κανονική συσσώρευση ιζήματος που μπορεί να επιτρέψει σε μια περιοχή να ανακτήσει το υψόμετρο που χάθηκε λόγω καθίζησης. Άλλες ανθρωπογενείς ανακατανομές ιζημάτων περιλαμβάνουν την ανάκτηση παράκτιων εδαφών με πλήρωση ιζημάτων, η οποία, ενώ ανυψώνει προσωρινά το προφίλ της επιφάνειας, σύντομα υπόκειται σε καθίζηση (π.χ. Shirzaei & Bürgmann, 2018) μέσω στάθμισης και συμπίεσης.

Ο μεγαλύτερος κίνδυνος που σχετίζεται με την καθίζηση είναι οι πλημμύρες. Ως εκ τούτου, οι ταχέως αναπτυσσόμενες παράκτιες ή παραποτάμιες πόλεις είναι πιο πιθανό να έχουν επιπτώσεις. Θα πρέπει να είναι δυνατή η βελτίωση των μεθόδων που παρουσιάζονται εδώ χρησιμοποιώντας δορυφορικές ή αεροπορικές φωτογραφίες για να γίνουν πιο λεπτομερείς αναλύσεις σε πιθανές ζώνες πλημμύρας. Τέτοιες λεπτομερείς αναλύσεις θα μπορούσαν επίσης να δώσουν καλύτερες γνώσεις σχετικά με τις αλλαγές του πορώδους στο υπόγειο και τη ροή του ρευστού που προκύπτει.

Tom Parsons

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020AV000277

https://pubs.usgs.gov/publication/70218755