基于Menger海绵模型的煤矸石粉改良膨胀土微结构特征

为解决膨胀土对工程结构以及农业生态环境的危害,进行煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。对煤矸石粉掺量为0、3%、6%、9%的膨胀土土样进行压汞试验,测得微观孔隙特征值;选取Menger海绵模型建立孔隙分形模型,计算土体孔隙分形维数,探究土体孔隙分形维数与孔隙特征参数以及煤矸石粉掺量变化的关系。结果表明:随着煤矸石粉掺量增加,土中大孔隙所占的含量较素膨胀土减少61.5%,孔隙类型从团粒间孔隙转化为颗粒间孔隙;煤矸石粉的掺入改变了土体的孔隙结构特征,煤矸石粉与膨胀土发生胶结反应,孔隙连通性降低,使得总孔隙体积、孔隙率、孔隙平均孔径、孔隙临界孔径等孔隙特征参数呈减小趋势;基于分形理论分析孔隙分形维数,分形维数随煤矸石粉掺量的增加而增加,且与孔隙特征参数呈显著相关性。孔隙分形维数反应了孔隙特征参数以及孔隙发育程度,为土的孔隙表征提供方法借鉴。     

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。     

土壤粒径分布单重分形与孔隙单重分形

土壤颗粒大小的分布是重要的土壤物理性质,对土壤水、气、热传导特性有着显著的影响。鉴于土壤颗粒分形在分析和描述岩土介质多孔结构的优势,本文通过对5种不同质地的土样进行颗粒分析与水分特征曲线的测试。结果表明:土壤结构定量化表征的方法就是确定土壤结构的分形维数,针对不同地区的土壤,可以通过土壤粒径分布分形维数体现土壤粒径分布的情况,分形维数越大,颗粒粒径越小,细粒含量越高,质地越发呈现不均匀性;且可利用土壤粒径分形维数估算土壤孔隙分形维数。为建立土壤粒径分布模型提供数据支持,同时也为推进土壤结构的研究进展提供了新的方向。     

土壤颗粒粒径分布质量分形维数和体积分形维数的对比

用激光衍射法(LD法)和吸管法实测了60个富铁土土样的颗粒粒径分布(PSD)数据,在此基础上分别计算了颗粒的质量分形维数Dm和体积分形维数Dv。结果发现:由于LD法"低估"了黏粒部分,因此Dv相对低于Dm;由于Dv和Dm之间呈现出了一定的正相关性(p<0.001),且Dv与其实测黏粒之间呈一定的正相关性,因此Dv在一定程度上也能够用于表征土壤的某些基本属性;LD法可以对粒径进行更多的分级,但不同的粒径分级会对Dv产生影响,对粒径的再细分会导致Dv略微降低。     

基于图像分析的杂草分形维数计算

介绍了分形维数的理论计算公式和试验公式，分析了计盒维数的计算方法，运用Matlab软件设计了图像的处理和基于图像的计盒维数的计算程序。随机地选择了4种双子叶杂草和两种单子叶杂草共6种杂草作为研究对象，运用自行设计的程序分别计算了杂草叶的RGB三色图像的分形维数并以其平均值作为杂草叶的分形维数。研究结果表明该文给出的分形维数的计算方法可靠；研究结果也验证了杂草叶具有分形特征；研究结果还说明不同种类的杂草 ，其叶的分形维数明显不同，可以用分形维数为特征参数识别杂草。     

土壤颗粒分布体积分形维数与数量分形维数之间的关系

土壤的体积颗粒分布(PSD)可用于同时确定数量分形维数(DN)和体积分形维数(DV)。以往的试验和理论研究均未直接比较DV和DN的关系。为建立DV和DN的关系并分析其参数的敏感程度,在中国各地取了12种不同质地土壤,利用激光粒度仪进行了测定。提出了含3个参数Rupper(颗粒半径的上限),Ri(第i个半径)和Rlower(半径下限)的DV-DN理论关系,该关系可说明为什么DN可能大于3。在未调整的幂定律范围内(PLR),DV的幂定律半径为38.6～85.8μm,DN的幂定律半径为53.2～358μm,估算的DV值(2.18～2.69)比DN值(2.38～3.19)小。调整后的PLR比未调整的窄。在调整的PLRs范围内,估算的DV值变化范围为2.11～2.56,而DN变化范围为2.28～3.02。调整和未调整PLRs得出的DV和DN的差异说明,Rupper,Rlower,Ri和Rlower/Rupper均可能影响DV与DN关系,有必要进行参数的敏感性分析。进行敏感性分析可基于敏感系数(C)来鉴别DV-DN关系中各参数改变所引起的DV和DN相对变化,从而找出对该关系影响最大的参数。就不同情况下计算的C值而言,Rupper是影响DN值的最重要参数,小的Rupper值可能导致估算DN的准确度降低。PLR范围越大,DN的估算越准确。根据DV估算DN的相对误差的绝对值在12%范围内,说明得出的DV-DN理论关系是正确的。     

