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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。 相似文献
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土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望. 相似文献
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应用Menger海绵结构模型,推导出包含有分形维数的土壤水分特征曲线的解析模型,该模型与Brook Corey (1964)及Campbell (1974)经验模型的结构相似。通过对不同地区所采集的10种土壤样本利用压力薄膜仪实测得到水分特性曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地、结构之间的关系,结果表明分形维数随土壤粘粒含量的增大而增大,随砂粒含量的增大而减小。同时对土壤水分特性曲线模型的分形维数与基于质量的土壤颗粒分布分形维数进行了比较,结果表明,两者十分接近,而且具有良好的线性相关关系。根据上述关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的解析模型,对土壤水分特性曲线进行了预测,预测值与实测值具有良好的一致性。 相似文献
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土壤水分特征曲线模型模拟性能评价 总被引：1，自引：0，他引：1
土壤水分特征曲线模型作为实验测定土壤水分特征数据的一种替代方法,因其具有计算方便快捷和便于嵌入数值模拟程序的优点,开始受到越来越广泛的关注。虽然文献中存在众多的土壤水分特征曲线模型,但是这些模型的适用范围及拟合性能尚不明确。为了获得更加准确适用的土壤水分特征曲线,在实际应用中通常需要花费大量时间和精力去测试各种模型。为了解决上述问题,在国内外研究成果的基础上收集整理了12种典型的土壤水分特征曲线模型,并利用包含不同质地、有机质含量及容重的8种土壤的实测土壤水分特征数据来评估比较这些模型的模拟性能。模型性能通过均方根误差（RMSE）、平均偏差（AD）、AIC准则（Akaike Information Criterion）和纳什效率系数（NSE）4个指标评估。研究结果表明：大部分的模型能够提供比较接近于实际的拟合结果,评价指标值也比较相近。其中,KCGS2006（包含3个参数）和K1999模型（包含2个参数）拟合效果最好,而Gregson1987（包含1个参数）的拟合效果最差。该研究可以深入了解各种土壤水分特征曲线模型的适用性与局限性,更好地为生态环境建设和农业可持续发展研究中土壤水力参数的选取提供依据和参考。 相似文献
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采用土壤颗粒体积累积曲线按照不同的粒径分级方法计算表面分形维数,避免了原始计算过程中颗粒密度不变的假设,改进了计算中的缺陷。结合土壤水分特征曲线分形模型—de Gennes模型,预测试样的SWRC。结果发现:不同颗粒分级只会影响表面分形维数的大小;相同颗粒分级情况下,计算得出的分形维数随着土壤粘粒含量降低而减小;采用D2(最大半径为1mm)的分级情况计算出的表面分形维数,预测得出的结果与实测值相差偏大,RMSE≥2.11E-02cm3/cm3只适合粗略估计田间土壤的水分特征曲线;通过D1(最大半径为0.1mm)计算出的表面分形维数,结合de Gennes模型预测水分特征曲线结果与实测值非常接近,RMSE≤0.0105cm3/cm3。研究表明采用土壤颗粒体积累积曲线计算表面分形维数,并预测土壤水分特征曲线是合理的,具有较高的预测精度。 相似文献
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分形渗透模型在饱和冻土中的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。 相似文献
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采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。 相似文献
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利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。 相似文献
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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。 相似文献
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砂石混合体由力学性质以及结构相差极大的材料组成,其组成的重塑地层易发生塌陷等问题,因此对砂石混合体力学特性的研究具有重要的工程意义。砾石形状是砂砾石力学特性研究的重要属性参数,但采用规则图形对砾石进行描述不能反映出其真实的力学性质,采用数字图像处理技术构建的砾石数据库能反映砾石真实形状并可对特定形状参数进行具体分析。由于砂石混合体的粒径分布较广,采用特征粒径等无法描述整体粒度分布,故本文结合分形理论构建砂石混合体的二重分形结构模型,通过粒度分维值反演出完整的级配分布曲线。考虑到砂石混合体离散型的特点,采用离散元软件进行直剪试验数值模拟并对细观结构进行分析,研究结果表明,砂石混合体一般具有2个粒度分维值:砂粒度分维值和砾石粒度分维值,砂、砾石粒度分维值越接近,抗剪强度和内摩擦角越大;当两者相等时,砂石混合体具有一重分维,此时均一性最好,抗剪强度和内摩擦角最大;轴向系数是形容砾石形状的一个重要参数,随着轴向系数的增加,砾石显示出明显的条状性,在直剪试验中抗转动能力增强、周围接触数量增加,导致抗剪强度和内摩擦角不断增加。 相似文献
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Fractal models for predicting soil hydraulic properties: a review 总被引：33，自引：0，他引：33
Modern hydrological models require information on hydraulic conductivity and soil-water retention characteristics. The high cost and large spatial variability of measurements makes the prediction of these properties a viable alternative. Fractal models describe hierarchical systems and are suitable to model soil structure and soil hydraulic properties. Deterministic fractals are often used to model porous media in which scaling of mass, pore space, pore surface and the size-distribution of fragments are all characterized by a single fractal dimension. Experimental evidence shows fractal scaling of these properties between upper and lower limits of scale, but typically there is no coincidence in the values of the fractal dimensions characterizing different properties. This poses a problem in the evaluation of the contrasting approaches used to model soil-water retention and hydraulic conductivity. Fractal models of the soil-water retention curve that use a single fractal dimension often deviate from measurements at saturation and at dryness. More accurate models should consider scaling domains each characterized by a fractal dimension with different morphological interpretations. Models of unsaturated hydraulic conductivity incorporate fractal dimensions characterizing scaling of different properties including parameters representing connectivity. Further research is needed to clarify the morphological properties influencing the different scaling domains in the soil-water retention curve and unsaturated hydraulic conductivity. Methods to functionally characterize a porous medium using fractal approaches are likely to improve the predictability of soil hydraulic properties. 相似文献