Earth Surface Processes and Landforms

Phân tích kích thước hạt là một công cụ cần thiết để phân loại môi trường trầm tích. Tuy nhiên, việc tính toán thống kê cho nhiều mẫu có thể là một quá trình tốn nhiều công sức. Một chương trình máy tính có tên là GRADISTAT đã được viết ra để phân tích nhanh các thống kê kích thước hạt từ bất kỳ kỹ thuật đo lường tiêu chuẩn nào, chẳng hạn như sàng lọc và đo kích thước hạt bằng laser. Giá trị trung bình, chế độ, độ phân loại, độ lệch và các thống kê khác được tính toán theo cách số học và hình học (trong đơn vị mét) cũng như logarithm (trong các đơn vị phi) bằng cách sử dụng phương pháp đồ họa moment và Folk và Ward. So sánh phương pháp cho phép gán các thuật ngữ mô tả của Folk và Ward cho thống kê moment. Kết quả cho thấy rằng các phương pháp của Folk và Ward, được biểu diễn bằng đơn vị mét, dường như cung cấp nền tảng vững chắc nhất cho các so sánh định kỳ của các trầm tích có thành phần biến đổi. Chương trình chạy trong gói bảng tính Microsoft Excel và có tính linh hoạt cao, chấp nhận dữ liệu kích thước tiêu chuẩn và không tiêu chuẩn, đồng thời sản xuất nhiều đầu ra đồ họa bao gồm biểu đồ tần số và đồ thị ba thành phần. Bản quyền © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.

Địa hình bề mặt đất có ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình thoát nước và xói mòn. Một hệ thống được phát triển để xác định độ dốc, hướng và độ cong trong cả hai hướng dốc xuống và ngang dốc, dựa trên một ma trận độ cao. Ngoài ra, khu vực thoát nước phía trên dốc và khoảng cách thoát nước tối đa được xác định cho mỗi điểm trong ma trận độ cao. Một chương trình FORTRAN 66 thực hiện phân tích này.

Các hiện tượng trượt đất thường gắn liền với một yếu tố kích thích, chẳng hạn như động đất, tan chảy tuyết nhanh hoặc bão lớn. Sự kiện trượt đất có thể bao gồm một trượt đất đơn lẻ hoặc hàng ngàn trượt đất. Phân phối tần suất - diện tích (hoặc thể tích) của một sự kiện trượt đất đo lường số lượng trượt đất xảy ra ở các kích thước khác nhau. Chúng tôi đã khảo sát ba sự kiện trượt đất được ghi chép đầy đủ, từ Italy, Guatemala và Hoa Kỳ, mỗi sự kiện có cơ chế kích thích khác nhau, và nhận thấy rằng diện tích trượt đất cho cả ba đều được xấp xỉ tốt bởi cùng một phân phối gamma nghịch ba tham số. Đối với diện tích trượt đất nhỏ, phân phối này có một 'cuộn' theo kiểu hàm mũ và đối với diện tích trượt đất trung bình và lớn, nó giảm theo quy luật phân lực với số mũ -2,40. Một hàm ý của phân phối trượt đất này là diện tích trung bình của trượt đất trong phân phối là độc lập với kích thước của sự kiện. Chúng tôi cũng giới thiệu một thang độ lớn sự kiện trượt đất m_L = log(N_LT), với N_LT là tổng số trượt đất liên quan đến một kích thích. Nếu một bảng thống kê sự kiện trượt đất không đầy đủ (tức là các trượt đất nhỏ hơn không được đưa vào), bảng thống kê một phần có thể được so sánh với phân phối xác suất trượt đất của chúng tôi, và độ lớn sự kiện trượt đất tương ứng có thể được suy ra. Kỹ thuật này có thể được áp dụng cho các bảng thống kê trượt đất lịch sử, suy ra tổng số trượt đất đã xảy ra trong suốt thời gian địa chất, và bao nhiêu trong số này đã bị xóa bỏ bởi xói mòn, thực vật, và hoạt động của con người. Chúng tôi cũng đã xem xét ba bảng thống kê cụ đá chiếm ưu thế, và nhận thấy rằng các phân phối tần suất - kích thước khác biệt đáng kể so với các loại trượt đất khác. Chúng tôi đề xuất rằng phân phối tần suất - kích thước mà chúng tôi đưa ra cho trượt đất (không bao gồm cụ đá) sẽ hữu ích trong việc định lượng mức độ nghiêm trọng của các sự kiện trượt đất và đóng góp của trượt đất vào xói mòn.

