半干旱草地土壤粒径分形维数及空间变异特征

本文以毛乌素沙区内半干旱草地土壤颗粒为研究对象,运用地质统计学方法分析土壤颗粒大小含量及其分形维数的空间变异性,认为分形维数与沙粒含量线性负相关,与粘黏粒含量线性正相关。土壤黏粉粒损失导致土壤沙化加剧,分形维数减少,说明分形维数可以反映土壤颗粒物质的损失状况及土壤沙质荒漠化的程度。在20m采样尺度上,各空间变量由随机因素引起的变异占总变异的比例较小,自相关引起的变异比例较大。以分形维数的空间变异性表示土壤质地的分布,不但方法简单且更经济实用。     

大凌河流域不同植被类型土壤粒径的多重分形特征分析

文章利用激光粒度分析法和分形理论研究了大凌河流域5种不同植被类型的土壤颗粒组成及其多重分布特征,对不同植被类型的土壤结构异质性和粒径分布非均匀性进行了详细的分析和探讨。研究表明:土壤黏粒梯级分数可与土壤多重分形参数和颗粒单分形参数呈明显的正相关性,土壤粒径分布的奇异性和非均匀性随土壤细颗粒物质体积分数的增大而增加;针阔混交林和杂木林的多重分形参数、颗粒分形维数大于果园并大于谷田和油松,防护林植被可有效提高土壤颗粒结构异质性性和质地的均匀性并增大土壤粉粒及黏粒等细粒的体积分数。     

马尾松人工林地浅沟表层土壤的分形特征

为了研究南方红壤区马尾松人工林地浅沟表层土壤颗粒的分形特征,为林下浅沟侵蚀的防治提供理论依据,采用野外调查和室内实验相结合,以马尾松人工林地浅沟表层(0～5 cm)土壤为研究对象,运用分形模型计算了表层土壤颗粒质量分形维数,分析了分形维数的空间变化及与颗粒含量的关系。结果表明马尾松人工林地浅沟表层土壤粗化严重,分形维数介于2.14～2.57之间,平均值为2.36,变异系数为3.95%,属弱变异性(CV10%);分形维数值与粉粒、黏粒含量均呈极显著正相关关系(P0.01),与石砾含量呈极显著负相关关系(P0.01);浅沟不同部位间表层土壤分形维数差异显著,整体表现为沟底沟坡沟缘,且沟底的分形维数极显著大于沟坡和沟缘(P0.01);沿沟长方向,随着沟长的增加,表层土壤的分形维数逐渐增大。表层土壤颗粒的分形维数可以较好的反映马尾松人工林地的侵蚀状况,可作为浅沟侵蚀状况的判断指标。     

山西典型人工林土壤微团聚体分形特征及其与抗蚀性关系研究

以山西中阳县5种典型人工林下的土壤为研究对象,运用分形模型对不同林分经营模式下土壤微团聚体进行研究,探讨了分形维数与土壤养分、土壤抗蚀性之间的关系。结果表明:不同人工林下的土壤微团聚体的粒径分形维数介于2.2538~2.3812之间,混交林的平均分形维数最小,黄刺玫林最大,乔木林的分形维数小于灌木林;0.25~0.02 mm粒径含量越大,分形维数越小,0.02~0.002 mm粒径含量越大,分形维数越大;分形维数与土壤有机质、全氮呈显著负相关,与土壤抗蚀性指数呈负相关;土壤微团聚体的分形维数可以作为评价土壤性质的综合指标。从分形维数看,混交林对土壤的改良效果最好。     

分形理论在海滩剖面演化规律研究中的应用初探

基于分形原理,通过波浪水槽试验,对波浪作用下的海滩剖面形态开展分形维数计算和分析,探究分形理论应用于海滩剖面演化规律研究的可能性。结果表明:海滩剖面分形维数可以用于描述海滩剖面形态的不规则程度和复杂性,分形维数越大,海滩剖面形态越复杂。同时,围绕波浪动力因素变化对海滩剖面分形维数的影响展开讨论,波浪类型、波高和水深的变化均会导致海滩剖面分形维数的改变,波浪类型和波高的变化对海滩剖面维数的影响更明显,而水深变化导致的波浪因素变化对海滩剖面分形维数的影响相对较小。研究发现随着波浪作用时间的增长,海滩剖面分形维数最终朝平衡方向发展。     

