坡面薄層水流優(yōu)勢流速研究.docx

1、Vol.14No.5坡面薄層水流優(yōu)勢流速研究陳麗燕I,雷廷武”，啜瑞媛2(1.中國農業(yè)大學，水利與土木工程學院，100083,北京;2.天津市龍網科技發(fā)展有限公司，300181,天津)摘要：降雨形成的徑流是產生坡面土壤侵蝕的主要動力來源，徑流流速是土壤侵蝕模型的重要參數之一。為研究電解質示蹤法測量坡面水流流速過程中電解質優(yōu)勢流速和水流流速的關系，本研究利用實驗水槽，在坡度4。、8。、12。，流量12、24、48L/min條件下，于距離電解質注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m處放置探針測量電解質傳遞過程，計算不同工況下各測量斷面的電解質優(yōu)勢流速。結果表明：流量對電解質優(yōu)勢流速的影響

2、大于坡度對其影響，電解質優(yōu)勢流速隨距離增加而增大，采用指數函數擬合計算得到的電解質優(yōu)勢流速隨距離的變化過程，得到穩(wěn)定的電解質優(yōu)勢流速，即水流優(yōu)勢流速，其范圍在0.241-0.568m/s之間。隨坡度和流量的增大，水流優(yōu)勢流速均增大。流量對水流優(yōu)勢流速增長的影響大于坡度對其的影響。不同坡度和流量條件下，水流優(yōu)勢流速與平均流速基本一致，二者的比值為1.007,水流優(yōu)勢流速與最大流速的比值為0.774,平均流速與最大流速的比值為0.776,符合坡面薄層水流的流態(tài)。結果可為研究坡面薄層水流動力過程提供新的計算方法和參考數據。關鍵詞：薄層水流；電解質示蹤法；流量法；優(yōu)勢流速；平均流速中圖分類號：S157

3、.9文獻標志碼：A文章編號：1672-3007(2016)05-0130-08DOI：10.16843/j.sswc.2016.05.017StudiesonpeakvelocityofshallowwaterflowonslopesChenLiyan1,LeiTingwu1,ChuoRuiyuan2(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,100083,Beijing,China；2.TianjinLonwinTechnology,300181,Tianjin,China)Abstrac

4、t:BackgroundRainfallrunoffisthemajordynamicsourceforhill-slopeerosion,runoffvelocityisoneoftheimportantparametersinsoilerosionmodel.Theaccuratemeasurementofshallowwaterflowvelocityiscriticalinhydrologicalprocess.Lposedanelectrolytepulsemethodformeasuringthevelocitybyfittingthesolutetranspo

5、rtprocesswithtimeusingtheleastsquaremethodandimprovedthesystemwithaNormalModelandaSineModel.Thislaboratoryexperimentswereconductedtodeterminetherelationshipbetweenelectrolytepeakvelocityandwaterflowpeakvelocityduringtheelectrolytetransportprocessandverifythenewcomputationalmethod.MethodsTheexperimen

6、taldevicesincludeaflume,4mlongand15cmwide,asoluteinjector,adataloggerforcontrolanddataacquisitionandacomputerwithspeciallydesignedsoftwarefordatameasurementandstorage.Theexperimentsinvolvedthreeflowrates(12,24and48L/min)andthreeslopegradients(4°,8°and12°).Fivesensorswereusedtomeasuret

7、heelectrolytetransportprocessesat0.3m,0.6m,09m,1.2m,and1.5mfromthelocationwherethesaltsolutewasinjectedintothewaterflow.Duringeachexperiment,fivecompletecurvesofelectrolytechangeswithtimewererecorded,whichcanbeusedto收稿日期：2015-10-28修回日期：2016-09-21項目名稱：國家自然科學基金重點項目“高海拔寒區(qū)融水土壤侵蝕機理與過程模擬研究”(41230746)第一作者簡

8、介：陳麗燕(1980),女，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蝕。E-mail：cly5081*通信作者簡介：雷廷武(1958)，男，博士，博士生導師°主要研究方向：土壤侵蝕與旱地農業(yè)。E-mail：calculateelectrolytepeakvelocitywiththedistancefromtheinjectiontothemeasuringsensorandthetimeusedforthepeakoftheelectrolytetotravelthroughthedistance.Theleadingedgevelocitieswer

