基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究

坡面径流流速是决定土壤侵蚀强度的重要因素，也是坡面侵蚀预报模型考虑的关键问题。采用LabVIEW虚拟仪器，开发了一套室内模拟坡面径流流速测量系统，包括试验台、光电传感器、采集卡及测控软件等。系统以泡沫粒子作为示踪粒子，进行了室内模拟坡面径流流速的测试。结果表明，自行设计的试验台能实现水沙循环使用，在0～400 kg/m³含沙量、0～25°坡面的范围内，该测量系统能够测定径流流速，最大相对误差为2.29%，为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种新的有效的方法。     

基于虚拟仪器技术的光电式坡面径流流速测量系统

在水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。目前尚没有广泛应用的测量径流流速的仪器，该研究从两相流理论出发，基于相关流速测量理论，采用Lab VIEW虚拟仪器开发平台，研制了一套径流流速在线测量系统，包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用Lab VIEW开发的相关测量软件等。采用室内模拟水槽试验，结果表明，该测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验，系统最大相对误差为4.14%；基于相关流速理论所建立的虚拟仪器系统测量坡面径流流速是可行的。     

基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，测量误差为4.5%；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3.81%。     

坡面流超声波水深测量系统研究

坡面流水深是常用的水动力学参数,是计算坡面流流速、水流剪切力、水流功率的基础,因而对其准确测量至关重要。室内侵蚀静床实验中水深直接测量法耗时长、误差大,而间接测量法一般是通过染色法测定流速进而反推出坡面流水深,测量精度受水流流态、测流区长度和含沙量等因素影响。鉴此,对超声波距离传感器应用于侵蚀静床坡面流水深测量进行系统研究,通过参数调试和测量系统检验,表明超声波水深测量系统测量不同厚度玻璃的平均相对误差为1.73%,对不同坡度、不同流量组合下坡面流测距的变异系数在0.061%～0.096%之间,其精度能够满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的研究需求,可用于侵蚀静床条件下坡面流水动力学特性、坡面流挟沙力、输沙及模拟覆盖对坡面流水动力学特性潜在影响的研究。     

基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统构建与试验

为减小染色法测量坡面水流流速的误差,提高染色法测量准确度,根据染色示踪剂在水中扩散引起颜色发生变化的特性,结合漫反射型模拟量光电颜色传感器和数据采集卡采集信号,通过小波变换对信号进行去噪,研发一种基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统。以流量法为参照,确定该系统传感器最优数据采集距离为0.6～0.8 m;传感器数据采集距离为0.7 m时,该系统测量数据最小相对误差仅为0.48%,变异系数15%。相比染色法,该系统与流量法拟合的决定系数在0.90以上,大于染色法的决定系数0.75。表明薄层水流流速测量系统优于染色法,可以用坡面薄层水流试验研究中。     

解冻期覆沙黄土坡面能量参数与径流产沙关系

为探究春季解冻期覆沙黄土坡面能量参数动态响应时空演化过程,在相同放水流量(1 L/min)条件下,采用2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3 cm)进行室内模拟冷冻和放水冲刷试验,系统分析了径流流速(V)、径流功率(W)、单位径流功率(P)和径流动能(E)在不同土壤处理和不同覆沙厚度条件下的时空演化过程。结果表明:(1)不同处理下的径流流速随产流时间的延长总体呈下降趋势,随着距坡顶距离的增大总体呈增大趋势。未冻坡面和冻结坡面径流流速的均值在0.23~0.35,0.18~0.35 m/s变化。径流深的时空变化规律与径流流速相反,未冻坡面和冻结坡面的值分别在0.36~1.32,0.46~2.89 mm变化。(2)未冻坡面和冻结坡面径流功率的变化范围分别为0.22~0.82,0.29~1.13 N/(m·s)。不同处理下的单位径流功率随产流时间的延长总体呈下降趋势,未冻坡面和冻结坡面的单位径流功率的均值分别在0.047~0.072,0.037~0.072 m/s变化。未冻坡面的径流动能随着覆沙厚度的增加而增大,冻结坡面的径流动能随着时间的延长总体呈先增大后减小的趋势。在空间上,未冻坡面和冻结坡面的能量参数和距坡顶距离均可用线性函数表示(R^2>0.71)。(3)产流率与径流流速和能量参数之间呈显著的线性关系(p<0.01),径流流速和单位径流功率可以对未冻坡面和冻结坡面在不同覆沙厚度条件下的产流过程进行描述。研究结果可为建立解冻期的覆沙黄土坡面侵蚀模型提供参考。     

坡面薄层水流优势流速研究

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一.为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8 °、12°,流量12、24、48 L/min条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.Sm处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速.结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ～0.568 m/s之间.随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大.流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响.不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态.结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据.     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