包气带介质颗粒分形特征的研究

本次研究通过文献检索和资料搜集的方式深入了解研究区相关情况和区域地质、水文地质条件,确定采样的位置和采样深度;分别对采集的土样进行含水率测试和颗粒分析,并计算土壤颗粒的体积分形维数,分析其与含水率和土壤颗粒大小的关系,并探讨分形维数的水文地质意义。     

基于不完全分形理论的土壤水分特征曲线模型

本文将土壤的物理构成分为不具有分形结构的固体颗粒和孔隙以及具有分形结构的团聚体结构，建立了土壤孔隙和粒径分布的不完全分形模型，并与土壤毛管水运动Young-Laplace方程相结合推导出土壤水分特征曲线模型。将模型应用于6种土壤的结果表明，模型所包括的3个参数中分形维数有随土壤黏粒含量的增加而增大的趋势，另2个参数分别为基质势作用下的可释放含水率和特征曲线的形状参数。所提出的水分特征曲线模型能够较好的模拟不同土壤质地和基质势范围下土壤基质势和含水率的特征关系。     

坡面土壤颗粒组成对雨强和坡度变化的响应研究

土壤颗粒组成对坡面产流、产沙有着重要影响。为了研究黄土坡面土壤颗粒组成对降雨强度和坡度变化的响应,开展了60、90、120mm/h降雨强度和10°、20°坡度组合条件下的降雨实验,并运用土壤颗粒组成的分形维数对坡面土壤颗粒的变化进行了量化。研究结果显示:所有实验场次降雨后坡面土壤颗粒组成均为砂粒含量上升,粉粒含量下降,而黏粒含量虽有下降,但变化很小;分形维数变化排序的结果反映出坡度变化对土壤粗化程度的影响大于雨强变化产生的影响;随着雨强的增加,不同坡度的坡面土壤颗粒组成变化趋势不一致,而同雨强条件下,随着坡度的增加,土壤颗粒组成变化趋势也不一致;土壤颗粒组成变化的趋势不一致现象提示可能存在影响坡面土壤颗粒组成变化的临界坡度或者临界雨强,有必要开展坡面土壤颗粒组成变化临界条件及其作用机理的研究。     

黄河流域干旱时序分形特征及空间关系研究

根据黄河流域1470—2000年的干旱历史资料,基于分形理论,计算出流域各监测点的变维分形维数,并利用聚类分析的方法对维数进行分类。结合各监测点的干旱分形维数对分类结果进行分析,结果表明:大部分监测点的变维分形维数依次由大到小变化,少数监测点的变维分形维数的变化较明显。变维分形维数波动较明显的地区主要集中在黄河流域中、上游地区,尤其集中在宁夏、陕西、山西等省区,而且这些地区出现连续2a以上干旱的频数明显高于其他地区。     

流域水系分形维数的研究

流域水系维数计算是研究流域分形特性及判断流域分形类型的首要问题,对流域汇流理论的发展具有重要的意义.针对目前各种水系分形维数计算方法存在结果不一致的问题,从河网形成及流域差别方面进行分析.根据定量地貌学理论,在提出流域的吸引因子是由分叉角、链长和"临界距离"组成的直角三角形基础上,结合水系发展有限性和自放射理论澄清不同空间、不同类别的各种维数之间的数理关系,分析影响维数值的因素,然后就3个流域的DEM网格数据计算出的各种维数值进行比较,以分析这些因素对各种求维方法的影响.     

