沙堆实验研究三峡库区典型水域环境的水华污染行为

基于自组织临界性理论,设计和实施了具有真实物理意义的沙堆实验,结合三峡库区典型流域多年来富营养污染和水华爆发的现场监测资料,研究了缓流水系综合营养指数的变化趋势,描述了水华爆发/消退过程的自组织临界性行为。将沙堆实验统计数据中符合自组织临界性规律的普适性因子:沙堆底盘直径D、沙粒长度L、沙粒半径r和沙粒密度ρ等,与富营养污染流域中导致水华爆发的非线性耗散型控制函数相关联,从而有可能通过不同情况下沙堆崩塌的难易程度、频度和规模来发现、描述和确定水华爆发的内在机制和演化过程。沙堆实验的数值分析结果与这些典型流域水华发生过程的周期振荡行为和变化规律具有较好的一致性。

沙堆实验的自组织临界性与水华暴发行为的关系研究

用圆柱形铝粒和铁粒进行沙堆物理实验,均得到高相关性的幂率函数K=a(△w)b,表明沙堆系统具有自组织临界性．在此基础上考察沙堆系统行为与不同颗粒及不同底盘的关系,并对统计数据a和b进行了重构得到在文中定义为水华暴发趋势的协同参数Y1和Y2．Y1与L/d(表征迁入水域系统的营养盐量)呈较好的线性正相关,Y2与D(表征水域环境对营养盐的负荷量)呈较好的线性负相关．结合文献资料对比分析可以证明:L/d值越大(迁输入量越大)水华暴发趋势Y1越高;D值越大(系统负荷能力越高)水华暴发趋势(可能性)Y2越低．

地震强度递增沙堆模型响应机制的研究

针对汶川地震Ⅹ度和Ⅺ度烈度区崩塌滑坡面积与累计频率统计关系呈现不同分布规律的现象,开展了地震峰值加速度从0.075-0.450g的6组振动台沙堆模型实验.实验重现了随振动强度增加,落沙量与累计频率从幂律分布-对数正态分布-正态分布依次转变的现象.数学分析表明,变异系数的减小,是这3种概型依次转变的原因.根据实验观察,随扰动递增沙堆表面颗粒行为呈现不同响应模式：微振动时颗粒活动性消失的概率与活动性分叉的概率在总体上平衡,当颗粒间近邻的相互作用导致连锁反应时才能发生大规模落沙事件,具有最大的不确定性.强振动时大部分颗粒就能独立启动,大规模落沙成为必然事件.据此提出,落沙规模由自组织控制的颗粒链式反应过程,向外力控制的颗粒独立下落过程的转化是导致变异系数减小的物理机制.根据以上认识,随地震烈度增加,汶川地震触发的崩塌滑坡规模与累计频率依次服从幂律分布-对数正态分布的现象,可能是具有普适性意义的规律.

自组织临界性研究及其在灾害预测中的应用

自组织临界性为灾害问题的研究开辟了新途径。本文首先介绍了不同级配的散粒体沙堆实验,发现散粒体SOC与粒径的非均匀系数有关。实验表明随着非均匀系数的逐渐增大,散粒体呈现出不同的实验现象和统计结果,并且散粒体系统的动力行为由准周期-SOC-准周期进行演化。由此得出SOC主要由系统的组构特征确定的结论。最后探讨了SOC和准周期两种不同系统的灾害预测的方法,以及SOC理论在灾害防治工程中的应用。

大尺度散粒体自组织临界性研究

本项目围绕用实验验证大尺度的系统也能呈现SOC现象的核心工作，在发现现象、提炼科学问题、探索研究方法方面达到预期目标，为进一步实现我国在颗粒组构特性对SOC影响上占领前沿地位的目标，打下了良好基础。

地震触发崩塌滑坡自组织临界性研究

汶川地震触发了大量崩塌滑坡灾害。这些规模差异巨大的现象之间,能量及空间是否存在着确定的分布规律?巨型崩滑和小规模坍塌是否遵从不同的形成机理?这些都是亟待解决的基本科学问题。作者在自组织临界状态(SOC)的概念框架下,通过震区典型路段考察,发现位于地震Ⅸ度区的崩滑工点,崩滑方量及崩滑体深度,与崩滑工点数目之间存在着良好的负幂律关系,地震Ⅹ度区也体现出有类似特征;拟静力模拟地震的沙堆离心模型实验表明,模型底板倾斜1.5°时,崩塌的动力学特性可以用幂律描述,底板倾斜达到3°时服从正态分布;元胞自动机模型数值模拟表明,随扰动强度增加沙堆模型动力学特性的演变是渐进的。从而从整体理论上对上述问题提出新的解释:处于青壮年期的山地斜坡系统具有SOC的内禀基本属性;存在一个地震强度阈值,在此之下地震触发的崩滑规模与出现频率之间的分布规律可用幂律描述,巨型崩滑灾害和小规模坍塌现象遵从同一形成机理。全新的认识可望为地震触发崩塌滑坡灾势评估提供普适性的概型并建立应用框架。

驱动机制改变对沙堆模型行为特性的影响

慢驱动机制是自组织临界系统(SOC)的基本条件之一,若仅当驱动机制发生改变时,系统的行为特性会呈现何种变化,尚未有人研究.针对这一问题开展了快驱动机制的沙堆模型实验,通过快速倾斜沙堆底板的方式使沙堆从欠临界角快速到达临界角.实验表明,沙堆坡度保持在临界角附近时,落沙量服从幂律分布;随着沙堆坡度逐渐偏离临界角度,落沙量的统计特性将经历对数正态分布-正态分布的转变,不再呈现SOC特性.汶川实震诱发断裂带上盘的崩塌滑坡原型问题是驱动机制改变在自然界中的体现(其隆升速度与滑坡速度之间不存在巨大的时间标度分离).在对汶川地震断裂带上、下盘地区1.5km内的崩塌滑坡规模面积统计分析发现,上盘灾害服从对数正态分布,而下盘不服从对数正态分布.据此,推断汶川地震靠近断裂带上盘附近的崩塌滑坡呈现对数正态分布的规律可能是具普适性意义的现象.

自组织临界性及其在斜坡重力作用灾害研究中的应用

首先介绍了3种在自组织作用下的反映斜坡物质能量耗散普适性过程的沙堆模型实验,以及托卡马克等离子体试验.实验表明,当沙堆由非均匀颗粒组成时呈现SOC现象;托卡马克等离子体当约束条件减弱时具有SOC的一些特性.然后通过沙石材料土工性质的测试和堆积结构模拟分析,得出SOC主要由系统的组构特征确定的结论.最后在SOC的概念框架下讨论了斜坡重力作用灾害的机理研究、预测预报以及防治工程设计等问题.