ฟิสิกส์ของการอนุรักษ์ ตอน กลศาสตร์แม่น้ำกับปลาที่หายไป

            สมัยที่ผู้เขียนยังเป็นเด็ก บ้านของผู้เขียนอยู่ใกล้ป่าธรรมชาติบริเวณริมแม่น้ำสายหนึ่ง เมื่อครั้งที่ธรรมชาติยังคงความอุดมสมบูรณ์ หากผู้เขียนพายเรือในแม่น้ำก็จะมีปลาเสือพ่นน้ำหลายตัวเข้ามาแหวกว่ายเคียงไปกับเรือ รวมถึงมีกุ้ง หอย ปู ปลา และแมลงหลากหลายชนิดอาศัยอยู่เป็นจำนวนมาก แต่เมื่อเวลาผ่านไป แม่น้ำลำธารธรรมชาติก็ถูกขุดลอกและแทนที่ด้วยหินกับคอนกรีต เมื่อสำรวจความหลากหลายทางชีวภาพ (Biodiversity) ของพืชและสัตว์ในแหล่งน้ำ ผู้เขียนก็พบว่าระบบนิเวศถูกทำให้เปลี่ยนแปลงไป ในบทความนี้ ผู้เขียนจะพาผู้อ่านไปสำรวจว่าทางน้ำธรรมชาติที่ถูกดัดแปลงเป็นทางน้ำหินและคอนกรีตจะมีผลกระทบต่อระบบนิเวศแหล่งน้ำอย่างไร โดยอาศัยความรู้วิชาฟิสิกส์ วิศวกรรม และสถาปัตยกรรม เป็นพื้นฐาน


