Thesis (Ph. D.)--University of Idaho, 2005. / Also available online in PDF format. Abstract. "August 2005." Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Lehigh University, 2000. / Includes bibliographical references and vita.

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The triumvirate of tectonics, lithology, and climate control landscape evolution. This study quantifies how lithologic variation and climate-mediated changes in ecosystems perturb steady state processes in the unglaciated, soil-mantled Oregon Coast Range (OCR). I first demonstrate that minor grain-scale differences in rock properties in a seemingly uniform sandstone control differences in rock strength, biotic bedrock-to-soil production efficacy, and erosion rates and influence relief at the watershed scale. I then build on sedimentology, paleoecology, and isotopic-derived paleoerosion data I collected from a new 50 ka sediment archive at Little Lake, OR to explore climate controls on soil production and erosion rates 21 ka across the OCR and spanning 50 ky within a single watershed. In Chapter III, I combine a mechanistic frost weathering model with a regional Last Glacial Maximum (LGM) climate reconstruction and paleovegetation data to demonstrate that accelerated frost-driven erosion was pervasive across the OCR during the LGM. My findings provide a new framework to quantify how the late Pleistocene affects modern erosion and soil formation rates in unglaciated environments and implies that most landscapes reside in a transient state. In Chapter IV, I document climate-mediated ecosystem influence on erosion rates over 3 climatic intervals. 10Be-derived erosion rates increase 3x (from 0.6 mm/yr to 0.21 mm/yr) as the OCR transitioned from the open forest-dominated marine isotope stage (MIS) climate interval (50-26 ka) into the periglacial subalpine MIS 2 glacial interval (26-13 ka). Measured erosion rates fell by more than half as the subalpine ecosystem gave way to the modern MIS 1 closed canopy Douglas-fir forest. Coupling paleovegetation-derived climate information with core observations I model frost weathering intensity from ~ 43 ka to 21 ka and establish a correspondence with increasing frost weathering intensity and increasing 10Be-derived erosion rates. Utilizing a transient mixing depth and erosion rate model, I am able to broadly replicate measured erosion rates at Little Lake through time. My findings contradict previous work that suggests climate has only weak control on erosion rates. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material.

Master of Science / Civil Engineering / Stacey Tucker / Recent climate changes may affect the stability of our infrastructure in many ways. This study investigated the effects of fine-grained soil temperature on erosion rate. If climate change is shown to affect the erodibility of soils the impacts must be identified to monitor the stability of existing infrastructure, improve design of levees and structures founded in erosive environments, and to prevent sediment loss and stream meanders. Fine-grained soil erosion is complicated by the dynamic linkage of multiple parameters, including physical, biological and geochemical properties. This study held constant all parameters that influence fine-grained soil erodibility while only varying soil temperature in order to study the effects it has on erodibility. This study also confirmed previous findings that water temperature affects soil erodibility. The main objective of this study was to investigate the effects of fine-grained soil temperature on erosion rate. This study also instrumented a turbidity sensor to reliably map soil erosion. Based on this research, the conclusion was made that an increase in soil temperature increases soil erosion rate. The turbidity sensor was a valuable tool for comparing soil erosion. Future studies should investigate the effects soil temperatures below room temperature, the magnitude of temperature increase or decrease, and the effects of cyclic heating and cooling on fine grained soil erodibility.

