ฟิสิกส์ของพื้นผิวโลก ตอนที่ 4 วิกฤตการณ์ของแม่น้ำและการกัดเซาะชายฝั่ง

          หลายสิบปีที่ผ่านมามีการสร้างฝาย ประตูระบายน้ำ และเขื่อนจำนวนมากเพื่อสำรองน้ำไว้อุปโภคบริโภค ทำเกษตรกรรม บรรเทาน้ำท่วม และผลิตไฟฟ้า โครงสร้างทางชลศาสตร์เหล่านี้มีอำนาจในการควบคุมการถ่ายเทมวลและพลังงาน (Mass and Energy Transfer) ของแม่น้ำลำธาร แต่ประโยชน์ที่รับมาล้วนมีราคาที่ต้องจ่าย ซึ่งคนส่วนใหญ่มักจะนึกถึงการสูญเสียป่าอันเป็นที่อยู่ของสัตว์ป่า โดยขนาดและลักษณะของเขื่อนจะขึ้นอยู่กับปัจจัยรูปร่างของหุบเขา (Valley Shape Factor) แต่ความจริงแล้วเขื่อนยังส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของมวลน้ำ ตะกอนในน้ำ และสัตว์น้ำด้วย เพราะเมื่อเขื่อนถูกสร้างกั้นแม่น้ำ น้ำด้านหน้าเขื่อนจะไหลช้าลง ยกระดับสูงขึ้น และเอ่อท่วมบริเวณหน้าเขื่อน (Backwater) ตะกอนส่วนหนึ่งจึงตกสะสมอยู่ที่หน้าเขื่อนตามกฎของสโตกส์ (Stokes Law) เมื่อเวลาผ่านไปโดยไม่มีการระบายตะกอนออกอย่างต่อเนื่องก็จะทำให้เกิดปรากฏการณ์น้ำหิว (Hungry Water Effect) เพราะปกติแล้วแม่น้ำจะใช้พลังงานส่วนหนึ่งในการโอบอุ้มตะกอน แต่เมื่อตะกอนถูกดักเอาไว้ในเขื่อน น้ำที่ไหลออกมาจากเขื่อนจึงมีตะกอนอยู่น้อย ความสามารถในการกระเจิงแสง (Scattering) และดูดกลืนแสง (Absorption) ของน้ำจึงต่ำลง ทำให้น้ำมีสีเขียวใสอมฟ้าและมีพลังงานคงเหลือในรูปของความจุถ่ายเทส่วนเกิน (Excess Transport Capacity) น้ำจึงมีพลังงานในการกัดเซาะตะกอนริมตลิ่งและท้องน้ำมากขึ้น เมื่อตะกอนขนาดเล็กในแม่น้ำถูกพัดพาออกไปจนเหลือเพียงก้อนหินขนาดใหญ่ก็จะเรียกท้องน้ำลักษณะนี้ว่า ท้องน้ำสวมเกราะ (River Bed Armoring) ในด้านวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและภัยพิบัติ เขื่อนบางแห่งอย่าง Milltown Dam ที่กั้นแม่น้ำ Clark Fork ก็มีการทำเหมืองจนสารอันตรายปนเปื้อนมากับน้ำและตะกอน รวมถึงการกักเก็บน้ำของเขื่อนบางแห่งก็สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการไหวสะเทือน (Reservoir Induced Seismicity หรือ RIS) แต่แผ่นดินไหวมักมีขนาดเล็กถึงขนาดกลาง ความเร่งสูงสุดของผิวดิน (Peak Ground Acceleration) จึงมีค่าน้อย เขื่อนที่ออกแบบมาอย่างถูกต้องจึงไม่เกิดความเสียหาย