          น้ำในธรรมชาติจะไหลจากบริเวณที่มีพลังงานศักย์สูงไปสู่บริเวณที่มีพลังงานศักย์ต่ำโดยการเปลี่ยนพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ เมื่อพิจารณาการไหลของน้ำที่ต้นน้ำจนถึงปลายน้ำจะพบว่าบริเวณพื้นที่สูงจะมีทางน้ำขนาดเล็กที่เรียกว่า ร่องน้ำริน (Rill) เมื่อร่องน้ำรินไหลมารวมกันก็จะกลายเป็นร่องธาร (Gully) เมื่อร่องธารไหลมารวมกันก็จะกลายเป็นลำธาร (Stream) และเมื่อลำธารไหลมารวมกันก็จะกลายเป็นทางน้ำขนาดใหญ่ที่เรียกว่า แม่น้ำ (River) โดยแม่น้ำจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างตามอายุขัยที่เพิ่มมากขึ้น เริ่มจากแม่น้ำแบบตรง (Straight River) ที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ไปเป็นแม่น้ำแบบตวัดโค้ง (Meandering River) และแม่น้ำแบบธารประสานสาย (Braided River) รูปร่างของแม่น้ำจะถูกกำหนดด้วยตัวแปรหลายอย่าง เช่น ความยาว ความกว้าง ความลึก ความชัน ปริมาณน้ำ อัตราเร็วของน้ำ อัตราการกัดเซาะตะกอน อัตราการทับถมตะกอน และความแข็งแรงของตลิ่งที่ขึ้นอยู่กับปัจจัยทางปฐพีกลศาสตร์ (Soil Mechanics) บริเวณด้านข้างของแม่น้ำจะเรียกว่า ที่ราบน้ำท่วม (Floodplain) ซึ่งมีการก่อตัวของคันดินธรรมชาติ (Natural Levee) บริเวณที่มีการสะสมตัวของตะกอนละเอียดใกล้กับทะเลจะเรียกว่า สามเหลี่ยมปากแม่น้ำ (River Delta) การศึกษาตัวแปรทางกายภาพของแม่น้ำเรียกว่า กลศาสตร์แม่น้ำ (River Mechanics) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิชาชลศาสตร์ของทางน้ำเปิด (Hydraulics of Open Channel Flow) ที่ประยุกต์มาจากวิชากลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics)
          เมื่อพิจารณาตัวแปรทางกายภาพและชีวภาพจะพบว่าแม่น้ำลำธารในธรรมชาติมีหน้าที่ขนย้ายมวลน้ำและตะกอนที่อุดมไปด้วยแร่ธาตุจากแผ่นดินไปสู่ทะเล นอกจากนี้ บริเวณริมฝั่งของแม่น้ำลำธารยังมีพืชพรรณต่างๆ เข้ามาเติบโต ทำหน้าที่เป็นแหล่งพักพิงของสัตว์นานาชนิดและช่วยยึดเหนี่ยวมวลดินให้แข็งแรง สิ่งที่น่าสนใจคือระบบรากของต้นไม้ที่อยู่ไกลน้ำกับต้นไม้ที่อยู่ใกล้น้ำจะมีลักษณะแตกต่างกัน โดยปกติ ระบบรากของต้นไม้จะแบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม คือ รากแก้ว (Tap Root) เป็นรากขนาดใหญ่ที่มีบทบาทในการรักษาสมดุลของต้นไม้ รากแขนง (Lateral Root) เป็นรากขนาดเล็กที่งอกออกมาจากรากแก้วโดยทำมุมเอียงหรือแผ่ขนานไปกับดิน และรากวิสามัญ (Adventitious Root) เป็นรากที่มีบทบาทเฉพาะตัวขึ้นอยู่กับชนิดของต้นไม้ โดยต้นไม้ที่อยู่ใกล้น้ำมักจะมีรากพูพอน (Buttress Root) ซึ่งเป็นรากที่แผ่ออกจากโคนต้นไม้เพื่อพยุงลำต้น           กลับมาที่ประเด็นหลักของบทความ เมื่อพิจารณาทางน้ำธรรมชาติในพื้นที่เขตร้อนชื้นอย่างประเทศไทย เราจะพบว่าทางน้ำธรรมชาติเหล่านั้นแทบทั้งหมดจะมีตะกอนและสังคมพืชริมน้ำปกคลุมอยู่ ตะกอนเหล่านี้มีบทบาทในการพัดพาแร่ธาตุ รวมถึงมีผลต่อการกระเจิง (Scattering) และการดูดกลืน (Absorption) ของแสงภายในน้ำ ขณะที่สังคมพืชริมน้ำมีบทบาททำให้เกิดร่มเงา (Shading Effect) บนผิวน้ำ คอยควบคุมอุณหภูมิและอัตราการระเหยของน้ำไม่ให้มีค่าสูงเกินไป เป็นแหล่งอนุบาลตัวอ่อนของสัตว์ รักษาสมดุลของดินทางปฐพีกลศาสตร์ และดูดซับสารพิษก่อนที่จะไหลลงทางน้ำ (Buffer Zone)


          อันดับแรก เราจะพิจาณาการเปลี่ยนแปลงของ “แสง” กันก่อน เมื่อทางน้ำธรรมชาติถูกขุดลอกและแทนที่ด้วยหินกับคอนกรีต สิ่งที่เกิดขึ้นคือตะกอนจะลดจำนวนลง การกระเจิงและการดูดกลืนแสงจึงเปลี่ยนแปลงไป สังคมพืชริมน้ำที่หายไปทำให้ร่มเงาที่ทอดยาวบริเวณริมน้ำหายไป แสงสว่างจึงส่องลงไปในน้ำมากขึ้น นอกจากนี้ หินและคอนกรีตก็มีสีค่อนข้างขาว ความสามารถในการสะท้อนแสง (Albedo) จึงมีค่าสูง บริเวณรอบทางน้ำจึงสว่างมากขึ้น หากเปรียบเทียบกับคนเรา ผู้อ่านลองจินตนาการว่าเรากำลังยืนอยู่ใต้ร่มเงาของต้นไม้กับยืนตากแดดอยู่บนพื้นหินสีขาวกลางแดดจ้าดูสิครับ แบบที่สองทั้งร้อนและแสบตาใช่ไหมล่ะ!


