Earth Surface Processes and Landforms

Các cụm cuội được báo cáo rộng rãi như là đặc trưng của các đáy sông sỏi và được biết đến với khả năng ảnh hưởng đến việc nhấc lên trầm tích từ đáy. Đánh giá thực địa cho thấy phân bố của chúng không phổ quát, ưa thích các cồn sông, nhưng cũng cho thấy xu hướng về khoảng cách theo dòng nước ưu tiên. Một loạt các thí nghiệm trong bể thí nghiệm cho thấy rằng sức cản dòng chảy tăng lên và giảm xuống tới một giá trị cực đại khi khoảng cách dọc của các cụm cuội giảm, theo cách tương tự như những gì đã được những người khác chỉ ra đối với độ gồ ghề dải, các khối đơn lẻ và các gợn sóng và đụn mô phỏng. Các thí nghiệm cũng cho thấy một mối quan hệ nghịch mạnh giữa tỷ lệ dòng chảy trầm tích và sức cản dòng chảy do nồng độ của các cụm cuội tạo ra. Kết luận cho rằng khoảng cách giữa các cụm cuội có xu hướng đến một trạng thái cân bằng được điều chỉnh bởi một quy trình phản hồi liên quan đến tỷ lệ vận chuyển trầm tích và rằng nồng độ không gian của những hình thức vi mô này sẽ điều chỉnh đến mức mà chúng tạo ra sức cản dòng chảy tối đa.

Mặc dù ảnh hưởng của các hạt lớn đối với hình thái động lực học của các dòng sông có nền sỏi đã được công nhận từ lâu, nhưng không có yếu tố nào chiếm ưu thế trong các nỗ lực chung của chúng ta để mô hình hóa những dòng sông này như kích thước hạt trên bề mặt D₅₀, mà xuất hiện trong hầu hết các phương trình liên quan. Trong khi các nhà nghiên cứu quan tâm đến sự kháng cự của dòng chảy đã nhận ra tầm quan trọng tương đối của các hạt lớn và đã điều chỉnh các phương trình kháng cự dòng chảy cho phù hợp, thì có rất ít nỗ lực nhằm định lượng tác động của các hạt lớn đến hình thái động lực học của các dòng sông có nền sỏi. Tuy nhiên, có rất ít chứng cứ cho thấy D₅₀ kiểm soát các hiện tượng vật lý diễn ra dọc theo ranh giới dòng chảy, và việc nó chiếm ưu thế dường như chủ yếu dựa trên giả định chưa được kiểm chứng, a priori rằng mô tả tốt nhất của một phân phối là giá trị trung bình hoặc trung vị. Nhận định này đặt câu hỏi về giả định lâu dài cho rằng D₅₀ là lựa chọn tốt nhất cho kích thước hạt đặc trưng, và sử dụng chứng cứ từ các nghiên cứu trước đó để chỉ ra rằng việc huy động các hạt lớn nhất trong lớp nền có thể kiểm soát tính ổn định hình thái, và có thể là vận chuyển trầm tích. © 2018 John Wiley & Sons, Ltd.

Trong quá trình di chuyển vật liệu đáy bằng cách nhảy, động lượng theo chiều dòng chảy được chuyển giao từ dòng chảy tới các hạt nhảy. Khi các hạt va chạm với các hạt khác trên đáy hoặc trong dòng chảy, động lượng theo chiều dòng chảy bị giảm, dẫn đến giảm tốc độ dòng chảy theo chiều dòng và tăng cường kháng lực dòng chảy, được gọi là kháng cự vận chuyển vật liệu đáy f_bt. Dựa trên các thí nghiệm trong hai ống thử với mặt đáy cố định và di động cùng với dữ liệu đã được công bố trước đó, một phương trình được phát triển có thể được sử dụng để tiên đoán f_bt cho cả dòng chảy có dung lượng và không có dung lượng. Các biến trong phương trình này được xác định thông qua phân tích kích thước và các hệ số được xác định bằng hồi quy phi tuyến. Phương trình này áp dụng cho các dòng chảy kênh hở thô hỗn loạn, trong đó độ ngập tương đối nằm giữa 1 và 20 và toàn bộ tải trọng trầm tích di chuyển bằng cách nhảy. Một nghiên cứu về các tỷ lệ tương đối của f_bt và kháng lực hạt f_c cho thấy rằng tại nơi mà ứng suất trượt không có kích thước θ nhỏ hơn 1 và sự nhảy là chế độ chủ yếu của vận chuyển vật liệu đáy, f_bt/f_c tăng với θ nhưng không bao giờ vượt quá 1. Bản quyền © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.

Vận chuyển tải trọng lơ lửng có thể ảnh hưởng mạnh đến hệ sinh thái, việc lấp đầy đập và tài nguyên nước. Tuy nhiên, trái ngược với tải trọng đáy, việc sử dụng các phương trình dự đoán dựa trên vật lý rất khó khăn do tính phức tạp của các tương tác giữa tải trọng lơ lửng và hệ thống sông. Thông qua phân tích các tập dữ liệu rộng lớn, chúng tôi đã nghiên cứu mức độ mà một hoặc một số tham số đáy sông hoặc dòng chảy có thể được sử dụng như một chỉ số để định lượng các dòng lơ lửng trong các dòng sông có đáy sỏi. Để thực hiện điều này, chúng tôi đã thu thập trong tài liệu gần 2400 đo đạc tức thời tại hiện trường được thu thập ở 56 dòng sông có đáy sỏi. Trong số tất cả các tham số vô chiều chuẩn đã được kiểm tra, sự tương quan mạnh nhất được quan sát thấy giữa nồng độ cặn lơ lửng và tỷ lệ tải trọng đáy vô chiều. Một mối quan hệ thực nghiệm giữa hai tham số này đã được hiệu chỉnh. Sử dụng với một công thức vận chuyển tải trọng đáy trung bình theo đoạn, phương pháp này đã thành công trong việc tái tạo dòng lơ lửng đã được đo đạc trong các sự kiện lũ lớn ở bảy dòng sông alpine có đáy sỏi, có hoạt động morfodinamic và xa nguồn gốc từ sườn đồi. Những kết quả này được thảo luận trong bối cảnh phức tạp của các quá trình có thể ảnh hưởng đến tải trọng lơ lửng trong bối cảnh miền núi. Phương pháp được đề xuất trong bài báo này sẽ không bao giờ thay thế các phép đo thực địa trực tiếp, điều này có thể được coi là phương pháp duy nhất đáng tin cậy để đánh giá các dòng cặn trong các dòng suối alpine; tuy nhiên, nó có thể bổ sung cho các công cụ hiện tại giúp các nhà quản lý sông ước lượng ngay cả các dòng lơ lửng thô nhưng không phi lý khi không có đo đạc nào. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.

