土壤分形结构对其水力性质的指示作用

研究土壤的水力性质是进行生态水文模拟、农业水分管理和环境监测的关键,然而强烈的空间变异造成土壤的物性特征异常复杂,特别是水力性质测定困难,试验结果随机性强,耗费大量人力物力,却难以准确描述。本文在综合分析了国内外30余种量化土壤水力性质的研究方法的优劣后,系统总结了分形理论在土壤物性特征研究中的应用,剖析了分形理论与土壤水力性质之间的关系,旨在探讨土壤分形结构在水力性质领域的发展前景,以及在测定水力特性参数时所具备的优势。结果表明：(1)采用分形方法定量研究土壤结构具备可行性;(2)分形结构方法能够指示水力性质,并能为快速准确刻画不同尺度下的土壤水分分布特征提供科学依据;(3)利用已知土壤水力性质建立分形模型可以有效反演土壤结构。     

Is the connectivity function a good indicator of soil infiltrability distribution and runoff flow dimension?

Among the studies on runoff connectivity of soils with heterogeneous properties, the need to understand the relationships between soil heterogeneity and the associated runoff organization and amount is frequently mentioned. In this study, we simulate the stationary runoff–runon process on bi‐dimensional (2D) flat slopes for five infiltrability distributions, one of them correlated, as a function of rainfall intensity and flow dimension. We define flow dimension by 1 + ε, where ε is the outflow fraction transferred from one pixel to each of the two lateral downslope pixels. Our aim is to assess the effect of ε and soil heterogeneity on the connectivity function compared to the mean runoff flow rate, the wet area and the number of runoff patterns. The analysis of connectivity is carried within the percolation framework. The results show that the integral connectivity scale is more sensitive to the flow dimension and soil heterogeneity compared to the other variables. The wet area fraction does not depend on ε. Unlike previous studies, we find that increased runoff production is not necessarily related to increased connectivity. The use of the connectivity function within the percolation framework appears to be a valuable method for assessing the impact of soil heterogeneity and flow dimension on the runoff organization during a rainfall event. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

汶川地震断裂带粒度分布特征：对地震碎裂机制的约束

断层岩的粒度分布包含岩石破裂机制、摩擦性质和地震能量分配等重要信息。筛分-称重和激光测量是分析断层岩三维粒度的2种有效方法,但每一种方法的测量范围仅有3个量级,难以全面反映断层岩的粒度分布特征。利用上述2种方法对汶川地震断层滑动带上的断层岩（简称断层岩）的粒度分布进行了测量,粒径测量范围从0.2μm至16mm,跨度达到5个数量级。结果显示：1）存在临界粒径d_c（0.95～1.90μm）。粒度大于和小于d_c的颗粒满足不同的颗粒数（N_d）-粒径（d）分布关系,表明该断层岩的粒径分布不具有自相似性特征。2）利用粒度大于d_c的颗粒计算出的分形维数与断层岩类型有很好的相关性,即断层带边缘的角砾岩的平均分形维数为2.6,核部压碎角砾岩的平均分形维数约为3.0,中心断层泥的分形维数约为3.5。粒径小于d_c的颗粒的分形维数为1.7～2.1。分形维数的突变反映出断层破裂机制的复杂性,即在不同的粒度域,岩石的破裂机制不尽相同。3）依据粒度分析结果,估算出汶川地震断层泥的单位破裂能（E_s）为0.63MJ/m2。     

Extraction of morphometric bedform characteristics from profiling sonar datasets recorded in shallow coastal waters of China

The morphological characteristics of small-scale bedforms were measured by means of an acoustic profiling sonar on the Dafeng tidal flat,Jiangsu,in 2009,and in the Jiulong Estuary,Xiamen,in 2010,respectively.The "multi-threshold value" method was utilized to reveal the morphological undulations along which bedforms were present.Analyses of the datasets obtained show that:(1) sand ripples can have irregular shapes,and(2) changes in bedform morphology are small within a single tidal cycle but may be significant over several tidal cycles.Fractal and variogram analyses of the seabed roughness revealed the existence of a significant relationship between current speed and the fractal dimension of the seabed roughness.As current speed increases,seabed roughness increases with a trend of smaller-scale bottom structures being replaced by larger-scale structures.Furthermore,the surface of the larger-scale bottom structures can either become smooth due to the absence of smaller-scale features or become rougher due to the presence of superimposed smaller-scale structures.     

