长江河道形态的分形计算

本文用分形几何理论对长江河道形态进行量化处理,求得了长江河道整体及分段分维值。分析表明,分维值客观反映了河道形态复杂程度。对河道形态的量化处理和了解河流发育程度以及对其成因反演提供了新思路。     

峡谷河道综合糙率变化规律的预报

本文揭示了峡谷与宽谷河道水流结构特性与阻力损失的机理和同异，指出前者的综合糙率常比后者大1－3倍，其原因除了通常认识的周界粗糙度不同有影响外，主要因素是河型和断面形态（B／H）不同，紊流涡体的产生、规模、强度和分布不同，集中表现在水流内部结构不同所引起的能损不同的结果。论证了阻力系数公式（5）仍可用于三维水流。但卡门常数K值不再是0.4；峡谷河道水流的K值可用式（8）或式（9）求解。宽阔河道水流的K值可用文献的公式计算，在动床水流中，K不仅是表征流速分布变化的一个系数，也是衡量水流阻力系数变化和床面形态定性变化的一个指标，是阻力系数的重要组成部门。引入紊流能损理论（即K值的变化）之后，水流阻力变化规律便与水流结构变化和床面形态变化建立起有机的联系，取得了与实测值基本一致的结果，解决了现有的糙度阻力系数公式无法求解超高（低）阻力的难题。     

三峡库区奉节县164段库岸塌岸预测

三峡工程于2006年10月三期蓄水至高程156.5 m.为防止蓄水后库岸可能出现崩塌、滑坡和塌岸等库岸稳定问题,使其得到及时治理,2005年4月重庆市启动了三期地质灾害防治工程Ⅰ类应急抢险项目.奉节县164段库岸为重庆市三峡库区三期地质灾害防治工程Ⅰ类应急抢险项目中的一段.该段库岸属于大河沟口-鱼种场滑坡的一部分,滑坡本身已经进行了治理.通过对整体稳定性计算和图解法对三峡水库蓄水后的库岸进行了塌岸预测和稳定性分析.     

秭归柳林溪遗址：待解读的历史遗存

优越的地理位置悠久的开发历史 长江三峡素有瞿塘雄，巫峡秀、西陵险之称，然而三个峡中最长的西陵峡并不都是险峻的峡谷，全长达75公里的西陵峡实际上是由东西两段峡谷和中间的宽谷构成，所以也有地理学家认为通常所说的三峡实际应由四段较大的峡谷组成。西陵峡中庙河以下的宽谷被称为庙南宽谷，狭窄的长江河道在这里变得宽缓，两岸也由陡峭的山崖变作起伏的丘陵。平缓的江水和呈阶梯分布的台地，显然比峡谷更适宜人类的居住，所以从很早的时代起，庙南宽谷就成为先民们生产安居的乐土，而正在建设中的三峡大坝也正好位于庙南宽谷江段。     

岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响

拱坝建成蓄水后，水环境的变化会引起坝址区岩体力学性能的改变，进而引起谷幅收缩，影响大坝安全。针对锦屏一级拱坝蓄水初期出现的地基异常变形现象，基于岩体遇水劣化规律和非饱和渗流-应力耦合基本理论，建立岩体遇水劣化模型，采用非线性有限元数值分析方法，研究蓄水初期库区岩体劣化下的谷幅变形规律，进一步分析谷幅收缩对坝体结构的影响。研究表明：库岸岩体劣化对谷幅变形产生直接影响；岩体劣化程度越高，谷幅收缩越明显，坝体上游消落带区域的谷幅变形最为突出；随着水位升高，库岸岩体劣化范围扩大，坝体的最大顺河向位移、最大主拉应力和最大主压应力略有减小。因此，锦屏拱坝蓄水后由岩体劣化造成的谷幅变形不会影响坝体的整体安全。     