Các hệ thống thông tin địa lý (GIS) và bản đồ học số có thể hỗ trợ đáng kể trong việc phát triển và sử dụng các mô hình thống kê để đánh giá nguy cơ sạt lở đất ở khu vực.

Từ một lưu vực thoát nước nhỏ nằm ở miền Trung Italia, các yếu tố địa chất và địa hình quan trọng đã được thu thập và xử lý bằng cách áp dụng công nghệ GIS. Cụ thể, các mô-đun đã được sử dụng để tạo ra các mô hình địa hình số có độ chính xác cao và tự động phân chia địa hình thành các đơn vị dốc chính. Thông tin kết quả sau đó đã được phân tích bằng phương pháp phân biệt, cho phép đánh giá nguy cơ và rủi ro sạt lở đất trong mỗi đơn vị dốc. Mặc dù phương pháp này không thiếu những thiếu sót, nhưng cho thấy là một cách tiếp cận khả thi và hiệu quả về chi phí trong việc đánh giá và lập bản đồ độ nhạy sạt lở đất.

Các khảo sát địa hình lặp lại ngày càng trở nên kinh tế hơn, và có thể thực hiện ở độ phân giải không gian cao hơn và trên diện tích không gian rộng hơn. Các mô hình độ cao số (DEMs) được xây dựng từ các khảo sát này có thể được sử dụng để sản xuất các bản đồ DEM của sự khác biệt (DoD) và ước lượng sự thay đổi ròng về mặt lưu trữ cho ngân sách trầm tích hình thái. Mặc dù những sản phẩm này rất hữu ích cho việc giám sát và diễn giải hình thái, nhưng sự không chắc chắn về dữ liệu và mô hình khiến chúng dễ bị hiểu sai. Hai phương pháp mới được trình bày, cho phép ước lượng sự không chắc chắn của DEM trở nên vững chắc hơn và có tính biến đổi không gian, đồng thời chuyển tiếp những ước lượng này để đánh giá hậu quả cho ước lượng về sự thay đổi hình thái. Phương pháp đầu tiên dựa vào hệ thống suy diễn mờ để ước lượng tính biến đổi không gian của sự không chắc chắn về độ cao trong các DEM riêng lẻ trong khi phương pháp thứ hai điều chỉnh ước lượng này dựa trên tính nhất quán không gian của các đơn vị xói mòn và lắng đọng. Cả hai kỹ thuật đều cho phép đại diện xác suất của sự không chắc chắn trên cơ sở từng ô và phân ngưỡng ngân sách trầm tích tại một khoảng tin cậy do người dùng chỉ định. Việc ứng dụng các kỹ thuật mới này được minh họa bằng 5 năm dữ liệu khảo sát độ phân giải cao từ một đoạn sông dài 1 km của sông Feshie ở vùng cao nguyên Scotland. Đoạn sông được phát hiện thường xuyên có sự suy thoái, với lượng xói mòn ròng từ 570 đến 1970 m³ mỗi năm, mặc dù về mặt không gian, lượng lắng đọng bao phủ diện tích bề mặt lớn hơn lượng xói mòn. Trong hai thời kỳ ẩm ướt với mực nước lắng đọng lớn, phân tích sự không chắc chắn đã loại trừ một tỷ lệ lớn hơn của sự thay đổi thể tích khỏi ngân sách (57% cho giai đoạn 2004–2005 và 59% cho giai đoạn 2006–2007) so với các năm khô (24% cho giai đoạn 2003–2004 và 31% cho giai đoạn 2005–2006). Đối với những dữ liệu này, phân tích sự không chắc chắn mới nhìn chung bảo thủ hơn về thể tích so với phân tích mức độ tối thiểu đồng nhất không gian tiêu chuẩn, nhưng cũng tạo ra các kết quả có lý hơn và có ý nghĩa thực tế hơn. Các công cụ này được đóng gói trong một ứng dụng phần mềm Matlab do wizard điều khiển, có sẵn để tải xuống cùng với bài báo này, và có