【摘要】：全球氣候的變化,時(shí)常出現(xiàn)災(zāi)害性天氣,比如區(qū)域性的暴雨或干旱。在降雨和干旱的交替過程中,由于土壤中各類顆粒成分的遇水漲縮性和受力狀況有差異,顆粒間會(huì)產(chǎn)生分散和整合過程,宏觀上就會(huì)形成有規(guī)律的土壤裂隙帶。土壤裂隙帶可能會(huì)造成許多災(zāi)害。例如,邊坡的整體性被裂隙帶大規(guī)模破壞,減弱土壤顆粒間的膠結(jié)作用,最終發(fā)生邊坡失穩(wěn)和崩塌等災(zāi)害和事故。在農(nóng)業(yè)方面,水肥將沿著裂隙帶迅速滲透,極大的增加入滲的深度和效率,使土壤中的水分養(yǎng)分加速滲入土壤深層,降低植物根系對(duì)水肥的利用效率。在環(huán)境方面,土壤裂隙帶加劇污染物的下滲程度,加深了地下水污染過程。因此,研究土壤裂隙帶的構(gòu)造對(duì)于預(yù)測(cè)降雨導(dǎo)致的滑坡,提升農(nóng)業(yè)水肥利用率和環(huán)境保護(hù)等具有重要意義。本文首先介紹了土壤裂隙和裂隙帶的內(nèi)涵及成因,然后分別闡述了常用的空間剖分、離散網(wǎng)絡(luò)、變差函數(shù)和分形特征迭代四種裂隙帶建模方法與原理。對(duì)比四種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn),分形特征迭代的方法簡單易操作,只需控制好分維特征與迭代的終止條件,而且分形過程契合土壤裂隙的生成過程,在實(shí)際的土壤微觀形態(tài)中也有較強(qiáng)的自相似性和分維特征,所以能更簡單快速的模擬出裂隙帶的形態(tài)。配合廣義的能量極小值原理,本文將Koch分形曲線由二維平面推廣到了三維空間,然后使用三維Koch曲線進(jìn)行了裂隙帶骨架建模并用矩陣變換控制裂隙帶的位置與形態(tài)。將裂隙帶骨架建模完畢后,使用了Bruggeman等效介質(zhì)方法給骨架賦予了尺度大小和屬性值,使單純的點(diǎn)和直線拓展為空間形態(tài)且具有了物理意義。在土壤背景的建模方面,首先介紹了小尺度非均勻性的橢球式混合型自相關(guān)函數(shù)隨機(jī)介質(zhì)模型,然后介紹了Markov鏈模型的理論與方法,且將Markov鏈方法推廣到三維空間。為了驗(yàn)證Markov鏈建模方法的正確性,使用隨機(jī)等效介質(zhì)方法建立了一個(gè)三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行Markov性檢驗(yàn),然后用三維Markov鏈方法計(jì)算轉(zhuǎn)移概率矩陣后進(jìn)行模擬,對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬后的結(jié)果與原模型比較相似。在數(shù)值計(jì)算方面,本文介紹了探地雷達(dá)(GPR)正演計(jì)算的時(shí)間域有限差分方法、PML邊界吸收條件和數(shù)值穩(wěn)定條件。然后建立了一個(gè)表層土壤-濕潤粘土-基巖三層模型,土壤背景使用三維Markov鏈方法建立,在濕潤粘土層中使用三維Koch分形曲線和Bruggeman等效方法建立具有不同含水率的裂隙帶。對(duì)不同含水率下的綜合模型進(jìn)行GPR正演計(jì)算,研究裂隙中含水率對(duì)正演結(jié)果波形的影響,并進(jìn)行時(shí)頻特性分析,將數(shù)值計(jì)算得到的響應(yīng)進(jìn)行S變換(ST),研究含水率對(duì)裂隙帶響應(yīng)時(shí)頻特征信號(hào)的影響,結(jié)果顯示,裂隙的等效介電常數(shù)與背景差別越大,響應(yīng)越明顯。最后,定量計(jì)算響應(yīng)中裂隙帶和分界面深度,與模型的誤差較小。綜合分析這種混合建模、響應(yīng)計(jì)算和時(shí)頻分析方法對(duì)土壤中含水裂隙帶探測(cè)效果。結(jié)合扶余市土壤的探地雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使用Markov鏈和三維Koch曲線建立了一個(gè)復(fù)雜的含裂隙帶土壤模型,對(duì)比實(shí)測(cè)響應(yīng)與不同裂隙帶含水率的模型的響應(yīng),主要特征比較相似。將結(jié)果進(jìn)行S變換后,對(duì)比估算了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的裂隙帶含水率。
【圖文】：

2.1.3 土壤裂隙帶成因2.2 裂隙帶建模的發(fā)展歷史在過去的裂隙帶建模研究中，，主要有以下四種常用的裂隙帶建模方法：空間剖分、離散裂縫網(wǎng)格、變差函數(shù)和分形特征迭代。下面將分別敘述每種方法的建模原理、優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，同時(shí)選擇一個(gè)最適合裂隙帶建模的方法。2.2.1 基于空間剖分的裂隙建模將土壤中的一個(gè)裂隙帶假想為一個(gè)平面多邊形，如果土壤中含有多條裂隙帶，那么延伸后的平面多邊形就可以整個(gè)土壤剖分成多個(gè)部分，這就是空間剖分。當(dāng)進(jìn)行裂隙帶建模的時(shí)候，如果多邊形剖分的比較合理，就把一些交錯(cuò)形成的小的空間多邊形視為裂隙帶。基于這種建模思路進(jìn)行的裂隙帶建模方法就稱為空間剖分法，比如 Veneziano 模型等[53]。

圖 2-2 Baecher 模型，從構(gòu)造過程上來看也可以稱為隨機(jī)圓盤模型思想就是利用點(diǎn)和示性過程先后確定裂隙帶組合隨機(jī)圓盤模型基于五個(gè)基本假設(shè)條件[53][54]：1、2、各個(gè)裂隙帶中心的位置隨機(jī)分布且相互獨(dú)立；4、圓的大小與裂隙帶走向完全獨(dú)立；5、裂隙立。但是由于外應(yīng)力的影響，實(shí)際情況下裂隙帶個(gè)方向上具有優(yōu)勢(shì)�；谏鲜龅囊�(guī)則，將隨機(jī)圓圖 2-3。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S153

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本文編號(hào)：2644459