重庆万州天城镇幅地质灾害孕灾背景及成灾模式

研究区位于长江三峡库区地质灾害重点防治区范围内,受侏罗山式褶皱构造的影响,地质灾害发育程度高,具有区域代表性。运用归纳和类比等方法对地质灾害编录数据进行了统计分析,总结了区域地质灾害基本发育特征和分布规律。研究结果表明:该区域滑坡的数量居多,占72%,主要分布在长江沿岸和铁峰山北翼,多属蠕滑拉裂型;崩塌数量占28%,分布于长江基座阶地的陡崖处,以倾倒式、滑移式、拉裂式破坏为主。为此从地形地貌、地层岩性和地质构造、岩土体工程地质特征、水文地质条件、植被发育情况、人类工程活动等几个方面分析了孕灾背景对地质灾害的影响和控制作用,研究表明:该区域人类工程活动已成为其最主要的诱发因素;继而根据成因机理的不同划分了5种地质灾害类型,包括顺层滑坡、破碎带崩滑、崩坡积物滑坡、危岩体、库岸滑坡,并依次归纳总结了其斜坡破坏模式和成灾模式,铁峰山北翼斜坡破坏模式以滑移─弯曲、滑移─拉裂为主,长江沿岸滑坡以蠕滑─拉裂为主,崩塌破坏模式以滑移─拉裂和弯曲─拉裂为主。最后指出了需要重点防控的地质灾害风险,并提出了相应的防治对策与建议。     

锦屏一级水电站水库蓄水后岸坡变形破坏规律探讨

水库蓄水后库岸变形破坏是常见的工程地质问题。库岸变形、失稳将对库区居民的生命财产和枢纽建筑物安全造成严重不利影响,因此正确预测蓄水后水库岸坡变形破坏的规律和稳定性,并采取针对性的防范措施是水库地质勘察的主要任务。锦屏一级水库自2012年11月底蓄水以来,发生了大量规模不等、类型不同的岸坡变形破坏。在对岸坡变形破坏调查统计的基础上,从地形地貌、地层岩性、岸坡结构等方面分析了岸坡变形破坏在空间上的分布规律、发展演化规律。相关结论可为制定防灾减灾方案提供地质依据,同时也可为类似的高山峡谷型水库岸坡变形破坏预测评价提供一定的参考经验。     

水库淤积断面横向分布规律研究

 本文在以往研究的基础上,首先利用水库原型和模型试验资料对水库淤积断面向横分布的主要形态及其出现条件和影响因素进行了分析;然后对宽、狭谷断面的淤积横向分布进行了概化模型试验;利用拉尔森理论和文献[12]的流速公式导得了反映侧壁影响的含沙量垂线分布公式,并对该式进行了验证;最后,分析了宽谷、狭谷断面的淤积横向分布机理:认为宽谷、狭谷断面通过不同的淤积横向分布,改变断面几何形态,调整断面水流紊动强度,改变流速、含沙量垂线分布梯度,是河流达到新的泥沙冲淤平衡的主要方式之一。     

水库泥沙淤积形态的数值模拟计算与试验研究

针对水库水流和泥沙淤积特点,将水库进行物理模型概化处理,修建长6 m,宽2 m,高0.5 m的概化物理模型;以其模型试验结果验证了采用Eulerian两相流模型、标准k-ε紊流模型及推移质冲淤计算模式,计算的水沙淤积形态,并将该数学模型应用于实际水库工程中,初步分析了水库库尾泥沙淤积形态与库岸坍塌破坏的相互作用关系。     

天然河道浑水流速分布研究

通过对有关学者得出的几个典型的垂线流速分布公式的分析认为:现有的用于天然河道的流速分布公式都存在不同程度的缺陷,且这些公式仅能用来计算不受侧壁影响的二维情况下的垂线流速分布,当用于峡谷河段时计算值与实测值差别较大。实测资料表明,对数或指数型流速分布公式可用于描述宽谷河段的垂线流速分布。由水流阻力公式导得了天然河道垂线平均流速沿横向的分布,引进重线流速分布,即得到断面点流速的分布公式。公式既可以用于清水水流,也可以用于挟有泥沙的浑水水流,含沙量对流速分布的影响主要反映在指数m发生变化这一点上。与实测资料比较发现,公式较好地反映了天然河道流速分布的实际情况。     

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。     

分形理论在乌梁素海湖泊水质评价中的应用

通过计算单个水质指标的分维数,由最大似然分类原则确定评价分维指数,并以2010年7月29日的实测水质指标代表乌梁素海湖泊丰水期的水质现状,采用加权平均法求算乌梁素海湖泊多个水质指标的综合评价级别。结果表明:乌梁素海湖泊大部分区域已经达到了重富营养化程度,水质评价结果与实际情况相符,表明分形理论可以应用于湖泊水质评价的研究中。     