thể được hiệu chỉnh và mở rộng để áp dụng cho bất kỳ đám mây điểm địa hình nào (x,y,z). Bản quyền © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Các dải thảm thực vật ven sông thường được các nhà quản lý sông sử dụng để tăng cường tính ổn định của bờ suối, ngoài các mục đích khác. Tuy nhiên, mặc dù các tác động của thảm thực vật lên tính ổn định của bờ rất được thảo luận nhưng hiếm khi được định lượng và thường nhấn mạnh ít tầm quan trọng của các quá trình thủy văn, một số trong đó có thể gây hại. Bài báo này trình bày kết quả từ một thí nghiệm mà trong đó các tác động thủy văn và cơ học của bốn loài cây ven sông và hai loại cỏ kiểm soát xói mòn đã được định lượng liên quan đến tính ổn định của bờ. Dữ liệu địa kỹ thuật và áp lực nước lỗ từ các mảnh bờ suối dưới ba lớp che phủ ven sông (cây trưởng thành, cỏ cụm và cỏ trống/cỏ cắt) đã được sử dụng để thiết lập mô hình ổn định bờ ARS, và hệ số an toàn cuối cùng (F_s) đã được phân tích thành các phần cấu thành để đánh giá đóng góp (có lợi hoặc có hại) của từng tác động thủy văn và cơ học (thay đổi độ ẩm của đất, tăng cường rễ cây và tải trọng bổ sung). Rễ cây được phát hiện đã tăng cường sức bền của đất từ 2–8 kPa tùy thuộc vào loài, trong khi rễ cỏ góp phần 6–18 kPa. Phân tích tính ổn định của độ dốc dựa trên dữ liệu thu thập trong các sự cố bờ vào mùa xuân năm 2000 (sau một thời gian trước đó cực kỳ khô hạn) cho thấy các tác động cơ học của lớp che phủ cây đã tăng F_s lên 32 phần trăm, trong khi các tác động thủy văn đã tăng F_s lên 71 phần trăm. Đối với cỏ, các con số lần lượt là 70 phần trăm cho các tác động cơ học và giảm F_s 10 phần trăm cho các tác động thủy văn. Tuy nhiên, phân tích dựa trên các sự cố bờ vào mùa xuân năm 2001 (sau một thời kỳ trước đó ẩm ướt hơn trung bình) cho thấy các tác động cơ học của lớp che phủ cây đã tăng F_s lên 46 phần trăm, trong khi các tác động thủy văn đã thêm 29 phần trăm. Đối với cỏ, các con số tương ứng là 49 phần trăm và -15 phần trăm. Trong nhiều khoảng thời gian vào mùa xuân năm 2001, các tác động thủy văn của lớp che phủ cây đã giảm tính ổn định của bờ, mặc dù điều này luôn được bù đắp bởi các tác động cơ học ổn định. Kết quả cho thấy tầm quan trọng của các quá trình thủy văn trong việc kiểm soát tính ổn định của bờ suối, và nhấn mạnh sự cần thiết phải chọn thảm thực vật ven sông dựa trên các tiêu chí thủy văn cũng như tiêu chí cơ học và sinh thái. Xuất bản năm 2002 bởi John Wiley & Sons, Ltd.

Các hình ảnh Landsat đã tiết lộ một mẫu cầu nối quy mô lớn chưa từng được nghi ngờ trong vùng trôi nổi, điều này cho rằng phản ánh các giai đoạn trước đây của dòng chảy băng. Một dạng băng như vậy có thể được coi là một tập hợp địa hình bao gồm nhiều thành phần. Các drumlin và megaflute là một phần của mẫu này, nhưng bên cạnh đó còn có hai yếu tố địa hình băng được định hình trước đây chưa được ghi nhận: các đường nét dòng chảy được tinh chỉnh với quy mô lớn hơn nhiều, được gọi là các đường nét băng quy mô mega, và một cấu trúc cắt ngang đặc trưng trong khu vực này.