Xác định nguồn gốc, số lượng và khoảng cách di chuyển của đất bị xói mòn ngày càng trở nên quan trọng do tác động của nó đến và từ bên ngoài, sự vận chuyển lắng đọng các chất dinh dưỡng, kim loại và vi sinh vật, đồng thời cần thiết để cung cấp dữ liệu cho việc phát triển và xác minh mô hình xói mòn đất. Nhiều chất đánh dấu đất đã được phát triển; tuy nhiên, hầu hết đều gồm những vật liệu ngoại lai, như viên bi huỳnh quang và oxit đất hiếm, điều này gây nghi ngờ về tính hợp lệ của kết quả đánh dấu do những đặc điểm vật lý khác nhau của chúng. Để tránh những vấn đề này, chúng tôi đã nghiên cứu khả năng của đất, được đun nóng trong điều kiện thiếu oxy để tăng cường hàm lượng ferrimagnetic, như một chất đánh dấu cho xói mòn đất; mặc dù kỹ thuật này đã được sử dụng thành công để truy tìm trầm tích sông, nhưng chưa được áp dụng thành công trong các nghiên cứu xói mòn đất. Đối với một bộ 16 thuộc tính phụ thuộc vào nồng độ từ tính, giá trị được tìm thấy lớn hơn đáng kể, ít nhất là một bậc độ lớn, sau khi được đun nóng, cả đối với đất tổng và chín phân đoạn kích thước hạt riêng lẻ. Các phân đoạn kích thước riêng lẻ có thể được phân biệt bằng hai thuộc tính từ tính khác nhau, qua đó minh họa tiềm năng của kỹ thuật này để cung cấp thông tin về xói mòn cụ thể kích thước hạt. Các thí nghiệm trên hộp đất cho thấy tiềm năng cho cả việc đo độ nhạy từ tính tại chỗ và đo đạc các thuộc tính từ tính của trầm tích bị xói mòn trong phòng thí nghiệm, nhằm truy tìm và định lượng xói mòn đất. Như vậy, đất đã được nhiệt điều chỉnh, với các đặc tính ferrimagnetic được tăng cường một cách nhân tạo, đã được chứng minh thành công là có tiềm năng lớn như một chất đánh dấu xói mòn đất cụ thể kích thước, hiệu quả chi phí và đại diện.

Các thí nghiệm đã được thực hiện nhằm xác định khả năng theo dõi sự di chuyển của trầm tích trong dòng chảy bề mặt không rãnh. Magnetit nghiền nát được đưa vào làm nguồn dòng 10 cm chiều rộng và 8 m chiều dài trên một ô thí nghiệm chảy nước có kích thước 18 m chiều rộng và 29 m chiều dài nằm ở miền nam Arizona. Độ nhạy từ tính ban đầu dọc theo nguồn dòng này, cùng với ba đường cắt nằm ở khoảng cách 0,25 m, 2,95 m và 5 m hạ lưu nguồn dòng, đã được đo. Sự di chuyển của magnetit khi có ba thí nghiệm mô phỏng mưa được theo dõi. Trong hai thí nghiệm đầu tiên, dòng chảy bề mặt đã được lấy mẫu tại các bể nhỏ nằm dọc theo hai mặt cắt trên ô thí nghiệm ở hạ lưu nguồn dòng, và tại một bể siêu tới hạn ở đầu ra của ô thí nghiệm. Độ nhạy từ tính dọc theo nguồn dòng và các đường cắt đã được đo sau cả ba thí nghiệm. Kết quả cho thấy rằng magnetit di chuyển rất sớm trong các thí nghiệm và nó đến một trong các bể ở 2 m hạ lưu nguồn dòng trong 3 phút. Đa số các chất chỉ thị di chuyển một khoảng cách rất ngắn: 29,7 phần trăm được lắng đọng trong vòng 25 cm từ nguồn dòng và chỉ 2,2 phần trăm được lắng đọng cách đó 2,95 m. Tỷ lệ lắng đọng có vẻ giảm theo hàm mũ khi xa rời nguồn dòng. Rất ít magnetit được ghi nhận trong dòng chảy qua các bể nhỏ: nhìn chung, nó chỉ chiếm chưa đến 1 phần trăm của tổng tải trọng trầm tích. Không có mẫu tạm thời nào trong các tỷ lệ phần trăm này được quan sát. Magnetit dường như là một chỉ thị hiệu quả cho sự di chuyển của trầm tích trong dòng chảy bề mặt không rãnh, mặc dù mật độ cao hơn của nó so với đất tự nhiên có thể ảnh hưởng đến sự tách rời và vận chuyển của nó.

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.

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.

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.

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.