基于GRNN的坡面径流输沙能力模型的试验研究

坡面径流输沙能力是建立土壤侵蚀过程模型的重要水力学参数,研究定量计算坡面径流输沙能力的实用模型具有重要的理论和实践意义.通过室内模拟径流冲刷试验,计算不同坡度和流量条件下的裸地坡面径流输沙能力,利用平均影响值(MIV)方法对影响坡面径流输沙能力的因子进行分析,建立以干密度、能坡、进口流量、出口流量、水力半径、流速为输入,以坡面径流输沙能力为输出的广义回归神经网络(GRNN)模型,并应用Adaboost算法对模型进行优化.验证结果表明,所建模型能够用于对坡面径流输沙能力的模拟预测.与BP神经网络模型进行对比分析的结果表明:在试验训练样本条件下,广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测结果优于BP神经网络模型;Adaboost算法能够有效减小广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测误差.     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

草地近地表风速脉动及其与平均风速、摩阻风速的关系

[目的] 研究草地近地表脉动风速与平均风速、摩阻风速之间的关系，揭示草地风速脉动规律。[方法] 利用三维超声风速仪对天然草地近地表风速进行连续观测。[结果] 草地近地表风速存在明显的脉动特性，脉动强度与平均风速之间呈显著线性正相关。湍流度在较小风速下分布非常分散，随平均风速的增大而趋于集中，在2~14 m/s风速范围内概率分布峰值对应的湍流度为0.23。摩阻风速与瞬时风速之间缺乏相关性；1 s时距下摩阻风速与平均风速呈显著线性正相关，但风速脉动导致摩阻风速计算结果波动仍非常明显；1 min时距下摩阻风速波动范围降低至10%以下，摩阻风速与平均风速线性相关性极为显著。[结论] 风速脉动对摩阻风速的计算有很大影响，采用1 s或1 min时距的平均风速，可有效降低这一影响。     

80LLW螺旋离心泵系统水流特性试验

利用三维流动理论,对80LLW螺旋离心泵系统的水流特性进行了试验研究,对泵的不同断面上的不同测点在不同流量工况下的轴向速度、径向速度、切向速度及旋转角速度进行了测定,分析各量的分布特点,进而分析泵内液流的旋流及扭转非对称等特性,说明其产生的原因及对泵的性能的影响。     

摩阻风速与平均风速的转化关系研究

针对多数研究都是以摩阻风速表征地表输沙量,而气象站风速观测通常是10 m或12 m高度的平均风速,因此在利用气象站风速观测资料来评估大范围或者某一特定区域较长时间的地表输沙量时,首先需要解决摩阻风速与平均风速的转化关系。然而,很少见到相关研究报道。借助风洞实验和2003年春天在北京郊区获得的9种不同下垫面的野外风沙观测数据,对摩阻风速与平均风速的转化关系进行了探讨,认为它们满足线性关系。     

黄土坡面细沟形态变化及其与流速之间的关系

研究细沟的形态变化特征是认识细沟侵蚀的重要基础,细沟发育过程中细沟形态变化与水流动力学特性之间存在相互影响和相互作用的关系,研究细沟发育过程中细沟形态与水动力学之间的关系,有利于更好地了解细沟侵蚀过程和侵蚀机理。该研究通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟发育过程中的细沟形态变化及其与流速的关系进行了研究。结果表明:坡面侵蚀过程呈明显的阶段性,坡面细沟形态变化过程与坡面径流含沙量的变化情况基本一致;坡面跌坎发生的临界流速为0.19~0.21 m/s,当坡面径流流速大于这个临界值的时候,坡面会出现跌坎;细沟发育初期,细沟间的距离一定程度上影响细沟的分布,最早出现的细沟之间不会再出现新的跌坎,这一间距范围在12.5~17.5 cm之间;细沟侵蚀过程主要以下切侵蚀和溯源侵蚀为主,沟壁坍塌的侵蚀作用相对较小;细沟流速随时间的变化大致呈先增后减的趋势,细沟流速随细沟宽度的增加而显著减小,这一趋势在4 m坡段尤为明显,二者之间存在显著负相关关系(r=-0.348,P=0.04)。受试验条件所限没有研究细沟深度和流速等其他水动力学参数,以后需要不断改进试验方法来准确测量流速、水深等指标,进一步研究细沟发育过程。     

