（环境工程专业论文）水动力条件差异导致黄河三角洲潮坪分形特征变化的研究.pdf

水 丛业，型业盟型幽! 堕。坐l 塑1 l 一一一 水动力条件差异导致黄河三角洲潮坪分形特征变化的研究 中文摘要 本论文共分为五部分。第一部分综述了分形理论在工程地质研究中的应用； 第二：部分论述了黄河口水下三角洲形成演化过程与区域特征：第三部分研究了水 动力条件差异所导致的滩面形念和沉积物组成分形特征的变化；第四部分研究了 滩面力学指标的分形特征和其影响因素；第五部分利用分，侈的方法探讨了黄河口 三角洲潮坪及水下斜坡表面广泛分布的凹坑的成因。 + ( 研究区选择在黄河1 9 6 4 1 9 7 6 由刁口流路入海时沉积形成的三角洲叶瓣潮滩 i ：。研究区内一条油| 千j 公路极大地改变了局部水动力条件，公路北侧直接迎浪， 水动力较强；公路南侧背浪，水动力条件相对较弱。这种水动力条件的差异导致 公路两侧地貌、沉积物成分、性质发生显著变化，提供了一个在真实的时间和空 间尺度下研究水动力条件对沉积物性质、滩面特征影响的天然试验场。存道路北 侧选取一4 0 x 8 0 m 的典型区i ，在道路南侧选取一2 0 2 0 m 的典型区i i 。刈两典 型区进行了滩面水准测量和表层取样工作；在道路两侧分别布置了一条长约 l o o m 的测线，沿测线取表层样品：在两典型区分别选取一点取不同深度上的样 鼠；对两典型区进行了工程力学性质的原位测试，包括微型贯入试验、卜字板剪 切试验和轻型动力触探试验，对力学指标的影响因素进行了分析。为了模拟波浪 的作用，进行了原位的动力模拟实验，对试验前、后及恢复后的滩面力学性质进 行了测试。对所取样品进行了室内粒度成分分析，利用分形理论计算、分析了粒 度成分、滩面形态和力学指标的分维值，对比两典型区的分形特征。得出有关结 沦如f 。 ( 1 ) 水动力环境强的潮坪区，滩面形态的分维数高，且随着初始网格宽度的增 大分维数迅速降低；水动力环境弱的潮坪区，滩面形态的分维数较低，且随着仞 始网格宽度的增大分维数变化不显著：当初始网格宽度增大到一定值时水动力 环境强的潮坪区与水动力环境弱的潮坪区滩面分维数趋于一致。 ( 2 ) 水动力环境强的潮坪区，表层沉积物粒度分维值低且离散性大：水动力叫： 境弱的潮坪区，表层沉积物粒度分维值高且具有较好的一致性。 ( 3 ) 水动力较弱的潮坪区粒度分维值沿测线和深度部体现出随着水动力强度 变化而变化的趋势：水动力环境强的潮坪区粒度分维值沿深度和测线的变化都没 一坐、”型二趔7 1r 旦l 塑：_ 卅l 型l 盟兰化n 二_ 仃规律。 ( 4 ) 柑_ | i f 1 值粒径缺乏对水动力条件强弱的指示作用。 ( j ) 两埘 究区的滩面力学指标的分形特征和滩面的分形特征体现出很大的相 似性，同初始网格宽度时典型区1 分维值大于典型区ii ，初始网格宽度增加时 轷均降低并有趋于一致的趋势。 ( 6 ) 典型区i 滩面力学指标( 滩面微贯值和滩面表层1 0 c m 土体轻探击数) 与 滩面商程之间存在显著的负相关关系，沿向海方向随着地形降低滩面微贯值增 高：典型区ii 滩面高程与滩面力学指标之恻缺乏相关性。 ( 7 ) 两滩面力学指标部与粒度分维值存在正相关的关系。 ( 8 ) 通过对原位动力模拟试验实验现象的观察和试验结果的分析我们发现，滩 丽沉积物在动载衙的作用下会发生排水液化并伴有力学性质的减弱。动载荷停j 【： 作用后，液化处沉积物的力学强度会恢复而且有所升高。对微贯值和地形分形特 n e 的对比发现凹坑点和微贺值的高值点有着相似的虿问分布特征，由此我们推断 、? 凹坑的形成可能和在波浪作用下沉积物液化有关。x l 关键词：黄河口水下三角洲原位测试粒度分维滩面分维凹坑成因 查塑! ! 釜世兰墨量塾塑业三塑型塑! ! 坌! ! 丛丛些些丛型! ! 一 t h ef r a c t a lc h a r a c t e r is t i c sv a t i t yd u et o t h e d i f f e r e n t h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n i nh u a n g h ed e i t a a b s tr a c t t h i sp a p e ri n c l u d ef i v ep a r t s i nt h ef i r s tp a r tw ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no t f r a c t a l t h e o r y i nt h ef i e l do fg e o l o g y i nt h es e c o n d p a r t w e d i s p l a y e d t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h es u b a q u e o u sd e l t ai ny e l l o wr i v e r 1 1 1t h e t h i r dp a r tw er e s e a r c h e dt h ec h a n g eo ff r a