          อันดับที่สอง เราจะพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของ “อุณหภูมิ” แม้หินและคอนกรีตจะมีสีค่อนข้างขาว แต่พวกมันก็มีความหนาและมีสภาพการนำความร้อน (Thermal Conductivity) กับความจุความร้อน (Heat Capacity) ที่ค่อนข้างต่ำและไม่สามารถสะสมความชื้นได้เหมือนกับดิน พื้นผิวของหินและคอนกรีตจึงมีการดูดกลืนความร้อน (Heat Absorption) จนทางน้ำร้อนขึ้น และคอนกรีตอาจเกิดความเสียหายเนื่องจากการขยายตัวเชิงความร้อน (Thermal Expansion) อีกด้วย ในขณะที่ทางน้ำธรรมชาติที่ถูกปกคลุมด้วยสังคมพืชจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า เนื่องจากใบของพืชนั้นบางมากและสั่นไหวไปตามแรงลม การถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) โดยการนำความร้อน (Heat Conduction) และการพาความร้อน (Heat Convection) จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่า การเปลี่ยนแปลงนี้คล้ายคลึงกับปรากฏการณ์เกาะความร้อนในเมือง (Urban Heat Island) ที่อุณหภูมิของตัวเมืองสูงกว่าอุณหภูมิของบริเวณที่ไม่ใช่ตัวเมือง การสร้างอาคารรุ่นใหม่จึงต้องคำนึงถึงดัชนีการสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Reflectance Index) เพื่อควบคุมอุณหภูมิของอาคารไม่ให้มีค่าสูงจนเกินไปและมีส่วนช่วยในการประหยัดพลังงาน           อันดับที่สาม เราจะพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของ “การสั่นสะเทือน” โดยสมมติว่ามีแหล่งกำเนิดพลังงานทำหน้าที่แผ่คลื่นไหวสะเทือน (Seismic Wave) ออกไปโดยรอบ ถึงแม้หินและคอนกรีตจะมีความหนาแน่นสูง กล่าวคือมีมวลมากกว่าดินในปริมาตรที่เท่ากัน ทำให้ระยะเวลาการสั่นสะเทือน (Shaking Time) มีค่าน้อยกว่าดิน แต่ดินมีความสามารถในการยืดหยุ่นทำให้สามารถดูดซับพลังงานและคืนตัวโดยมีการเสียรูปต่ำ และดินยังสามารถถ่ายเทพลังงานของการสั่นสะเทือนไปสู่ตะกอน หิน และต้นไม้ที่อยู่บนพื้นผิว พลังงานของการสั่นสะเทือนจึงถูกดูดกลืนได้ดี หลักการดังกล่าวคล้ายกับหน้าที่ของหินโรยทาง (Track Ballast) ที่รองรับแรงสั่นสะเทือนบนรางรถไฟ


          เมื่อแสงสว่าง อุณหภูมิ และการสั่นสะเทือนบริเวณทางน้ำเปลี่ยนแปลงไป สัตว์ที่มีความไว (Sensitivity) ต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมก็จะ “หนี” ทำให้ทางน้ำมีความอุดมสมบูรณ์น้อยลง การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะมีผลกระทบต่อสัตว์จำพวกแมลง กุ้ง ปู ปลา และหอย เรียงลำดับจากมากไปหาน้อย และทำให้สัตว์ในธรรมชาติเหล่านี้ลดจำนวนลง นี่เป็นตัวอย่างของการประยุกต์ความรู้ทางฟิสิกส์เข้ากับความรู้ทางพฤติกรรมวิทยา (Ethology) ของสัตว์น้ำ