基于数字图像处理的平原城镇河网分形特征研究

城镇河网分形特征反映了城镇水系分布密集度、城镇河网水面率与水系连通程度,对预测城镇水文趋势、旱涝抵御能力、水系及地貌演变等具有指导意义。本文以苏州吴江桃源镇河网为研究对象,基于数字图像处理技术,采用盒计数法和Sandbox法对桃源镇河网的分形特征进行定量分析。结果表明:盒计数法和Sandbox法均较好地揭示了该地区河网分形特性,分维值分别为1.4085和1.7442。盒计数法12个标度下的栅格边长和非空盒数关系曲线呈外凸状,揭示了该地区分形规律随标度减小而减弱的特征;以5个随机点和形心为控制点,采用Sandbox法对河网骨架分形进行计算,揭示了不同点控制区域分形维数的差异性。Sandbox法分维较盒计数法精确,原因为盒计数法受到最小标度、分形体不规则性和边界效应的影响,因此可采用盒计数法的定性判别与Sandbox法的定量计算对城镇河网分维综合评价。桃源镇河网分形特征说明了该区域地貌平缓且土地被河网分割严重,其河网分维受制于河道离散、土地破碎与城镇化发展的矛盾。     

利用马尔科夫链修正的变维分形模型及其应用

以往的预测模型对数据长度有较强的依赖性,且数据出现较强的非线性时,将增加预测的复杂程度。为使监测数据呈现出一定的线性关系,基于分形理论,将常维分形改进为变维分形,并据此建立相应的数学模型,通过短期监测数据进行预测。考虑到变维分形得到的预测结果不可避免地存在一定的波动误差,对此,利用马尔科夫链(Markov)无后效性的特点对预测结果进行修正,从而提高预测精度。以西溪水库的监测资料数据为样本,建立其马尔科夫链-变维分形预测模型,结果显示最大误差修正值可达0.89%,占原预测误差的67.9%,表明利用马尔科夫链修正的变维分形模型能有效地减小误差,提高预测精度。     

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大，己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展，但泥沙颗粒的分 维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题，本文首 先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理，从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。     

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。     

基于分形理论的水体富营养状况评价及其验证

在简要介绍分形维数算法的基础上,以乌梁素海2006年5月实测资料为例,初步分析分形理论在水体营养状况评价中的适用性;将基于分形理论的评价结果与国家环境保护部推荐使用的综合营养状态指数法评价结果进行比较分析。结果表明:在对22个采样点的评价中,二者评价的一致性达到91%。两种方法的评价结果仅有两个采样点不同。从全湖的评价结果看,乌梁素海已经达到富营养重富营养水平,与已有的研究成果相一致。评价结果充分说明分形维数法可以应用于乌梁素海的富营养化评价研究,但其在其他水体的普适性尚待进一步验证。另外,分析了分形理论在水体营养状况评价研究中存在的问题和不足,并对未来的发展趋势进行展望。     

分形理论在洪水分期研究中的应用

分析水文现象的非线性、随机性和确定性、相似性,以一定尺度范围内(如年内季节间)洪水表现出的自相似性和分形特性,作为应用分形理论的论据.探讨用分形理论进行洪水分期的方法,给出了按时间尺度容量维和空间尺度相似维计算相应分维数的具体算法.以漳河水库历年汛期日最大流量为系列样本进行研究,结果表明,无论是用容量维数算法还是用相似维数算法,划分的洪水分期一致,且与经验统计方法划分的洪水分期一致,但分形方法比经验统计方法进行洪水分期具有定量和客观、计算简便的明显优点,有利于在生产实际中推广应用.     

分形理论在降雨研究中的应用

运用分形理论的盒子维数原理,对湖北荆州市的多年月降水进行了分形研究,同时研究了降雨量门限值、分形维数、降雨量之间的关系.结果表明,利用维数的大小可以衡量流域降雨的丰枯特征.     

聚合物改性水泥混凝土集料分形特征研究

利用分形几何学原理对集料分形特征进行分析,研究了分数维与聚合物改性水泥混凝土(PMCC)集料级配、振实空隙率、强度及刚度性能的相关联系。研究结果表明,分数维与集料级配、空隙率具有较好的线性关系;分数维与PMCC强度、刚度性能的内在联系并不明显,但当分数维D为2.394时,PMCC的抗折强度与折压比均出现最大值,D≥2.394时,其弹性模量减小幅度显著增加。利用集料分数维实现对集料级配及PMCC性能的定量描述,可为PMCC的组成设计与性能研究提供一种新方法。