基于热传递过程的薄层水流流速测量方法及装置

基于薄层水流中的热传递过程，提出测量水流流速的示踪方法，并设计对应的测量系统。在室内试验坡面上，设计不同试验工况(坡度为5°,10°,20°,流量为2,5,8 L/min),以盐示踪法为对照，研究热示踪测量薄层水流流速的可行性及其影响因素。结果表明，测量系统能准确地测得热示踪剂的运移过程；热与盐2种示踪剂测得流速范围为0.408～1.522 m/s,线性拟合斜率为1.006,R²为0.993,表明两者具有显著的线性关系，热示踪法具有较高的可靠性；由于物理属性差异，部分水力工况下示踪剂的释放方式对盐和热的测量结果影响显著，表明此时2种示踪剂测量流速的代表性不同；可采用盐与热联合示踪的方法，取二者测量结果的均值作为薄层水流的平均流速，以提高测量结果的代表性。研究结果可为复杂下垫面、盐渍化和禁用化学成分等特殊坡面上薄层水流流速的准确测量提供新方法和理论参考。薄层水流流速的准确测量对地表水文和土壤侵蚀领域的研究具有重要意义。     

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。     

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。     

坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨

 从分析坡面水流形态动力学特性着手,对比土壤侵蚀临界坡度的研究;概述土壤侵蚀的机制,以及坡面水流中水流速度、泥沙含量和下垫面三者相互作用的关系。发现及时、准确和动态地测量水流速度和泥沙含量,是分析这些复杂关系的关键,它使定量研究坡面土壤侵蚀的机理成为可能。     

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     

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。     

坡面薄层水流的土壤分离实验研究

土壤分离是土壤侵蚀的重要过程之一。准确预测土壤分离对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡水槽实验测试了土壤分离速率与坡度和流量的关系，并与水流剪切力、水流功率和单位水流功率三种水动力参数进行比较，结果表明：土壤分离速率随着坡度和流量的增加而线性增加；当流量小于某一临界流量时，土壤分离将不发生；利用坡度和流量回归的线性模型能准确预测土壤分离速率；在水流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水力参数之间，水流功率是描述土壤分离速率的最好参数；比较坡度-流量模型与水流功率模型，认为坡度-流量模型更具有实用性和     

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。     

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。     

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。     

土壤剥蚀率与水流功率关系室内模拟实验

为了验证土壤剥蚀率模拟公式，系统地研究土壤剥蚀率与坡度和流量、水流功率之间的关系，该文在较大坡度范围(3°～30°)和流量(2.5～6.5 L/min)进行了径流冲刷实验，实验结果表明：土壤剥蚀率是坡度和流量的幂函数，随着坡度和流量的增大而增大；坡度和流量与土壤剥蚀率之间呈显著相关关系，流量对土壤剥蚀率的影响明显大于坡度；土壤剥蚀率随着水流功率的增加呈线性增加(R²=0.945，9°≤S≤24 °)，当水流功率大于土壤剥蚀临界水流功率0.344 N/(m·s)时，土壤发生剥蚀；利用水流功率可以更准确地预测土壤剥蚀率。     

称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统

坡面径流小区流量观测是坡地水土流失状况研究的重要内容。该文提出了一种新型的含沙水流流量自动观测方法和测量系统。通过受力分析和水力推导，得到了无含沙水流流量测定计算模型和含沙水流流量校正公式。模型验证和参数标定的试验结果表明：无含沙水流的拉力输出值和流量之间的关系与推导得到的水力学模型非常吻合，决定系数可以达到0.99。含沙水流流量通过校正可以得到精度很高的观测结果，与人工观测平均相对误差仅为0.4％。因此，该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度，有一定的应用前景。     

土壤-植物系统中稳态水流阻力和瞬态水流阻力的差异性

本文以田间试验和生长箱内的模拟试验资料，分别讨论了土壤－植物系统（含冬小麦和玉米）中稳态水流阻力和瞬态水流阻力的差别，结果指出，在瞬变环境条件下，用稳态流来近似是不准确的，瞬态流的描述应受重视。     

大肠杆菌在饱和砂质壤土中非平衡运移的CDE数学模型模拟

稳态、饱和条件下，以速度u=0．214cm min^-1和0．470cm min^-1进行混合置换实验，研究大肠杆菌在砂质壤土中的运移，并根据平衡与非平衡假设下，对流一弥散方程数学模型进行数值模拟。结果表明，含非平衡的双点吸附、且含有不可逆滞留项的模型能够较好地模拟大肠杆菌在砂质壤土中的运移。模拟和实验结果均表明，大肠杆菌的BTC（Breakthrough Curve穿透曲线）与示踪剂相比峰值明显降低，拖尾明显，且出现延迟，总的流出量也明显少于示踪剂；当水流速度由0．214cm min^-1增至0．470cm min^-1时。大肠杆菌BTC峰值由0．05增至0．2，且随速度的增加，滞留系数减小。     

干旱季节不同耕作制度下红壤-作物-大气连续体水流阻力变化规律

确定水流阻力不仅有助于定量土壤栕魑飽大气连续体（SPAC）描述的水分传输过程，而且对建立减少水流阻力的节水农业措施，解决红壤区季节性干旱有重要意义。本文研究了不同耕作制度下作物气孔阻力日变化及其与蒸腾速率、土壤基质势、作物叶水势的关系，并分析了水流阻力的分布及其日变化规律。结果表明气孔阻力和蒸腾速率受作物种类和耕作制度影响，气孔阻力随着70cm土层以上土壤基质势的变化而变化；SPAC中叶气系统水流阻力为109～1010S，是作物体水流阻力的1000倍，而后者又是70cm以上土层土壤水流阻力的100倍；作物体水流阻力大小顺序为：大豆＞花生＞玉米＞甘薯，除甘薯外，其它作物体水流阻力有明显的日变化；此外，耕作制度也影响作物体水流阻力。     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

雨滴击溅对薄层水流水力摩阻系数的影响

采用模拟降雨的试验方法，在分析计算有无雨滴击溅作用坡面薄层水流水力摩阻系数的基础上，进一步分析了雨滴击溅作用对薄层水流水力摩阻系数的影响。结果表明，雨滴击溅作用可减少薄层水流的水力摩阻系数，从而减少水流摩擦阻力，使水流侵蚀力相对增大；有雨滴击溅作用时其水力摩阻系数平均为无雨滴击溅时的６６．１４％。这说明雨滴的击溅除了本身的分散和破坏土壤结构等侵蚀作用外，还可降低水流的水力摩阻系数，从而增加径流的冲     

土壤──植物系统中水流阻力的变性

本文依据生长箱内模拟试验资料，借助于瞬态流方程，从蒸腾速度的日变化和长期变化两个方面，分析了冬小麦和玉米水流阻力的变性。     

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。