Influence of seepage undercutting on the stability of root‐reinforced streambanks     

Rachel M. Cancienne  Garey A. Fox  Andrew Simon 《地球表面变化过程与地形》2008,33(11):1769-1786

Several mechanisms contribute to streambank failure including fluvial toe undercutting, reduced soil shear strength by increased soil pore‐water pressure, and seepage erosion. Recent research has suggested that seepage erosion of noncohesive soil layers undercutting the banks may play an equivalent role in streambank failure to increased soil pore‐water pressure. However, this past research has primarily been limited to laboratory studies of non‐vegetated banks. The objective of this research was to utilize the Bank Stability and Toe Erosion Model (BSTEM) in order to determine the importance of seepage undercutting relative to bank shear strength, bank angle, soil pore‐water pressure, and root reinforcement. The BSTEM simulated two streambanks: Little Topashaw Creek and Goodwin Creek in northern Mississippi. Simulations included three bank angles (70° to 90°), four pore‐water pressure distributions (unsaturated, two partially saturated cases, and fully saturated), six distances of undercutting (0 to 40 cm), and 13 different vegetation conditions (root cohesions from 0·0 to 15·0 kPa). A relative sensitivity analysis suggested that BSTEM was approximately three to four times more sensitive to water table position than root cohesion or depth of seepage undercutting. Seepage undercutting becomes a prominent bank failure mechanism on unsaturated to partially saturated streambanks with root reinforcement, even with undercutting distances as small as 20 cm. Consideration of seepage undercutting is less important under conditions of partially to fully saturated soil pore‐water conditions. The distance at which instability by undercutting became equivalent to instability by increased soil pore‐water pressure decreased as root reinforcement increased, with values typically ranging between 20 and 40 cm at Little Topashaw Creek and between 20 and 55 cm at Goodwin Creek. This research depicts the baseline conditions at which seepage undercutting of vegetated streambanks needs to be considered for bank stability analyses. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

Modelling increased soil cohesion due to roots with EUROSEM   总被引：3，自引：0，他引：3  

S. De Baets  D. Torri  J. Poesen  M. P. Salvador  J. Meersmans 《地球表面变化过程与地形》2008,33(13):1948-1963

As organic root exudates cause soil particles to adhere firmly to root surfaces, roots significantly increase soil strength and therefore also increase the resistance of the topsoil to erosion by concentrated flow. This paper aims at contributing to a better prediction of the root effects on soil erosion rates in the EUROSEM model, as the input values accounting for roots, presented in the user manual, do not account for differences in root density or root architecture. Recent research indicates that small changes in root density or differences in root architecture considerably influence soil erosion rates during concentrated flow. The approach for incorporating the root effects into this model is based on a comparison of measured soil detachment rates for bare and for root‐permeated topsoil samples with predicted erosion rates under the same flow conditions using the erosion equation of EUROSEM. Through backwards calculation, transport capacity efficiencies and corresponding soil cohesion values can be assessed for bare and root‐permeated topsoils respectively. The results are promising and present soil cohesion values that are in accordance with reported values in the literature for the same soil type (silt loam). The results show that grass roots provide a larger increase in soil cohesion as compared with tap‐rooted species and that the increase in soil cohesion is not significantly different under wet and dry soil conditions, either for fibrous root systems or for tap root systems. Power and exponential relationships are established between measured root density values and the corresponding calculated soil cohesion values, reflecting the effects of roots on the resistance of the topsoil to concentrated flow incision. These relationships enable one to incorporate the root effect into the soil erosion model EUROSEM, through adapting the soil cohesion input value. A scenario analysis shows that the contribution of roots to soil cohesion is very important for preventing soil loss and reducing runoff volume. The increase in soil shear strength due to the binding effect of roots on soil particles is two orders of magnitude lower as compared with soil reinforcement achieved when roots mobilize their tensile strength during soil shearing and root breakage. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

塔克拉玛干沙漠腹地几种植物根系分形特征   总被引：7，自引：1，他引：6  

杨小林  张希明  李义玲  解婷婷  王伟华 《干旱区地理》2009,32(2)

