坡面薄层水流优势流速研究.docx

1、Vol.14No.5坡面薄层水流优势流速研究陈丽燕I,雷廷武”，啜瑞媛2(1.中国农业大学，水利与土木工程学院，100083,北京;2.天津市龙网科技发展有限公司，300181,天津)摘要：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、48L/min条件下，于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m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

2、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0.241-0.568m/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。关键词：薄层水流；电解质示踪法；流量法；优势流速；平均流速中图分类号：S157

3、.9文献标志码：A文章编号：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项目名称：国家自然科学基金重点项目“高海拔寒区融水土壤侵蚀机理与过程模拟研究”(41230746)第一作者简

8、介：陈丽燕(1980),女，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀。E-mail：cly5081*通信作者简介：雷廷武(1958)，男，博士，博士生导师°主要研究方向：土壤侵蚀与旱地农业。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蚀的主要动力之一，地表径流的水力学特性是研究土壤侵蚀过程物理模型的基础。坡面水流不同于明渠水流,其水深极浅，一般为几厘米甚至几毫米，称为薄层水流。薄层水流运动受降雨及地表下垫面状况影响较大，如降雨强度、降雨历时、土壤种类或质地、前期水分条件、植被密度和类型、坡度、坡长和土壤表面石块的密度以及埋没深度等。坡面薄层水流流速是土壤侵蚀模型中的重要参数之一，是计算其他水力学要素如佛罗德数、雷诺数等的重要参数。薄层水流的流态不同于明渠水流，因此其流速的计算方法也不能沿用明渠水流的计算方法。目前用于测量薄层水流流速的便携式仪器比较

14、少，一些仪器如声学多普勒测速仪（ADV）C4粒子图像测速仪、热膜流速计m、光电或电导传感器等,由于价格昂贵、日常维护费用高等各种条件限制不能广泛应用。流量法只适用于断面规则的水流，如实验室人工模拟水槽中的水流流速。常用的方法主要是示踪法，示踪剂通常为染色剂（一般为KMnO4溶液）或电解质（如NaCl或KCl）11-,2：，示踪粒子通常为聚苯乙烯泡沫粒子等。染色剂示踪法测量误差较大，因此提出电解质示踪法。其基本原理是通过仪器测量水流断面的电导率，来确定水流中电解质到达被测断面所需要的时间，从而计算水流流速，避免染色剂示踪法目测带来的人为操作误差。受泥沙含量以及水流流态的影响，由最大流速计算平均流

15、速的校正系数一直不能准确确定m-如。在测得的电导率曲线中，由于水流的导电性以及水流的紊动，判断电解质溶液最早到达测点的时间有难度，而测量电导率达到最大值的时间比较容易确定；因此室内实验更多采用测量得到的电导率计算水流的优势流速ri6-,7o目前对于经验系数a的研究较多mH,不同水流流态。值不同。国内一般认为水流为层流a=0.67,混合水流或过度流a=0.7,紊流a=0.822O理论上水流速度增大使校正系数增大，但在夏卫生等的实验中测量得到不同泥沙含量下水流速度对校正系数的影响并不显著Hl。本研究采用电解质示踪法测量电解质随薄层水流运动不同测量断面电导率随时间的变化过程，计算不同位置的电解质优势

16、流速，用指数函数拟合不同工况下电解质优势流速随距离的变化得到稳定的电解质优势流速，即水流的优势流速。采用流量法计算坡面薄层水流的平均流速，采用漂浮物法计算水流最大流速，并分析三种流速之间的相关关系。1研究方法1.1坡面薄层水流溶质迁移模型在较短距离内，忽略土壤入渗作用和降雨产生的影响，可假定水流流速变化不大mF,根据菲克定律和质量守恒定律，当上边界条件假设为脉冲函数时，描述溶质在一维稳态流中的对流弥散方程的解析解即为电解质在水流中的迁移过程:日。1.2优势流速、最大流速以及平均流速的计算方法1.2.1电解质示踪法采用薄层水流流速测量仪测量不同工况下水槽中各断面的电导率随时间变化，根据测量断面电

17、导率变化对应的时间计算该断面的流速。测量断面电导率随时间变化如图1所示。时间Time/s图1测量断面电导率随时间的变化Fig.1Measuredelectronicconductivityasafunctionoftime图1中，电解质脉冲从加入水流到运动至测量断面所用的时间为电解质以最大流速传递通过给定距离所用的时间几，测量断面电解质浓度达到最大值所用的时间为。，电解质质心到达测量断面所用的时间为几。由此可以分别根据相应的距离计算得到电解质的最大流速，优势流速和质心运动速度,其中质心运动速度经公式推导得出与平均流速相等。本实验中最大流速同时采用漂浮物法测量，平均流速采用流量法测量。电解质优势

