水系结构分形特征的研究进展

水系结构对流域调洪蓄水能力、区域景观格局、洪水径流过程和城市管网水网建设等有着重要的影响,定量描述水系结构特征是认识其结构变化规律的前提和基础。由于水系结构无特征尺度,使得分形理论在定量刻画其结构特征中得到广泛应用。通过归纳整理近年来国内外有关分形理论在水系结构特征方面的研究成果,对分形理论的发展进行了梳理,重点归纳总结有关水系分形结构的主要研究内容:水系分形模型的建立及特征参数的计算、水系分维影响因素的探究、水系分维的应用研究。针对3个主要内容分别进行了评述和探讨,指出分形理论在水系结构研究方面仍有广阔的应用研究价值和拓展空间,建立统一的水系分维数计算标准、开展多标度多影响因素下的水系分维研究,以及揭示水系分维数与相关物理现象中蕴含规律之间的关系将是未来的发展方向。     

中国旱涝灾害的分形结构

基于分形理论在中国旱涝灾害研究方面所存在的问题,首先系统地分析了中国华北区、西北区等不同区域和松花江、长江等不同流域旱涝灾害的分形结构,其次以唐山市为例系统分析了同一地点不同等级旱涝灾害分维的时序变化及其关系,进而探讨了以分维为中介参数在旱涝灾害与其影响因素之间建立定量化经验关系的可能。研究结果表明,中国旱涝灾害具有客观的分形结构,分维是表征中国旱涝灾害发生特征的良好参数;在此基础上,系统地计算出了中国旱涝灾害的分维值、分析了唐山市不同等级旱涝灾害分维的时序变化关系,并建立了辽河、长江等流域水系空间维数与流域洪涝分维之间的定量关系式DF=3．6179DR-4．0242(式中DR为流域水系空间维数,DF为流域洪涝分维)。     

活动断裂的分形结构特征

依据分形理论分析了活动断裂带几断裂系，水系及断层泥粒度分布的分形结构特征，指出断裂系及水系分维值的大小体现了活动断裂的结构复杂程度和构造活动性特征，探讨论了断层泥分维值同断层运动特征与基物理力学性质的关系，分维是定量研究活动断裂的一种度量指标。     

1998年长江洪水初析

１９９８年长江流域发生了本世纪以来仅次于１５５４年的又一次流域性洪水,洪水水位高、洪量大、高水位持续时间长、洪水遭遇较恶劣;长江中下游干流沙市～螺山、武穴～九江河段及洞庭湖城陵矶、鄱阳湖湖口出现了超历史记录的洪水位,“两湖”水系部分支流也出现了超历史记录的洪水。本文从天气环流背景及降雨特征、水情发展过程、洪水分析、两湖调蓄能力和洪水特点等方面,对１９９８年长江大洪水进行了初步分析。     

滑坡分维特征及其预测意义

本文依据分形理论，采用盒维数法计算了西藏樟木地区滑坡及其水系的空间分维。分析了分维的变化特征。发现滑坡高潮期前存在不同幅度的降维现象，滑坡区滑坡活动程度不同，其水系分维在不同观察尺度下变化幅度有显着的差别。探讨了分维的预测意义。     

川藏公路培龙沟路段堆积物的分形特征及其地质意义

川藏公路培龙沟路段有多种不同类型的堆积物。本文应用分形理论,探讨了培龙沟路段泥石流堆积物、冰碛堆积物、冲洪积堆积物以及坡积或者残坡积物的分形特征。通过粒度分析法计算出不同类型堆积物的粒度分维,得到泥石流堆积物分维最大,冰碛堆积物分维较大,坡积或者残坡积堆积物较小,冲积物或者洪积物分维最小的规律。最后系统论述了堆积物粒度分维的地质意义,认为堆积物粒度分维是对堆积物物质组成的复杂性和自组织性、堆积物形成过程和形成时间以及泥石流、冰川、河流和洪水等搬运能力和运动过程的反映和度量。该研究为野外不同类型堆积物的区分、成因、形成过程等研究提供了一种新的方法,具有一定参考价值。     

云南省大关县滑坡灾害特征分析

介绍该县堆积面滑坡和层面滑坡两种典型滑坡的发育特征,分析其形成条件和机理.在此基础上,利用分形分维理论,分析研究区水系特征对滑坡分布和发育特征的影响.     