c t a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et i d a lf l a tb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo ft h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n i nt h ef o r t hp a r tw er e s e a r c h e dt h e f r a c t a lc h a r a c t e ro fm e c h a n i c sp a r a m e t e r sa n dt h ef a c t o ri n f l u e n c i n gi t i nt h ef if t hp a r t w ed i s c u s s e dt h ep r o c e s so f t h ef o r m i n go f t h er e c e s s i o n so nt h et i d a ll l a t t h er e s e a r c h i n ga r e al i ei nt h el e a fw h i c h - w a sf o r m e df r o n l19 6 4t o19 7 6w h e n y e l l o wr i v e r b yw a y o fh e r e ar o a di nt h e r e s e a r c h i n g a r e a c h a n g e d t h e h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o ni nm u c hd e g r e e ，t h en o r t hs i d eo f t h er o a df a c e dt ot h ew a v e a n dt i d a la n dt h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o ni sv i o l e n t o nt h ec o n t r a r y ，t h es o n t hs i d eo t t h er o a di s p e a c e f u l t h ed i f f e r e n c e o ft h e h y d r o d y n a m i c c o n d i t i o nc h a n g e dt h e c h a r a c t e ro ft h et i d a lf l a ti n c l u d i n gt h es u r f a c ea n dg r a n u l a r i t yc o m p o s i t i o n t h i sm a d e av e r yg o o dl a b o r a t o r yi nf i e l d w es e l e c t e da t y p i c a la r e ai nt h en o r t hs i d eo f t h er o a d n a m e dc a s eo n ew h o s es i z ei s4 0 x8 0 ma n ds e l e c t e da t y p i c a la r e ai nt h es o u t ho f t h e r o a dn a m e dc a s et w ow h o s es i z ei s2 0x2 0 m 1 e v e l e da n ds a m p l e di nc a s eo n ea n d c a s et w o ，a r r a n g e dal i n ei ne a c hs i d eo ft h er o a da n ds a m p l e di nt h el i n e s s e l e c t e da p o i n ti ne a c hc a s ea n ds a m p l e di nd i f f e r e n td e p t h t o o km e c h a n i ct e s ti nr e s e a r c h i n g a r e aa n da n a l y s i z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h em e c h a n i cp a r a m e t e rs i m u l a t e dt h e d y n a m i cp r e s s u r eo fw a v ei nt h et i d a lf l a ta n dt e s tt h em e c h a n i cq u a l i t yb e f o r ea n d a f t e rt h ef o r c eo ft h ed y n a m i cp r e s s u r e a n a l y s i z e dt h eg r a n u l