            จากปัญหาดังกล่าว หลายประเทศจึงทำการรื้อถอนเขื่อน (Dam Removal) ที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรงออกไปเป็นจำนวนมาก เช่น การรื้อถอนเขื่อนในแม่น้ำ Elwha ได้ทำให้กองตะกอนที่สูงเทียบเท่าตึก 50 ชั้นถูกพัดพาออกสู่ชายฝั่งภายในเวลาไม่นาน โดยอัตราการตกตะกอนในแหล่งน้ำสามารถคำนวณได้จากการวิเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด เช่น ซีเซียม-137 ที่เกิดจากการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ โดยตะกอนในธรรมชาติจะจับตัวกับฝุ่นกัมมันตรังสี (Fallout) แล้วตกสะสมอยู่ที่ท้องน้ำ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถเจาะแท่งตะกอนขึ้นมาวิเคราะห์หาอัตราการตกสะสมของตะกอน (Sediment Deposition Rate) เพื่อคำนวณหาอายุการใช้งานของเขื่อนซึ่งอาจมีค่าตั้งแต่ 20 ปีจนถึงหลักร้อยปี แต่เนื่องจากเขื่อนยังมีความจำเป็นต่อการบริหารจัดการน้ำในปัจจุบัน จึงต้องมีการเจอกันครึ่งทาง เขื่อนรุ่นใหม่จึงพัฒนาวิธีระบายตะกอนแบบต่างๆ เพื่อทำให้การถ่ายเทตะกอนเป็นไปได้ง่ายขึ้น เช่น เขื่อนแบบไหลผ่าน (Flow Through Dam) อุโมงค์ผันตะกอน (Sediment Bypass Tunnel) และการถ่ายเทตะกอนแบบเป็นระยะ (Drawdown-Flushing-Refill)
 
            จากความรู้วิชาวิทยาศาสตร์แม่น้ำ (River Science) แต่ละบริเวณของแม่น้ำลำธารในธรรมชาติจะมีอัตราการไหลของน้ำที่แตกต่างกัน สัตว์น้ำและพืชน้ำจึงกระจายตัวอยู่ในบริเวณที่แตกต่างกันตามหลักชีวภูมิศาสตร์ (Biogeography) และมีการย้ายที่อยู่อาศัยตามฤดูกาล (Seasonal Migration) แต่การกักเก็บน้ำของเขื่อนทำให้ระดับน้ำในแม่น้ำไหลช้าลงและยกตัวสูงขึ้น บริเวณผิวน้ำจึงเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนกับแสงอาทิตย์ (Heat Exchange) ทำให้มีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำด้านล่างจนเกิดการแยกชั้นของอุณหภูมิ (Thermal Stratification) เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำที่แตกต่างกันและทำให้อัตราการแลกเปลี่ยนออกซิเจนบนผิวน้ำกับท้องน้ำมีค่าแตกต่างกัน ปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (Dissolved Oxygen หรือ DO) ที่ผิวน้ำจึงมีค่ามาก แต่ที่ท้องน้ำมีค่าน้อย เมื่อเขื่อนทำการปล่อยน้ำก็จะทำให้น้ำที่มีอุณหภูมิและออกซิเจนต่ำไหลออกสู่แม่น้ำจนสมบัติของน้ำในแม่น้ำเปลี่ยนแปลงไปชั่วขณะ ด้วยเหตุนี้ เขื่อนแบบใหม่จึงมีโครงสร้างให้ปลาสามารถว่ายผ่านได้ง่ายขึ้น เช่น คลองผันปลา (Fish Bypass Canal) บันไดปลา (Fish Ladder) ลิฟต์ปลา (Fish Lift) ท่อปลาผ่านแบบฝังดิน (Siphon Fish Ladder) และท่อปลาผ่านแบบสูบลม (Air Pump Fish Tube) แต่เทคโนโลยีเหล่านี้มีข้อจำกัด เพราะทางปลาผ่านแบบหนึ่งอาจใช้ได้กับปลากลุ่มหนึ่ง แต่อาจใช้ไม่ได้กับปลาและสัตว์น้ำกลุ่มอื่น นวัตกรรมเหล่านี้จึงเป็นการบรรเทาแต่ยังไม่สามารถแก้ปัญหาได้ การบริหารจัดการน้ำในปัจจุบันจึงนิยมเปลี่ยนไปใช้โครงข่ายแหล่งน้ำแบบกระจายศูนย์ (Distributed Reservoir Network) ซึ่งเป็นการสร้างอ่างเก็บน้ำขนาดต่างๆ จำนวนมากที่ถูกเชื่อมต่อกันด้วยคลองหรือท่อกระจายทั่วพื้นที่ที่เหมาะสมเพื่อให้น้ำสามารถถ่ายเทหากัน รองรับการกระจายตัวของกลุ่มฝนตามหลักอุทกอุตุนิยมวิทยา (Hydrometeorology) ไม่สุ่มเสี่ยงต่อการแตกของเขื่อน และปล่อยน้ำไปยังพื้นที่น้ำกร่อยเพื่อรักษาความเค็มและดันน้ำทะเล โดยไม่รบกวนแม่น้ำลำคลองมากนัก แม้โครงสร้างทางชลศาสตร์รุ่นใหม่จะเป็นมิตรต่อระบบนิเวศมากขึ้น แต่ผลการศึกษาตลอดหลายสิบปีที่ผ่านมาก็ชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างทางชลศาสตร์รุ่นเก่าได้ทำให้สัตว์น้ำลดจำนวนลงและดักตะกอนเอาไว้บนแผ่นดินเป็นปริมาณมาก เมื่อตะกอนเดินทางไปไม่ถึงชายฝั่ง ชายฝั่งก็จะอยู่ในสภาพขาดตะกอนและกลายเป็นสาเหตุหนึ่งของการกัดเซาะชายฝั่ง (Coastal Erosion)


          ทะเลเป็นแหล่งอาหารและเส้นทางเดินเรือมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่เมื่อชายฝั่งถูกจู่โจมด้วยน้ำขึ้นจากพายุ (Storm Surges) มนุษย์จึงระเบิดหินจากภูเขามาสร้างกำแพงหินริมทะเลเพื่อปกป้องที่อยู่อาศัยของตน ปัจจุบัน บางประเทศยังมีการก่อสร้างโครงสร้างแข็ง (Hard Structure) ไม่ว่าจะเป็นกระสอบทราย (Sandbag) แนวหินทิ้ง (Riprap) กำแพงกันคลื่น (Seawall หรือ Revetment) เขื่อนกันคลื่นนอกชายฝั่ง (Offshore Breakwater) คันดักตะกอน (Groin) และกำแพงปากแม่น้ำ (Jetty) เพื่อป้องกันการกัดเซาะชายฝั่งและปากแม่น้ำ แต่เมื่อความรู้ด้านพลวัตสัณฐานของชายฝั่ง (Coastal Morphodynamics) พัฒนามากขึ้นก็พบว่าหาดทรายจะมีการกัดเซาะในฤดูมรสุม แต่เมื่อเข้าสู่ฤดูที่ไม่มีมรสุม ทรายก็จะถูกน้ำพัดพากลับมายังหาดทรายดังเดิม แม้โครงสร้างแข็งจะทำให้หาดทรายสามารถคงรูปอยู่ถาวร แต่ผลการศึกษาในปัจจุบันกลับพบว่าโครงสร้างแข็งเหล่านี้กำลังทำให้หาดทรายหายไปเรื่อยๆ โดยเราสามารถอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ด้วยหลักการเคลื่อนที่ของคลื่น (Wave Motion) เพราะเมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากเขตน้ำลึกเข้าสู่เขตน้ำตื้น (Wave Shoaling) คลื่นจะสูญเสียพลังงานไประหว่างการเคลื่อนที่เนื่องจากแรงเสียดทานของพื้นทราย ทำให้อัตราเร็วและความยาวคลื่นลดลง คลื่นจึงยกตัวขึ้นในรูปของ Spilling, Plunging, Collapsing และ Surging ก่อนจะแตกสลาย (Breaking) ในบริเวณหาดทรายโดยขึ้นอยู่กับกลุ่มตัวแปรของ Surf Similarity Parameter (Iribarren Number) ได้แก่ ความสูงของคลื่น ความยาวของคลื่น และความชันของชายฝั่ง