分形理论在断裂工程活动性评价中的应用：以鄂西恩施,建始断裂断例

运用分形理论对鄂西恩施、建始断裂的几何分形结构特征进行了研究,并选取有代表性的碎裂岩作了粒径－频度分析,表明共同样具有分形结构,分维值可以定量地反映恩施、建始新裂同为地壳上部浅层构造,几何结构较为简单,构造活动性弱,分别趋地构造衰亡和发育成熟阶段。在这两条断裂附近通过水系的分形统计结果分析,断裂几何分维值的意义与其最后一次活动表现出的水系发错和同步弯曲现象相吻合。分维值可以作为断裂工程活动性评价的     

马边-永善地震带及其邻近地区水系分形几何学特征与构造活动的关系

一、引言近年来,一些学者把分形几何学理论用来研究水系和断层的几何结构特征.因为其分维值的大小对应着一个地区构造活动的强弱程度,进而得出分维值与地震活动的相关性.本文拟应用分形几何学理论对马边-永善地震带及其邻区的构造及地震活动与该区水系分维值的关系进行对比分析,以探讨该地区构造活动的规律.     

分形理论在断裂工程活动性评价中的应用——以鄂西恩施、建始断裂为例

运用分形理论对鄂西恩施、建始断裂的几何分形结构特征进行了研究,并选取有代表性的碎裂岩作了粒径—频度分析,表明其同样具有分形结构,分维值可以定量地反映恩施、建始断裂同为地壳上部浅层构造,几何结构较为简单,构造活动性弱,分别趋于构造衰亡和发育成熟阶段。在这两条断裂附近通过水系的分形统计结果分析,断裂几何分维值的意义与其最后一次活动表现出的水系切错和同步弯曲现象相吻合。分维值可以作为断裂工程活动性评价的一个定量指标。     

On the practice of estimating fractal dimension

Coastlines epitomize deterministic fractals and fractal (Hausdorff-Besicovitch) dimensions; a divider [compass] method can be used to calculate fractal dimensions for these features. Noise models are used to develop another notion of fractals, a stochastic one. Spectral and variogram methods are used to estimate fractal dimensions for stochastic fractals. When estimating fractal dimension, the objective of the analysis must be consistent with the method chosen for fractal dimension calculation. Spectal and variogram methods yield fractal dimensions which indicate the similarity of the feature under study to noise (e.g., Brownian noise). A divider measurement method yields a fractal dimension which is a measure of complexity of shape.     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

中国水系的盒维数及其关系

应用分形理论,系统地探讨了整个中国水系及其各组成流域水系的分形结构特征。通过研究,得出主要结论如下:(1)整个中国水系及其各组成流域水系的分形结构特征是客观存在的;(2)应用网格法系统地计算出了中国各流域水系的盒维数值:整个中国水系的盒维数值为1.4189,中国外流区水系的盒维数值为1.4305;(3)中国平原地区水系的盒维数值一般较大;(4)整个中国水系盒维数值与组成它的各个层次流域水系的盒维数值的平均值并不相等,一般而言,不同层次流域水系盒维数值的平均值小于整个水系盒维数值。     

自然水系的计算机处理与分维计算

自然水系的分维值能够反映某一地区一定的地质构造和地壳运动性质,但目前的分维算法大都采用人工完成。本文通过VB编程实现了自然水系的计算机处理与分维计算,并以中国三大水系为例,求得黄河、长江、珠江水系的分维值以及各水系主河道的分维值。该方法快速精确,并能适用于各种线性构造。      