9、emeasuredbyfloatingobjectsmethodandmeanvelocitiesbyvolumetricmethod.ResultsTheelectrolytepeakvelocitywasbetween0.15to0.54m/s,increasedwithdistanceandtendedtostable,andtheflowratescausedgreatereffectonelectrolytepeakvelocitythanslopegradientunderdifferentconditions.Thesteadyelectrolytepeakvelocity,re

10、gardedasthewaterflowpeakvelocity,werecomputedthroughfittingtheelectrolytepeakvelocityatdifferentdistancesfromthesaltsolutioninjectorwithexponentialfunction,rangingfrom0.241to0.568m/s.Theexponentialfunctionfittedtheelectrolytepeakvelocitiesverywellforalltheexperimentalconditions.Theflowratehadgreater

11、effectonflowpeakvelocitygrowthratethanthatofslopegradient.Thewaterflowpeakvelocitywere1.007timesofmeanvelocity,0.774timesofleadingedgevelocity,andmeanvelocitywas0.776timesofleadingedgevelocity.ConclusionsTheflowpeakvelocityagreedwellwithleadingedgevelocityandmeanvelocity.Thesedemonstratedthatthenewc

12、omputationalmethodformeasuringshallowwaterflowvelocitywasreasonableandvalid.Theresultsprovideanewmethodforcomputingthemeanvelocityofsheetflowandrelevantdataforthedynamicprocessofsheetflow,whichwillbeusefulfortheinvestigationofsoierosion.Keywords:shallowwaterflow；electrolytetracermethod；flowmethod；pe

13、akvelocity；meanvelocity降雨形成的坡面水流是地表土壤侵蝕的主要動力之一，地表徑流的水力學特性是研究土壤侵蝕過程物理模型的基礎。坡面水流不同于明渠水流,其水深極淺，一般為幾厘米甚至幾毫米，稱為薄層水流。薄層水流運動受降雨及地表下墊面狀況影響較大，如降雨強度、降雨歷時、土壤種類或質地、前期水分條件、植被密度和類型、坡度、坡長和土壤表面石塊的密度以及埋沒深度等。坡面薄層水流流速是土壤侵蝕模型中的重要參數之一，是計算其他水力學要素如佛羅德數、雷諾數等的重要參數。薄層水流的流態(tài)不同于明渠水流，因此其流速的計算方法也不能沿用明渠水流的計算方法。目前用于測量薄層水流流速的便攜式儀器比較

14、少，一些儀器如聲學多普勒測速儀（ADV）C4粒子圖像測速儀、熱膜流速計m、光電或電導傳感器等,由于價格昂貴、日常維護費用高等各種條件限制不能廣泛應用。流量法只適用于斷面規(guī)則的水流，如實驗室人工模擬水槽中的水流流速。常用的方法主要是示蹤法，示蹤劑通常為染色劑（一般為KMnO4溶液）或電解質（如NaCl或KCl）11-,2：，示蹤粒子通常為聚苯乙烯泡沫粒子等。染色劑示蹤法測量誤差較大，因此提出電解質示蹤法。其基本原理是通過儀器測量水流斷面的電導率，來確定水流中電解質到達被測斷面所需要的時間，從而計算水流流速，避免染色劑示蹤法目測帶來的人為操作誤差。受泥沙含量以及水流流態(tài)的影響，由最大流速計算平均流

15、速的校正系數一直不能準確確定m-如。在測得的電導率曲線中，由于水流的導電性以及水流的紊動，判斷電解質溶液最早到達測點的時間有難度，而測量電導率達到最大值的時間比較容易確定；因此室內實驗更多采用測量得到的電導率計算水流的優(yōu)勢流速ri6-,7o目前對于經驗系數a的研究較多mH,不同水流流態(tài)。值不同。國內一般認為水流為層流a=0.67,混合水流或過度流a=0.7,紊流a=0.822O理論上水流速度增大使校正系數增大，但在夏衛(wèi)生等的實驗中測量得到不同泥沙含量下水流速度對校正系數的影響并不顯著Hl。本研究采用電解質示蹤法測量電解質隨薄層水流運動不同測量斷面電導率隨時間的變化過程，計算不同位置的電解質優(yōu)勢

