用基于人工神经网络的数据融合法测量水流泥沙含量

在采用电容传感器测量泥沙含量的过程中，电容传感器的输出值受环境温度的影响较大，为消除温度对测量数据的影响，提出了采用人工神经网络法对传感器进行数据融合处理的方法，该方法以传感器的泥沙含量值与温度值作为网络的输入，通过对网络的训练达到消除非目标参量——温度的影响。试验结果表明该方法收敛速度快，输出稳定性可显著提高，能够有效地消除温度带来的影响。     

基于940nm普通红外光源的反射式泥沙测量传感器研究

采用普通的低成本红外发光二极管(峰值波长940 nm左右)作为红外光源,普通的红外接收二极管作为光电探测器,对传感器内部结构进行优化设计,并为传感器输出信号与泥沙含量之间进行标定实验,根据实验数据建立回归模型。研究结果表明:重新设计的泥沙传感器不仅经济性好,而且大大提高了含沙量的测量范围。当水流泥沙含量低于207.39 kg/m~3时,测量精度高于90%,可适用于测量高含沙量水流的水土流失自动化监测领域。     

基于统计理论数据融合的水流泥沙含量测量仪

水流泥沙含量的测量在土壤侵蚀和水土保持研究中具有重要意义。采用自行研制的便携式水流泥沙含量测量仪测量了水流泥沙含量。结果表明，水流泥沙混合液质量与泥沙含量之间呈线性关系，可采用荷重传感器测量水流泥沙含量；通过采用基于统计理论的数据融合法来处理测量结果，可大大提高测量的准确性和重复性；其测量精度为0.63%，重复性误差小于0.49%；该测量系统为水流泥沙含量的快速、准确测量提供了一种新的、有效的方法。     

土壤侵蚀中细沟流的初步分析

细沟中水流速度主要受流量、含沙量和下垫面等因素的影响。在流量不变的条件下 ,通过假定粘滞阻力与流速成正比 ,导出水流的运动学方程 ;以此方程对实验测量结果进行非线性拟合 ,得到了水流速度与时间的关系函数 ,摩擦系数与侵蚀强度的关系式及流体粘滞力与泥沙含量的关系式。这些函数式表明此数学模型在流速较小时是可行的 ;水流速度主要受泥沙含量和坡度的影响 ;坡度越大 ,在开始时速度快速增大 ,但达到稳定流速的时间较长     

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。     

近红外反射高含量泥沙传感器研制

水流含沙量测量是水土流失监测体系的重要内容,开展含沙量测量传感器的研究对于实时监测具有重要意义。为了实现对水流高含沙量的测量,该文根据含沙水对不同光谱的吸收和反射特性,采用1 800 nm（强水分反射波长）和1 940 nm（强水分吸收波长）近红外光源开发了泥沙测量传感器和测量装置,并对新型传感器进行了标定试验,分别建立了取自黄河、渭河和天水的泥沙与传感器输出信号之间响应关系。结果表明,当含沙量小于300 kg/m3时,测量得到的反射光强度随含沙量的增加而增加,传感器输出信号与含沙量之间具有很好的线性相关性,并建立了线性模型,决定系数均大于0.9。为了验证模型的精度,将实际含沙量与模型计算含沙量进行比较,结果表明,二者回归系数接近于1,相对误差小于10%,可以使用模型计算值代替实际含沙量。2种波长的传感器对含沙量的测量范围均为1～300 kg/m3,当含沙量大于10 kg/m3时测量精度大于90%,同时传感器精度受到泥沙种类、吸光物质和气泡等其他因素的影响。设计的传感器可以满足对高含沙量水流的测量要求,适用于土壤侵蚀严重的地区。研究结果在水土流失自动监测中具有良好的应用前景。     

流域土壤侵蚀测量系统研究

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,它们的实时、准确测量将为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。针对这一问题,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。该系统由四部分构成:量水堰和水位传感器实现径流流量的测量;薄层水流流速测量系统测量坡面流及其流域内沟道中水流速度;径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量;数据采集控制以及存储系统,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自动化和可操作化方向发展。     

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%。     

土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响

为探究土壤温度和容重对FDR(频率反射)含水率测量结果的综合影响规律,以陕西杨凌地区的塿土为研究对象,以基于 FDR 技术的电流型 DSW-T2型土壤温湿度传感器为测量仪器,研究了土壤的含水率(3.82%~21.43%)、容重(0.91~1.30 g/cm3)和温度(2.5~50℃)对传感器输出信号的影响;建立了传感器的输出电流与土壤含水率、容重和温度的综合测量数学模型,实验分析了模型在预测含水率方面的可行性.结果表明,传感器的输出电流随土壤含水率、温度和容重的增大而增大,可用三元二次方程表示输出电流与土壤含水率、温度和容重之间的关系;在0.05的显著水平上,含水率、温度和容积密度均对模型有显著影响.基于模型的计算输出电流与实际输出电流的绝对误差范围是-1.167~1.216 mA,计算含水率与实际含水率的绝对误差范围是-2.638%~2.812%.本研究对于开发具有温度和容积密度补偿功能的新型FDR土壤含水率传感器的综合测量模型有指导作用.     

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。     

Capacitance sensors for measuring suspended sediment concentration

Measurements of suspended sediment concentration are of importance in soil erosion research and soil and water conservation practices and monitoring. A method of measuring sediment concentration with capacitance sensors was advanced in this study. The relationships between the sediment concentration in flowing water and the output of capacitance sensor, as affected by temperature, flow velocity, soil types and salt contents were experimentally investigated with two types of capacitance sensors. The temperature used in the experiments ranged from 0 to 40 degrees centigrade. Salt concentrations (NaCl) in the flowing water ranged from 0 to 5 g/L and the flow velocity varied between 0.5 to 2.0 m/s. Two types of soil (a loam and a sandy soil) with sediment concentration up to 70% were studied. The results showed that suspended sediment concentrations, over a wide range, were linearly correlated with the outputs of capacitance sensors. The outputs of the capacitance sensor increased with temperature, with little influence from flow velocity, soil types and salt concentration. The results suggest that capacitance sensors may be used for sediment concentration measurement of flowing water.     