18、流速的计算公式如下：%=知(1)1p式中：为电解质优势流速,m/s；Lp为电解质脉冲注入点到测量断面的距离，m；7；为从电解质脉冲注入水流到测量断面电导率达到峰值所用的时间，s。1.2.2最大流速的计算试验采用漂浮物法测量水流的最大流速。漂浮物法是将可视性及跟随性较好的粒子加入到流动的水体中，让它跟随流体流动，从而测定流体流动情况。示踪物有液体、悬浮物、漂浮物或沉淀物】，本试验选择直径5mm的泡沫粒子作为示踪物，试验中将若干粒子同时快速加入水流中，记录泡沫粒子从第2组探针到最后一组探针的时间，从而计算得到水流的最大流速"卯计算公式为L,(2)式中：气为最大流速,m/s；Le为第2组探

19、针到最后一组探针的距离，m；7；为泡沫粒子从第2组探针运动到最后一组探针的时间，s。1.2.3平均流速的计算土壤侵蚀研究中的水流流速通常用流量法标定0对于规则河床内水流，流量适当时，可采用流量法测量计算水流流速，测量原理简单，计算公式为U=-2-SM(3)式中3为平均流速，m/s;Q为流量，用积分桶测量，m2/s；S为水流截面积，由水流深度和截面宽度的乘积得到，截面宽度为水槽内宽，水流深度用测针测量，其中，流量用积分桶测量，时间用秒表测量。水流截面积由水流深度和截面宽度的乘积得到，截面宽度为水槽内宽，水流深度用测针测量。由于水流深度在厘米甚至毫米级，并且极其不均匀，水流深度的测量会产生一定误差

20、。在实际坡面径流测量中，断面形状的不规则也会影响最终结果的准确性。2试验材料、仪器与方法试验主要由薄层水流流速测量系统和水槽组成，薄层水流流速测量系统主要由电解质脉冲发生器、感应探针、数据采集管理器、操作控制计算机系统组成1羽，如图2所示。试验采用有机玻璃制作的长4m,宽14.7cm,高50cm的水槽，底部粘接粒砂纸，模拟土壤下垫面。水槽前端设有水流注入系统，模拟径流。依据马氏瓶原理设计而成的恒压水箱控制水槽上方来水流量，流量通过板阀控制。在水槽前端固定电解质脉冲发生器，在距离脉冲发生器下游0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m处各固定一组探针，将电解质脉冲发生器和探针分别与数据采集管理器的

21、相应端口连接。试验坡度为4。、8。、12。，流量设置为12、24、48L/min,试验重复3次。3结果与分析3.1电解质优势流速在给定的坡度和设定的流量条件下，利用电解质示踪法测量得到水流流经各断面的电导率随时间变化数据，根据式(1)计算得到各测量断面的电解5cm30cm5cm30cm感应探针Sensors电解质脉冲发生器_Electrolytepulsegenerator数据采集管理器Datacollectionmanager水流方I可Directionoftheflow30cm30cm30cm操作控制计算机系统Computeroperatingsystem图2薄层水流流速测量系统示意图Fi

22、g.2Schematicdiagramforthemeasurementsystemofshallowwaterflowvelocity质优势流速，同时采用流量法测量并计算水流的平均流速，如表1所示。表1平均流速和各断面的电解质优势流速Tab.1Meanvelocityandelectrolytepeakvelocityatdifferentsectionm/s坡度距离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为研究坡度、流量和距离对电解质优势流速的影响，作图如图3。可以看出，不同坡度

24、和流量条件下，随着坡度、流量的增大，电解质的优势流速增大,流量对流速的影响较流速更为明显，流速随距离呈增大趋势，增大程度逐渐减小，最终趋于稳定，即与水流流速相同。3.2稳定电解质优势流速及水流优势流速董月群等建议的流速随距离变化的模型计算公式为“=0(1-e*)。“=0(1-e*)。(4)式中：”为计算得到的电解质优势流速,m/s；r为达到稳定的电解质优势流速，即水流优势流速,m/s；x为探针距离电解质脉冲发生器的距离，m；B为测量流速随距离增加的速度,l/mo根据公式（4）将计算得到的各断面水流中电解质的优势流速利用Grapher进行拟合，各工况下拟合结果如图4所示。不同工况下，电解质的优势