16、流速，用指數函數擬合不同工況下電解質優(yōu)勢流速隨距離的變化得到穩(wěn)定的電解質優(yōu)勢流速，即水流的優(yōu)勢流速。采用流量法計算坡面薄層水流的平均流速，采用漂浮物法計算水流最大流速，并分析三種流速之間的相關關系。1研究方法1.1坡面薄層水流溶質遷移模型在較短距離內，忽略土壤入滲作用和降雨產生的影響，可假定水流流速變化不大mF,根據菲克定律和質量守恒定律，當上邊界條件假設為脈沖函數時，描述溶質在一維穩(wěn)態(tài)流中的對流彌散方程的解析解即為電解質在水流中的遷移過程:日。1.2優(yōu)勢流速、最大流速以及平均流速的計算方法1.2.1電解質示蹤法采用薄層水流流速測量儀測量不同工況下水槽中各斷面的電導率隨時間變化，根據測量斷面電

17、導率變化對應的時間計算該斷面的流速。測量斷面電導率隨時間變化如圖1所示。時間Time/s圖1測量斷面電導率隨時間的變化Fig.1Measuredelectronicconductivityasafunctionoftime圖1中，電解質脈沖從加入水流到運動至測量斷面所用的時間為電解質以最大流速傳遞通過給定距離所用的時間幾，測量斷面電解質濃度達到最大值所用的時間為。，電解質質心到達測量斷面所用的時間為幾。由此可以分別根據相應的距離計算得到電解質的最大流速，優(yōu)勢流速和質心運動速度,其中質心運動速度經公式推導得出與平均流速相等。本實驗中最大流速同時采用漂浮物法測量，平均流速采用流量法測量。電解質優(yōu)勢

18、流速的計算公式如下：%=知(1)1p式中：為電解質優(yōu)勢流速,m/s；Lp為電解質脈沖注入點到測量斷面的距離，m；7；為從電解質脈沖注入水流到測量斷面電導率達到峰值所用的時間，s。1.2.2最大流速的計算試驗采用漂浮物法測量水流的最大流速。漂浮物法是將可視性及跟隨性較好的粒子加入到流動的水體中，讓它跟隨流體流動，從而測定流體流動情況。示蹤物有液體、懸浮物、漂浮物或沉淀物】，本試驗選擇直徑5mm的泡沫粒子作為示蹤物，試驗中將若干粒子同時快速加入水流中，記錄泡沫粒子從第2組探針到最后一組探針的時間，從而計算得到水流的最大流速"卯計算公式為L,(2)式中：氣為最大流速,m/s；Le為第2組探

19、針到最后一組探針的距離，m；7；為泡沫粒子從第2組探針運動到最后一組探針的時間，s。1.2.3平均流速的計算土壤侵蝕研究中的水流流速通常用流量法標定0對于規(guī)則河床內水流，流量適當時，可采用流量法測量計算水流流速，測量原理簡單，計算公式為U=-2-SM(3)式中3為平均流速，m/s;Q為流量，用積分桶測量，m2/s；S為水流截面積，由水流深度和截面寬度的乘積得到，截面寬度為水槽內寬，水流深度用測針測量，其中，流量用積分桶測量，時間用秒表測量。水流截面積由水流深度和截面寬度的乘積得到，截面寬度為水槽內寬，水流深度用測針測量。由于水流深度在厘米甚至毫米級，并且極其不均勻，水流深度的測量會產生一定誤差

20、。在實際坡面徑流測量中，斷面形狀的不規(guī)則也會影響最終結果的準確性。2試驗材料、儀器與方法試驗主要由薄層水流流速測量系統(tǒng)和水槽組成，薄層水流流速測量系統(tǒng)主要由電解質脈沖發(fā)生器、感應探針、數據采集管理器、操作控制計算機系統(tǒng)組成1羽，如圖2所示。試驗采用有機玻璃制作的長4m,寬14.7cm,高50cm的水槽，底部粘接粒砂紙，模擬土壤下墊面。水槽前端設有水流注入系統(tǒng)，模擬徑流。依據馬氏瓶原理設計而成的恒壓水箱控制水槽上方來水流量，流量通過板閥控制。在水槽前端固定電解質脈沖發(fā)生器，在距離脈沖發(fā)生器下游0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m處各固定一組探針，將電解質脈沖發(fā)生器和探針分別與數據采集管理器的