在塔克拉玛干沙漠腹地采用全根挖掘法挖掘河西菊(Hexinia polydichowma(Ostenf.)H.L.Yang)、沙拐枣(Calligonuin roborovskii A.Los.)、罗布麻(Apocynum venetum L.)、阿克苏牛皮消(Cynanchum amplexicaule Hemsl)根系.运用分形理论对其分形特征进行研究,分析根系分支状况以及根系分形特征与拓扑特征之间的关系.研究发现:(1)在塔克拉玛干沙漠腹地,四种植物根系具有很好的分形特征,分形维数大小与拓扑参数连接总数、外部连接数之间具有较好的相关关系.(2)根丰度是描述根系在土层中扩展能力的有效指标,与根系长度、平均连接长度之间具有很好的指数关系分别可以用以下方程表示:y1=2.7 694e1.5496x,y2=0.0369e2.0 267x(其中y1、y2分别为总根长、平均连接长度,R2分别为:0.9 353、0.9 832),根丰度直接反映了根系空间占有能力与营养物质的吸收效率.通过对塔克拉玛干沙漠腹地四种植物根系分支状况与分形特征的研究表明.分形理论可以很好的反映根系空间占有能力与资源吸收效率,所以说分形理论是对根系几何、功能特征进行定量化研究的有效方法.  相似文献   

拉萨河谷灌丛草原与农田水热平衡及植被水分利用特征   总被引：5，自引：0，他引：5  

尹志芳  欧阳华  徐兴良  宋明华  段德玉  张宪洲 《地理学报》2009,64(3)

以青藏高原的拉萨河谷下游的灌丛草原和农田为研究对象,在中国科学院拉萨高原生态试验站的农田与附近的灌丛草原开展实验.利用SHAW模型模拟了2004年10月-2005年9月灌丛草原与农田水热平衡以及根系吸水过程.模拟结果经分析得出,(1)农田所接收的净辐射比灌丛草原要多,农田接收的能量大部分以潜热形式支出,全年的波文比为0.29;而灌丛草原的波文比为0.89.灌丛草原全年的潜热通量是农田的53%,具有一定的抑制蒸散发的功能.(2)农田耗水量是灌丛草原的1.8倍.农田由于大量的灌溉造成较大的渗漏损失,同时也增加了土壤蒸发这一无益损耗.(3)深层土壤水向上的补给与根系吸水两方面的模拟都表明,灌丛草原的植被比农田能更大程度地利用深层土壤水.  相似文献   

草地生态系统土壤呼吸研究进展   总被引：26，自引：1，他引：25  

刘立新  董云社  齐玉春 《地理科学进展》2004,23(4):35-42

土壤呼吸是草地生态系统碳循环过程中的关键环节,也是草地生态系统中碳素向大气输出的主要途径。土壤中碳素的释放能够显著增加大气中CO₂的浓度,增强温室效应,从而对全球气候和环境变化产生重要影响。文章综合介绍了国内外有关土壤呼吸的各种测定方法,特别是分析了影响草地土壤呼吸的主要环境因素,并就草地土壤呼吸与根系呼吸的区分方法等进行了详细的讨论。  相似文献   

植物地境及物种地境稳定层   总被引：9，自引：0，他引：9  

徐恒力  孙自永马瑞 《地球科学》2004,29(2):239-246

植物地境是其生境的重要组成部分.地境结构的系统分析应作为探索植物与其地境生态关系的重要手段之一.植物地境具有鲜明的耗散结构特征, 内部的宏观稳定性和层次性是适应外界环境的自组织结果, 并与植物根群的“层片”结构相契合.每一“层片”代表一个特定的地下小环境.若地境具有多个“层片”, 说明该地境拥有可被多种植物利用的多样小环境.根群作为根系的主功能区, 是联系植物与地境的纽带.与植物的根系相比, 根群的“层片”现象更清晰.通过根群的“层片”, 不同植物实现资源分割, 避免过激竞争, 能够长期共存.基于地境耗散结构特征分析和各物种根群所处深度范围的统计结果, 首次建立了物种地境稳定层的概念.某一物种根群所处的位置即为该物种的地境稳定层.物种地境稳定层可作为地境生态功能分层的基本单位.较之地境全剖面各指标的平均值, 地境稳定层内理化指标组态更为真实地反映了植物生存的地下环境, 可用以确定物种的生存域; 不同植物的生理和生活习性是对其稳定层内指标组态量值及动态变化规律的一种响应; 地境所能提供的稳定层的多寡及组态对地表植物群落的结构具有一定的控制作用; 地境稳定层的消失和产生, 可导致对应物种的消亡和入侵, 造成植物群落的演替.   相似文献   