25、流速随距离增大而增大，变化规律符合指数函数，拟合系数均大于0.9,拟合效果较好。电解质注入水流后并不能立刻与水流流速相同，而是存在一个呈指数函数的加速过程，最终达到稳定后与水流流速相同，因此拟合得到的稳定电解质优势流速即可作为水流优势流速。3.3坡度和流对水流优势流速变化的影响各工况下的水流优势流速以及坡度和流量对水流优势流速的影响见表2。不同工况下，水流优势流速随流量、坡度的增大而增大，变化范围在。.2410.568m/s之间。坡度固定时，流量从12L/min增大到24L/min时，水流优势流速的增大程度较流量从24L/min增大到48L/min时大，最大可达54.2%;但随着坡度增大，流量

26、从12L/min增大到24L/min时增大程度递减，从54.2%减小到29.4%,流量从24L/min到48L/min时增大程度递增，从16.2%增大到30%。流量固定时，坡度从4。增加到8。时水流优势流速增大较明显，在16.229.2%之间，坡度从8。增加到12。时，水流优势流速的增大程度明显减小，在2.3%3.6%之间。流量对水流优势流速的影响在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距离Distance/m(时图3不同试验条件下各测量断面的电解质优势流速Fig.3Electrolytepeakvelocitiesatdifferentdistanceunderdifferentexperimentalconditions表2流量和坡度对水流优势流速的影响Tab.2Theimpact

28、offlowrateandslopeonflowpeakvelocities坡度Slope/(°)流量'Flowrate/(L*min1)稳定流速Steadyvelocity/(m,a1)增加程度Increasedpercentage/%坡度Slope/(°)流量Flowrate/(Lmin-1)稳定流速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%之间，坡度对优势流速的影响在2.3%29.4%之间；因此流量对水流流速的影响大于坡度的影响。3.4优势流速与平均流速的关系将拟合得到的水流优势流速与流量法测量得到的平均流速进行比较，通过常数项为零的线性拟合,结果如图5所示。可以看出，优势流速与平均流速的比值为1.007,近似相等；因此，在理论上可用此方法计算的优势流速作为水流的平均流速。3.5优势流速与最大流速的关系将流量法测量得到的平均流速与漂浮物法测量得到的最大流速进行

30、常数项为零的线性拟合，结果如图6所示。可以看出，平均流速为最大流速的0.774倍，平均流速与最大流速的比值即为校正系数a=0.774,介于前面提到的过度流和紊流的校正系数区间范围内，与坡面薄层水流的流态相吻合。0.40.2y=0.37(le-2m)/?2=0.960501.21.5(h)距离Distance/m(0(j)图4不同坡度与流量条件下拟合电解质优势流速Fig.4Fittingelectrolytepeakvelocitiesunderdifferentslopesanddifferentflowrates图5优势流速与平均流速的关系Fig.5Relationship

31、betweenpeakvelocitiesandmeanvelocities将水流优势流速与漂浮物法测量得到的最大流速,进行常数项为零的线性拟合，结果如图7所示。可以看出，水流的优势流速与最大流速的比值为0.776,与平均流速和最大流速的比值0.774相近;因此水流优势流速在实际上可代替平均流速计算校图6平均流速与最大流速的关系Fig.6Relationshipbetweenmeanvelocitiesandleadingedgevelocities正系数a。电解质示踪法计算水流优势流速可用于不规则断面的水流平均流速测量，并减小了测量断面面积和水深过程中产生的人为误差，在理论上优于流量法。1.

32、01.0y=0.776xR2=0.85400.81.0最大流速Leadingedgevelocity/(ms_l)图7优势流速与最大流速的关系Fig.7Relationshipbetweenpeakvelocitiesandleadingedgevelocities4结论电解质示踪法测量得到的电解质的优势流速随距离的增加而增大，最终达到稳定后与水流流速相同，随距离变化规律符合指数函数，采用Grapher进行拟合，得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速。各工况下水流优势流速变化范围在0.2410.568m/s之间，流量对水流优势流速的影响较坡度对其的影响更为明显。优势流速与平

33、均流速的比值为1.007,在理论上可用优势流速代替平均流速，优势流速与最大流速的比值为0.776,与平均流速与最大流速的比值0.774相近，符合坡面薄层水流的流态特征。试验区分了电解质优势流速和水流优势流速，分析了电解质注入水流之后随水流的运动过程，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数据，为土壤侵蚀研究提供参考。5参考文献啜瑞媛，雷廷武，史晓楠，等.测最坡面薄层水流流速的电解质示踪真实边界条件法与系统J.农业工程学报,2012,28(2)：77.ChuoRuiyuan,LeiTingwu,ShiXiaonan,etal.Methodandsystemformeasuringhi