晋西黄土丘陵区不同农作物用地土壤团粒稳定性研究

为分析不同农作物用地土壤团粒结构稳定性,揭示种植模式和作物生长对土壤质量的作用与影响,以晋西黄土丘陵区主要农作物用地土壤为研究对象,以分形维数D和矩法参数为指标,分析不同种类农作物用地土壤团聚体稳定性。结果表明:基于表层土壤团粒分形维数,土壤结构稳定性变化由强到弱依次为土豆、黍子、绿豆、黄豆、苹果、玉米、向日葵、核桃;基于表层土壤水稳性团粒分形维数,土壤结构稳定性变化由强到弱依次为绿豆、黄豆、土豆、向日葵、黍子、玉米、苹果、核桃;比较不同农作物用地0.25~3 mm粒径土壤团粒含量,得出土壤肥力变化由大到小依次为黍子、绿豆、黄豆、土豆、玉米、向日葵、苹果、核桃。用矩法的理论和特征参数评价得出:农作物用地0~20 cm深度的土壤偏度系数C_S普遍小于20~40 cm土层;核桃地表层土壤偏度系数C_S甚至转为负值;峰凸系数C_E差异不大,均为负值。研究成果表明:人为干扰对表层土壤结构破坏作用明显,农作物用地土壤结构稳定性普遍较差。     

层状土入渗试验中指流发育的分形特征及入渗规律

土质结构差异较大的层状土入渗过程中易出现指流.为了了解层状土下层介质对指流发生发育的影响,以三种不同粒径的石英砂为下层介质和以砂壤土为上层介质进行了室内积水入渗的染色示踪试验.结果表明,下层介质粒径越大越易出现指流,且指流行进速度越快.指流发生后,入渗过程趋向于稳定,且下层土壤粒径越大,稳定入渗率与累积入渗量越小.采用湿润面积和湿润比描述指流发育的宏观特性,发现湿润面积和平均湿润比都随时间而增大,表明湿润锋趋于均匀.为定量研究层状土入渗中指流发育的分形特征,采用像素点覆盖法编制了计算染色示踪试验中分形维数发育的Matlab程序,对程序进行了验证并计算了四组试验指流发育的计盒维数.结果表明指流分布具有明显的分形特征,下层介质粒径越大计盒维数越小,且计盒维数随时间而增大.     

非饱和土的渗透系数

非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择。分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性。本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式。与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致。     

碎石尺寸对碎石土强度影响的大型直剪试验研究

以田师府—桓仁铁路大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,配置了3组含碎石尺寸不同的重塑碎石土样并采用大型直剪仪进行了剪切试验研究,探讨了碎石尺寸对碎石土抗剪强度的影响作用规律。在此基础上,利用现代非线性理论-分形理论,采用分形几何方法研究了该碎石土重塑样的粒度分布特征,得出了不同碎石尺寸下碎石土的分形维数,并探讨了碎石土的强度特征与粒度分形维数之间的关系。研究表明在粗粒含量相同的情况下,碎石土的抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大;内摩擦角随着碎石尺寸的相对增大而增大;而黏聚力呈现相反的趋势,随着碎石尺寸的相对增大而降低;随着碎石尺寸的相对增大,分形维数增大,分形维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀,反之分形维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。碎石土抗剪强度和粒度分形维数有一定的相关性,黏聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,黏聚力和内摩擦角均与粒度分形维数近似呈现抛物线函数关系。     

用粒径的数量分布表征的土壤分形特征

应用计算机图像分析技术，对6个典型土样测定土壤颗粒的等效直径和分布规律，给出用粒径的数量分布表征的土壤分形维数。结果表明：土壤颗粒的粒径分布具有一定的统计分形特征，分维数的数值反映了粒径大小和分布的均匀程度。分维数愈大，土壤颗粒的粒径愈小，细粒含量愈高，质地愈不均匀；土壤颗粒在单一粒级分布的集中程度对分维数的数值有重要影响，单一粒级的颗粒含量愈高，分维数愈大。计算机图像分析技术为土壤的分形研究提供了一种精确、简便的实验和分析方法。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

由土壤水分特征曲线反推土壤孔隙分形维数

利用分形几何理论，可在水分特征曲线与土壤结构分维之间建立一定的函数关系式。利用这些函数关系式与Campbell经验公式具有相同或相似的幂定律形式的特点，由土壤水分特征曲线反推土壤孔隙分形维数，这不仅可以揭示Campbell经验公式与土壤孔隙结构之间的内在联系，还可为建立土壤非饱和水力参数的分形模型提供理论依据。     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。