微灌石英砂滤层流态特性与分形阻力模型参数确定

石英砂是微灌过滤中常用滤料,具有多孔介质属性。该文将多孔介质模型和分形理论相结合,对3种粒径的微灌石英砂滤层的过滤过程展开研究。将Ergun型方程无量纲化,并结合试验确定了石英砂滤层的流态分区。构建了石英砂滤层清洁压降的分形阻力模型,在模型中,过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数为待定参数。为了确定二者的值,将Ergun型方程与分形阻力模型相对比,得出了Ergun型方程经验系数的分形表达式,从而确定待定参数的值。首先,结合试验数据,拟合出湍流区经验系数的值,根据经验系数的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数等参数,得出了湍流区分形模型的表达式。然后,以湍流流区分形参数的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数表达式和滤层横截面分形维数的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,分析了滤层过滤特性:1)根据Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论;2)探讨了滤层最佳过滤速度和最佳清洁压降的计算方法,构建了石英砂滤层过滤性能函数,并利用过滤性能函数计算出了滤层的最佳过滤速度和最佳清洁压降。3种滤层最佳过滤速度分别为0.02、0.024和0.027 m/s,最佳清洁压降分别为6 045、9 660、14 500 Pa。研究为微灌砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。     

重庆缙云山典型林分土壤结构分形特征

 为了解长江三峡库区森林土壤的物理性质,运用分形原理,研究重庆缙云山4种典型林分林地土壤分形特征,建立土壤结构分维与土壤性质预测模型,运用弹性分析与边际分析,探讨土壤结构分形变化与土壤性质变化的关系。研究表明:土壤机械组成分维、微团聚体组成分维和孔隙组成分维可作为评价土壤结构的指标。不同林分林地土壤颗粒机械组成分维值为2.7～2.9,土壤微团聚体组成分维为2.5～2.8,土壤孔隙组成分维为2.3～2.8。从质地、微团聚体组成和孔隙组成来看,常绿阔叶灌丛土壤结构要明显优于其他林地土壤,而楠竹林最差。不同林分及农地土壤的微团聚体组成、机械颗粒组成和孔隙组成分维与土壤性质存在较明显相关关系,相关系数都在0.5以上。由弹性系数和边际量可以看出,机械分维的影响要大于微团聚体分维和孔隙组分维。这对进一步探讨分形学在土壤结构与土壤性质的应用方面有重要的意义。     

土壤颗粒尺寸分布分维及对粘附行为的影响

依据Tyler和Wheatcraft推导的土壤颗粒累积质量—尺寸标度关系,计算了我国主要土壤的颗粒尺寸分布(PSD)分维,结果表明:淡栗钙土、黄绵土、黑垆土、褐土((土娄)土)、潮土、灰漠土、黑土、黄棕壤、黄壤、红壤及赤红壤(砖红壤)的PSD分维依次增大,土壤粘粒含量增加使其PSD分维增大。结合上壤颗粒表面分形特性及土壤粘附的基本原理,探讨了土壤PSD分维对土壤—固体表面粘附行为的影响。PSD分维高的土壤与固体表面粘附力大,与固体表面发生明显粘附的起始含水量提高,发生明显粘附的含水量区间增宽。     

基于分维的多尺度植被空间格局分析

植被是一个地区植物群落的总体，是对于生态环境因素的综合反映。植被在空间上的分布是典型的分维数体，它在空间所有尺度上都有细节。在许多情况下分维数具有某种形式的自相似性，即它不随尺度的增加或缩小而变化，它独立于尺度。因此比较不同尺度上树种的空间格局与其对应的分维数值，可以对不同尺度上的空间格局有一个全面的了解。通过变异函数计算出的格局的分维数值可以描述不同尺度上空间格局的拓扑学性状和自相似性，可以很好地揭示植被的空间异质性。     

大尺度散体组构分维和SOC判据研究

介绍了15组散粒体自组织临界性与粒径的非均匀性有关的真实沙堆模型,分析了实验表现出来的3种动力学行为:即准周期分布、正态分布和负幂律分布;进而研究了非均匀系数不能描述系统组构的自相似性和作为自组织临界性的判据。应用分形理论研究了沙堆组构的分形特征。研究结果表明,非均匀系数为1.53~5.0时,沙堆组构具有良好的分形特征,分维数在非均匀系数<2.85时增长较快,>2.85时增长较慢,但分维数不超过3.0。分析了沙堆组构的分形特征与自组织临界性的内在联系,指出呈现出自组织临界性的系统具有稳健的分形结构,并讨论了自组织临界性的判据。最后探讨了SOC理论在山地灾害预测预报和防治工程设计中的应用。     

