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。     

薄层水流速度、弥散系数与泥沙含量关系的初步探讨

利用坡面薄层水流的电解质脉冲数学模型,计算了不同坡度和含沙量下的电解质弥散系数,发现在泥沙含量较低时,弥散系数与水流速度有较好的线性相关性,但泥沙含量较高时,泥沙含量对弥散系数作用更加强烈,弥散系数与速度的相关性较差,说明弥散系数受泥沙含量和水流速度影响,但三者的关系函数有待于进一步探讨。     

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。     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

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。     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

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。     

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。     

电解质脉冲法测量降雨条件下坡地水流速度的实验研究

在降雨强度为50mm/h的条件下,在降雨10min后,在坡面初步形成细沟时,用电解质脉冲法对4种坡度的水流速度进行了测量。测量结果表明无论土壤表面是细漫流或细沟流,用这种方法均可进行测量。从理论上和拟合结果来看,这种方法测量水流速度是可行的。若进一步研究,有可能用于解释细沟侵蚀的机理。     

3种坡面流水深测量方法比较

[目的]为坡面流水深的快速、准确测量提供技术支撑。[方法]采用超声波系统测量变坡试验水槽不同坡度和流量条件下坡面流水深,同时用测针法和染色法对其进行平行测量,利用平均绝对误差(MAE),平均相对误差(MRE),相对均方差误差(RRMSE)和Nash—Sultcliffe系数(NSE)4个指标比较超声波法和染色法或测针法测量数据的接近程度。[结果]通过对3种方法测量结果的比较分析发现,不管以测针法还是以染色法的测量值为参照,超声波法测量的水深值与参照值更接近且相关程度更高。[结论]超声波法能快速有效地测量坡面流水深,用于侵蚀静床坡面流水动力学、土壤侵蚀机理等相关的研究工作。     

坡面径流小区集流桶含沙量测量方法对比

准确测量坡面径流小区集流桶含沙量是定量精准监测坡面土壤侵蚀的关键，野外径流小区观测方法测量精度、影响因素及其适用性的研究是实际应用的基础。该研究以第四纪红土为研究对象，采用室内模拟试验，对比不同含沙量（1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3）、不同水深（30、60、90 cm）下4种集流桶含沙量测量方法的精度，并对测量结果进行修正。结果表明：1）在60 cm水深、不同含沙量下，4种测定方法中，以机械+全剖面法测量误差总体最低；2）水深和含沙量是影响坡面径流小区集流桶取样测量误差的重要因素。总体而言，含沙量越高，测量误差越大；不同含沙量下，水深对测定误差影响程度不一，当含沙量小于50.72 kg/m3时，水深对机械+全剖面法测量精度无显著影响；3）4种方法的测量值与真实值均呈极显著正线性相关，含沙量测量值经过方程修正后相对误差明显降低。4）在含沙量小于5.07 kg/m3时，人工搅拌法可以应用于野外径流小区观测；当含沙量大于等于101.45 kg/m3后，全剖面法可以直接用于野外径流小区观测；机械法、机械+全剖面法在野外径流小区观测中可以直接使用。研究结果为集流桶含沙量取样测量方法在红壤区应用提供依据。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

离心泵内部流动高速摄像测量及误差分析

为了提高离心泵内部流动测量的精度,阐述离心泵内部流动高速摄像系统,研究主要拍摄参数的确定方法,分析速度误差产生的原因以及泵内速度误差的大小,提出控制误差的方法,对离心泵内部流动进行了高速摄像测量。结果表明,选择合适的拍摄距离和拍摄频率,提高图像的分辨率和判读点的识别精度,能有效控制速度误差。分析叶轮和蜗壳内的流动时,应选择合适的图像判读间隔,以协调点输入造成的误差和弧弦差造成的误差,当拍摄频率为2 000帧/s,判读间隔为6幅时,可达到最小误差0.41%;分析泵进口和出口直管段内的流动时,可忽略弧弦差造成的误差。叶轮半径从0.125 m减小到0.02 m时,测量误差从0.41%增加到2.48%,随着叶轮半径的减小,测量误差增大。在分析不同叶轮半径位置处的速度时,为了减小测量误差,应选择不同的图像判读间隔。研究结果可为提高旋转机械内部流动测量精度提供参考。