基于分形理论的非达西渗流参数研究

目前对于多孔介质孔隙结构与非达西渗流参数的关系研究较少。因此,本文基于分形理论和渗流试验,建立了多孔介质颗粒分形维数与非达西渗流参数的回归方程。研究结果表明,柴油在多孔介质中的渗流表现出了非线性特征,可用Forchheimer方程描述;多孔介质具有明显的分形特征,分形维数值的范围在2.444～2.713之间;分形维数值与砂粒含量呈极显著负相关,与粉粒、粘粒含量呈极显著正相关;分形维数值与非达西渗流参数满足相关性较好的一次函数关系,其中非达西渗透系数随分形维数值的增大而减小,非达西渗流因子随分形维数值的增大而增大。因此,分形维数可以作为刻画非达西渗流参数的有效手段,从而为非达西渗流研究提供一种较好的研究思路。     

颗粒级配对混合土力学性质影响的试验研究

利用按质量比制备的黏土和细砂的混合土,开展混合土的固结快剪试验和压缩试验,探讨颗粒级配对混合土强度和变形特性的影响,基于分形维数对颗粒级配特征的定量描述,建立了混合土强度参数、变形参数与分形维数的函数关系。研究结果表明:分形维数较含砂量更好地反映了混合土强度和变形特性随着颗粒级配变化的规律,分形维数2.467(含砂量80%)为混合土力学性质明显变化的界限值,反映了颗粒级配渐变引起混合土力学性质突变的现象,为合理解释混合土力学特性变化提供了实验依据。     

三峡库区典型消落带土壤粒径分布及分形特征

为揭示三峡库区典型消落带土壤的独特性,通过野外调查和实验室定量分析,研究了消落带典型区阶地土壤粒径分布和分形特征。结果表明：该典型消落带土壤分形维数在2.80左右;共有3种质地的土壤,分别是壤质黏土、粉砂质黏土、黏壤土,两种黏土的分形维数不存在显著差异,黏土和壤土的分形维数差异显著且分形维数以黏土的较大。土壤粒径随高程增加表现为由尖峰胖尾分布向尖峰分布变化,在降水和江水的双重作用下,较高高程处小颗粒土粒含量较低,而较低高程处小颗粒土粒含量较高。淹水年限为3 a和1 a的不同植被类型下消落带土壤分形维数不存在显著差异。     

基于多重分形理论的壤土粒径分布非均匀性分析

土壤粒径分布是影响土壤水力特性最基本的土壤物理性质之一.为定量描述壤土粒径分布的非均匀特性,应用激光粒度仪对6个典型壤土土样测定了土壤颗粒的等效直径和分布规律,运用分形和多重分形理论描述了土壤粒径分布的非均匀性,计算了粒径分布的分形维数D和奇异性指数α及其相应的谱函数f(α),得到了壤土粒径分布的分形维数和多重分形谱曲线.结果表明:壤土的粒径分布具有分形和多重分形特征,单分形只能描述土壤粒径分布的整体特征,多重分形谱宽度Δα定量表征了土壤粒径分布的非均匀程度,Δα愈大,粒径分布愈不均匀;壤土粒径分布的非均匀程度受土壤中粘粒和砂粒含量的影响.多重分形方法为土壤粒径分布非均匀性的定量研究提供了一种精确的分析方法.     

四种粒径分级制度对土壤体积分形维数测定的影响

为揭示粒径分级对土壤体积分形维数测定的影响,采用激光衍射技术测定毛乌素沙地风沙土粒径组成,基于中国制、前苏联制、美国制和国际制4种不同粒径分级方法计算土壤体积分形维数.研究结果显示,(1)研究区土壤质地较粗,土壤颗粒组成以砂粒为主,占总体积的90%以上,而黏粒、粉粒含量相对较少;土壤体积分形维数大小排序为前苏联制(DSU)中国制(DCHN)国际制(DINT)美国制(DUS);(2)DCHN、DUS和DINT与土壤粘粒、粉粒和砂粒含量线性回归拟合效果良好,且相关性极显著(P0.01);DSU与土壤粉粒和砂粒含量相关性显著(P0.05),但线性回归拟合效果较差;(3)DCHN、DUS和DINT之间呈极显著正相关关系(P0.01),DSU与DCHN、DUS和DINT相关性较差,线性回归方程可实现DCHN、DUS和DINT之间的转化.综合考虑土壤颗粒组成信息、数值差异和相关性,美国制土壤粒径分级方法是计算土壤体积分形维数的较优选择.     

