电解质示踪测量坡面薄层水流流速的改进方法

薄层水流速度测量对坡面水文和土壤侵蚀过程预测具有重要意义。电解质示踪脉冲模型在短距离测量流速的精度较低,提高短距离测量精度是开发便携测量设备的需要。该文对电解质示踪脉冲模型的边界条件进行改进,采用正态分布函数代替脉冲函数的边界,提出了电解质示踪法测量流速的正态模型。用正态边界条件和脉冲模型解的卷积作为实际电解质传输过程的解,得到更符合实际的电解质传输模型。利用正态模型与试验观测数据拟合,得到水流流速的估计值。与脉冲模型比较,正态模型不同程度地降低了不同测量位置流速预测的误差。研究结果为改进测量流速的设备开发提供了科学依据。     

基于混相模型的明渠高含沙流动底部边界条件适用性比较

由于高浓度悬浮泥沙会显著改变明渠底部的流动特征，明渠高含沙流动的数值模拟需要考虑泥沙对底部边界条件的影响。该研究基于水沙混相模型研究了不同底部边界条件对明渠高含沙流动数值模拟的影响，引入5种底部边界条件，包括给定流速的第一类边界条件、给定流速梯度的第二类边界条件、标准壁函数以及两种分别改进紊动能和紊动能耗散率的第二类边界条件，并研究了各底部边界条件对流速、紊动能、涡粘系数和泥沙浓度的计算结果的影响。结果表明，在多种含沙条件下采用第一类边界条件、标准壁函数和改进紊动能的第二类边界条件的计算结果能保持较高的准确性，流速和泥沙浓度的平均相对误差分别小于5%和10%；第二类边界条件和改进紊动能耗散率的第二类边界条件仅适用于低含沙条件，在高含沙条件下会造成较大的计算误差；第一类边界条件和改进紊动能的第二类边界条件需要根据试验数据校正模型系数，由于工程流动较为复杂，通常难以提供全面的试验数据用于系数校正，因此它们在工程计算中应用范围有限；标准壁函数无须校正系数并自动调整底部边界的流速和紊动能，能够适应多种含沙条件，适用于引黄灌溉工程中渠道输水、泵站淤积等问题的数值研究。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

坡面薄层水流流速测量的比较研究

在室内模拟水槽中分别用质心运动学原理、电解质脉冲法和流量法3种方法测量不同坡度、不同泥沙含量条件下的薄层水流流速。比较以上3种测量结果发现在下垫面无渗透时，即加入的盐液没有损失时，电解质脉冲法测量坡面薄层水流流速与质心运动速度及流量法测量结果基本是一致的。在泥沙含量较大时，电解质脉冲法测量结果的误差较大，流量对测量结果影响不显著；随着测量距离的延长，测量误差变小，这可能是随着测量距离的增加，加入电解质的时间与测量时间之比减小，从而使假设加入的电解质为电解质脉冲更加合理。总的来说，电解质脉冲法在实验条件下测量坡面薄层水流流速是可行的。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

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。     

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%。     

侵蚀区内土壤侵蚀经济损失的估算——置换法与生产力变更法之比较

发展中国家缺少可靠的数据来制订有效的土壤保护政策、解决土壤侵蚀问题。过去用昂贵的方法取得的数据难以推广应用。因而，研究一种高效低成本的方法以获取土壤侵蚀更经济的数据十分重要。将花费较低的置换成本法与生产力变更法应用于斯里兰卡的马哈威里流域上游，估算土壤侵蚀造成的侵蚀区内经济损失。结果表明：用置换损失法计算的侵蚀区经济损失比用生产力变更法计算的经济损失平均高约２９％。     

