DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-2093-2026
تاريخ النشر: 2026-03-23
المؤلف: Sheng Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الكارست والهيدروجيولوجيا
نظرة عامة
تبحث هذه الورقة البحثية في الخصائص الشكلية وأنماط التطور للثقوب الأرضية في هضبة اللوس الصينية (CLP)، وهي منطقة معروفة بتضاريسها الواسعة من اللوس. على الرغم من انتشار الثقوب الأرضية، كانت الدراسات السابقة محدودة بسبب نقص بيانات المسح عالية الدقة، مما أعاق الفهم الشامل. استخدم المؤلفون التصوير الفوتوغرافي، والمسح بالليزر الجوي، والمسح بالليزر المحمول لإنشاء مجموعة بيانات مفصلة تضم 1,194 سجلًا لشكل الثقوب الأرضية. تسهل هذه المجموعة البيانات رسم الخرائط المكانية، وتحليل التوزيع، والتكميم الشكلي، مما يكشف عن نتائج مهمة مثل تقدير تآكل التربة تحت السطح بمقدار 345,000 طن متري، مما يبرز التأثير البيئي لهذه الميزات الجيولوجية.
تقدم الدراسة جردًا خرائطيًا عالي الدقة للثقوب الأرضية ضمن حوض مساحته 2.4 كم²، مع تحديد حوالي 500 ثقب أرضي لكل كيلومتر مربع. تميز البحث بين الثقوب الأرضية الفردية والمركبة، مع متوسط أطوال تبلغ 3.65 م و7.37 م، على التوالي، وتلاحظ أن 70% من الثقوب الأرضية تظهر عمقًا أكبر من الطول، مما يشير إلى وجود أنابيب عميقة. تشير النتائج إلى أن تطور الثقوب الأرضية يتأثر بالعوامل الهيدرولوجية والانحدارات الطبوغرافية، خاصة على طول حواف الجداول شديدة الانحدار. يُقترح دمج تقنيات المسح المتقدمة كنهج واعد لتحقيقات الثقوب الأرضية المستقبلية، بينما تتاح مجموعة البيانات الناتجة على منصة زينودو لمزيد من البحث والدراسات المقارنة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة لتآكل التربة، مع التأكيد على تأثيراتها البيئية والاجتماعية والاقتصادية العالمية. بينما تُعترف عادةً بعمليات تآكل السطح، لا يزال التآكل الميكانيكي تحت السطح، وخاصة أنابيب التربة، غير مستكشف بشكل كاف. تتضمن أنابيب التربة تشكيل قنوات في التربة والرواسب بسبب التسرب والحركات الكتلية، مما يؤدي إلى تشكيل الثقوب الأرضية التي تشكل مخاطر على الزراعة والبنية التحتية والأنشطة البشرية. تشير الأدبيات إلى وجود فجوة معرفية كبيرة في هذا المجال، خاصة فيما يتعلق بهضبة اللوس الصينية (CLP)، التي تميل إلى تطوير الثقوب الأرضية بسبب خصائصها الجيولوجية الفريدة.
تهدف الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال التحقيق في الثقوب الأرضية في CLP باستخدام تقنية المسح بالليزر المحمول (HLS) المعتمدة على التوطين والتخطيط المتزامن (SLAM). من المتوقع أن يعزز هذا النهج فهم شكل الثقوب الأرضية وأنماط تطورها، حيث غالبًا ما تفشل تقنيات التخطيط التقليدية في التقاط الهياكل الداخلية المعقدة للثقوب الأرضية. ستوفر الأبحاث بيانات قيمة لمجتمع أنابيب التربة العالمي وتساهم في تحسين استراتيجيات تقييم المخاطر وإدارتها للثقوب الأرضية في المنطقة. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من الاهتمام بأبحاث أنابيب التربة، خاصة بالنظر إلى أحجام التآكل تحت السطح الكبيرة التي تم تحديدها.
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون الأساليب المستخدمة للتوصيف الهندسي للثقوب الأرضية من اللوس، مستندين إلى مراجعة أدبية شاملة للدراسات العالمية حول الثقوب الأرضية والدولين الكارستية. حددوا عدة معلمات مورفومترية تعتبر حاسمة لهذا التوصيف، كما هو مرجع في أعمال داي (1983)، ليو ووانغ (2008)، ودي وايلي وغوتيريز (2022).
يوفر الجدول 1 قائمة مفصلة بالمعلمات المختارة مع تعريفاتها والأساليب المستخدمة لحسابها تلقائيًا. بالإضافة إلى ذلك، يتم تمثيل المعلمات الشكلية الرئيسية بصريًا في الشكل 7، مما يسهل فهم أهميتها في دراسة الثقوب الأرضية من اللوس.
