盐热联合示踪表征薄层水流剖面流速分布

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一，研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法，对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量，探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种坡度（5°、10°和20°）下，以下垫面条件（有机玻璃、80目即0.16 mm砂纸和24目即0.53 mm砂纸）、流量（2、5和8 L/min）和示踪剂类型（盐和热）为试验因素，以每个坡长（2、3和4 m）处的水流流速为试验指标进行多因素间的完全试验。结果表明，当下垫面一定，水深为粗糙高度的2～4倍，且水流为层流流态时，盐与热联合示踪的方法可用于表征薄层水流的剖面流速分布；下垫面粗糙高度和水深对薄层水流剖面流速分布具有显著影响（P<0.05）。3种垫面下，2种示踪剂测得流速具有显著的线性相关关系，其线性拟合直线斜率分别为1.015、1.094和1.078，决定系数R²分别为0.892、0.824和0.760。随下垫面粗糙度增加，2种示踪剂测得流速差异呈增大的趋势；床面粗糙高度的增加，加大了对水流的扰动作用，增加了水流的紊动程度，进而影响盐与热2种示踪剂测量水流流速差异性。研究结果可为进一步理解坡面薄层水流的动力过程提供参考。     

基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法（染料示踪法、盐示踪法）比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在?10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在?10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。     

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。     

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。     

示踪法测定水流流速的研究

用调和油漆作为水流的标识物，克服了其它染色剂如高锰酸钾溶液等本身的扩散作用，从而比较准确地表征了水流流速的特征；在不同泥沙含量和坡度下的测量结果表明，由于示踪剂的比重大于水的比重,示踪剂的速度可以表示水流速度；速度较小时，测量结果较准确，速度越大，时间测量难度加大，因此误差较大，示踪剂的比重和扩散系数是影响测量结果的主要因素。     

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.     

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。     

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。     

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。     

黄土坡面土壤侵蚀动力过程试验研究

通过玻璃水槽试验和径流冲刷试验 ,初步研究了陡坡坡面水流的流速分布和坡面薄层水流冲刷剥离土壤的过程。研究表明 :陡坡薄层水流流速在坡面上并非是呈直线分布 ,而是呈波浪式分布的 ;坡面水流的剥蚀率(Dr)与坡面径流通过坡面的能量损耗 (ΔE)的关系比其与坡面水流的平均切应力 (τ) 的关系密切 ,建立了黄土坡面土壤剥蚀率估算模型 ,利用这个关系可以直接得到土壤抗蚀性参数和细沟发生的临界能耗条件     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

泥沙含量对盐液示踪法经验系数影响的研究

示踪法经验系数可能受坡度、水流速度、流量等多种因素的影响，该文经过流量法和盐液示踪法的实验结果比较发现：泥沙含量较低时，随流速增加而增大，泥沙含量较高，其值基本不变，但经验系数与速度的相关性都较差，而各种坡度下测量经验系数的平均值与泥沙含量具有较好的正相关性，泥沙含量是影响经验系数的主要因素。     

Hydrological characteristics of slope deposits in high tropical mountains (Cordillera Real,Bolivia)

The hydrological processes within slope deposits are not well known, particularly for high tropical mountains with climatic conditions giving seasonal contrasts in the hydrological cycle. Measurements have been taken in a high Andean valley of the Cordillera Real (Bolivia) with the aim to determine the role of the slope deposits in the framework of a hydraulic modelling. Different transfer time measurements combined with morphometrical and sedimentological analysis were carried out on three talus slopes and two moraines during the rainy season. After injection of salt, the electrical conductivity of the water in slope deposits springs is monitored to estimate transfer velocities.The hydrological behaviour of these slope deposits depends on the season. In the dry season, all the water infiltrates and there is no visible outlet. During the wet season, one part soaks in and gives springs down slope. The lag times estimated by the measurement of tracer velocity demonstrate that these slope deposits delayed the flow depending on the type of deposit. The delay is at least 24 h in the case of the talus slopes and more than 48 h in the case of lateral moraines.     