土壤颗粒的体积分形维数及其在土地利用中的应用

土壤具有自相似特征或尺度不变特征。许多研究表明,土壤质量(重量)分形维数是土壤内在属性之一。但是,在计算土壤质量分形维数的推导过程中需要做一些假设,而有些假设,如不同粒级的土壤颗粒具有相同的密度等假设,已受到一些学者的批评。此外,用传统的比重法测量土壤颗粒分布不仅工作量大,且操作结果更易受人为因素的影响。鉴此,本文提出了土壤体积分形维数的概念。通过对宜兴不同土地利用方式下178个土壤样品的体积分形维数的测定发现:土壤体积分形维数和土壤质量分形维数一样,都是土壤的固有属性;土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒体积百分含量具有显著的对数相关关系;对茶园、菜地和农田土壤剖面上土壤颗粒体积分形维数的变化分析表明,在茶园和菜地土壤剖面上,随着土壤剖面深度的增加,土壤粘粒体积百分含量增加,土壤颗粒体积分形维数也随之增加;在农田土壤剖面上,随着深度的增加,土壤粘粒体积百分含量和土壤体积分形维数也表现出基本保持一致的变化规律。此外,农业管理措施对土壤颗粒的组成会产生影响,使土壤粘粒体积百分含量发生变化,从而使土壤颗粒体积分形维数也随之变化,如菜地土壤体积分形维数随着种植年限的增加而出现下降趋势。     

耕层土壤颗粒表面的分形维数及其与主要土壤特性的关系

四川 1 6个耕地表层的土壤颗粒表面分形维数D为 2 80 5～ 2 942 ,其中砂土2 82 1、壤土 2 870、粘壤土 2 91 6和粘土 2 939。统计分析表明D分别与国际制粗砂粒和细砂粒含量呈极显著负相关 ,与粉粒和粘粒含量呈极显著正相关 ;它与粉粒、粘粒和有机质含量的偏相关关系达极显著水平 ,与容重的偏相关关系达显著水平     

土壤图像孔隙轮廓线分形特征及其应用

孔隙轮廓线分形维数是用来描述孔隙本身所具有的分形特征，它反映了土壤孔隙与固体颗粒接触界限的不规则性。该文采用数字图像处理技术研究了中国科学院封丘农业生态实验站内3种不同质地土壤样本图像的孔隙轮廓线分形特征。结果表明：土壤孔隙轮廓线分形特征与土壤质地之间存在着一定的相关关系，即土壤质地越细(黏粒含量越高)分形维数取值越大。同时，根据这3种土壤的孔隙轮廓线分形维数，结合不同分形方法分别预测了它们的水分特征曲线，并与实测的土壤水分特征曲线进行了比较。     

岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征

具有分形特征是土壤的客观属性之一,为了探讨分形维数与土壤性质之间的关系与影响因素。运用土壤体积粒径分布分维模型计算了岷江上游干旱河谷不同土地利用方式下土壤表层(0～20cm)161个样品的分形维数,分析了分形维数的空间变化特点及其与粒度组成、有机质和土壤养分之间的相关性。土壤粒径分布分形维数可以作为表征土壤结构和性质的重要指标。结果表明:不同土地利用方式下土壤的粒径分布具有不同的分形特征,分形维数在2.5011～2.7825之间,粉壤土>壤土>砂壤土,耕地大于灌林地。土壤颗粒体积分形维数与黏粒(<0.002mm)和粉粒(0.002～0.05mm)的体积百分含量以及土壤全钾含量呈极显著正相关关系,与砂粒(>0.05mm)的体积百分含量呈极显著负相关关系,而与土壤有机质,全氮,全磷,速效磷和速效钾含量的相关性未达到显著水平。研究结果可以为研究区植被恢复和土地利用开发提供一定的依据。     

Comparison of fractal dimensions of soils estimated from adsorption isotherms,mercury intrusion,and particle size distribution

The values of the surface fractal dimensions were determined for several samples of Cambisols and Luvisols from analysis of nitrogen and water vapor adsorption isotherms and from mercury intrusion data. Moreover, the values of fractal dimension characterizing the particle size distributions of soil samples were calculated by using a number‐based method. For almost all investigated soils the values of the surface fractal dimension, obtained from water vapor isotherms were lower than those obtained from nitrogen isotherms. Largest were the surface fractal dimensions evaluated form mercury intrusion data. No significant correlations between different kinds of surface fractal dimensions were found, and the reasons of this finding are discussed. However, the values of the surface fractal dimensions calculated from mercury intrusion data correlate with those characterizing the texture of soils. The paper also reports on correlations between of the values of surface area, fractal dimensions and some selected physico‐chemical characteristics of soils.     