Tập hợp địa hình được định hình bởi băng được mô tả và minh họa với các ví dụ từ Canada. Các phương thức có thể có của sự hình thành các dạng địa hình này được thảo luận và các hệ quả về băng học được phác thảo. Phát hiện của mẫu này chỉ ra tính chất phổ biến của sự biến dạng bên dưới băng của trầm tích, và yêu cầu một sự giải thích lại triệt để về động lực của lớp băng.

Động lực của sự không đồng nhất không gian do thực vật tạo ra (VDSH) và chức năng của nó trong việc cấu trúc dòng chảy và lưu lượng trầm tích đã nhận được sự chú ý tăng lên từ cả góc độ địa hình học và sinh thái học, đặc biệt là ở các khu vực khô hạn có lớp thực vật thưa thớt. Bài báo này tổng hợp các phát hiện gần đây trong lĩnh vực này thu được từ bằng chứng thực địa và các thí nghiệm mô phỏng số, đồng thời chỉ ra các ứng dụng của chúng trong việc đánh giá xói mòn đất. VDSH thường được quan sát ở hai quy mô, cụm cây đơn lẻ và cụm cây tủa.

Ở quy mô mảng, các kết quả địa phương của các mảng có thực vật đối với khả năng bị xói mòn của đất và các tính chất thủy lực của đất đã được xác lập rõ ràng. Chúng liên quan đến khả năng lưu trữ nước lớn hơn cũng như các đầu vào carbon hữu cơ và chất dinh dưỡng tăng lên. Những ảnh hưởng này hoạt động cùng nhau với khả năng gia tăng trong việc ngăn chặn tài nguyên nước và gió, và hoạt động sinh học tăng lên mà tăng cường quá trình phân hủy chất thải thực vật và tỷ lệ luân chuyển chất dinh dưỡng. Tập hợp các mối quan hệ này, thường liên quan đến các cơ chế phản hồi tích cực, tạo ra những mảng có thực vật ngày càng khác biệt so với các khu vực đất trống lân cận. Bằng cách đó, một mô hình ghép nối hình thành với đất trống và các mảng có thực vật kết nối với nhau, tương ứng, như các nguồn và bể chứa nước, trầm tích và chất dinh dưỡng.

Ở quy mô cụm, độ biến thiên tạm thời của cường độ mưa trong cơn bão kiểm soát tái thấm của dòng chảy trên mặt đất và sự suy giảm của nó theo chiều dài dốc. Ở cường độ mưa trung bình, yếu tố này tương tác với cấu trúc không gian của VDSH và cơ chế hình thành dòng chảy trên bề mặt. Sự tái thấm lớn hơn trong VDSH hạt nhỏ và dòng chảy vượt mức bão hòa của lớp đất mặt. Các thông tin hiện có cho thấy cấu trúc VDSH của các nguồn và bể chứa nước và trầm tích phát triển một cách động lực học với các dòng chảy trên sườn đồi và điều chỉnh các cấu hình không gian của chúng cho phù hợp với chúng.