校正温度和盐度对单电容传感器的影响

Several newly developed capacitance sensors have simplified real-time determination of soil water content.Previous work has shown that salinity and temperature can affect these sensors,but relatively little has been done to correct these effects.The objectives of this study were to evaluate the effect of media temperature and salinity on the apparent water content measured with a single capacitance sensor (SCS),and to mitigate this effect using a temperature dependent scaled voltage technique under laboratory conditions.A column study was conducted containing two media:pure deionized water and quartz sand under varying water contents (0.05 to 0.30 cm³ cm^-3) and salinity (0 to 80 mmol L^-1).Media temperature was varied between 5 and 45℃ using an incubator.The SCS probes and thermocouples were placed in the middle of the columns and were logged at an interval of 1 minute.There was strong negative correlation between sensor reading and temperature of deionized water with a rate of -0.779 mV ℃^-1.Rates of SCS apparent output were 0.454 and 0.535 mV ℃^-1 for air in heating and cooling cycles,respectively.A similar positive correlation with temperature was observed in sand at different water contents.The SCS probe was less sensitive to temperature as salinity and water content increased.Using a temperature-corrected voltage calibration model,the effect of temperature was reduced by 98%.An analytical model for salinity correction was able to minimize the error as low as ± 2% over the salinity level tested.     

一种土壤盐分传感器的敏感场分析及其校正研究

从基本理论出发,计算了一种新型探针式四电极外部电势的理论分布,通过对敏感场分析得出了该四电极的敏感响应范围为径向直径约1.5倍电流电极间距的椭球体.通过研究土壤表观电导率(ECa)、土壤盐分(EC1:5)和土壤质量含水率(θ)之间的关系,利用非线性回归的方法获得了精度较高的ECa-EC1:5校正模型,为土壤盐渍化调查和监测提供了便捷有效且费用低廉的方法.     

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     

神府煤田弃土弃渣体坡面流速及其影响因素试验研究

[目的]研究弃土弃渣体坡面流速变化规律及砾石含量、坡度、放水流量、含沙量对坡面流速的影响,为揭示弃土弃渣体侵蚀机理提供科学依据。[方法]采用野外放水冲刷试验方法研究神府煤田弃土弃渣坡面流速。[结果]弃土弃渣体在不同放水流量下平均流速随产流历时会在一定的范围内波动,表现为多谷多峰的特点,而且随放水流量增大,断面内平均流速波动程度增强。弃土弃渣体坡面流速与弃土弃渣体中砾石含量、放水流量及含沙量均呈显著的幂函数关系,与坡度呈显著的二次函数关系。逐步回归分析表明,砾石含量和放水流量的共同作用对弃土弃渣体坡面流速的影响最为显著。[结论]弃土弃渣体坡面流速变化复杂,砾石含量和上方来水是影响流速的最关键因素。     

浑水含沙率对一维垂直入渗特性及致密层形成特性的影响

水中带沙是浑水灌溉较清水灌溉的本质区别，为揭示浑水含沙率对一维垂直入渗特性及致密层形成特性的影响，通过室内一维垂直入渗试验，以清水入渗为对照，设置了4个浑水含沙率水平(3%、6%、9%、12%)，研究了浑水含沙率对一维垂直入渗能力、湿润锋运移距离、致密层土壤颗粒组成及落淤层厚度等的影响，分别提出了以浑水含沙率和入渗历时为自变量的累积入渗量模型和湿润锋运移距离模型，建立了不同含沙率的浑水一维垂直入渗落淤层厚度与入渗历时之间的关系。结果表明：浑水累积入渗量、入渗率和湿润锋运移距离均随含沙率的增加而减小，而落淤层厚度随浑水含沙率的增加而增大；入渗初期(0～20 min)的落淤层厚度较小，入渗中期(20～130 min)的落淤层厚度增加较快，而其厚度增加速率逐渐变小，入渗后期的落淤层厚度稳定增加；随着浑水含沙率的增大，滞留现象越明显，落淤层细颗粒相对含量越少，粗颗粒相对含量越多；滞留层细颗粒相对含量随着含沙率的增加而增多，其物理性黏粒含量显著高于原土壤，特别是在入渗深度为0～1 cm处。     

干旱荒漠区EC-5土壤水分传感器的校准和应用

应用EC-5土壤水分传感器在沿黄干旱荒漠绿洲地区的风沙土和粘土两种土壤类型中对不同土层深度的土壤含水率进行测定,同时以烘干称重法测定数据为标准值,采用回归分析方法建立EC-5在两种土壤中测定含水率的校准模型。结果表明,风沙土的校准模型为线性函数,且与埋设土壤深度有关,QS=0.71393S+0.01543D+1.71354(R2=0.920,P<0.05),D为土层深度(cm),S为传感器输出值(%);粘土的校准模型则为非线性的,lnQN=1.112S0.316(R2=0.949,P<0.05)。通过模拟回代结果显示,模拟值与标准值间均具有显著的相关性。在EC-5的应用验证阶段,校准值能够反映该地区风沙土和粘土土壤含水率的年变化特征,校准值与传感器输出值之间呈极显著相关关系(P<0.01),说明EC-5土壤水分传感器的校准模型稳定可靠,应用效果良好。