a r i t yc o m p o s i t i o na n d g o tt h ef r a c t a ld i m e n s i o n so fg r a n u l a r i t y 、s u r f a c ea n dt h em e c h a n i cp a r a m e t e r s a tl a s t w e g o tc o n c l u s i o n sa sf o l l o w ： 1 t h es u r f a c ef r a c t a ld i m e n s i o n so ft h et i d a lf l a ti nt h en o r t hs i d eo ft h er o a di s h i g h e rt h a nt h es o u t ho ft h er o a d w h e nt h ei n i t i a l g r i ds p c cr a i s et h ef f a c t a l d i m e n s i o n so ft h es u r f a c er e d u c e da n dt h e r ew a st h et r e n dt h a t t h e yw o u l db e 1 查垫! ! 垒盟：笙盐芏丛些型：塑型型型至坌! 堡丛丛些! 兰塑型! ； e q u a lt oe a c ho t h e r 2i nt h et i d a lf l a tw i t hv i o l e n th y d r o d y n a m i cc o n d i t i o nt h ea v e r a g eo ft h ef r a c t a l d i m e n s i o n so f g r a n u l a r i t yc o m p o s i t i o no ft o ps a m p l e s i sl o wa n dd i s p e r s i v ei nt h e t i d a lf l a tw i t hp e a c e f u lh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o ni s j u s tc o n t r a r y 3 1 t c a s et w o ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o n so f g r a n u l a r i t yc o m p o s i t i o nc h a n g e df o l l o wt h e 、7 a r i a t i o no ft h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n t h e r ew a sn ot h i sr u l ei nc a s eo n e 4 t h em e a n g r a n u l a r i t yh a dn ot h i se f f e c ta sf f a c t a ld i m e n s i o no f g r a n u l a r i t y 5 t h ef r a c t a lc h a r a c t e ro ft h em e c h a n i cp a r a m e t e ri ne a c ho ft h ec a s ew e r ev e r y s i m i l a rt ot h ef r a c t a lc h a r a c t e ro t t h es u r l h c eo f t i d a lf l a t 6 l h em o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o ro l 、n l e c h a n i cp a r a m e t e r si nc a s eo n ei st h e h i g h n e s s o ft h es u r f a c e t h em e c h a n i c p a r a m e t e r r a i s e dw h e nt h e h i g h n e s s r e d u c e d 7 o b s e r v e dt h et e s t i n gp h e n o m e n o no ft h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n ta n da n a l y s i z e dt h e r e s u l t s ，w ef i n dw h e nt h es e d i m e n t sw a sf o r c e dd y n a m i cp r e s s u r ei tw o u l dl i q u e f y a n dt h ei n t e n s i t yw o u l dr e d u c e b u tt h ei n t e n s i t