基于机器视觉的河水表面流速估计

为了解决河水流速的视频测量需要投掷浮标、效率低等问题,提出了基于机器视觉的河水表面流速测量方法。采用高清摄像机拍摄河水流动视频,捕捉河水流动时表面产生的波浪运动。为了凸显这些细微的水面运动,利用帧差法计算运动显著性图。提取相邻2帧显著性图的SURF特征点,通过特征点匹配法找出相邻2帧的匹配点,将匹配点间的距离作为特征点在2帧图像间的运动距离。计算了多帧图像间特征点运动距离的直方图,该直方图具有单峰特征;通过对直方图进行曲线拟合准确地找到峰值对应的距离,将其作为最优的运动距离。最后结合帧间时间和根据小孔成像原理导出的速度公式估计出河水表面流速。为了验证该方法的有效性,用流速仪和该方法进行了对比试验。结果表明,该方法具有精度好、稳定性高和运算速度快的优点。在低、中速河流速度估计时,该方法最大变异系数为1.63%,与流速仪测量结果的最大相对误差仅为3.12%。对2组数据的一致性分析表明,2组数据的皮尔逊相关系数和斯皮尔曼相关系数分别为0.998和0.990,显示了该方法的速度估计值与流速仪实测值有良好的一致性。与已有的图像处理方法相比,不仅更为准确,而且耗时更短。研究可为用其他机器视觉处理算法估计复杂水面和高速水流提供参考。     

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

土壤水流通量对饱水带溶质运移参数的影响

The transport processes of solutes in two soil columns filled with undistrubed soil material collected from an unsaturated sandy aquifer formation in Belgium subjected to a variable upper boundary condition were identified from breakthrough curves measured by means of time domain reflectometry(TDR),Solute breakthrough was measured with 3 TDR probes inserted into each soil column at three different depths at a 10 minutes time interval.In addition,soil water content and pressure head were measured at 3 different depths.Analyteical solute transport models were used to estimate the solute disperison coefficient and average pore-water velocity from the observed breakthrough curves,the results showed that the analytical solutions were suitable in fitting the observed solute transport,The dispersion coefficient was found to be a function of the soil depth and average proe-water velocity,imposed by the soil water flux.the mobile moistrue content on the other hand was not correlated with the average pore-water velocity and the dispersion coefficient.     

射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法,研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验,获取其脉冲参数(振幅、周期),用以生成波动压力,为数值模拟提供参考;对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值,验证模拟方法的可行性;数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明,射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似,可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内;脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下,恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%~26.9%,同一粒径不同密度条件下,恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%~9.6%。综上,射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

Decoupling structural and environmental determinants of sap velocity: Part I. Methodological development

This paper presents a novel theoretical framework for the study of individual tree sap flow that incorporates both spatial and temporal variability in sap velocities. In this formulation, the instantaneous sap velocity at any point in the radial profile of xylem tissue is defined as the product of a time-invariant sap velocity distribution and a time-varying term which is defined as a stem conductance. We hypothesize that the characteristic distribution of sap velocity is relatively uniform both within individual trees and between trees of the same species if location in the xylem tissue is expressed in normalized units relative to the total xylem depth (i.e. tree size). Experimental evidence confirms our hypothesis in the case of a population of sugar maples in a mixed deciduous forest and dwarf apple trees in an orchard, despite the fact that observations were drawn from a wide range of tree sizes and under varying soil moisture levels and atmospheric conditions that determines water demand. Furthermore, profiles of sap velocity and resulting integrals of total sap flow exhibit significant reduction in bias (by 30–40%) in comparison to prior methods used to extrapolate point observations of sap velocity. The method we describe exhibits the greatest improvement when only a small fraction of the total sapwood is measured, which is the typical scenario for most applications. While these results require further confirmation in order to be generalized, they nevertheless offer the basis to improve both the specific sampling strategies used to estimate whole-tree transpiration using sap velocity probes as well as methods employed to upscale water use of individual trees to larger scales for evaluation of landscape water balance.     

Use of an inverse method and geostatistics to estimate soil hydraulic conductivity for spatial variability analysis

A field method for determining the soil hydraulic properties using a parameter estimation technique is presented. Input data for the inverse problem are soil-water potentials and soil-water contents measured at different soil depths and different times during a field transient drainage experiment. For the water retention function the parametric relation suggested by Van Genuchten was adopted. For the hydraulic conductivity function the relation proposed by Van Genuchten and the exponential relation were adopted.

With the proposed method soil hydraulic properties along a transect of a volcanic Vesuvian soil were determined using as boundary condition the unit gradient of total potential at the bottom of the soil profile. Geostatistics were used to describe the spatial variability of hydraulic conductivity characteristics of the soil here considered.

Finally, results obtained using this method were compared with those of the simplified method suggested by Sisson and Van Genuchten based on a unit gradient water flow model.