不同水分胁迫下几种春小麦种子根形态结构的研究   总被引：3，自引：0，他引：3  

王静  黄薇  刘桐 《中国沙漠》2000,20(1):79-81

实验采用快速冷冻切片法及显微摄像系统观察法对甘肃陇中地区6个品种春小麦在不同水分状况下的种子根进行了形态结构研究。结果表明,在不同程度水分胁迫下的同一品种春小麦,种子根后生木质部导管(中央大导管)直径有显著的差异,但这种变化趋势并不是简单的线性关系。随着水分胁迫的增大,不同品种春小麦种子根中央大导管的直径有不同的变化趋势。不同品种春小麦在不同程度的水分胁迫下,随着胁迫的增大,各品种中央大导管直径的变化都逐渐趋于同一区域,这一区域很可能是春小麦在形态结构上适应水分亏缺在导管直径上表现出的最佳直径范围。  相似文献   

基于试验与模型的根系增强抗剪强度分析   总被引：8，自引：0，他引：8  

朱锦奇  王云琦  王玉杰 《岩土力学》2014,299(2):449-458

在总结近代学者对植物根系固土作用机制研究的基础上,采用大盒直剪试验与物理模型,对重庆缙云山地区6种常见植物:马尾松、香樟、广东山胡椒、四川大头茶、白毛新木姜子、四川山矾根系的增强抗剪强度进行对比。通过自制的大盒直剪仪对植物实际固土效果进行了测定,该大直剪仪具有简单、经济、易行等特点。通过对多种植物根系进行抗拉试验和根土复合体受力分析,确定了植物根系的抗拉强度与植物根面积比率。利用Wu模型对6种植物的根系固土效能进行模型计算。结果表明,不同的植物根系类型对增强抗剪强度值的影响非常显著。在重庆缙云山地区的土壤质地情况下,Wu的根土复合体模型高估了根系增强土壤的抗剪强度约为90%。基于该结论,为使Wu模型计算的根系固土强度值较为准确,修订Wu模型中的k值为0.63。  相似文献   

综论土壤呼吸各组分区分方法   总被引：5，自引：0，他引：5  

金钊  董云社  齐玉春 《地理科学进展》2006,25(4):22-33

研究土壤呼吸各个组分对土壤总呼吸的贡献是定量评价植物和土壤碳平衡及能量平衡的 重要基础。目前区分土壤有机质分解呼吸和根呼吸的方法主要有成分综合法、壕沟法、根分离法、 林隙法、根生物量外推法、同位素法, 区分纯根呼吸和根际微生物呼吸的方法有同位素稀释法、模 拟根际沉降物法、¹⁴CO₂ 动态法、根系分泌物洗涤法、δ¹³C 微生物量法及一些非同位素法的联合。 土壤呼吸各组分区分研究中, 区分纯根呼吸和根际微生物呼吸将是未来研究的一个重大课题, 区 分方法的改进、完善和创新, 不同区分方法间的比较研究将是未来研究的一个重要方向。  相似文献   

基于多尺度相关性分析的InSAR对流层延迟误差改正算法     

何永红  靳鹏伟  舒敏 《地球信息科学学报》2020,22(9):1878-1886

针对合成孔径雷达干涉技术中对流层延迟误差会影响DEM精度的问题,提出采用小波多尺度相关性分析方法来减弱与高程相关的对流层延迟误差的影响,来提高合成孔径雷达干涉DEM的估计精度。该方法基于小波多分辨率分析理论,根据差分干涉相位不同组成的频率特性,利用小波分解重构均方根误差变化率确定分解层数,降低地形残差相位、噪声相位等对大气延迟误差相位估计的干扰,提取对流层延迟误差相位所在频带;然后结合对流层延迟误差相位和雷达坐标系下的DEM在不同尺度上的相关性定权并进行降权处理,重构解缠差分干涉图,改正差分干涉相位中与高程相关的对流层延迟的影响。采用本文方法对覆盖河南义马地区的2景ENVISAT ASAR数据进行处理,得到对流层延迟误差改正后的差分干涉图,估计的与高程相关的对流层延迟相位,与地形变化情况吻合。将对流层延迟误差改正后的干涉图用于DEM高程估计,结果显示本文方法重建的DEM与Aster GDEM的标准差由30.7 m提高到26.37 m,提高了InSAR DEM估计精度。  相似文献