yw o u l d g o tb a c kr a p i d l yw h e nt h e d y n a m i cp r e s s u r ew a sr e m o v e d a tl a s t ，t h ei n t e n s i t yc o u l db eh i g h e rt h a nb e f o r e t h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t i na d d i t i o n 、w ec o n t r a s tt h ef r a c t a lc h a r a c t e ro ft h e m e c h a n i cp a r a m e t e rw i t ht h ef r a c t a lc h a r a c t e ro ft h es u r f a c eo ft h et i d a lf l a t w c f o u n dt h er e c e s s i o n sh a dt h es i m i l a rd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i ct ot h ep o i n t sh a d h i g h e rm e c h a n i cp a r a m e t e r s y n t h e s i z et h er e s u l t sa b o v e ，w ed e d u c e dt h a tt h e f o r m i n go f t h er e c e s s i o n sm a y b eh a v er e l a t i o nt ot h el i q u e f a t i o no f t h es e d i m e n t d u et ot h ed y n a m i c p r e s s u r eo f w a v e k e yw o r d s ：t h ee s t u a r yo fy e ii o wr iv e t ：s u b a q u e o u sd e i t a ：t e s tinf i e id ： f r a c t a id i m e n s i o n so fg r a n u i a r i t yc o m p o s i t i o n ：t h ef r a c t a l d i m e n s i o n so ft h et id a if l a ts u r f a c e ：t h ec a u s eo ff o r m a t i o n o fr e o e s s i o t i s 4 坐垄尘墨壁茎墨壁塾堕塑三塑型塑堑坌丝堑堑壅垡塑业! ! o 前言 本论文是在山东省自然科学基金项目“黄河口潮坪的分形特征描述”( 基会号 0 9 9 e 1 0 ) 的资助下完成的，首先要感谢我的导师贾永剐教授提t j t 这_ 论文选题和 对研究工作的全面指导。 研究区的选取是我们工作的第一步。现代黄河水下三角洲及潮坪上大最发育 着塌陷和凹坑，对潮坪形念特征的深入研究有利于我们认t 5 水下塌坑这一典型的 地质灾害现象。论文所选研究区位于1 9 6 4 1 9 7 6 年黄河山刁口流路入海形成的i 角洲叶瓣上，滩面凹坑发育十分典型，而且在研究区内有一条近年修建的井场公 路，公路两侧水动力条件强一弱。这使我们不但能够对黄河三角洲潮坪广泛发 育的凹坑滩面作出研究，而且还能够对比研究不同水动力条件下的滩而形态及滩 面力学性质。这种典型的研究区为我们后期工作的丌展和取得突破性认i _ j , u if 了 基础。 我们在研究区丌展了大量的现场工作，包括取样、滩面形态测量、滩面力学 性质原位测试、现场动力模拟试验，室内进行了粒度成分分析、资料处理和计算 工作。对比道路两侧滩面的分维值和样品粒度分维值，发现了分维值对于水动力 环境的良好指示作用：对比研究滩面力学指标和滩面形态的分形特征，我们得 了波浪作用下土体液化排水的凹坑成因推论：并对滩面力学指标的影响因素作 1 5 了定量分析。 回顾我们的工作，我们作出了一些有丌拓性的尝试，并得到了一些有意义的 认识，部分研究成果已被海洋学报接收发表。近期我们又在该研究区丌展了 现场工作，有了这些不同时期的测量数据，如果我们能够再丰富试验手段和研究 方法，肯定能够进一步深化研究成果。 本论文得出了一些结论并作出了一些有益的讨论，但文章l f f 肯定仃n 吲 淤或 不足之处，希望同行专家不吝赐教，给予批评指i t i 。 查塑尘釜丝蕉墨量塾塑型三堑型塑堡坌壁垫! 叵些堕竺塑一 1 分形理论在定量描述沉积物组成、形貌特征中的应用现 状 1 1 分形理论的介绍 分形理论的起源可以追溯到2 0 世纪仞对英国海岸线的测量，人们发现当观 测尺度变小时，海岸线的总长度也会随之增大。不管所选择的尺度多么小，都不 可避免地忽略一些更小尺度的细节。从这个意义上讲，海岸线是无限复杂的、也 是无限长的。同样。大多数自然界的事物都具有类似的性质，都具有无限的细 节，由于其在任何一点都不可导，因而不能用经典的、传统的数学方法对其进行 定量描述。