分形方法在海洋溢油的气相色谱鉴别中的应用研究

将分形理论应用于溢油的气相色谱鉴别,建立了一种新的海洋溢油气相色谱鉴别方法。即首先采用小波分解将气相色谱图曲线分解至不同的尺度,计算各尺度曲线分量的分形维数,基于分形维数参量,采用欧几里得距离判断不同样品气相色谱曲线的近似程度,达到对溢油样品进行鉴别的目的。溢油事故实例数据分析表明,分形维数能较好的反映不同色谱曲线的差异,所建立的方法在筛选溢油样品时,能在一定程度上缩小鉴别范围,可作为溢油鉴别的一种有效辅助方法。     

阶区对走滑型地震地表破裂带传播与终止行为的影响

系统收集了国内外28个走滑地震破裂带上阶区与地震破裂行迹的资料,利用数理统计的方法分析了阶区的类型、尺度与地震破裂的关系。结果表明,不同震级档的走滑地震阶区限制破裂传播的止裂尺度是不同的,震级MS为6.5~6.9,阶区的最小止裂宽度约为3km;震级MS为7.0~7.5,阶区的最小止裂宽度约为4km;震级MS为7.5~8.0,阶区的最小止裂宽度约为6km;震级MS为8.0~8.5,阶区的最小止裂宽度约为8km;且拉分阶区比挤压阶区更容易被破裂所贯通。上述给出的阶区的最小止裂宽度可作为判定地震破裂止裂尺度的重要标志,是进行破裂分段的前提和基础,对地震危险性分析具有重大的实用价值。     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

渝东南地区龙马溪组高演化页岩微纳米孔隙非均质性及主控因素

对页岩气赋存的主要场所页岩孔隙的研究是解决页岩气赋存和保存机理的关键,但目前缺少有效的手段去定量刻画高演化页岩微纳米孔隙的非均质性特征。通过低压N2吸附/解吸、高压压汞、场发射扫描电镜(FE-SEM)等实验,运用分形维数对渝东南地区龙马溪组高演化页岩微纳米孔隙非均质性进行了定量分析。结果表明：高演化页岩的微纳米级孔隙非均质性极强。中孔(2.0~50.0 nm)中2.0~4.5 nm 的孔隙分形维数平均2.853 4,4.5~50.0 nm 的孔隙分形维数平均2.7367,这种极强非均质性主要受有机质控制。总有机碳(TOC)含量大于1.7 %时,有机质孔在中孔中占主导地位,粘土矿物含量的增加会在一定程度上增加中孔的非均质性。宏孔(＞50.0 nm)分形维数平均2.8441,非均质性较强,主要受石英和碳酸盐等脆性矿物控制,随着碳酸盐矿物含量的增大,非均质程度增加,有机质对页岩宏孔的非均质性影响不明显。     

基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究

为了研究页岩横观各向同性性质对劈裂强度及破坏模式的影响,对7组不同倾角下的试样进行了巴西劈裂和声发射测试。研究表明：层理的方向对试样的劈裂强度和最终破坏模式有着重要的影响。随着层面倾角 的增加,页岩试样的劈裂强度逐渐减小。在不同倾角下的破坏模式可分为直线形（ 0°、90°）、月牙形（ 15°）和曲弧形（ 30°、45°、60°、75°）。通过分析不同倾角下圆盘中心点沿层理分解得到的正应力和剪应力,当 0°时,试样的破坏方式为基质的拉伸破坏;当 90°时,试样的破坏方式为层理的拉伸破坏,当15° 75°时,试样的破坏为复合型破坏。观察声发射空间累计定位演化分布情况,直线型的声发射点较均匀地分布在试样中轴线的两侧;曲弧型的声发射点在圆盘的一端较密而另一端较稀疏;月牙型则在试样的中部和一端都累积了部分声发射点;分布特征与宏观破坏方式具有相似性。分形维数D可以较好地反映试样的破坏模式,从倒V形的变化趋势可知,直线形试样D值接近于2,而月牙形和曲弧形试样D值介于2.2～2.7。因此,D值越大,说明裂纹的曲率半径越大;相反D值越小,裂纹越趋于一条直线,破裂形态也就越简单。