แต่เมื่อมีโครงสร้างที่แข็งและมีความชันสูงมาขวางกั้น คลื่นที่เข้าปะทะหาดทรายก็จะเกิดการสะท้อนกลับ (Reflection) ทำให้ตะกอนที่ฐานของโครงสร้างแข็งถูกกัดเซาะออกไป (Toe Scoring) จนเหลือเพียงกองหินหรือกำแพงคอนกรีต ชายฝั่งที่เต็มไปด้วยวัสดุแข็งจะเรียกว่า ชายฝั่งสวมเกราะ (Coastal Armoring)            หากด้านปลายของโครงสร้างแข็งมีหาดทรายอยู่ คลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านช่องว่างหรือขอบของสิ่งกีดขวางจะเกิดการเลี้ยวเบน (Diffraction) ไปด้านข้างแล้วอ้อมไปด้านหลังของสิ่งกีดขวาง หากคลื่นที่เลี้ยวเบนมีพลังงานมากพอก็จะทำให้หาดทรายที่อยู่ด้านข้างหรือด้านหลังของโครงสร้างแข็งถูกกัดเซาะหายไป (End Effect) ส่วนโครงสร้างแข็งที่ยื่นออกไปนอกชายฝั่งก็สามารถดักตะกอนที่ถูกพัดพามาตามหาดทราย (Longshore Sediment) ตะกอนจึงถูกดักเอาไว้ที่หาดทรายด้านหนึ่ง แต่ทำให้หาดทรายอีกด้านหนึ่งถูกกัดเซาะแทน
            การรับมือกับการกัดเซาะชายฝั่งจึงต้องพิจารณาอย่างถี่ถ้วนว่าพื้นที่ดังกล่าวมีการกัดเซาะจริงหรือไม่ หากมีการกัดเซาะก็ต้องตรวจสอบว่ามีสาเหตุมาจากอะไรและแก้ปัญหาให้ถูกจุดด้วยวิธีที่เหมาะสม เพราะการหายไปของหาดทรายจะส่งผลเสียต่อวิถีชีวิต การท่องเที่ยว และระบบนิเวศ ปัจจุบันจึงมีวิธีรักษาหาดทรายที่เป็นมิตรมากขึ้น เช่น การกำหนดระยะถอยร่น (Setback) เพื่อแบ่งเขตชุมชนและเขตหาด การเติมและถ่ายเททราย (Sand Fill and Bypassing) เพื่อทดแทนทรายที่หายไป การทำแนวรั้วดักทราย (Sand Fencing) เพื่อทำให้ทรายตกสู่หาดทราย การปลูกหญ้าทะเล (Seagrass Building) เพื่อเพิ่มความเสียดทานบนพื้นทะเล การติดตั้งกำแพงกันคลื่นแบบทุ่นลอย (Floating Breakwater) และการติดตั้งกำแพงกันคลื่นแบบรูพรุนขนาดเล็ก (Small Porous Breakwater) นอกจากนี้ นักวิจัยหลายกลุ่มยังพัฒนาเทคโนโลยีเก็บเกี่ยวพลังงานคลื่น (Wave Energy) และพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง (Tidal Wave) โดยการผนวกรวมโครงสร้างบรรเทาการกัดเซาะชายฝั่งและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เช่น กำแพงกันคลื่นใต้น้ำที่ติดตั้งใบพัดผลิตไฟฟ้า
            แม้ภาวะโลกร้อน (Global Warming) จะทำให้ธารน้ำแข็งบนแผ่นดินละลายและทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้นประมาณปีละ 1 ถึง 3 มิลลิเมตร แต่ภูมิอากาศท้องถิ่น รูปร่างของอ่าว การยกตัวและจมตัวของชายฝั่ง กระแสน้ำในมหาสมุทร และอันตรกิริยาทางแรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับดวงจันทร์จะทำให้ระดับน้ำทะเลในแต่ละตำแหน่งสูงขึ้นไม่เท่ากัน แต่งานวิจัยใหม่ที่รายงานในวารสาร Nature Climate Change ระบุว่าหากปริมาณแก๊สเรือนกระจกสูงขึ้นจนพลังงานความร้อนในบรรยากาศมีความแตกต่างของการแผ่รังสีอยู่ที่ระดับ RCP8.5 หรือประมาณ 8.5 วัตต์ต่อตารางเมตร ผลที่ตามมาคือระดับน้ำทะเลจะสูงขึ้น 84 เซนติเมตร หาดทราย 49.5 เปอร์เซ็นต์จะหายไปภายในปี ค.