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。     

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。     

烟草生长的二次非线性示踪动力学模型

为研究示踪剂转移的非均匀动力学过程,在0时刻向烟草一次性引入某种示踪剂后,根据烟草对这种示踪剂吸收快、排除慢的情况,假设烟叶和烟茎对这种示踪剂的吸收是二次函数关系,而对这种示踪剂的排除是线性函数关系,建立了烟叶的单库室Logistic示踪模型和烟叶一烟茎的两库室二次非线性耦合示踪动力学模型.对2种模型的定性结果分析表明...     

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...     

采用不同监测数据组合反演饱和均质石英砂水热运移参数

土壤及含水层的水力参数与热参数对于定量描述土壤水、地下水迁移规律及其伴生的热运移过程十分重要。为探讨不同监测数据类型组合对多孔介质水热参数估计的影响,该研究基于热示踪方法,开展了3种不同粒径条件下的饱和均质石英砂的热示踪试验,并结合HYDRU-2D模型对介质的饱和导水率、导热系数和纵向、横向热弥散度进行反演。参数估计时分别设置3种情景对介质水热参数进行估计:仅采用观测点温度(R1)、观测点温度+水流通量(R2)、观测点温度+水流通量+热量损失(R3)。并对R1情景设置3种不同参数反演组合,即同时对2组参数(饱和导水率和导热系数)、3组参数(饱和导水率、纵向和横向热弥散度)和4组参数(饱和导水率、导热系数、纵向和横向热弥散度)进行估计。研究结果表明:同时对介质饱和导水率、导热系数与热弥散度进行估计,有利于提高介质水热参数的估计精度;对导热系数的合理估计可减小R1情景中介质饱和导水率的估计误差。4组参数中饱和导水率是敏感性最高的参数,增加用于参数反演的水流运动和热量传递信息时,粗砂、中砂、细砂的累积流量相对误差分别减少了9.74、6.65和12.53个百分点,显著提高了介质饱和导水率的反演精度。饱和导水率的估计值随介质粒径增大而增大,而纵向热弥散度随粒径的变化则呈相反的变化规律,横向热弥散度估值基本不变。增加水流和热量传递信息还能显著提高中砂的导热系数反演精度,导热系数的估计值随着介质孔隙度增大而逐渐降低。研究可为基于不同数据类型的均质介质参数反演提供。     

潜水含水层水动力弥散试验研究

水动力弥散理论主要研究地下水可溶物质在时间、空间上的变化和弥散运移规律,预测地下水污染的发展趋势。通过在包头市某厂区现场弥散试验所得的实测数据,利用标准曲线法进行了潜水含水层水动力弥散试验。测定结果表明,浅层含水层的纵向弥散度(aL)为1.19~1.28cm,横向弥散度(aT)经验推断值为0.24~0.26cm。研究结果可为厂区有效地下水污染防治措施的制订提供科学依据。     

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。     

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。     

稀土元素示踪法在土壤侵蚀与泥沙来源研究中的应用

[目的]掌握稀土元素(REE)示踪土壤侵蚀和泥沙来源的方法,明确其不确定性来源,对正确运用该方法获得可靠的侵蚀速率和泥沙源地贡献结果具有重要意义。[方法]基于前人运用REE示踪土壤侵蚀速率和泥沙来源的研究成果,总结了REE示踪土壤侵蚀的基本技术路线及其在水蚀、风蚀和泥沙来源研究中的应用,探讨了REE示踪土壤侵蚀和泥沙来源研究中的不足。[结果]分析认为REE虽是理想的示踪剂,但REE示踪法仍存在影响示踪土壤侵蚀和泥沙来源准确性的关键方面需要改进,包括REE与土壤结合方式与机理、长期监测或复杂环境下随淋溶、径流的迁移以及植被吸收利用等。在未来研究中应重点关注大量释放REE对土壤、植物、环境健康的影响以及REE示踪法与复合指纹识别法的结合运用等。[结论]研究结果为提高REE示踪土壤侵蚀结果的准确性,运用该方法开展其他侵蚀类型研究,与复合指纹识别法结合辨别大区域的泥沙来源奠定基础。     

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.     

The Longitudinal Dispersion Coefficient of Soils as Related to the Variability of Local Permeability

Solute (NaCl) miscible displacement experiments are performed on long disturbed soil columns to determine the hydrodynamic longitudinal dispersion coefficient and correlate it with the variability of the local permeability. The solute concentration, averaged over several cross-sections along the soil column, is monitored by measuring the electrical resistance between rod electrodes. The measured solute concentration breakthrough curves are fitted simultaneously with the one-region and two-region analytical models of the 1-D advection–dispersion equation to estimate the longitudinal dispersion coefficient, D _L, as a function of Peclet number, Pe, for common groundwater flow velocities (2?<?Pe?<?50). Macroscopic simulations of miscible displacement in 2-D porous media described by a periodic permeability field with low, moderate and high variability are employed to evaluate the predictability of the one-region and two-region models, and the sensitivity of the dispersion coefficients and flow velocities estimated from soil column displacement tests to the variance of local permeability. When the variability of the local permeability becomes high, the one-region model fails, while the two-region model is capable of reproducing satisfactorily the breakthrough curves, and providing reliable values of dispersion coefficients. The two mean pore velocities estimated by the two-region model represent, on average, a fast and a slow mean velocity of the dispersion front, whereas their difference is a measure of the transient evolution of the width of the equi-concentration dispersion front.     