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。     

生物材料冻干过程分形多孔介质传热传质模拟

为了研究生物材料冻干过程中的超常传热传质机理,建立了考虑已干层分形特点的冻干模型,水蒸气和惰性气体在已干层中的连续方程采用了分形多孔介质中的扩散方程,扩散系数随已干层厚度的增加呈指数下降。该理论模型可确定已干层的分形特点对生物材料冻干过程升华界面的移动和干燥时间的影响,预测生物材料冻干过程中物料内部温度和结合水浓度的分布。以螺旋藻为对象,利用分形模型借助Matlab和Fluent软件模拟了螺旋藻的冻干过程,模拟结果与试验结果吻合较好。     

不同有机物料对潮土微团粒分形特征和速效养分的影响

以河南省中低产区砂质潮土为对象,研究不同有机物料（豆秆、玉米秆、鸡粪和猪粪）还田处理对土壤微团粒结构分形和不同粒级有效养分质量分数的影响.结果表明：1）与不施有机物料处理相比,随有机物料添入量增加,0.1 ～0.053mm土壤粒级所占比例高于对照7％～13％,达到5％显著性差异水平;＜0.053 mm土壤粒级的质量分数相应小于对照处理.2）土壤分形维数在2.52～2.72之间,与0.1 ～0.053 mm土壤粒级质量分数存在极显著负相关,相关系数为-0.945;与＜0.053 mm土壤粒级存在极显著正相关,相关系数为0.981.随着从单施到混合配施的处理,有机物料改变微团粒结构的分配比例,分形维数变小.3）与对照相比,有机物料的加入均能使土壤以及各粒级的速效养分质量分数呈显著性增加.施入有机物料后,碱解氮、速效钾和速效磷的质量分数在0.1～0.053 mm土壤粒级中分别比对照提高了168％～528％、141％～1000％和16％ ～ 81％,在＜0.053 mm的粒级中分别比对照提高了13.4％ ～ 44％、17％ ～ 170％和21％ ～66％.土壤碱解氮质量分数表现为秸秆施用（73.1 mg/kg）＞秸秆与粪肥双倍混合施用（69.3 mg/kg）＞秸秆与粪肥单倍施用、猪粪施用（63.0 mg/kg）＞鸡粪施用（59 mg/kg）＞对照（49.9 mg/kg）;速效钾质量分数表现为豆秆施用（140 mg/kg）＞秸秆与粪肥双倍混合施用、玉米秆施（120 mg/kg）＞秸秆与粪肥单倍施用（86.5 mg/kg）＞粪肥施用（76.8 mg/kg）＞对照（56.5 mg/kg）;有效磷质量分数表现为玉米秸秆（40.9 mg/kg）＞粪肥处理、秸秆与粪肥混合处理（35.91 mg/kg）＞豆秆处理（30 mg/kg）＞对照（26.8 mg/kg）;土壤总养分质量分数表现为豆32和玉32处理（259 mg/kg）＞秸秆与粪肥倍量处理及豆16处理（225 mg/kg）＞玉16处理（210 mg/kg）＞秸秆与粪肥单倍量和猪8处理（191 mg/kg）＞鸡粪处理（173 mg/kg）＞猪4处理?     

分形模型在利用颗粒分布数据评价土壤持水性质中的应用

Soil water retention characteristics are the key information required in hydrological modeling.Frac-tal models provide a practical alternative for indirectly estimating soil water retention characteristics from particle-size distribution data.Predictive capabilities of three fractal models,i.c.,Tylcr-Wheatcraft model,Rieu-Sposito model,and Brooks-Corey model,were fully evaluated in this work using experimental data from an international database and literature.Particle-size distribution data were firstly interpolated into 20 classes using a van Genuchten-type equation.Fractal dimensions of the tortuous pore wall and the pore surface were then calculated from the detailed particle-size distribution and incorporated as a parameter in fractal water retention models.Comparisons between measured and model-estimated water retention cha-racteristics indicated that these three models were applicable to relatively different soil textures and pressure head ranges.Tyler-Whcatcraft and Brooks-Corey models led to reasonable agreements for both coarse-and medium-textured soils,while the latter showed applicability to a broader texture range.In contrast,Rieu-Sposito model was more suitable for fine-textured soils.Fractal models produced a better estimation of water contents at low pressure heads than at high pressure heads.     