Le contrôle de la sûreté des ouvrages hydrauliques est l’une des grandes priorité dans le domaine du génie civil et de l’ingénierie hydraulique. Durant sa vie, un ouvrage est soumis à des sollicitations variables hydromécaniques, physicochimiques et climatiques qui contribuent à son éventuelle détérioration. Parmi les phénomènes qui en résultent, l’érosion des sols sous toutes ses formes représente un enjeu majeur à comprendre, maîtriser et empêcher. L’objectif de ce travail est d’étudier l’érosion des sols par le Jet Erosion Test. La première partie est consacrée à la description des dispositifs expérimentaux, surtout le Jet Erosion Test (JET) développé à l’Ecole Centrale Paris permettant de mesurer directement quelques paramètres d’érosion. A partir des résultats du JET, à l’aide d’une loi d’érosion empirique, nous déduisons la contrainte de cisaillement critique, le coefficient d’érosion, la profondeur d’érosion d’équilibre. La deuxième partie du travail est consacrée à l’étude de l’influence des paramètres de compactage sur l’infiltration de l’eau et la résistance du sol, en utilisant le pénétromètre. Dans les troisième et quatrième parties, nous étudions l’influence des propriétés géotechniques du sol et celle des paramètres d’essai sur les paramètres d’érosion du sol. Les résultats obtenus montrent que les paramètres d’érosion sont influencés non seulement par les propriétés géotechniques du sol mais aussi par les paramètres d’essai. La dernière partie présente la synthèse entre les résultats des essais de pénétromètre et ceux des essai de JET, et tente de relier les paramètres d’érosion avec les propriétés géotechniques du sol. / Control of the safety of hydraulic structures is a major priority in the field of civil and hydraulic engineering. During its life, the hydraulic structure is submitted to variable hydromechanical, physicochemical and climatic loads that may contribute to its possible failure. Among the resulting phenomena, soil erosion under all its forms is a major challenge which it is important to understand, control and prevent. The objective of this work is to study soil erosion by the Jet Erosion Test. The first part is devoted to the description of the experimental devices, especially the Jet Erosion Test (JET) developed at the Ecole Centrale Paris to directly measure some erosion parameters. From the results of JET, using an empirical erosion law, we deduce the critical shear stress, the erosion coefficient, the equilibrium scour depth. The second part of this work is devoted to the study of the influence of compaction parameters on water infiltration and soil strength, using the penetrometer. In the third and fourth parts, we study the influence of the geotechnical properties of soil and of the test parameters on the erosion parameters of soil. The obtained results show that the erosion parameters are influenced not only by the geotechnical properties of soil but also by the test parameters. The final section presents a synthesis of the results of penetrometer tests and JET tests, and attempts to link the erosion parameters with the geotechnical properties of soil.

Lors de ce travail de thèse, la combinaison des méthodes de la géochimie analytique et isotopique avec les approches modélisatrices a permis d’apporter de nouvelles connaissances à la compréhension de la zone critique et du régolithe. Pour l’étude du régolithe, ce travail présente une méthodologie permettant de réaliser sur un même profil d’altération les analyses de la géochimie élémentaire, de la minéralogie, ainsi que des isotopes de la série de l’uranium (U-Th-Ra) et de l’isotope cosmogénique du 10Be in situ. Les résultats obtenus montrent l’importance de la bonne résolution spatiale de l’échantillonnage pour pouvoir pleinement exploiter les outils de la série U-Th-Ra et du 10Be in situ, notamment pour déterminer d’une manière indépendante les paramètres clés que sont les taux de production et de dénudation du régolithe à long terme. Les deux profils d’altération réalisés dans cette étude montrent de plus que (1) la structure du régolithe est relativement simple sur les positions sommitales et permet une interprétation continue des données géochimiques et minéralogiques et (2) les processus de pente tendent à augmenter l’hétérogénéité spatiale du régolithe et des processus d’altération. D’une façon complémentaire, le suivi et la modélisation hydrogéochimique des eaux de surface permettent d’étudier les processus d’altération actuels, et de comprendre les mécanismes impliqués dans leurs variabilités récentes. Ce travail a notamment montré le lien pouvant exister entre les modifications enregistrées en surface dans les solutions de sol et l’évolution temporelle des certaines propriétés chimiques des eaux de source (pH, concentration en calcium). Les simulations réalisées ont également permis de comprendre la