冲刷条件下坡面水流速度与产沙关系研究

在冲刷条件下 ,通过 5种坡度下的水流速度和泥沙含量测量 ,发现两者存在同步的关系 ;水流速度的变化与细沟的发育存在明显的对应关系。在细沟开始发育时 ,水流速度逐渐增大 ;当细沟基本形成后 ,水流速度减小并平稳。水流速度是影响坡面产沙的主要原因 ,在低坡度时 ,细沟发育较慢 ,产沙量较少 ,但坡度在 10°～ 2 0°之间产沙量相差不大 ,到 2 5°时的产沙量反而比 2 0°的还少 ,出现了人们观察到的临界坡度。根据坡面特性 ,分析水流速度和泥沙含量之间关系使土壤侵蚀的临界坡度得到比较合理的解释。在大于临界坡度时 ,水流速度一开始很快增大 ,所冲刷的泥沙量并不比坡度小的少 ;跌坎容易形成 ,且比较深 ,从而使水流速度减小。但细沟在较短的时间内发育完成 ,水流速度也随之减小 ,泥沙含量降低 ;从而使在一定时间之后 ,大于临界坡度时所冲刷的累积泥沙含量较少。通过用电解质脉冲法测量水流速度解释了坡面冲刷侵蚀过程中的一些现象 ,若进一步测量其时空分布 ,有可能更深入地揭示其侵蚀机理 ,为建立合理的土壤侵蚀预报模型提供准确参数     

矿山排泥库渗漏特性的地下水示踪试验研究

以广西省某排泥库为研究区,对该排泥库进行地下水示踪试验,绘制时间浓度曲线,并利用一维水动力弥散模型对试验曲线进行了研究,计算出接收点地下水的流速、弥散系数和弥散度,探讨了示踪试验中出现多峰、双峰现象的机理。试验结果表明,地下水示踪模型计算所得流速与视流速总体接近,对示踪剂投放点和接收点的渗漏途径、地下水的流向、水力联系等情况的分析与实际情况吻合,该方法可以为库外水源污染情况评价和施工提供技术参考。     

Effects of Vegetation Stems on Hydraulics of Overland Flow Under Varying Water Discharges

Vegetation plays an important role in soil erosion control, but few studies have been performed to quantify the effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow. Laboratory flume experiments were conducted to investigate the potential effects of vegetation stems on Reynolds number, Froude number, flow velocity and hydraulic resistance of silt‐laden overland flow. Cylinders with diameter D of 2·0, 3·2 and 4·0 × 10⁻² m were glued onto the flume bed to simulate the vegetation stems, and a bare slope was used as control. The flow discharge varied from 0·5 to 1·5 × 10⁻³ m³ s⁻¹ and slope gradient was 9°. Results showed that Reynolds number on vegetated slope was significantly higher than that on bare slope because of the effect of vegetation stems on effective flow width. All the flows were supercritical flow, but Froude number decreased as D increased, implying a decrease in runoff ability to carry sediment. The mean flow velocity also decreased with D, while the velocity profile became steeper, and no significant differences were found in surface flow velocities among longitudinal sections on all slopes. Darcy–Weisbach friction coefficient increased with D, implying that the energy consumption of overland flow on hydraulic resistance increased. Reynolds number was not a unique predictor of hydraulic roughness on vegetated slopes. The total resistance on vegetated slopes was partitioned into grain resistance and vegetation resistance, and vegetation resistance accounted for almost 80% of the total resistance and was the dominant roughness element. Further studies are needed to extend and apply the insights obtained under controlled conditions to actual overland flow conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

测量坡面薄层水流流速的电解质示踪真实边界条件法与系统

坡面薄层水流流速的测量对研究地表水文过程具有重要意义。电解质脉冲法将边界条件用脉冲函数近似得到解析解,进而估算流速,引起误差。本研究在脉冲法的基础上改进,在测量系统中增加一组探针用于测量实际的边界函数。利用测得的边界条件数据,计算出模型边界条件的参数,进而将系统的真实边界条件的解与实测数据拟合,用最小二乘法计算流速。结果表明:两种真实边界条件法估算的流速没有显著差别,与流量法测量结果也一致,在短距离时真实边界条件法比脉冲法有较高的精度。由此说明,采用真实边界条件法和系统测量流速是可行的。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。