          แม้การดัดแปลงทางน้ำธรรมชาติให้เป็นทางน้ำหินและคอนกรีตจะทำให้มนุษย์สามารถควบคุมสัมประสิทธิ์ความขรุขระของแมนนิ่ง (Manning’s Roughness Coefficient) บนพื้นผิวของทางน้ำ การคงรูปของทางน้ำ การไหลของน้ำ และรองรับปริมาณน้ำได้มากขึ้น แต่มันก็ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศแหล่งน้ำเช่นกัน ซึ่งจากความรู้ ประสบการณ์ และการสืบค้นข้อมูล ผู้เขียนพบว่าการขุดลอกและเปลี่ยนทางน้ำธรรมชาติให้กลายเป็นหินและคอนกรีตตลอดทั้งสายไม่เป็นที่นิยมแล้วในต่างประเทศ โดยการดัดแปลงควรละเว้นบริเวณที่มีระบบนิเวศอุดมสมบูรณ์ แต่สามารถทำการดัดแปลงเฉพาะจุดในบริเวณที่ทางน้ำไหลผ่านตัวเมืองโดยอาศัยความรู้ทางภูมิสถาปัตยกรรมเข้ามาช่วยในการออกแบบทางน้ำให้มีสมบัติใกล้เคียงกับทางน้ำธรรมชาติมากที่สุด

          จากข้อมูลที่ผู้เขียนนำมาเล่าสู่กันฟัง ผู้อ่านคงเห็นแล้วว่าการรู้เพียงศาสตร์หนึ่ง แต่ไม่รู้อีกหลายศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกันก็ไม่ต่างจากการเห็นโลกเพียงส่วนเดียวโดยไม่เห็นโลกในภาพรวม แต่เมื่อเราเรียนรู้ศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกันจนครบถ้วน เราก็จะรู้ข้อดีและข้อเสียรวมถึงสามารถปรับปรุงข้อเสียให้ดียิ่งขึ้น สิ่งสำคัญคือการผสมผสานความรู้จากสาขาที่แตกต่างกันเข้าด้วยกัน เพื่อทำให้เกิดความรู้และความเข้าใจ จนเกิดเป็นการพัฒนาที่ถูกต้องและยั่งยืน เพราะวิทยาศาสตร์ทุกสาขาล้วนเป็นหนึ่งเดียวและไม่อาจแยกออกจากกันได้

 

อ้างอิง

• หนังสือ Urban Wildlife Management โดย Clark E. Adams, Kieran J. Lindsey, and Sara J. Ash
• รายงาน U.S. Geological Survey Circular ฉบับที่ 1232-1240 เรื่อง Aquatic ecosystems are more degraded in concrete channels than in either channelized streams or natural channels
• https://www.researchgate.net/figure/River-classification-delineation-showing-longitudinal-cross-sectional-and-plan-views-of_fig3_315965422?fbclid=IwAR0QWT4xjCcNpjHt5Kur2jS5G-kVGDSqDyn26oMjfhVYzxYuIFmMrLn51b4
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thrcn.html
• https://heatisland.lbl.gov/resources/definitions-and-terms
• http://www.fsl.orst.edu/geowater/FX3/help/8_Hydraulic_Reference/Mannings_n_Tables.htm
• https://blog.nwf.org/2016/11/fish-grow-on-trees/?fbclid=IwAR29ymn03PPgzEodMPluv1tnxxkwzqwQTnecr380DhFTVH-8JlS6DQxeP1U
• https://link.springer.com/article/10.1007/BF00872284?fbclid=IwAR2O4zTsWlGe7O-Kr_JFmtlbkV5oRz-1JHOK1YeYWiroY6t6QFa7FPl3A5I
• https://www.continental.com/en/press/press-releases/sound-insulation-for-marine-life--134416?fbclid=IwAR0o76YtLvR2246NAghDxnEMGo8GuqXWeLgml958Lvs7vDgl02t5vl4Bw9o