Detecting Seasonal Flow Pathways in Road Structures Using Tracer Tests and ERT

Roads and traffic can be a source of water-bound pollutants, which can percolate through the unsaturated zone to groundwater. Deicing salt is widely used on roads in northern Europe during winter and is usually applied at a time when the temperature is below zero and the soil is partly frozen. Understanding the mechanism by which water-bound pollutants such as deicing salt are transferred from roads to groundwater is highly important for groundwater protection, environmental sustainability and road maintenance. Electrical resistivity tomography (ERT) can be used for tracing the infiltration of deicing salt in different seasons, including the frozen period, as a step towards identifying pollutant infiltration pathways. In this study, a tracer-ERT monitoring method and analytical process was developed and evaluated for use in investigating and demonstrating deicing salt infiltration pathways in road structures in different seasons and weather conditions. The method involves using dissolved sodium chloride as a tracer and monitoring its infiltration using a multi-electrode array system. The tracer tests were performed at the same location in different seasons over a 1-year period. The results indicated high seasonal variation in percolation pattern and flow velocity, with large decreases in December (winter), most likely due to preferential flow paths within the road shoulder. These findings can be applied to other water-soluble pollutants that move from the road surface to groundwater.     

Cu/Pb/Zn/Cd在石英砂中的迁移实验及模拟

通过稳定流混合置换实验,研究了孔隙水流速和pH变化对Cu/Pb/Zn/Cd在石英砂中迁移行为的影响,获得了示踪剂Br-和Cu/Pb/Zn/Cd的穿透曲线(BTCs);并通过室内批量平衡实验获得吸附系数,进而计算出阻滞因子Rd。基于这些实验结果,借助CXTFIT2.1软件,用平衡CDE模型拟合了Br-的BTCs,得到了弥散系数D;在此基础上应用CDE非平衡模型拟合Cu/Pb/Zn/Cd在不同流速和pH条件下的BTCs,并预测了平行实验和不同埋深处Cu/Pb/Zn/Cd浓度的动态变化。结果表明,Cu/Pb/Zn/Cd的迁移能力随流速的增大而增强,而随pH的增大而降低;化学非平衡的两点模型能较好地模拟本文实验条件下Cu/Pb/Zn/Cd的迁移过程。     

Thirteen-year survival study of an environmentalEscherichia coli in field mini-plots

A multiple-antibiotic resistantE. coli was applied to rye-grass covered field mini-plots to simulate point-source contamination. Using three mini-plots for testing and a fourth as a control, the ability of the tracer bacterium to survive under field conditions was studied. Three test plots each received separately 10⁷, 10⁸, or 10¹⁰ cfu mL^?1 E. coli grown for 24 h. in 5 L one-third strength Tryptic soy broth. In Phase I of the study, it was determined that the tracer disappeared from leaf surfaces of rye-grass covering the plots after 41 days. In Phase II, determination of the presence of the tracer in the top 2″ (5 cm) of soil after two months elapsed time indicated that tracer cfu/g dry wt. of soil had declined five, three, and three-logs for test plots 1,2, and 3. In Phase III, subsurface soil sampling using a soil auger on the three test minei-plots indicated the tracer had penetrated through the top-soil and into the underlying B horizon (20 to 50 cm down). In Phase IV, detailed sampling by excavation of the subsurface soil Horizons of the third test mini-plot showed that the tracer had also penetrated through the hardpan (C Horizon) located 0.6 m below the surface to enter the groundwater (1.06 m deep) (Phase V).E. coli counts fell precipitously to 10³ cfu g^?1 in soil and then, in the groundwater at the groundwater-soil interface, persisted at a concentration of 10³ cfu 100 mL^?1 for 2 yr. As time past, tracer counts fell to 145 cfu/100 mL in 6 yr. rose to 820 cfu 100 mL^?1 in 1986 (8 yr elapsed time), and then fell to 25 cfu 100 mL^?1 in 1991 after 13 yr. Serotyping of 1986E. coli isolates indicated that 62% were of the original tracer serotype (0.128:B12) while only 43% of the 1991 isolates were of the same serotype. The penetration rate of the tracer down through the mini-plot soil into the groundwater was 0.02 m day^?1 while downslope dispersion occurred at an estimated rate of 1.0 m day^?1. The implications of the above findings are discussed.     

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。     

水平携带床气固两相流动的实验研究

为研究氩气和生物质颗粒(玉米秸秆粉末)流在水平携带床热解管中的运动规律，设计了水平携带床透明冷态模拟装置。以油雾粒子为示踪粒子，利用PIV技术(粒子图像测速技术)对氩气流在水平携带床管内的速度分布进行了测量和分析。在氩气流量不变的情况下，对水平携带床管内加入生物质颗粒后的流动速度进行了PIV测量。结果表明，氩气流在到达距离管道入口大于400 mm的区域后已经较为稳定，处于充分发展区；氩气流的速度分布是对称结构，在雷诺数为1695时，其速度分布形状明显不同于层流的抛物线形状，是更加接近于紊流速度分布形状。而相同氩气流量条件下，生物质颗粒速度分布是非对称形状，中心部位生物质颗粒运动速度明显低于气流中心速度；在整个水平携带床内，生物质颗粒都是处于被加速的状态。