紫色丘陵区小流域侵蚀沉积断面构型及土壤颗粒分形特征

土壤侵蚀沉积是地球物质循环的重要环节，但人为因素使之加剧并引起许多生态环境问题。以四川紫色丘陵区小流域为例，根据地形部位及土壤性状划分出侵蚀沉积纵横断面，分析其侵蚀沉积特征，并采集土壤样品研究其颗粒组成和分形维数特征。结果表明：侵蚀沉积纵横断面不同地形部位侵蚀沉积特征明显不同，可分冲刷剥蚀、搬运扩散和沉积掩埋3种类型并连为侵蚀沉积链；侵蚀沉积纵横断面的划分对土壤侵蚀与沉积的认识更全面，整体性更强。研究区颗粒组成特别是粘粒含量明显地体现出侵蚀沉积的差异，分形维数综合体现出明显地随高度降低粗粒物质减少、细粒物质增加的趋势。     

白浆土型人参栽培床土的分形维数特征

运用土壤颗粒表面分形维数计算方法，研究了吉林省白浆土型人参栽培床土的分形维数的特点。结果表明白浆土型人参床土颗粒表面的分形维数介于2.890～2.963之间，并随黏度增加有增大的趋势。同时统计分析表明，土粒表面分形维数与土壤的容重、孔隙度及难效水(水吸力>60 kPa)均具有显著相关性(相关系数分别为0.747^*，0.796^*和0.798^*)；与土壤中>0.25 mm团聚体的百分含量呈极显著的相关(相关系数为0.826^**)。分形维数可以作为衡量白浆土型人参床土的物理肥力指标之一。     

金沙江干热河谷区退化土壤结构的分形特征研究

分形理论是近年来兴起的一种新的研究工具。分析结果表明 :土壤粒径分布的分形维数能客观地反映退化土壤的结构状况和退化程度 ,可作为退化土壤结构评价的一项综合性定量指标。退化土壤的分形维数与土壤颗粒组成和微团聚体组成之间存在着明显的相关性。土壤中 <0 .0 0 1mm粘粒含量越高 ,>0 .2 5 mm团粒含量越低 ,则分形维数越高 ,结构性越差。对于同一土壤退化系列 ,分形维数越高 ,土壤退化越严重。     

黑龙江省主要农作物生育期降水的分形特征与生态学意义

应用分形理论研究了黑龙江省各县市1984-1999年主要作物生育期(4-9月)降水的变化特点。结果表明:主要作物生育期降水存在较好的自相似关系,具有显著的分形特征;各县市分维结果反映,黑龙江省主要作物生育期降水分维从西南到东北增加,北部分维最高,分维越高说明降水变化越复杂、越不稳定。     

羧甲基纤维素钠对土壤团粒结构及水分运动特性的影响

土壤改良剂的应用研究对改善土壤环境,促进作物生长有着重要意义。该文通过向土壤中添加不同质量的羧甲基纤维素钠(sodium carboxyl methyl cellulose,简称CMC),研究了不同含量的CMC对土壤团粒结构及水分运动的影响。结果表明:随着CMC含量的增大,土壤水稳性团聚体含量增大,土壤分形维数减小,土壤黏粒和粉粒比例减少,砂粒比例增多,黏粒和粉粒均与土壤分形维数呈正相关关系,砂粒与分形维数呈负相关关系,黏粒含量对土壤分形维数影响最为显著,土壤中0.1 mm的颗粒含量减少,而≥0.1 mm的颗粒含量均有不同程度的增加;随CMC含量的增大,土壤的入渗能力减弱,稳定入渗率显著减小,Philip公式中吸渗率减小,Kostiakov公式中的经验系数减小,经验指数增大;随着CMC含量的增大,土壤的持水能力增强,van Genuchten公式中土壤滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关的系数均有所增大,形状系数逐渐减小。该研究对可为CMC的田间土壤改良应用提供理论依据。