新疆玛依湖区土壤盐渍化过程中土壤粒径分形特征

以新疆玛依湖为研究对象,以不同湖区和不同土层深度的土壤粒径分布数据为基础,利用单重分形方法,分析了土壤粒级与分形维数间的关系以及土壤盐渍化过程中土壤分形维数的变化特征.结果表明:①玛依湖区土壤颗粒的主要组成部分为粉粒,土壤质地类型主要为粉壤土、粉土、砂土和砂质壤土,湖区土壤分形维数D值在1.79～2.71之间,分形维数水平方向上表现为东西向呈直线减小趋势,南北向呈先增大后减小趋势,垂直方向上表现为从表层(0～20 cm)向底层(60～80 cm)呈先降低后升高再降低趋势.②玛依湖区土壤均呈现不同程度的盐渍化,重度盐渍化的占比最大,为37.25%;轻度盐渍化和中度盐渍化的占比相近,分别为30.28%和31.47%.③土壤分形维数可以作为湖区土壤发生盐渍化的指标,当D值大于2.28时,土壤出现中度盐渍化;当D值大于2.38时,土壤出现重度盐渍化.玛依湖是克拉玛依市东部生态屏障的水源地,湖区的生态环境关系着克拉玛依市主城区的生态安全,研究湖区土壤盐渍化过程中土壤粒径分形维数的变化特征,能够为湖区土壤盐渍化治理提供科学指导.     

王朗自然保护区表层土壤颗粒粒径分布的分形特(三峡地区资源环境生态研究)

以王朗自然保护区7种土壤为对象,运用分形模型研究了该区表层土壤颗粒粒径分布的分形维数,分析了分形维数与土壤理化性质如有机质含量、全氮、全磷、pH及容重的关系。结果表明,王朗自然保护区表层土壤颗粒的分形维数Dp为2.679 6～2.741 4;各土壤颗粒粒径与累积重量的对数相关系数R2>0.85(p<0.05);通过逐步多元回归分析,土壤颗粒的分形维数仅与粒径为0.001～0.005mm和小于0.001mm土壤颗粒含量呈显著正相关(p<0.05);此外,土壤颗粒的分形维数与土壤有机质、全氮、全磷和容重的关系不显著,然而土壤有机质含量与土壤全氮含量呈显著正相关(p<0.05)。通过对王朗自然保护区表层土壤颗粒粒径分布的分形维数的探究发现,该区土壤颗粒的分形维数偏低,土壤结构相对松散,易发生水土流失,需要加强该区生态建设。     

漳州平原变性土粒径分布分形维数特征

 分形是许多自然事物和现象的客观特征之一。根据不同地形及土地利用/土地覆盖,从漳州平原不同地域分别采集22个0~60cm土层土壤样品,测定土壤各粒径质量分数,结果说明变性土土壤颗粒具有一定的分形特性。在此基础上,论述了漳州平原变性土粒径分布分形维数的变化特征以及土壤粒径分布分形维数与土壤性状间的关系。结果表明,漳州平原22个土壤样品粒径分布分形维数介于2.756~3.002之间,在垂直方向上,土壤粒径分布分形维数具有随着土层深度增加而增大的变异规律。通过回归分析发现,土壤粒径分布分形维数与各粒级颗粒质量分数明显呈线性关系,正负相关性以粒径r=0.1mm为界,即其分形维数与r>0.1mm的颗粒质量分数负相关,与r<0.1mm的颗粒质量分数正相关。土壤粒径分布分形维数随着植被覆盖度的增大而增加,并且土壤粒径分布分形维数随地形发生变化,表现为坡下>平地>坡上。     

露天煤矿排土场土壤抗冲性影响因素分析

为了深入研究土石混合介质土壤侵蚀过程机理,加快开发建设项目水土流失的预测与预报,采用改进的原状土水槽冲刷法,研究了露天矿排土场土壤理化性质与土壤抗冲性的关系。结果表明:土壤抗冲指数与容重之间呈显著的负相关,与总孔隙度和毛管孔隙度之间呈极显著正相关,与砂粒含量呈极显著负相关,与粘粒含量呈显著负相关,与大于0.25 mm水稳性团聚体含量呈显著正相关,与2~1 mm水稳性团聚体含量和1~0.5 mm水稳性团聚体含量呈显著负相关,与土壤初渗率和稳渗率呈显著正相关,与有机质、全氮和全钾含量呈显著相关关系。该研究可为开发建设项目土壤侵蚀的预测建模提供理论依据。     