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

花岗岩电镜扫描图像二值化阈值对分形维数影响的研究

电镜扫描应用于岩土工程研究,能观察到岩石的细观结构,从另一个视角揭示岩石力学机理。分形维数是对岩石表面不规则、非线性裂纹裂隙的定量描述,是一个重要的参数指标。本文首先通过花岗岩电镜扫描实验,获得了花岗岩细观图像;其次研究不同二值化阈值下的图像和分形维数,结果显示分形维数随二值化阈值增大而减小;最后,对比迭代法、双峰法和Otsu法三种求最佳二值化阈值方法,表明Otsu法简单易行,得到的图像能反映岩石表面细节,求出的分形维数具有参考对比价值。因此将Otsu法图像二值化阈值得到的分形维数作为对比参考的标准,对岩石细观研究具有重要的参考价值。     

利用毛管压力曲线分形分维方法研究流动单元

利用取心井铸体薄片获得的图像资料和毛管压力曲线,通过图像分形几何学方法以分维数的形式定量地表征出了复杂的微观孔隙喉道结构特征,发现能够很好地划分和评价孔隙岩石中油、气、水的渗流差异,可以用于储层微观流动单元表征。文中阐述了岩石微观孔隙喉道结构分形的理论基础、计算方法和应用于表征流动单元的依据。建立了中国西部砾岩低渗透油藏微观孔隙喉道分维数与孔隙度、渗透率之间计算图版,据此在油藏中利用常规测井资料获得的孔隙度、渗透率参数计算微观孔隙喉道分维数,开展全油藏流动单元划分与评价,取得了良好的效果。研究结果表明,利用毛管压力曲线分形分维方法研究储层微观流动单元是一种很有效的途径。     

青藏高原周边地区河流分形特征与地貌、构造活动耦合关系

青藏高原周边地区的地貌特征与形成演化机制一直是科学界研究的热点。选择青藏高原周边典型地区河流分形特征、地貌特征及构造活动性进行研究,发现喜马拉雅断裂带、龙门山断裂带和阿尔金断裂带控制的区域构造活动性强烈,历史地震记录频繁,大震较多,河流形态与地貌演化特征也非常相似,河流纵剖面变化很快,长波长下凹型,河流坡降比大,地形起伏度大,河流形态变化简单,河流分维值低;青藏高原东北缘构造活动性不强烈,历史地震记录偏低,大震极少,河流纵剖面变化缓慢,近似长波长微振幅上凸型,河流坡降比小,地形起伏度较小,河流形态错综复杂、分维值高;青藏高原东南缘,构造活动性较强烈,历史地震记录频繁,大震较多,但由于该区域平均多年侵蚀速率比较低,同时河流下切深度大,河流纵剖面变化缓慢,也是近似长波长微振幅上凸型,河流坡降比小,河网发育较成熟,河网分维值较高。通过对比发现,降水量的变化对该区域侵蚀速率的影响远小于构造活动性的作用,在分析河网形态特征时可以不考虑降水量空间变化的影响。     

丹江口水库库区及周边地区河网形态、地貌特征及构造活动性意义

河流作为构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元,记录了丰富的水系演化、构造变形以及气候变化等信息。通过研究河流的形成与演化过程来阐述区域地貌和构造活动特征是构造地貌研究的一个突破点,河流形态的空间变化是阐述河流形成与演化特征最为直观有效的方法。丹江口水库库区地貌特征复杂、地质灾害频发、差异性构造活动较为强烈,是开展构造地貌研究的理想场所。通过对丹江口水库库区及周边地区河流形态特征、地貌特征及构造活动特征等进行综合分析发现,河网分维值空间特征与区域内构造活动性较强的断裂的空间分布高度吻合,构造活动性较强的断裂带及周边地区,河网受到构造活动的影响,发育不成熟,河网分维值出现低值,分维值均小于1.115;构造活动性较弱的断裂带及周边地区,河网发育过程中未受到构造活动的影响,发育较成熟,河网分维值高,分维值均大于1.25;而河网分维值空间变化与地形坡度、平均高程等地貌参数相关性不显著。因此,区域构造活动性特征是河网形态空间变化控制的关键因素。利用河网形态的分维特征量化区域构造活动的强弱及各区域构造活动的差异,对于河流的形成与演化、构造活动性及预测地质灾害的发生等方面的研究都有一定的参考价值。