气候变化威胁桥梁和道路：研究提供工具帮助工程师调整基础设施

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在美国各地，为处理河流和溪流中暴雨洪峰而建造的基础设施都是在假设降雨量平均值随时间保持不变的情况下设计的。随着极端天气事件变得越来越频繁，这些系统可能会陷入困境。
但弗吉尼亚大学的研究人员表示，他们不必这样做。他们最近的研究调查了气候变化将如何加剧降雨，以及这对道路、桥梁和水管理系统意味着什么。这项研究采用了先进的流体动力学计算机建模方法，为帮助工程师根据不断变化的条件调整基础设施提供了重要的新工具。
它还通过专门研究气候变化导致的降水量和径流量增加对不同大小流域的影响如何变化，解决了一个研究不足的领域。例如，流入弗吉尼亚州里瓦纳河的地区（约 750 平方英里）与其支流之一摩尔溪（流域面积仅为 35 平方英里）相比情况如何？
土木与环境工程系教授乔纳森·古道尔 (Jonathan Goodall) 说：“通过开发将气候变化与基础设施脆弱性联系起来的模型，我们希望为弹性基础设施提供切实可行的解决方案。”
研究团队由古道尔的前博士导师、现任埃及开罗大学副教授穆罕默德·M·莫西 (Mohamed M. Morsy) 领导，他们在《水文工程杂志》上发表了他们的研究成果，论文标题为“量化气候变化对弗吉尼亚沿海平原不同大小流域峰值流量的影响”。
较小的流域更容易受到伤害
研究人员将弗吉尼亚州沿海平原作为测试案例。研究发现，较小的流域特别容易受到气候变化的影响，峰值流量会急剧增加。由于吸收雨水的土地减少，水流入溪流的速度更快，导致流量激增。
相比之下，较大的流域则具有“阻尼效应”，随着流域面积的增加，径流量的百分比增加会减少。然而，总体洪水风险仍将增加，特别是在研究人员在其计算机模型中使用的最坏气候情景下。在这种最坏情况下，温室气体排放量将大幅增加，导致严重的全球变暖和更多极端天气。
“对较小流域的影响是巨大的，这凸显了我们重新考虑基础设施设计的必要性，”古道尔说。“我们发现，到 2085 年，气候变化可能会导致降雨强度增加 10-40%，具体取决于情景。工程师需要将这些变化纳入桥梁、涵洞和其他水力结构的计算中。”
“不再是可选的”
该研究分析了该州 29 个气象站的未来降雨预测。然后，他们使用二维非稳定流流体动力学模型（称为 TUFLOW）来模拟地形上的水流，以评估弗吉尼亚州沿海平原的未来状况。这些计算机模拟通常用于洪水管理，显示了极端天气事件期间水将如何流动。
在中度至重度气候情景下，到 2045 年降雨强度将增加 10-30%，到 2085 年将增加 10-40%。这可能导致较小流域的峰值流量增加近 50%，而这些流域应对突发洪水的能力较弱。
这项研究的一个关键进展是开发新的回归方程，即根据流域大小、未来降雨预测和气候情景估算峰值流量的数学公式。
古道尔说：“这将有助于决策者优先考虑基础设施升级，并确保新项目能够抵御气候变化。”
这项工作还强调了前瞻性规划的重要性。
古道尔说：“这项研究表明，适应气候变化不再是可有可无的选择。这些见解对于负责沿海地区关键基础设施的工程师和政策制定者来说尤其重要，因为这些地区的洪水风险很高。”