Characterizing Spatial Variability of Soil Textural Fractions and Fractal Parameters Derived from Particle Size Distributions

Soil particle size distribution (PSD) is a fundamental physical property affecting other soil properties. Characterizing spatial variability of soil texture is very important in environmental research. The objectives of this work were: 1) to partition PSD of 75 soil samples, collected from a flat field in the University of Guilan, Iran, into two scaling domains using a piecewise fractal model to evaluate the relationships between fractal dimensions of scaling domains and soil clay, silt, and sand fractions and 2) to assess the potential of fractal parameters as an index used in a geostatistical approach reflecting the spatial variability of soil texture. Features of PSD of soil samples were studied using fractal geometry, and geostatistical techniques were used to characterize the spatial variability of fractal and soil textural parameters. There were two scaling domains for the PSD of soil samples. The fractal dimensions of these two scaling domains (D₁ and D₂) were then used to characterize different ranges of soil particle sizes and their relationships to the soil textural parameters. There was a positive correlation between D₁ and clay content (R² = 0.924), a negative correlation between D₁ and silt content (R² = 0.801), and a negative correlation between D₂ and sand content (R² = 0.913). The geometric mean diameter of soil particles had a negative correlation with D₁ (R² = 0.569) and D₂ (R² = 0.682). Semivariograms of fractal dimensions and soil textural parameters were calculated and the maps of spatial variation of D₁ and D₂ and soil PSD parameters were provided using ordinary kriging. The results showed that there were also spatial correlations between D₁ and D₂ and particle size fractions. According to the semivariogram models and validation parameters, the fractal parameters had powerful spatial structure and could better describe the spatial variability of soil texture.     

重庆市农村居民点分形特征及影响因素分析

农村居民点的分形特征能很好地反映其空间占据能力。该文选取浅丘平坝区、低山丘陵区、中山丘陵区、高海拔山区4种典型生态类型区,应用分形几何原理,分析了不同生态类型区农村居民点的分形特征,探讨了不同生态类型区分形特征的主要影响因素。结果表明:不同生态类型区的农村居民点分形特征存在差别,主要受高程、坡度、农民人均纯收入、水系、交通等因素的影响。其中浅丘平坝区分维数值最高1.63,高海拔山区分维数值最低1.47,4种生态类型区的农村居民点分维数值明显高于交通和水系的分维数值,但随着农村交通体系的完善,其对农村居民点分形特征的影响会增加;坡度对不同生态类型区农村居民点分形特征的影响是一致的,分维数值均随着坡度的增加呈现先增加后减少趋势;农民人均纯收入高的生态类型区农村居民点分维数值更高;4种生态类型区的农村居民点分维数值在短期内表现出下降或平稳趋势,但从长远来看,随着经济社会的发展和各种城镇化建设政策的落实,4种生态类型区的农村居民点分维数值均呈上升趋势,其边界曲折度不断减小,其形态逐步向规则化发展,但受地理位置和社会经济条件的限制,其上升的趋势会存在差异。该研究可为丘陵山区的农村居民点整理、布局优化提供参考依据。     

南昌不同城市化强度土壤粒度组成和分形特征及其影响因素

为探究南昌城市化强度对土壤粒度组成与分形特征的影响,将南昌市建成区按不透水面面积占比区分城市化强度等级取样调查（184个样方）,测定土壤粒度组成、理化性质及植被指标,通过土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数值。结果显示：①南昌城市土壤颗粒以粉粒（46~59%）和砂粒（40~53%）为主,高城市化导致土壤中砂粒含量增加,粉粒含量减少。②南昌城市土壤分形维数的变化范围为2.69~2.97,随城市化强度增加呈下降趋势。土壤粉粒与分形维数正相关,砂粒与之相反,粉粒对土壤分形维数的影响最大。③皮尔森相关分析与结构方程模型分析结果共同表明：丰富的地上植被能够减少土壤颗粒的流失,改善土壤物理性质,缓解土壤退化;城市绿地中粉粒、极细砂粒等粒径适中的土壤颗粒保水、保肥更佳,更能反映土壤的质量水平。