王朗自然保护区表层土壤颗粒粒径分布的分形特征

以王朗自然保护区7种土壤为对象,运用分形模型研究了该区表层土壤颗粒粒径分布的分形维数,分析了分形维数与土壤理化性质如有机质含量、全氮、全磷、pH及容重的关系.结果表明,王朗自然保护区表层土壤颗粒的分形维数Dp为2.679 6～2.741 4;各土壤颗粒粒径与累积重量的对数相关系数R2＞0.85(p＜0.05);通过逐步多元回归分析,土壤颗粒的分形维数仅与粒径为0.001～0.005 mm和小于0.001 mm土壤颗粒含量呈显著正相关(p＜0.05);此外,土壤颗粒的分形维数与土壤有机质、全氮、全磷和容重的关系不显著,然而土壤有机质含量与土壤全氮含量呈显著正相关(p＜0.05).通过对王朗自然保护区表层土壤颗粒粒径分布的分形维数的探究发现,该区土壤颗粒的分形维数偏低,土壤结构相对松散,易发生水土流失,需要加强该区生态建设.     

陕西省退耕还林对土壤粒径分布体积分形特征的影响

退耕还林可引起土壤粒径分布的变化,通过测定陕西省吴起县和礼泉县两个样区不同土地利用类型下表层土壤各粒级百分含量,分析退耕还林对土壤粒径分布体积分形特征的影响。应用马尔文2000激光粒度分析仪测量各粒级体积百分含量,用双对数模型计算体积分形维数(D)。结果表明,吴起县和礼泉县两个样区土壤PSD的D值分别在2.490~2.526和2.638~2.699之间,顺序均为荒地人工林地农地。D值与黏粒和粉粒含量极显著正相关,相关系数分别为0.991和0.968,与极细砂和细砂含量极显著负相关,相关系数分别为-0.986和-0.851,与有机质含量显著正相关,相关系数为0.608。多元统计分析表明对土壤黏粒、粉粒和砂粒及D值影响较大的环境因子为区域,海拔,土地利用类型和退耕年限,其中土地利用类型和区域各自独立、互不相关地影响土壤粒径分布。     

岷江上游河谷土壤粒径分形维数及其影响因素

运用土壤体积粒径分维模型计算了岷江上游河谷土壤粒径分形维数,分析了分形维数的空间变化特点及其与粒度组成、粒度参数和铁游离度等之间的关系.土壤粒径分形维数空间分布与气候、植被环境有关.分形维数可以反映粒径大小.分形维数与粒度标准偏差和峰度不存在相关性,样品粒度特征主要受原位母质风化影响.铁游离度(Fed/Fet)与分形维...     

软土路基微结构扫描电镜图像的分形

根据分形模型的构造方法,提出了用于描述软土孔隙变化的孔隙度分维、孔隙分布分维和孔隙边缘形状分维,并以珠江三角洲地区某高速公路软土路基加固为例,用分形维数对土体扫描电镜(SEM)图像进行分析。研究发现,加固后3种分形维数均有不同程度降低,表明加固后孔隙的分布面积减小,结构单元体之间排列紧密,孔隙尺寸分布趋于均匀,孔隙边缘形状变得规整光滑。结果表明,软土中孔隙分布及形状具有分形特征,不同的分形维数,可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化。     

表土粒度特征对风蚀荒漠化的响应

 为了阐明风蚀对表土粒度特征的影响,采用时空替代法选择毛乌素沙地5 种不同利用类型的土地（草地、新垦耕地、7~8 年耕地、>20 年耕地、沙丘）,以其表层土壤（0~1、1~2、2~3、3~4、4~5 cm）为研究对象,通过野外实地采样和室内实验相结合的方法进行土壤机械组成与土壤颗粒分形分析。结果表明：1）5 个样地表层土壤机械组成均以细沙质量分数最高,为62.52%~80.40%,粗沙质量分数最低,仅为0.16%~0.43%,不同粒级土壤颗粒的质量分数高低排序为：细沙>中沙>极细沙+粉沙>粗沙,说明研究区土壤基质组成以细沙为主,沙物质分选好;2）5 个样地不同采样深度上的粗沙和中沙质量分数从大到小为0~1 cm>1~2 cm>2~3 cm>3~4 cm>4~5 cm;细沙质量分数各层次之间差异不显著（P=0.4558）,以0~1 cm 层的质量分数最低;极细沙+粉沙的质量分数0~1 cm和1~2 cm层显著低于其他3层（P=0.0126）,表明从草地到沙丘的演化是一个主要以极细沙+粉沙质量分数减少的风蚀荒漠化过程;3）土壤颗粒分形维数与极细沙+粉沙的质量分数呈极显著正相关关系,D=0.3661lnx+1.3409（P<0.0001）。5个样地的土壤颗粒分形维数存在极显著差异（P<0.0001）,从大到小依次为：草地（2.579）、新垦耕地（2.479）、7~8年耕地（2.361）、>20年耕地（2.100）、沙丘（1.716）。因此认为土壤颗粒分形维数可替代土壤机械组成来表征土地风蚀荒漠化的程度。     