21、相應端口連接。試驗坡度為4。、8。、12。，流量設置為12、24、48L/min,試驗重復3次。3結果與分析3.1電解質優(yōu)勢流速在給定的坡度和設定的流量條件下，利用電解質示蹤法測量得到水流流經各斷面的電導率隨時間變化數據，根據式(1)計算得到各測量斷面的電解5cm30cm5cm30cm感應探針Sensors電解質脈沖發(fā)生器_Electrolytepulsegenerator數據采集管理器Datacollectionmanager水流方I可Directionoftheflow30cm30cm30cm操作控制計算機系統(tǒng)Computeroperatingsystem圖2薄層水流流速測量系統(tǒng)示意圖Fi

22、g.2Schematicdiagramforthemeasurementsystemofshallowwaterflowvelocity質優(yōu)勢流速，同時采用流量法測量并計算水流的平均流速，如表1所示。表1平均流速和各斷面的電解質優(yōu)勢流速Tab.1Meanvelocityandelectrolytepeakvelocityatdifferentsectionm/s坡度距離Distance/m1.5平均流速Meanvelocity/(m*s'1)Slope/(°)1.2Q=12L/min40.1510.1990.2190.2350.2450.29080.1800

23、.2370.2840.2950.3070.330120.1970.2640.2920.3450.3370.380Q=24L/min40.1870.2470.3180.3270.3630.34080.2070.2750.3440.3910.4060.410120.2280.3410.3840.4170.4340.420Q=48L/min40.2260.3380.3950.3990.4300.42080.2650.3830.4780.4870.5400.550120.3050.4510.4870.5330.5710.540為研究坡度、流量和距離對電解質優(yōu)勢流速的影響，作圖如圖3。可以看出，不同坡度

24、和流量條件下，隨著坡度、流量的增大，電解質的優(yōu)勢流速增大,流量對流速的影響較流速更為明顯，流速隨距離呈增大趨勢，增大程度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，即與水流流速相同。3.2穩(wěn)定電解質優(yōu)勢流速及水流優(yōu)勢流速董月群等建議的流速隨距離變化的模型計算公式為“=0(1-e*)?！?0(1-e*)。(4)式中：”為計算得到的電解質優(yōu)勢流速,m/s；r為達到穩(wěn)定的電解質優(yōu)勢流速，即水流優(yōu)勢流速,m/s；x為探針距離電解質脈沖發(fā)生器的距離，m；B為測量流速隨距離增加的速度,l/mo根據公式（4）將計算得到的各斷面水流中電解質的優(yōu)勢流速利用Grapher進行擬合，各工況下擬合結果如圖4所示。不同工況下，電解質的優(yōu)勢

25、流速隨距離增大而增大，變化規(guī)律符合指數函數，擬合系數均大于0.9,擬合效果較好。電解質注入水流后并不能立刻與水流流速相同，而是存在一個呈指數函數的加速過程，最終達到穩(wěn)定后與水流流速相同，因此擬合得到的穩(wěn)定電解質優(yōu)勢流速即可作為水流優(yōu)勢流速。3.3坡度和流對水流優(yōu)勢流速變化的影響各工況下的水流優(yōu)勢流速以及坡度和流量對水流優(yōu)勢流速的影響見表2。不同工況下，水流優(yōu)勢流速隨流量、坡度的增大而增大，變化范圍在。.2410.568m/s之間。坡度固定時，流量從12L/min增大到24L/min時，水流優(yōu)勢流速的增大程度較流量從24L/min增大到48L/min時大，最大可達54.2%;但隨著坡度增大，流量

26、從12L/min增大到24L/min時增大程度遞減，從54.2%減小到29.4%,流量從24L/min到48L/min時增大程度遞增，從16.2%增大到30%。流量固定時，坡度從4。增加到8。時水流優(yōu)勢流速增大較明顯，在16.229.2%之間，坡度從8。增加到12。時，水流優(yōu)勢流速的增大程度明顯減小，在2.3%3.6%之間。流量對水流優(yōu)勢流速的影響在16.4%1.0012L/minD24L/minA48L/min012L/min24L/minA48L/min012L/min24L/min48L/minAAOOAg1.2(a)1.2(b)0.