由此，h a u s d o f f 于1 9 1 9 年提出了分数维的概念，即维数可以是分数。 在经典几何学中，点是零维的，直线是一维的，而平面上的任何曲线都是二：维的， 平滑的圆弧线和平面上的布郎运动具有相同的维数，这足经典几何学巾任何人都 不曾质疑的结论。而用分数维的观点，圆弧和斫i 郎运动代表着不同的动力系统， 它们的维数都是介于1 和2 之问的值，而布郎运动的分维要高：圆弧的分维，凶 为佰郎运动比圆弧更复杂，直观上也表现出更复杂的轨迹形式。分数维的提j f 使 定量刻划自然界事物的复杂程度和揭示事物自身内在的规律性成为可能。因而具 有重要的意义。后来m a n d e r b r o t 将分数维的概念推广并首次提出了分形几何的 概念，m a n d e r b r o t 定义分形为：“如果一个集合的h a u s d o f f 维数严格大于它的拓 扑维数，则该集合为分形集l 射。”随着分形几何学的不断发展和应用领域的拓宽， 对于分形的概念出现了很多争论，目前还没有一个严密的、具有普适性的定义。 分形几何的另一个核心i ； j 容就是自相似性，也h q 标度不变性，这与特征长度n 勺概 念年关联。特征长度就是表征物体空间尺寸的特征值。自然界r i ，的所有形状和人 类迄今所考虑的一切图形，大致可以分为如下两利；：利，是具有特征长度的图形， 另一种足不具有特征长度的图形。具有特征长度的基本形状如球、矩形体这类几 何学的简单形状，它们具有一个重要的共同性质，就是都具有光滑的表丽，几乎 任何位置都是可微分的。这类物体一般即使不是真币平滑也是近似平滑的，即在 特征尺度下是平滑的【2 i 。没有特征长度图形的重要性质是自相似性，即指若把考 虑的局部形状放大，其形状与全体( 或者大部分) 相同。具有严格自相似性的 2 查垫尘墨壁垄塞曼丝些塑兰丝型塑堑坌丝堑堑窒! ! 鲤型望- _ 一 k o c h 曲线由m a n d e r b r o t 得到。取一条直线段去掉中间的三分之一，代之以两 条相同长度的直线段，再对各线段重复这一操作，如此z 。，, z 。，1 4k o c h 曲 线( 图1 ) 。自相似性是分形理论的主 体内容，它反映了自然界中很广泛的 一类物质的基本属性，既局部与局部 和局部与整体等在形态、功能、信息 及时空结构等方面具有统计意义上的 自相似性。 e e ： f 图ik o c h 曲线生成示意i 划1 2 | k o c h 曲线具有严格的闩相似性，它的任何局部只要放人棚当的倍数，就川 以得到同原束完全相同的图形，而1 ef t - 何一点都不可微分。自然界l i “1 然没有 这种严格的自相似现象，实际的地质历史过程受到各种因素的影响和作用，是极 其复杂的非线性过程，地质上所说的自相似性往往是统计意义一 ：的臼榭似性。自 然界中，从原_ 了结构到矿床结构以至地球结构和星系结构，无不在网层l ：体现 了自相似性。白相似性不但直观地表现为结构的自我重复上，而且还能表现f t ! h j - 空分析i 上。岩石碎片、断层、地震、火山喷发、矿藏、油井等，这些地质现象的 频度和大小之间的分布就具有标度不变性【3j 。分形分析i 的特点要求大予某一尺度 的物体数目与物体大小之间存在幂指数义系。在分形概念被提出前很长一段时 间，人们从经验上就认识到幂指数型的统计关系适用于许多地质现象，最显著的 例子是统计地震频度震级关系时的g u t e n b e r y - - r i c h e r 公式。关于地质现象 的分前j ，幂指数分柿不是唯一一种，还有如币念分和和刈数分嘶j 的其他种类，f i l 是幂指数分前i 是其中唯一不含特征长度的分厕i 。这样，幂指数可以应刚j - 那些具 有自相似性( 标度不变性) 的地质现象，明确了这点，对于在实践中币确运用 分形理论有深刻的指导意义【4 】。 1 2 分形理论在地学中的应用 随着分形几何学的发展，分形分维在各个学科领域包括地学领域都得到了 粪 查垫生墨壁茎墨墅塾苎业兰塑型塑堑尘受楚堑熏些堕型羔一 泛的应用。但由于反映地质体分形特征的分数维是一个十分抽象的概念，甚至 有时我们难以明了其实际的物理意义，所以在一些问题还存在着不确定性和争 议。尽管如此，分维数在一些特定的地质提和地质现象中所具有的重要的地质背 景意义已经得到了较为充分的验证，也已经取得了丰硕的成果。 1 2 1 分形理论在线形轨迹方面的应用现状 这罩所说的线形轨迹，主要 是指直观上给人“曲线”印象的 一些地质界线，如断层线、滑坡 轨迹线、水系、等高线等。自然 界巾一些地质界线( 如海岸线) 都足经过非常复杂的非线性过程 演变而柬，都表现出统计意义上 的自相似性。对于这类问题的分 数维求取，往往采用h a u s d o f f 维 的方法具体做法如下： 蚓2 曲线分维求驭示意侧【2 用彳i 同边长的正方彤网格分别度量曲线图( 地质界线图、滑坡轨迹线陶等) ， 计算曲线所填充的不同级别的方格数n ( r ) ，并利用下式计算分维值 5 l ： d 一嘞f l g f _ + o ll 譬，l 实际计算中，在以r 为横坐标、n ( r ) 为纵坐标的双对数图上用最小二乘法拟 和直线段的斜率即为所求的分维值d 。