faible variabilité des flux d’altération globaux exportés par les sources, en relation avec la relative stabilité des concentrations de sodium et de silice dissoute sur la période récente allant de 1990 à 2010. Cette étude a finalement montré l’importance du couplage des méthodes apportant des informations sur les processus d’altération et d’érosion à différentes échelles de temps et d’espace, en particulier pour évaluer correctement la dynamique du régolithe et pour replacer le fonctionnement actuel d’un bassin versant vis-à-vis de son évolution à long terme. / In this PhD work, the combination of the geochemical analytic and isotopic approaches with the modeling approaches has allowed to bring new insights to the understanding of the critical zone and the regolith. Concerning the regolith, this work presents a methodology to perform the analyses of the elemental geochemistry, of the mineralogy, as well as of the U-Th-Ra isotopes and of the in situ 10Be cosmogenic isotope along a single weathering profile. The obtained results highlight the importance of the sampling spatial resolution for an exhaustive interpretation of the U-Th-Ra and of the in situ 10Be data, especially to independently determine the key parameters of the long term regolith production and denudation rates. The two weathering profiles realized in this study furthermore show that (1) the regolith structure is relatively simple on ridge-tops and allows a continuous interpretation of the geochemical and of the mineralogical data and (2) the slope processes tend to increase the spatial heterogeneity of the regolith and of the weathering processes. In addition, the monitoring and the modeling of the surface waters allow to investigate the current weathering processes, and to understand the mechanisms involved in their recent variability. This work shows the relationship that can exist between the modifications recorded at the surface in the soil solutions and the temporal evolution of some chemical properties of the spring waters (pH, calcium concentration). The simulations also allow to understand the weak variability of the global weathering fluxes exported by the springs, in relation with the relative stability of the sodium and of the dissolved silica concentrations over the period 1990-2010. This study also demonstrates the interest of the coupling of methods providing information on the weathering and the erosion processes at different time and space scales, in particular to correctly evaluate the regolith dynamic and to position the present-day functioning of a watershed with respect to its long term evolution.

M.Sc. / The aim of the present study is to determine the influence of human activities on fluvial erosion in the Nsikazi District (Mpumalanga). Recommendations for the optimal use of available resources in the study area are made after considering the soil erosion potential of the area, and by comparing the Nsikazi District with the nearby conservation control area, the Kruger National Park (KNP). Soil erosion can be optimally prevented by employing the most suitable management practice; therefore reliable information is required concerning the location, causes and extent of soil erosion. During the present study, satellite remote sensing is evaluated as a cost effective and timely source of information to fulfill this requirement. Due to the fact that soil erosion is a natural process, which can be amplified by certain natural physical factors, it is necessary to determine the natural soil erosion potential of an area before any assumptions can be made regarding the cause of soil erosion. In this study the integration of the natural soil erosion potential map and bare soil map resulted in the establishment of the overall soil erosion potential map for the area. Landuse can be described as the most significant contributing factor in the occurrence of bare soil (devoid of vegetation), and therefore this is an indicator not only of soil degradation, but also of human impact. The data used during the present study consist of digital satellite images (Landsat TM and SPOT) and aerial photographs provided by the Institute for Soil, Climate and Water (ISCW). Additional information was also collected from pre-existing soil and topographical maps of the area. The ILWIS 2.1 computer programme was then employed for image processing and GIS analysis of the data. The study was carried out in two analytical phases. A data processing phase, which was carried out as follows: - The physical erosion factors, which determine soil erosion potential, namely soil erodibility, slope, slope length, slope form and slope aspect as well as plant cover, were converted to GIS data layers and mapped , followed by - the identification and mapping of the presence of bare soil and landuse patterns. A data intergration phase was included, whereby the above mentioned data layers were integrated to determine the natural and overall soil erosion potential, as well as the evaluation of landuse, thereby indicating the soil cultivation potential for the study area.