毛乌素沙地不同防风材料降低风速效应的比较

在干旱半干旱区植被生态建设过程中 ,需要进行决策并经常引起争论的问题是 ,应该选择哪种类型植被 ,才能获得最大的防风效应。为比较不同防风材料降低风速效应的差异 ,在春季大风天气 ,选取毛乌素沙地 5种常见的灌草乔植物和 2种常见的人工防风材料栅格沙障和栅栏 ,进行防风性能野外实地观测。分析结果表明 ,几种防风材料降低风速性能从大到小的次序为 :沙蒿 >芨芨草 >杨柴和牛心朴子 >沙障 >栅栏 >旱柳 ,沙蒿性能最好 ,降低风速比率达到 0 .49,旱柳性能最差 ,近似为 0 ;就乔、灌、草植被类型而言 ,防风效应的一般次序为 :灌木 >草本 >乔木。据此认为 ,干旱半干旱区植被生态建设中 ,坚持以灌木和草本植物为主的原则 ,才能提高有效水资源的利用效率 ,取得较好的环保效益。     

超声波土壤含水量检测装置的模型建立与验证

为探究利用超声波脉冲速度检测土壤体积含水量的可行性,以广东省红壤、赤红壤、水稻土为研究对象,设计了一种超声波土壤含水量检测装置,并利用ZBL-U510型非金属超声波检测仪在3种不同温度环境下(10、20、30℃)对不同含水量的土壤样本进行声速测定,构建了土壤体积含水量与超声波差值声速的温度效应数学模型。结果表明:超声波在水稻土中的传播速度比红壤、赤红壤快,且温度对超声波声速随土壤体积含水量变化节律的影响不同。20℃环境下超声波在土壤中的传播速度最快,10℃其次,30℃最慢。采用Richards模型表征土壤体积含水量与超声波差值声速关系的预测误差在3%左右,采用分段结构温度效应模型的预测误差在5%以内,证明该文提出的超声波脉冲速度-土壤体积含水量的温度效应模型可用于动态温度条件下的土壤含水量预测。该研究可为超声波技术在土壤水分检测领域的应用研究提供参考。     

不同农垦地下垫面对风蚀起沙风速的影响分析

以新疆塔里木盆地垦区为例,研究不同地表粗糙度下垫面对风蚀起沙的临界摩擦速度和起沙风速的影响。根据Shao的方法计算不同下垫面起沙风速,结果表明:塔里木盆地垦区所选的小麦、棉花、红枣这3种地类2m高度临界摩擦速度(u*t)分别为棉花地0.40m/s,红枣地0.43m/s,小麦地1.85m/s;2m高度临界起沙风速(ut)分别为棉花地5.3m/s,红枣地5.7m/s,小麦地7.5m/s,小麦地较其他2种地类更具有抵抗风蚀的作用。     

胰蛋白酶对壳聚糖的降解研究

用粘度法和吸光度法，研究胰蛋白酶非专一性降解壳聚糖过程中温度、PH值、反应时间、酶浓度、底物浓度。金属离子对胰蛋白酶降解壳聚糖反应的影响，确定了以壳聚糖为底物的胰蛋白酶的一些催化特性：最适温度为30℃，最适PH值为5.0,10-180min内酶反应速度恒定，酶浓度在0.1-0.5g/L的范围内，酶反应速度与酶浓度呈线性关系，米氏常数Km为9.54g/L。     

极端降雨条件下秸秆覆盖坡面水流流速空间分布

坡面流流速是地表水文和水土保持研究的重要参数。极端降雨条件下,秸秆覆盖坡面水动力过程复杂,探明其流速分布规律对坡耕地土壤侵蚀预报具有重要意义。该研究的模拟降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅内进行。试验土槽宽0.25 m,长8 m,深0.3 m,底部填装黏壤土（31.8%黏粒,43.3%粉粒,24.8%砂粒）,土壤表面均匀铺设长5～7 cm小麦秸秆。试验雨强为160 mm/h2,共设置3种坡度（5°、10°和20°）和3种秸秆覆盖率（0、2和8 t/hm2）,分别在沿着坡长方向距坡顶1.15、3.15、4.15和5.15 m处设置采集点;采用电解质示踪法测量坡面水流流速,分析秸秆覆盖率对坡面流流速及其空间分布规律的影响。结果表明,极端降雨条件下质心法适用于秸秆覆盖坡面流速测量,3种秸秆覆盖率下测量流速分别为0.071～0.352 、0.033～0.110 和0.017～0.117 m/s;秸秆覆盖可削弱雨滴对坡面流的扰动,增大下垫面的粗糙度,流速随覆盖率的增大而减小。3种坡度下坡面流流速测量结果分别为0.017～0.352、0.027～0.323和0.033～0.272 m/s,流速随坡度与坡长的增加而增大;沿坡长方向流速变化率逐渐减小,流速最终趋于稳定;由于秸秆对水流的阻碍作用,高秸秆覆盖率坡面达到最大稳定流速的距离减小。秸秆覆盖坡面与裸坡面的水流流速存在显著的线性关系。秸秆覆盖影响坡面流流态,层流的临界雷诺数取值应小于500。研究结果对理解极端降雨条件下覆盖坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。