许顺山，吴余国利用此方法对福建上杭一 一尤溪地区的火山岩和岩浆岩的分维值进行了比较1 6 j ，发现侵入岩的分维值普遍 较小，这与它们形成定位时的环境和应力因素有关。吴树任，石玲等对三峡地区 黄蜡石滑坡和黄土滑坡的轨迹进行了分维分析f 7 j ，发现滑坡处于不同的发育时 期，就会表现出不同的分维值。滑坡发生前，由于主体滑坡边界归并次一级滑坡 轨迹，所以分维值降低，而滑坡发生后，分维值会重新增值，直到又一次滑坡发 7 l 三。围内外许多研究表明，许多看似复杂无规律的现象都可以通过分形的方法进 行定量的描述，并且刻划发展规律。 1 2 2 分形理论在粒度方面的应用现状 4 查垫尘墨世垄墨量墼塑型三丝刿塑! ! 坌丝堑堡錾些塑型 ! !一 在各种地质现象中，碎形是很重要的一种。山于像断层、断裂和节理这些 构造作用的结果，地球表面是破碎的，进一步的风化作用使得岩石更加破碎。尽 管进行了许多实验室的数值模拟和理论的研究，但足在发展综合碎形理论方面进 展却不大，具体原因在于碎形的发展和传播是个极其复杂的非线性过程，它包含 了许多不同标度上的破裂的相互作用。g r a d y 和k i p p ( 1 9 9 7 ) 都讨论过碎形问题， 如果碎形在很火的标度范田内发生，而f | ei ，| 然标度与材料性质和破碎过程无 关，那么可以预料碎形f l 的数日1 j 人小之间的分和将是分形的i s - t o 】。对 ：碎肜- f ， 碎块的大小和频度分柿曾用过各种各样的统计关系描述，使用最广泛的是幂指数 分布和w e i b u l l 分析j 关系。 w e i 盼掀式掣- 1 - e x p j 式中m ( r ) 足所有尺寸小于r 的碎块的质疆之和，m o 足个体碎块的质r 之和， r o 是所有碎块的平均尺寸。具体的计算方法将神：第三章中详细介绍。 目前国内对于碎形的研究主要有两个方面：一是一般意义上的碎形，例如砾 岩、储集性砂岩、断层角砾岩等；二是严格意义上的碎形研究，其研究对象就不 再仅仅局限于岩石，而是拓展到分前j 更为广泛的各种二 ：类，因为从严格意义i ：讲 土也是碎形的一种，只不过其经历的过程更为复杂( 各种生物化学作用) 、形体 更小( 相对于某些岩石碎块) ，国内外很多研究表明，很多土都具有分形分布， 都可以运用上述的两种分布求取分维债。关于七的分维值的研究曰自h 国内比较普 遍，方法主要有两种：i n 】_ 种足直接利用分形分加的定义式= 少。采用数颗 粒的方法，但由于较烦琐，难于推，“：另- - r 是利用w e i b u l l 分前i ，直接利用 ： 的粒度分析成果，在累积百分含量同粒径的双对数图上，找出_ l 直线段，即确定 无标度区，拟和直线斜率b ，根据d = 3 b 就可以得到：的粒度分维值。 粒度分维值反映的足土的粒度身l 成的空m 结构，足一个较为抽象的概念，就 其本身而言人们有时很难将其等同与某一个明了的物理意义。但闻内外人踣的研 究及其文献都已经表明在很多情况下，土作为一个丌放的自组织系统，粒度分维 值往往能够反映其形成机制、演化历程、发展阶段等重要性质，尤其是当不同机 制下形成的土之间、经历不同的演化历程形成的土之问或处于不同的发展阶段的 土之问的粒度分维值的对比更能够揭示一些重要的规律。本文第三章就将对4 j 坐垫生墨壁薹墨壁墼苎业三塑塑塑堡坌丝楚堑壅些堕盟墅一 同水动力条件下形成的土的粒度分维值之间的对比来阐明粒度分维值对于形 成土体的沉积环境的指示作用。 另外，国内外的很多研究也都证明，土的粒度分维值同时具有重要的工程地 质意义，很多学者运用多元回归分析、逐步回归分析的手段对土的粒度分维值进 行统计分析，发现粒度分维值是表征土的 ：程地质性质的一个非常重要的参最， 粒度的分维值的引入往往能使回归效果得到显著的提高。 1 2 3 分形理论在地形地貌定量描述方面的应用 自然界的地貌景观是相当复杂的， 河流、山川、谷地、平原遍布于地球 的表面，以前不知道这种分布是否遵 循着某些规律。1 9 4 5 年m a n d e l b r o t b b 用分形的方法得到了与实际地形地貌 极其相似得大陆景观图( 图3 ) ，这在 一定程度上说明了地形地貌是呈分形 分布的。地球表面小到分子结构大到 河流山川，都能体现出统计意义上的 自十日似性1 4 - 15 1 。曲面分维值的求取是 利用k e i t hc c l a r k e 提出了四棱锥表面 分维计算法，具体方法将在后文中详 幽3 分形方法形成的人陆景观幽”驯 细介绍。 1 3 运用分形理论时应注意的问题 1 3 i 地学所研究的对象是歼放的复杂系统 地质学所研究的对象地球及地球上的各类地质体，从本质上讲是一个丌放系 统。它与外界环境存在物质和能量的交换，是一个不断变化着的系统f 1 6 - 17 1 。因此， 各种地质作用及这些作用所形成的地质体，大多数都处于复杂的非线性状态，即 不舰则的分形状态。对地学的研究对象来说，丌放性、不平衡性、无序性、非线 性是绝对的、长期的；而封闭性、平衡性、有序性、线性则是相对的、局部的、 暂时的，这是自然物质自组织过程( 包括平衡念自组织和非平衡态自组织) 导致 6 查垫查墨壁墨墨壁塾苎塑三堑型塑堡坌堑楚堡至些堕竺堕 的物质构型的多样性、复杂性的反映，也是运用分形理论研究地质问题时首先 要树立的观点。 