Các thí nghiệm mô phỏng mưa trong các lô lớn cho thấy rằng việc làm thô VDSH dẫn đến tỷ lệ xói mòn lớn hơn đáng kể ngay cả dưới cường độ mưa nặng do sự tập trung dòng chảy và sự gia tăng tốc độ của nó. Bản quyền © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Trong bài báo này, chúng tôi phát triển một mô hình cơ học liên quan đến sự mất ổn định của các sườn đá permafrost đang tan chảy do ảnh hưởng của nhiệt độ đến cả cơ học đá và băng; và thực hiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để kiểm tra các giả thiết chính. Permafrost đang suy giảm được coi là một yếu tố quan trọng gây ra sự thất bại của các sườn đá trong các môi trường núi cao và Bắc Cực, nhưng cơ chế hoạt động chưa được hiểu rõ. Sự mất ổn định thường được quy cho sự thay đổi trong các tính chất cơ học của băng trong khi ma sát nền đá và sự lan truyền nứt chưa được xem xét. Tuy nhiên, độ bền nứt, sức bền nén và kéo giảm tới 50% hoặc hơn khi đá bão hòa nước nguyên vẹn tan chảy. Dựa trên tài liệu và các thí nghiệm, chúng tôi phát triển một tiêu chí thất bại Mohr–Coulomb thay đổi cho các nứt đá đầy băng, bao gồm việc nứt các cầu đá, ma sát giữa các bề mặt nứt thô, sự chảy dẻo của băng và các cơ chế tách rời dọc theo các giao diện đá – băng. Các thiết lập phòng thí nghiệm mới đã được phát triển để đánh giá sự phụ thuộc nhiệt độ của ma sát giữa các giao diện đá – đá không có băng và sự tách rời cắt của các giao diện đá – băng. Trong permafrost đang suy giảm, các tính chất cơ học của đá có thể kiểm soát các giai đoạn đầu của sự mất ổn định và trở nên quan trọng hơn cho tải trọng bình thường cao hơn, tức là các mức độ thất bại của sườn đá lớn hơn. Các tính chất cơ học của băng vượt trội hơn các thành phần cơ học của đá sau khi quá trình biến dạng tăng tốc và có liên quan hơn cho các mức độ nhỏ hơn. Mô hình giải thích lý do tại sao tất cả các cấp độ thất bại của sườn đá có thể được chuẩn bị và kích hoạt bởi sự suy giảm của permafrost và có khả năng điều chỉnh thời gian phản ứng kéo dài sau băng. Ở đây, chúng tôi trình bày một mô hình tổng quan về cơ học đá và băng giải thích các quy trình mất ổn định cơ học hoạt động trong các viên đá permafrost đang ấm lên. Bản quyền © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Nhiều mô hình di chuyển của các khúc sông uốn khúc dựa trên một hình thức đơn giản, trong đó bờ sông bị xói mòn bị cắt lùi với tốc độ được xác định bởi dòng chảy, và bờ sông lắng đọng sau đó di chuyển thụ động để duy trì chiều rộng kênh đầy nước không đổi. Trong nghiên cứu này, một mô hình mới được trình bày, trong đó các mối quan hệ riêng biệt được phát triển cho việc di chuyển của bờ sông xói mòn và bờ sông lắng đọng. Giả định rằng bờ sông xói mòn bao gồm một lớp trầm tích hạt mịn có độ kết dính và/hoặc có rễ cây dày đặc, nằm dưới một lớp cát và/hoặc sỏi hoàn toàn không kết dính. Sau khi lớp không kết dính bị xói mòn, lớp kết dính bị thất bại theo hình thức các khối lún, chúng bảo vệ lớp không kết dính và do đó làm giảm tốc độ xói mòn. Nếu vật liệu của khối lún phân hủy hoặc bị cuốn trôi bởi nước, sự bảo vệ mà nó cung cấp cho lớp không kết dính giảm và xói mòn bờ lại được phục hồi. Tuy nhiên, việc phục hồi xói mòn bờ làm tái sinh lớp bảo vệ của khối lún. Ở bờ sông lắng đọng, giả định rằng tất cả các trầm tích được vận chuyển tới rìa của thảm thực vật do thành phần ngang của việc vận chuyển trầm tích được giữ lại bởi thảm thực vật xung quanh, mà không bị loại bỏ bởi các trận lũ kế tiếp. Các phương trình riêng biệt mô tả sự di chuyển của bờ sông xói mòn và bờ sông lắng đọng được liên kết với một công thức động lực hình thái chuẩn để phát triển dòng chảy và đáy sông trong khu vực trung tâm của kênh. Trong mô hình này, sông phát triển để duy trì chiều rộng bờ đầy nước gần như không đổi khi nó chỉ di chuyển trong giới hạn mà bờ sông xói mòn và bờ sông lắng đọng 'trò chuyện' với nhau qua môi trường của động lực học hình thái ở khu vực trung tâm kênh. Mô hình cho phép cả hai (a) sự di chuyển mà xói mòn làm rộng kênh, ép buộc lắng đọng ở bờ đối diện, và (b) sự di chuyển mà lắng đọng làm hẹp kênh, ép buộc xói mòn ở bờ đối diện. Bản quyền © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.