ศ.2100 และเกิดปัญหาผู้ลี้ภัยทางภูมิอากาศ (Climate Refugee) เพราะน้ำทะเลเอ่อท่วมชายฝั่งและเปลี่ยนเกาะกลางทะเลบางแห่งเป็นเมืองบาดาล


          จากบทความฟิสิกส์ของพื้นผิวโลกทั้ง 4 ตอน ผู้อ่านคงเห็นแล้วว่าความรู้ทางฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา คณิตศาสตร์ และวิศวกรรมสามารถเชื่อมโยงและร้อยเรียงความสัมพันธ์ของท้องฟ้า ภูเขา ป่า แม่น้ำ และทะเลเข้าด้วยกันจนเป็นหนึ่งเดียว เราจึงต้องรู้และมองเห็นทั้งรายละเอียดและภาพรวมว่าธรรมชาติมีกระบวนการทำงานอย่างไร เพื่อให้มนุษย์กับธรรมชาติสามารถอยู่ร่วมกันบนดาวเคราะห์สีฟ้าที่เป็น “บ้าน” ของเราดวงนี้ไปอีกนานแสนนาน
 

อ้างอิง

• หนังสือ ธรณีพิบัติภัย: การเรียนรู้และจัดการ โดย ปกรณ์ สุวานิช
• หนังสือ ธรณีสัณฐานวิทยาพื้นฐาน โดย รศ.ดร.มนตรี ชูวงษ์
• บทความ การพังทลายของชายหาดจากสิ่งก่อสร้างริมทะเล โดย รศ.ดร.สมบูรณ์ พรพิเนตพงศ์
• https://www.wildtrout.org/content/weirs-culverts-and-barriers?fbclid=IwAR2wiJ5H7OoBraoMC1c8ytTJY2msxxTK4GrXORMswqBiFsjTTrQK9qZsOS8
• https://clarkfork.org/our-work/what-we-do/restore-the-best/confluence/?fbclid=IwAR0LgguUXn4940l7SSnBAzZcH4vsDy6J_36jPiUGvSliOBkQJ-eXP7DIDsw
• https://www.researchgate.net/publication/225898396_Hungry_Water_Effects_of_Dams_and_Gravel_Mining_on_River_Channels?fbclid=IwAR2SaYHJm6GxKIe-6cQnIJd8GQu8s7IpRsBakxkUY92SzEVdSteg2Giot-k
• https://www.usgs.gov/news/moving-mountains-elwha-river-still-changing-five-years-after-world-s-largest-dam-removal?fbclid=IwAR3quDt7mfXUESxmyiEy4JNZN6vHQMfnuVUfO-fKgUvKi2IeJL2_JFgT3aM
• https://oceanservice.noaa.gov/facts/shoreline-armoring.html?fbclid=IwAR246n_XWWhqkcAUuY1O9seZAaHOGj99Kx99zpapLcj7c1cL6ZEQKy9Syok
• https://phys.org/news/2019-05-seagrass-strong-potential-curbing-erosion.html
• https://m.phys.org/news/2020-03-world-beaches.html?fbclid=IwAR3ZT353WHlMAsYK--oI0kSanb9-sHbedtZFE_SjTZv4f1we5txycRqAo60
• https://news.stanford.edu/2017/02/15/qa-oroville-dam-breach-context/?fbclid=IwAR0SBT-l_5UgRSAb5HiRuBZ3_9DaK3R2bRk8Xfoz-PNgL5AgKnhmgS53a-I