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Erosionsverhalten von Sedimenten in Mischkanalisationen. Zu diesem Zweck wurde eine Apparatur für in-situ-Untersuchungen entwickelt, gebaut und kalibriert. Damit wurden erstmals Erosionsmessungen an echten, ungestörten Kanalsedimenten im großen Umfang durchgeführt. Hierbei wurde die kritische Sohlschubspannung als Kenngröße für die Sedimentstabilität anhand von etablierten und einer neu entwickelten Methode aus den Messdaten gewonnen. Die Kanalsedimente zeigen ein ausgeprägt kohäsives Erosionsverhalten im untersuchten Kanal und verhalten sich somit wie Sedimente in natürlichen Gewässern. Mit Einschränkungen kann folglich auf die umfangreichen Erfahrungen im Bereich der marinen, ästuarinen und fluvialen Sedimente zurückgegriffen werden. Die auf diesem Gebiet untersuchten Einflussfaktoren wurden auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche hinsichtlich ihrer Relevanz für den Bereich der Kanalsedimente bewertet. Die Vielzahl der in Frage kommenden Einflussfaktoren sowie das sich hieraus abzeichnende Geflecht aus den Wechselwirkungen der Einflussfaktoren untereinander macht diese Thematik sehr komplex und das tatsächliche Erosionsverhalten schwer vorhersagbar. In-situ-Untersuchungen stellen daher einen essentiellen Grundstein für die Entwicklung eines allgemeingültigen Erosionsmodells dar. / The present work studies the sediment erosion in combined sewers. For this purpose, an in-situ instrument was developed, constructed and calibrated. For the first time, such an instrument was used to perform erosion measurements on real, undisturbed sewer sediments on a large scale. In the analysis, the bottom shear stress was used as an indicator for the sediment stability applying established methods and also a newly developed one. The sediments in the investigated sewer show a distinct cohesive erosion behavior. Hence, they behave similar to sediments in natural waters. Therefore, one can with some limitations use the extensive experience in the field of marine, estuarine, and fluvial sediments. The influences studied in that field were evaluated according to their relevance for sewer sediments in a extensive literature research. Due to the large number of influence factors in addition to their interactions, this topic is very complex and the actual erosion behavior difficult to predict. Hence, in-situ studies are a essential foundation for the development of a general model for sediment erosion.

L'objectif principal de ce travail était de mieux comprendre les processus et la dynamique d'érosion des sols sur pentes raides sous culture permanente (café sous arbres d'ombrage).Huit parcelles expérimentales ont été installées dans une plantation de café avec une pente moyenne de 65 % avec Erythrina sp. comme arbre d'ombrage. Le ruissellement superficiel a été mesuré chaque 5 min et collecté pour la mesure de la concentration en sédiments et l'évaluation de l'érosion.La pluviométrie annuelle a été de 2206, 1778 et 2220 mm en 2011, 2012 et 2013 respectivement avec une alternance marquée de saison sèche et saison des pluies. La lame ruisselée totale a été en moyenne de 103, 54 et 33 mm respectivement pour les trois années. La concentration moyenne en sédiments a été d'environ 1.3 g l-1 avec des variations temporelles réduites entre événements pluvieux et entre années. La perte de sol annuelle moyenne a diminué de 1.69 à 0.91 puis 0.58 t ha-1 an-1 de 2011 à 2013. La dynamique temporelle a été analysée à trois échelles de temps : annuel-mensuel, événement et intra-événement. Environ 60% de la pluie et 90% du ruissellement et de l'érosion s'est produit pendant les périodes d'octobre à aout, dont plus de la moitié en octobre. La hauteur de pluie de chaque événement et la teneur en d'eau du sol ont expliqué l'essentiel de la variabilité du ruissellement et de la perte en terre. Le stockage d'eau de sol hérité de l'année précédente a joué un rôle important sur le ruissellement. Un modèle d'infiltration simple (Diskin et Nazimov) a été utilisé pour évaluer la hauteur de ruissellement pendant une pluie.En 2012 quatre traitements ont été appliqués avec deux répétitions chacun : 1. traitement de référence avec renouvellement de mini-terrasses et désherbage manuel ; 2. idem 1 sans renouvellement de mini-terrasses ; 3. idem 1 sauf désherbage avec un herbicide ; 4. idem 1 avec taille réduite des arbres d'ombrage. On a considéré trois périodes : P1 avant application des traitements, P2 les deux mois suivants traitement et P3 l'année suivante (2013). Les différences significatives entre les ratios de traitements/référence pour les trois périodes indiquent une