نتائج
في قسم النتائج، تقدم الدراسة النتائج الرئيسية المتعلقة بحجم (V) وقياسات الحمل المحدد (SL). الحجم الإجمالي المسجل هو 3610 م³، مع حمل محدد قدره 4585 طن. بالإضافة إلى ذلك، تشير تفاصيل قياس حجم آخر إلى إجمالي قدره 1750 م³، يتكون من 1606 م³ من العمود و144 م³ من الأنبوب، مما يتوافق مع حمل محدد قدره 2223 طن. تبرز هذه النتائج الفروق الكبيرة في الحجم والحمل بين القياسين، مما يشير إلى تداعيات على التحليل الهيكلي وتخصيص الموارد في سياق الدراسة.
مناقشة
تركز الدراسة على حوض سونجياشا، وهي منطقة صغيرة على شكل ورقة في هضبة اللوس في الصين، تتميز بمناخها شبه الجاف وميزاتها الجيولوجية الهامة. يعاني الحوض، الذي تبلغ مساحته حوالي 2.4 كم²، من معظم هطول الأمطار السنوي البالغ 370 مم بين مايو وسبتمبر، مما يؤدي إلى تشكيل مجرى مائي مؤقت. تشمل التاريخ الجيولوجي للمنطقة عمليات يانشان والهيمالايا، مما أدى إلى منظر طبيعي يهيمن عليه رواسب اللوس، وخاصة لوس مالان Q3، الذي يميل إلى الانضغاط المائي وتشكيل الثقوب الأرضية. تحتوي منطقة الدراسة على أعلى كثافة من الثقوب الأرضية في هضبة اللوس، مع تحديد 1194 ثقبًا أرضيًا و288 انزلاقًا أرضيًا، تتأثر بشكل رئيسي بالتآكل النهري والأمطار الغزيرة.
تستخدم الأبحاث تقنيات مسح متقدمة، بما في ذلك الأنظمة الجوية غير المأهولة (UAS) والمسح بالليزر المحمول، لإنشاء جرد مفصل للثقوب الأرضية. يتضمن هذا الجرد معلمات مورفومترية مثل الطول والعرض والعمق والحجم، مما يكشف أن الثقوب الأرضية تظهر بشكل أساسي أشكالًا بيضاوية وتركز في مناطق ذات انحدارات طبوغرافية عالية. تشير التحليلات إلى أن التآكل تحت السطح يساهم بشكل كبير في فقدان التربة، مع تقدير إجمالي لفقدان التربة يبلغ 34.50 × 10^4 طن عبر الحوض، مما يترجم إلى معدل تآكل محدد قدره 143.75 طن هكتار⁻¹. تؤكد النتائج على أهمية فهم ديناميات الثقوب الأرضية وتأثيراتها على تآكل التربة في هضبة اللوس، مما يوفر مجموعة بيانات شاملة للدراسات الجيومورفولوجية المستقبلية.
القيود
تسلط الأبحاث الضوء على عدة قيود تتعلق بتقييم الثقوب الأرضية من اللوس، التي تظهر أشكالًا ثلاثية الأبعاد معقدة بدلاً من أشكال هندسية بسيطة. كشفت عمليات المسح عالية الدقة لـ 142 ثقبًا أرضيًا في لاوزيغو أن طرق تقدير الحجم التقليدية، وخاصة تلك التي تعتمد على سحب نقاط LiDAR الجوية، يمكن أن تؤدي إلى عدم دقة كبيرة. على وجه الخصوص، غالبًا ما تؤدي الاعتماد على العمق الأقصى وفرضيات الهندسة الأسطوانية إلى تقديرات مفرطة، بينما قد تؤدي احتمالية وجود أعماق فعلية أعمق وقنوات غير محسوبة إلى تقديرات ناقصة.
لمعالجة هذه التحديات، تؤكد الدراسة على فائدة سحب النقاط الشاملة التي تم الحصول عليها من المسح بالليزر المحمول، مما يسهل تطوير خوارزميات حساب الحجم الأكثر دقة. لقد أثبت دمج تقنيات UAS-LiDAR وHLS-LiDAR فعاليته في تحديد الهياكل الداخلية للثقوب الأرضية، مما يتجاوز قيود طرق LiDAR الفردية. علاوة على ذلك، يُظهر ظهور تقنيات التعلم الآلي للكشف التلقائي عن الثقوب الأرضية وتحديدها وعدًا، حيث قام المؤلفون بتنفيذ سير عمل شامل يجمع بين بيانات LiDAR الجوية ونماذج التعلم العميق لتحسين تحديد ورسم خرائط الثقوب الأرضية.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-2093-2026
Publication Date: 2026-03-23
Author(s): Sheng Hu et al.
Primary Topic: Karst Systems and Hydrogeology
Overview
This research paper investigates the morphological characteristics and development patterns of loess sinkholes in the Chinese Loess Plateau (CLP), an area known for its extensive loess landforms. Despite the prevalence of loess sinkholes, prior studies have been limited due to a lack of high-precision survey data, hindering comprehensive understanding. The authors utilized photogrammetry, airborne laser scanning, and handheld laser scanning to create a detailed dataset comprising 1,194 records of sinkhole morphology. This dataset facilitates spatial mapping, distribution analysis, and morphological quantification, revealing significant findings such as an estimated subsurface soil erosion of 345,000 metric tons, highlighting the ecological impact of these geological features.