34、ll-slopewaterflowvelocitywithrealisticboundaryconditionofelectrolytetracer:JTransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2012,28(2)：77.(inChinese)张永东，吴淑芳，冯浩，等.土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究J土壤，2013,45(1)：26.ZhangYongdong,WuShufang,FengHao,etal.Reviewonhydrauliccharacteristicsanderosiondynamicsof

35、overlandflowinsoilerosionprocessJ_Soils,2013,45(1)：26.(inChinese)陈丽燕，雷廷武，董月群，等.不同示踪法测量砾石层中水流流速研究J.农业机械学报，2015,46(4)：141.ChenLiyan,LeiTingwu,DongYuequn,etal.EstimatingvelocityofwaterflowwithingravellayerbydifferenttracermethodsJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2015,46(4):141.(

36、inChinese)4GimenezR,Planchon0,SilveraN,etal.LongitudinalvelocitypatternsandbedmorphologyinteractioninarillJ.EarthSurfaceProcessandLandforms,2004,29(1) :105.5HyunBS,BalachandarR,YuK,etal.AssessmentofPIVtomeasuremeanvelocityandturbulenceinopenchannelflowFJ.ExperimentsinFluids,2003,35(3)：262.6RobinsonK

37、M,CookKR.StressmeasurementupstreamofanoverfallJ.TransactionsoftheAmericanSocietyofAgriculturalEngineers,1998,41(4):1019.7 李永祥，苑明顺，李春华.热膜技术在水流测速中的应用研究J.流体力学实验与测量,1997,11(4)：45.LiYongxiang,YuanMingshun,LiChunhua.HotfilmtechniqueintheapplicationofflowvelocitymeasurementJExperimentsandMeasurementsinFlui

38、dMechanics,1997,11(4)：45.(inChinese)刘鹏，李小昱，王为，等.基于相关法的坡面径流流速测量系统J.农业工程学报,2008,24(3)：48.LiuPeng,LiXiaoyu,WangWei,etal.RunoffflowvelocitymeasurementsystembasedoncorrelationmethodJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2008,24(3)：48.(inChinese)刘鹏，李小昱，王为.基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究J农业工程学报

39、，2007,23(5)：116.LiuPeng,LiXiaoyu,WangWei.RunoffflowvelocitymeasurementsystemusingphotoelectricsensorandtracingmethodJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2007,23(5)：116.(inChinese)王为，李小昱，张军，等.基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究J.农业工程学报，2007,23(2) :1.WangWei,LiXiaoyu,ZhangJun,etal.Experimental

40、studyonmeasurementsystemofrunoffvelocitybasedonconductancesensorJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2007,23(2)：1.(inChinese)LukSH,MerzW.UseofthesalttracingtechniquetodeterminethevelocityofoverlandflowJ.SoilTechnology,1992,5(4)：289.8 高素娟，王占礼，黄明斌，等.黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性J.水土保持通报,

41、2010,30(4):11.CaoSujuan,WangZhanli,HuangMingbin,etal.HydraulicPropertiesofshallowflowincoarsesedimentregionofYellowRivermiddlereachesJBulletinofSoilandWaterConservation,2010,30(4)：11.(inChinese)13DunkerleyDL.Estimatingthemeanspeedoflaminaro-verlandflowusinginjectionuncertaintyonroughsurfaceJ.EarthSu

42、rfaceProcessLandformst2001,26(4)：363.14OliverP,NorbertS,RaphaelG,etal.AnautomatedsalttracinggaugeforflowvelocitymeasurementJ1.EarthSurfaceProcessLandforms,2005,30(7)：833.15 MyersTG.ModellinglaminarsheetflowoverroughsurfacesJ.WaterResourceResearch,2002,38(11)：1230.16 ElderJW.Thedispersionofmarkedflui

43、dinturbulentshearflowJ.JournalofFluidMechanics,1959(5):544.17 GilleyRE,KottwitzER,SimantonJR.HydrauliccharacteristicofrillJ.TransactionsoftheAmericanSocietyofAgricultureEngineering,1970,33:1900.18jLukSH,MerzWUseofthesalttracingtechniquetodeterminethevelocityofoverlandflowJ.SoilTechnology,1992,5：289.19 HortonRE,LeachHR,ViletVR.LaminarsheetflowJ.EosTransactionsAmericanGeophysicalUnion,1934,15(2)：393.20 TaylorG.ThedispersionofmatterinturbulentflowthroughapipeJ：Proceedingso£theRoyalSocietyA,1954,223(1155)：446.21 PhelpsH0.Shallowlaminarflowsoverroughgranularsurfac