augmentation du ruissellement et de la concentration en sédiments après renouvellement des mini-terrasses avec un effet toujours présent pour P3. Le désherbage avec un herbicide n'a pas montré d'influence claire. Le traitement avec taille réduite des arbres d'ombrage a réduit l'érosion pour les conditions d'humidité de sol > 30 % seulement.Le ruissellement superficiel, la concentration en sédiments et la perte en terre ont été mesurés à l'exutoire d'un petit bassin versant (31 ha, de pente moyenne de 60 %) en 2012 et 2013. Seules les pluies de hauteur supérieure à 5 mm (169 événements) ont produit du ruissellement et l'essentiel des volumes ruisselés a été produit lors des fortes averses (> 40 mm). Les coefficients de ruissellement ont été faibles (0.9 %) aux deux échelles en 2013. Ils ont atteint 2.44 % pour les parcelles et 0.9 % pour le bassin versant en 2013. L'écoulement de base était également faible pour le bassin versant (13-16 % de la pluie totale) avec une grande partie de la pluie (environ 20 %) perdue par percolation. La concentration moyenne en sédiments a été d'environ 1.65 g l-1 à l'échelle de la parcelle avec des valeurs maximales de 5.64 g l-1. La concentration moyenne en sédiments à l'échelle du bassin versant a été de 0.51 g l-1. La perte de sol annuelle a été de 0.73 et 0.36 t ha-1 an-1 à l'échelle parcellaire (tous traitements confondus) pour 2012 et 2013 respectivement et de 0.46 et 1.24 t ha-1 yr-1 à l'échelle du bassin versant pour les mêmes années.Le système caféier étudié a présenté une perte en terre modérée liée à une protection importante de la surface du sol par la végétation. / The main objective of this work was to better understand soil erosion processes and dynamics on steep lands cultivated with a permanent crop (shade coffee).Eight large experimental plots were installed in a 65% average slope coffee plantation with Erythrina sp. as shade tree. The superficial runoff was measured every 5 min. and collected for sediment concentration measurement and soil loss assessment.Rainfall depth was 2206, 1778 and 2220 mm in 2011, 2012 and 2013 respectively with a marked succession of dry season and rainy season. Total runoff was 103, 54 and 33 mm along those three years. Annual average sediment concentration at plot scale was about 1.3 g l-1 with reduced temporal variations between years or rainfall events. The plots' average annual soil loss (under normal management) decreased from 1.69 to 0.91 and 0.58 t ha-1 from 2011 to 2013. An analysis of the temporal dynamics was performed in three time scales: annual-monthly, event and intra-event. Around 60% of rainfall and 90% of runoff and soil loss occurred each year during the August-October periods and more than half of it in October. Total event rainfall and soil water content explained most of surface runoff and soil loss dynamics, while inherited soil water storage from previous year played an important role on the relationship between rainfall and runoff dynamics the following year. A simple infiltration model (Diskin and Nazimov) was used to estimate runoff during a rainfall event.In 2012 four treatments were applied with two replicates each: no mini-terraces renewal, weed control with herbicide, reduced pruning pressure on shade trees and reference management. Three periods were considered: P1 before treatment application, P2 the next two months afterwards and P3 the year after (2013). The significant differences between treatments/reference ratios for the three periods suggested higher runoff and sediment concentration when mini-terraces were renewed and the effect decreased but was still present in P3. Chemical weed control did not show a clear trend. The reduced pruning treatment reduced erosion only for superficial soil moisture >30%.Superficial runoff, average sediment concentration and soil loss were monitored at the outlet of a small watershed (31 ha, 60% average slope) during 2012 and 2013. Rainfall events greater than 5 mm (169 events) produced runoff at both scales and most of runoff amount was produced for strong rainfalls (> 40 mm). The runoff coefficients were very low (0.9%) at both scales in 2013. But it was 2.44% for plots and 0.9% for watershed in 2013. The base flow was also very low on this watershed (13-16% of total rainfall) with a large part of the rainfall (about 20%) being lost by percolation. The average sediment concentration at the plots was about 1.65 g l-1 and the maximum value was 5.64 g l-1. The average sediment concentration at watershed scale was 0.51 g l-1. Estimated annual soil loss were 0.73 and 0.36 t ha-1 yr-1 at plots scale (all managements included) for 2012 and 2013 respectively and 0.46 and 1.24 t ha-1 yr-1 at watershed scale for thesame years.The shade coffee system studied showed a tolerable soil loss compared to the potential erosion due to the efficient vegetal surface protection.