27、60.91.2(c)1.004°8。X12°04°-8°*12。04°-8°X12°0.2001.5(f)°01.21.5(d)01.21.5距離Distance/m(時圖3不同試驗條件下各測量斷面的電解質優(yōu)勢流速Fig.3Electrolytepeakvelocitiesatdifferentdistanceunderdifferentexperimentalconditions表2流量和坡度對水流優(yōu)勢流速的影響Tab.2Theimpact

28、offlowrateandslopeonflowpeakvelocities坡度Slope/(°)流量'Flowrate/(L*min1)穩(wěn)定流速Steadyvelocity/(m,a1)增加程度Increasedpercentage/%坡度Slope/(°)流量Flowrate/(Lmin-1)穩(wěn)定流速Steadyvelocity/(mL)增加程度Increasedpercentage/%120.24140.2414240.36854.21280.30829.2480.43416.2120.3449.7120.30840.3688240.42538.72480.4

29、2516.2480.55128120.4412.3120.344一40.43412240.44129.44880.55128480.56830120.5683.654.2%之間，坡度對優(yōu)勢流速的影響在2.3%29.4%之間；因此流量對水流流速的影響大于坡度的影響。3.4優(yōu)勢流速與平均流速的關系將擬合得到的水流優(yōu)勢流速與流量法測量得到的平均流速進行比較，通過常數項為零的線性擬合,結果如圖5所示?？梢钥闯?，優(yōu)勢流速與平均流速的比值為1.007,近似相等；因此，在理論上可用此方法計算的優(yōu)勢流速作為水流的平均流速。3.5優(yōu)勢流速與最大流速的關系將流量法測量得到的平均流速與漂浮物法測量得到的最大流速進行

30、常數項為零的線性擬合，結果如圖6所示?？梢钥闯?，平均流速為最大流速的0.774倍，平均流速與最大流速的比值即為校正系數a=0.774,介于前面提到的過度流和紊流的校正系數區(qū)間范圍內，與坡面薄層水流的流態(tài)相吻合。0.40.2y=0.37(le-2m)/?2=0.960501.21.5(h)距離Distance/m(0(j)圖4不同坡度與流量條件下擬合電解質優(yōu)勢流速Fig.4Fittingelectrolytepeakvelocitiesunderdifferentslopesanddifferentflowrates圖5優(yōu)勢流速與平均流速的關系Fig.5Relationship

31、betweenpeakvelocitiesandmeanvelocities將水流優(yōu)勢流速與漂浮物法測量得到的最大流速,進行常數項為零的線性擬合，結果如圖7所示?？梢钥闯觯鞯膬?yōu)勢流速與最大流速的比值為0.776,與平均流速和最大流速的比值0.774相近;因此水流優(yōu)勢流速在實際上可代替平均流速計算校圖6平均流速與最大流速的關系Fig.6Relationshipbetweenmeanvelocitiesandleadingedgevelocities正系數a。電解質示蹤法計算水流優(yōu)勢流速可用于不規(guī)則斷面的水流平均流速測量，并減小了測量斷面面積和水深過程中產生的人為誤差，在理論上優(yōu)于流量法。1.

32、01.0y=0.776xR2=0.85400.81.0最大流速Leadingedgevelocity/(ms_l)圖7優(yōu)勢流速與最大流速的關系Fig.7Relationshipbetweenpeakvelocitiesandleadingedgevelocities4結論電解質示蹤法測量得到的電解質的優(yōu)勢流速隨距離的增加而增大，最終達到穩(wěn)定后與水流流速相同，隨距離變化規(guī)律符合指數函數，采用Grapher進行擬合，得到穩(wěn)定的電解質優(yōu)勢流速,即水流優(yōu)勢流速。各工況下水流優(yōu)勢流速變化范圍在0.2410.568m/s之間，流量對水流優(yōu)勢流速的影響較坡度對其的影響更為明顯。優(yōu)勢流速與平

33、均流速的比值為1.007,在理論上可用優(yōu)勢流速代替平均流速，優(yōu)勢流速與最大流速的比值為0.776,與平均流速與最大流速的比值0.774相近，符合坡面薄層水流的流態(tài)特征。試驗區(qū)分了電解質優(yōu)勢流速和水流優(yōu)勢流速，分析了電解質注入水流之后隨水流的運動過程，結果可為研究坡面薄層水流動力過程提供新的計算方法和數據，為土壤侵蝕研究提供參考。5參考文獻啜瑞媛，雷廷武，史曉楠，等.測最坡面薄層水流流速的電解質示蹤真實邊界條件法與系統(tǒng)J.農業(yè)工程學報,2012,28(2)：77.ChuoRuiyuan,LeiTingwu,ShiXiaonan,etal.Methodandsystemformeasuringhi

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