基于氮气吸附法的渝东南下寒武统页岩孔隙的分形特征

 分形维数是多孔介质不规则程度的度量,以渝东南下寒武统页岩的氮气吸附法测量结果为研究对象,采用FHH 模型的分形维数计算方法,得到渝东南下寒武统页岩的分形维数。研究结果表明,渝东南下寒武统页岩孔隙的分形维数具有明显孔径分界点,即具有双重分形特征,小孔隙分形维数D₁变化范围在2.3559~2.6577,平均值为2.488,大孔隙分形维数D₂变化范围在2.5971~2.8746,平均值为2.7631;大孔隙分形维数的平均值大于小孔隙分形维数的平均值,说明大孔隙结构的复杂程度大于小孔隙结构的复杂程度;页岩孔隙的分形维数与有机碳（TOC）含量、吸附气量、比表面积和孔容呈正相关,其中与孔隙的比表面积和孔容的相关性显著,而与黏土矿物含量呈弱负相关。     

基于颗粒分形滑坡土体土水特征曲线评价及预测

滑带土与滑坡的发展、稳定性评价有着密切的关系,以福建永泰旗山滑坡为例,取代表性滑带土样和表层土样进行颗粒级配试验,基于分形理论研究了颗粒分形特征,结合压力板仪测定土样土水特征曲线,对滑带土和表层土进行了评价,并以颗粒分形维数预测了土水特征曲线,研究结果表明,滑带土细粒土含量较表层土含量高,滑坡土存在很好的分形特征,颗粒分形维数越大,细粒土含量越高,土体的持水性能也较好。以颗粒粒径分形维数代替土水特征分形维数,并结合Books-Corey模型来预测土水特征曲线,得到实测值与预测值呈现较好的一致性。     

不同pH环境下黏土类岩崩解过程分形演化规律

基于分形的相似性原理和质量守恒定律,分别探讨了岩石颗粒的细观分数倍崩解过程及粒组宏观分布模拟崩解方法,得到了基于颗粒数量统计的岩石崩解分形描述的关联分维计算公式.在此基础上,以黏土类岩为研究对象,分析了不同pH环境下岩石颗粒崩解过程的分形演化规律.结果表明:初次崩解时溶液pH值越小颗粒分形维数越大,pH值越小分维数趋于稳定所需循环次数越少;酸性溶液对颗粒崩解分维数的增长起到加速作用,碱性溶液对颗粒崩解分维数的增加具有阻碍作用且循环多次后分维曲线才渐趋稳定,但任何溶液条件下黏土类岩崩解的颗粒分形维数最终趋于相等.     

沥青混合料级配集料的分形特性

基于分形理论,对沥青混合料级配集料的分形特性进行了研究,探讨了集料颗粒、集料粒径分布、集料质量级配以及集料体积的分维等.研究结果表明:分维值可以用来定量地描述沥青混合料中集料的复杂外观结构,在双对数坐标下集料颗粒周长与面积呈现线性关系,相同集料(同料源)不同级配的集料颗粒具有近似相同的分维,相同集料不同截面具有相同的分维,不同集料(不同料源)表现出不同的分维;分维值也可以用来定量地描述沥青混合料中集料粒径分布、集料质量分布、集料体积分布以及集料的空隙率等,集料质量级配分维值越大,其级配就越粗.     

分形特征下降雨诱发砂土泥石流启动机理

利用分形理论计算不同颗粒含量砂土的粒度分维值,开展降雨条件下砂土泥石流启动模型试验,分析试验现象、位移场及含水率变化情况,总结分形特征下泥石流的启动机理。研究结果表明：粒度分维值随细粒含量的增加而增大,坡体发生明显现象的时间越早,泥石流启动的总体历时越长。分维值较大时,以坡表侵蚀破坏为主,坡表整体位移均匀,启动历时长;雨水分布不均匀,滑动带内外含水率差异显著,持水时间长;分维值较小时,以滑坡型破坏为主,启动历时短,产生位移大;雨水运动以渗流为主,土体抗剪强度降低,滑动带内外含水率差异减小,持水时间逐渐消失。分维值大小适中时,以过渡型破坏为主,泥石流启动时位移最小,历时较长,灾害程度最轻。