1 3 2 正确圈定无标度区 无标度区就是事物自相似性存在的尺度范围，超出了这一范围，再去讨论 白相似性就没有意义了【1 8 - 2 0 。如何判断无标度区是个复杂的问题，般认为在同 一地质条件下形成的同类地质体有着共同的无标度区，其相似程度也最犬。在进 行分维汁算时所用到的双对数图，其直线部分就代表着研究层次上的无标度区， 自相似性就是在这一范围内讨论的。 1 3 3 注意分形的多重性 多重分形可以看作大量具有不同无标度区的集合。多重分形是地质体自组 织的结果，自然界地质体有很多都是多重分形1 2 1 2 ”，例如一条断层带，当以毫米 的尺度走研究它时研究对织就足一些微裂隙、节理等，它们在毫米尺度下有j 特定的自相似性及稳定的分维值：而当以百米、甚至公里的尺度去研究它时，研 究对象就是整个构造带，而它也有其特定的自相似性和分维值2 5 之6 1 。清楚了这一 点，就不会对将上千公瞩长的海岸线缩小到十几厘米的范围来确定其分维值产生 怀疑了。问题的关键就足首先要清楚研究对象是在什么尺度范围内的我们最终 要得到的是宏观上的信息还是微观上的信息，然后正确确定比例尺。如果能把地 学中复杂的分形体不同范围的无标度区划分清楚，求出不同无标度区的维数及其 它参数，那么对于全面研究和掌捧各种地质体的特征及形成规律是很有意义的。 1 3 4 正确求解地质分形的维数，合理解释其含义 正确运用分形的方法求解地质分形的维数足应用分形的第一步，在获得了较 准确的分形维数之后，就要利用地质知识，对各种维数的地质意义做出合理的解 释。对于地学工作者柬说，这是比计算分维数更重要的一步，只有跨出了这一步， 才能说分形理论已被应用于地学领域，爿能对地学的发展发挥其强有力的作用。 查垄盎壅堡篓星曼丝夔塑三鱼型塑塑坌受鳖堑壅丝盟竺玺一 2 黄河口潮坪的形成演化及研究区域概况 黄河以其水少沙多，尾闾善徙著称予世。巨量的泥沙入海为黄河三角洲的形 成和发育提供了丰富的物质基础。自1 8 5 5 年黄河改由渤海入海以来，尾闾河道 频繁摆动，由各个时期的三角洲沉积相互叠置形成现代黄河三角洲体系。 2 i18 5 6 年以来黄河入海的变化情况 公元1 1 2 8 年至1 8 5 5 年黄河注入黄海。1 8 5 5 年6 月黄河在河南兰阳铜瓦厢 决口，从此黄河再次注入渤海，在山东北部形成了现代黄河三角洲，通常称其为 黄河三角洲。现代黄河三角洲陆上部分以垦利县宁海为项点，南至淄脉沟，两至 徒骇河，至1 9 8 4 年形成面积约5 2 1 2 k m 2 的三角洲平原。黄河自1 8 5 5 年改吐 山东 入海以来，由于缺乏人为的控制常呈漫流的念势，在此过程中逐渐形成稳定的河 道即通常所说的流路。一条流路稳定几年后，河道淤积抬高，排流不畅导致决m 后逐渐形成稳定的新流路。如此反复，黄河至今共发生七次改道，形成八期流路 ( 见图4 ) 。本次论文的主要研究区为图4 中编号为7 的刁口流路潮坪潮滩。 酗4 黄河箨期流路示意图1 2 7 】 a 废舟i ；j 道= b 现代曲 i j f 三船洲边界i 1 8 5 5 1 8 8 9 年：21 踮9 1 8 9 7 年：31 8 9 71 9 9 4 年：4t 9 0 41 9 2 9 年：51 9 2 9 1 9 3 4 年；6 t 9 3 4 1 9 3 8 和1 9 4 7 1 9 6 4 年：71 9 6 4 1 9 7 6 年8 1 9 7 9 年j i l n ! 。( 蹦中 的海岸线系1 9 8 4 年的海席线) 丛垫查墨丝茎墨曼墼堕塑三塑型塑! ! 坌蹩楚堡垒些塑塑2 1 一 2 2 黄河水下三角洲的形成演化 现代黄河水下三角洲是黄河1 8 5 5 年改道入渤海以来形成的三角洲堆积体。 黄河流域的水土流失，特别是黄土高原富合粉砂颗粒的物质构成了本区丰富的物 源。丰富的物源物质在入海口及附近海区海洋动力与河流径流的共同作用下，形 成突出的砂嘴以及生长迅速的水下三角洲堆积体。水下三角洲是指陆上i 角洲向 水下延伸部分，它从高潮线开始，外缘延仲至水深1 0 2 2 m 处，呈半环状用绕陆 上三角洲。现行河口拦门沙前沿较陡，向海逐渐变缓。总体坡降平均为1 1 5 0 0 。 黄河径流的巨大含沙量使行水河口的水下堆积体不断进积成陆，加之侧向决f 、 尾闾摆动，使河口堆积体侧向成长成陆。黄河行水河口的频繁变换，在海岸线上 形成了一系列不同时期的水下三角洲堆积体。这也引起三角洲水v 堆积体的1 i 控 水动力因素频繁改变。在远离现行河口的老河i1 水f ：三角洲地区，水下一确洲的 发展几乎完全受控于海洋水动力条件，形成了对原三角洲的改造过例2 8 】。 一般柬讲，黄河的每一期流路的发展过程可以火致分为以下三个阶段1 2 7 | ： 第一阶段：漫流，短命的不稳定的分流河道发育。不管是自然决口还是人为 决 1 ，由于没有现成的河道，即便有现成的河道也是规模过小，无法容纳汛期的 黄河水，因而改道后最初河水漫流入海，之后形成游移不定的短命的一个或数个 游荡性分流河道。 第二阶段：形成单一顺直的分流河道。数条分流河道中一条最有生命力的河 道随着输送越来越多的河水，河道加深，形成单一顺直的河道，并稳定数年。 第三阶段：在分流河道两侧决口，形成新的短命的分流河道。