The study presents a high-resolution cartographic inventory of sinkholes within a 2.4 km² catchment, identifying approximately 500 sinkholes per square kilometer. The research distinguishes between single and compound sinkholes, with average lengths of 3.65 m and 7.37 m, respectively, and notes that 70% of the sinkholes exhibit greater depth than length, indicating the presence of deep-seated piping. The findings suggest that sinkhole development is influenced by hydrological factors and topographic gradients, particularly along steep stream margins. The integration of advanced scanning technologies is proposed as a promising approach for future sinkhole investigations, while the dataset generated is made available on the Zenodo platform for further research and comparative studies.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of soil erosion, emphasizing its global environmental and socioeconomic impacts. While surface erosion processes are commonly recognized, subsurface mechanical erosion, particularly soil piping, remains underexplored. Soil piping involves the formation of conduits in soils and sediments due to seepage and mass movements, leading to sinkhole formation that poses risks to agriculture, infrastructure, and human activities. The literature indicates a significant knowledge gap in this area, particularly regarding the Chinese Loess Plateau (CLP), which is prone to sinkhole development due to its unique geological characteristics.
The study aims to address this gap by investigating sinkholes in the CLP using handheld laser scanning (HLS) technology based on simultaneous localization and mapping (SLAM). This approach is expected to enhance the understanding of sinkhole morphology and development patterns, as traditional mapping techniques often fail to capture the intricate internal structures of sinkholes. The research will provide valuable data for the global soil-piping community and contribute to better risk assessment and management strategies for sinkholes in the region. The findings underscore the need for increased attention to soil-piping research, particularly given the substantial subsurface erosion volumes identified.
Methods
In this section, the authors outline the methods employed for the geometrical characterization of loess sinkholes, drawing from a comprehensive literature review of global studies on loess sinkholes and karst dolines. They identified several morphometric parameters that are crucial for this characterization, as referenced in works by Day (1983), Liu and Wang (2008), and De Waele and Gutiérrez (2022).
Table 1 provides a detailed list of the selected parameters along with their definitions and the methodologies used for their automatic computation. Additionally, the key morphological parameters are visually represented in Figure 7, facilitating a clearer understanding of their significance in the study of loess sinkholes.
Results
In the results section, the study presents key findings related to volume (V) and specific load (SL) measurements. The total volume recorded is 3610 m³, with a specific load of 4585 t. Additionally, a breakdown of another volume measurement indicates a total of 1750 m³, which comprises 1606 m³ from the shaft and 144 m³ from the pipe, corresponding to a specific load of 2223 t. These results highlight the significant differences in volume and load between the two measurements, suggesting implications for structural analysis and resource allocation in the context of the study.
Discussion
The study focuses on the Sunjiacha watershed, a small, leaf-shaped area in the Loess Plateau of China, characterized by its semi-arid climate and significant geological features. The watershed, approximately 2.4 km², experiences most of its 370 mm annual precipitation between May and September, leading to the formation of an ephemeral stream. The region’s geological history includes the Yanshan and Himalayan orogenies, resulting in a landscape dominated by loess deposits, particularly the Q3 Malan loess, which is prone to hydrocompaction and sinkhole formation. The study area has the highest density of loess sinkholes in the Loess Plateau, with 1194 sinkholes and 288 landslides identified, primarily influenced by fluvial undercutting and intense rainfall.
The research employs advanced surveying techniques, including unmanned aerial systems (UAS) and handheld laser scanning, to create a detailed inventory of sinkholes. This inventory includes morphometric parameters such as length, width, depth, and volume, revealing that sinkholes predominantly exhibit elliptical shapes and are concentrated in areas with high topographic gradients. The analysis indicates that subsurface erosion significantly contributes to soil loss, with an estimated total of 34.50 × 10^4 tons of soil loss across the basin, translating to a specific erosion rate of 143.75 t ha⁻¹. The findings underscore the importance of understanding sinkhole dynamics and their implications for soil erosion in the Loess Plateau, providing a comprehensive dataset for future geomorphological studies.
Limitations
The research highlights several limitations regarding the assessment of loess sinkholes, which exhibit complex three-dimensional morphologies rather than simple geometric forms. High-resolution scanning of 142 sinkholes in Laozigou revealed that traditional volume estimation methods, particularly those relying on airborne LiDAR point clouds, can lead to significant inaccuracies. Specifically, the reliance on maximum depth and cylindrical geometry assumptions often results in overestimations, while the potential for deeper actual depths and unaccounted conduits may lead to underestimations.
To address these challenges, the study emphasizes the utility of comprehensive point clouds obtained from handheld laser scanning, which facilitate the development of more accurate volumetric computation algorithms. The integration of UAS-LiDAR and HLS-LiDAR technologies has proven effective in delineating the internal structures of sinkholes, thereby overcoming the limitations of single LiDAR methods. Furthermore, the emergence of machine-learning techniques for automatic sinkhole detection and delineation shows promise, with the authors implementing an end-to-end workflow that combines airborne LiDAR data with deep-learning models for enhanced identification and mapping of sinkholes.