幽1 二第_ = ：阶段 形成的分流河逆向海延伸较快，比降减小，河n 和分流河道下段逐渐淤积严承， 在汛期导致决口。首先决口点以下部分河道废弃。第三阶段形成的分流河道山j 二 同样的原因会在原决口点之上形成新的决口和新的分流河道。之后决口点逐渐l 移，最终在三角洲顶点附近决口，形成新的流路，原流路废弃。 根据黄河水下三角洲地貌动态变化的差别，一般将其分为三个亚区( 见图 j ) 。西区是指挑河口以西海区。黄河迁离该区已有六十多年，经过强烈冲蚀阶段 后，水下地形和水动力条件趋于平衡，岸线稳定，地势平缓：沉积物呈平行岸线 的带状分斫i ，基本达到弱淤、弱冲的动态平衡状念。中区指挑河口以东争神仙沟 查垫生墨生茎墨殳塑苎塑三鱼型塑塑坌丝鳖堡錾丝盟婴2 i 一一 一带海区。自1 9 7 6 年黄河改道以来，本区正受着海海洋水动力的强烈改造过程 中，海岸线遭受侵蚀后退且趋于平直，；水下地势受侵蚀而展平且坡度趋向平缓： 沉积物趋向围绕岸线呈带状分布，本次论文的研究区域就是处于中区。南区指神 仙沟以南至支脉沟口海区。黄河自1 9 7 6 年从该区入海，携带巨量泥沙在口门附 近大量堆积，使岸线呈扇面形向海伸展，水下地形坡度较陡，不同出口的拦门沙 重叠。 图5 现代黄河二角洲形成演化分区图f 2 8 2 3 刁口流路潮坪的形成演化及刁口叶瓣底坡沉积物粒度组成特征 论文主要涉及的区域刁口流路水下三角洲堆积体，形成于1 9 6 4 1 9 7 6 年，属 于上述的中区区域。1 9 6 4 年以前，本区东南角为陆地，西侧为向陆凹进的海 湾形海区f 2 9 。黄河行水神仙沟时，本区发生过一定程度的淤积。当1 9 6 4 年黄河 改道刁口流路入海后，随着黄河巨大的挟沙造陆作用，不断进积，短短1 2 年间 形成了厚度十几米、岸线外移1 5 k m 的黄河三角洲堆积体。山于陆地的迅速向海 推进，水下岸坡迅速交陡，海区潮流场发生弯折改变，并丌始在水下底坡的较深 o 查垫查墨丛笙量量塾重塑三鱼刿塑堡坌丝堑堡銮些塑业塑 区域形成强潮流区，潮流速度增大，对海底的侵蚀作用逐渐加强。在三角洲推进 后期由于河1 5 1 的不断向海推进，河流长度增加，水流坡降减小，造成局部河段淤 积堵塞，河道弯曲出汊，在河口横向上发育形成了一系列三角洲进积体，使三角 洲进积体侧向加宽。1 9 7 6 年，黄河行水清水沟后，本流路由于缺失了大量泥沙 的物源支持，迸积停止，原有的沉积动力平衡条件被打破，开始了仅有海洋动力 作用的冲刷改造、再沉积过程。 刁口流路潮坪潮1 9 6 41 9 7 6 年滩是刁口分流河道( 刁口流路) 所形成的三 角洲堆积体。由于弯曲的神仙沟河道在1 9 6 3 年时比降已降至0 ，0 8 ，故1 9 6 3 年 底和1 9 6 4 年初，分流河道冰凌堵塞，于1 9 6 4 年1 月1 同在罗家屋子( 渔沣北 8 k m ) 人工决口，河水北流形成刁口流路。5 个月之后。刁口河道过水占6 0 以 上，神仙沟流路被逐渐废弃。1 9 6 4 年汛期，河水漫流入海，汛后形成游荡性河 道，水流散乱、心滩密斫j ，至1 9 6 5 年汛历仍保持游荡性特点。1 9 6 6 年汛历譬现 两条平行的河道入海，但主河道已经十分明显，至1 9 6 7 年汛期形成形成单一的 分流河道。1 9 6 4 年至1 9 6 7 年汛期，刁口叶瓣处于第一个发展阶段，河道及河【i 的位置极不稳定，原来的海湾被填塞，海岸推进速度很快，在陆一l 形成j “泛分前j 的决口扇和短命分流河道充填沉积物，大量泥沙堆积在陆上。1 9 6 3 1 9 7 3 年不 同时期在陆上、滨海和外海沉积的泥沙分配数量见表l 。 表i 不同时期黄河泥沙分配数量表【2 7 】 来沙总量 硪 滨海输让外海 ( 亿吨)淤积量( 亿吨)占柬量( )淤积量f 亿吨) 占束曩( )数量( 亿吨)占来量) 1 9 6 4l 1 9 6 876 4 5 72 l _ 33 32 3 4 93 641 97 83 0 6 1 9 6 88 1 9 7 092 4 7 436 31 4 91 1 7 14 7 39 3 53 78 1 9 7 01 0 1 9 7 l96 8 508 21 224 83 6235 55 1 8 1 9 7 11 0 1 9 7 391 7 0 8l7 21 0 174 34 3579 34 64 1 9 6 4l 1 9 7 391 1 322 752 44 514 04 0 6 3 6 从1 9 6 7 年汛期至1 9 7 2 年汛期河道演变成为单一稳定的分流，刁口叶瓣处于 第二个发展阶段。河口附近海岸线向海推进明显，两侧形成两个小海湾。沉积在 陆地上的泥沙数量比前一阶段大大减少，入海泥沙增加。河口外中部沉积三角洲 前缘粉砂，两侧沉积三角洲侧缘粘土质粉砂。水下三角洲堆积体轮廓呈现个大 致平行海岸的椭圆形，中部厚，向前迅速变薄。1 9 6 8 年至1 9 7 1 年最大沉积厚度 1 2 3 米。最大沉积速率4 1 m a 3 0 】。 水动力条件差异导致黄河三角洲潮坪分形特缸变化的研究 1 9 7 2 年汛期，在分流河道下段东侧决口，形成东北分流，河道演化进入第 三阶段，直至1 9 7 6 年刁口流路废弃。东北分流使东侧的海岸线向前推进，陆上 堆积决口扇和分流河道充填沉积物，水下堆积粉砂