CN109916947A - 基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置，所述装置包括集成底座(1)、X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)、加热探针(10)以及测量装置，本发明通过相互垂直的X方向和Y方向两组探针来测量水流方向，并矢量合成实际水流方向，可以测量饱和土壤水的任意方向水流，既能测量土壤水流向，也能准确测量其流速大小，测得的饱和土壤水流速大小十分准确。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置。
背景技术
土壤一般由固相(土壤颗粒)、液相(土壤水)和气相(土壤所含气体)三相构成，当土壤颗粒空隙完全由液相填充时，称该土壤为饱和土壤水，反之，称它为非饱和土壤水。所以，饱和土壤水为两相土，即固相和液相；非饱和土壤水是一种三相土，即固相、液相、气相。由于饱和土壤水中不存在气体，其土壤性质稳定，科研人员往往使用饱和土壤水来进行土壤水力研究。
为找到有效手段来减少地下水污染和水土流失带来的危害，研究者通常对污染物随水流迁移、水流对土壤中的侵蚀过程建立合理的预测模型，来评估污染的扩散程度和土壤受到的侵蚀程度。在这种研究当中，饱和土壤水流向和流速是水流流动的基本参数，是定量研究水土流失模型、建立污染物质迁移模型的基础。将热作为示踪剂用于饱和土壤水流向和流速测量当中，以应对土壤成分复杂造成的水流难以用传统示踪剂追踪的问题，这便是热脉冲技术测量方法。
热脉冲技术主要数学模型如下：
在一个无限大的均匀多孔介质中，当水流在x方向上流动时，二维稳态热传导方程为：
式中，T表示温度增加值，单位为：℃；t为时间，单位为：s；α为静态热扩散率，单位为：m2s-1；x、y为空间坐标，单位为：m；V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1。
式中，V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1；Jw为水流速，单位为ms-1；Cw为水的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；Cb为饱和土壤的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1。
假设无限长的线性热源平行于x-y平面，加热时间为t0，加热热源温度变化，即(1)式的解析解为：
式中，λ为加热探针热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针在单位时间内释放的热量，单位为：Wm-1；s为积分变量，t0为加热时间，单位为：s；t为时间，单位为：s；α为静态热扩散率，单位为：m2s-1；x、y为空间坐标，单位为：m；V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1。
Ren等人提出了上下游最大无量纲温度差异法(MDTD)来估算水流通量。该方法是目前较为成熟的利用热脉冲技术估算水流速的方法。该方法共需要三根探针：中间探针、上游探针和下游探针，其中中间探针为加热探针，三探针在一条水平直线上。该方法要求三探针所在直线必须保证与水流速方向同向。
定义无量纲温差(DTD)为：
式中，Td为下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为上游探针温度升高值，单位为：℃；λ为加热探针的热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针在单位时间内释放的热量，单位为Wm-1。在测定过程中DTD达到最大值时，表示为最大无量纲温差MDTD：
式中，Xu是上游探针距离热源的距离，单位为：m；Xd是下游探针距离热源的距离，单位为m；t0为加热时间，单位为：s；tm代表Td与Tu温度差异达到最大值的时间，单位为：s；α为饱和土壤水热扩散率，单位为：m2s-1；s为积分变量；V为对流热脉冲速率，单位为：ms-1。
通过测量得到MDTD值后，根据式(6)，可计算出对流热脉冲速率V，然后根据式(2)计算水流速Jw。
上下游最大无量纲温度差异法的理论模型已经十分成熟，但其局限性在于水流速方向必须保证与三探针所在直线同向，即最大流速方向，才能得到较为准确的水流速。然而在实际土壤水流速测量中，由于土壤成分复杂，土壤内的水流方向并不能事先确定，所以测量时无法保证水流方向与三探针所在直线同向，导致使用该方法测到的水流速误差较大。因此，上述方法既不能测量土壤水的流向，也不能得到准确的土壤水流速。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法。本发明的另一个目的在于提供一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置。所述基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置既能测量饱和土壤水流向，也能准确测量其流速大小，所述装置具有良好的便携性，本发明可测量的水流是任意方向的，极大简化了测量流程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置，所述装置包括集成底座1、X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5、加热探针10以及测量装置；其中，
加热探针10垂直地布置于集成底座1的底面中心；X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4和Y方向第二温度探针5分别垂直地布置于集成底座1的底面，其中，X方向第一温度探针2和X方向第二温度探针4相对于集成底座1的底面中心对称；Y方向第一温度探针3和Y方向第二温度探针5相对于集成底座1的底面中心对称；X方向第一温度探针2和X方向第二温度探针4的连线垂直于Y方向第一温度探针3和Y方向第二温度探针5的连线；所述X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4和Y方向第二温度探针5与集成底座1的底面中心的距离相等；
所述测量装置包括第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8、第四测温元件9、导线11、加热装置12和数据采集装置13；
在X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5上、沿与加热探针10的轴线平行的方向分别布置有第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9，所述第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9穿过集成底座1与数据采集装置13相连；
导线11的一端通过集成底座1的顶面与加热探针10中的加热电阻相连，另一端与加热装置12相连。
所述方法包括以下步骤：
a、集成底座1的底面向下将X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5和加热探针10垂直地插入待测土壤中；
其中，X方向第一温度探针2、加热探针10和X方向第二温度探针4所在直线或Y方向第一温度探针3、加热探针10和Y方向第二温度探针5所在直线与水流速方向同向或者与水流速方向不同向；
b、等待水流稳定后，加热装置12通过导线11为加热探针10提供一个热脉冲信号，加热探针10的温度升高；
c、数据采集装置13通过第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9采集X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5的温度变化数据；
d、利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小；
e、根据步骤d中得到的X方向和Y方向的水流速，利用平行四边形法则，进行矢量合成，最终得到实际水流流向和流速大小：
式中，Jw为实际水流速，Jwx为x方向水流速，Jwy为y方向水流速。
步骤d中，所述利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小的计算方法为：
无量纲温差为：
式中，
DTD为无量纲温差；
对X方向来说，Td为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
对Y方向来说，Td为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
λ为加热探针10的热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针10在单位时间内释放的热量，单位为Wm-1；其中，λ、q已知；
在测定过程中，最大无量纲温差DTD达到最大值时，表示为MDTD：
式中，
MDTD为最大无量纲温差；
对X方向来说，Xd为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较高者距离热源加热探针10的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较低者距离热源加热探针10的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
对Y方向来说，Xd为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较高者距离热源加热探针10的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较低者距离热源加热探针10的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
t0为加热时间，单位为：s；tm代表Td与Tu温度差异达到最大值的时间，单位为：s；α为饱和土壤水热扩散率，单位为：m2s-1；s为积分变量；V为对流热脉冲速率，单位为：ms-1；
通过测量Td、Tu得到DTD的最大值MDTD值后，根据式6，计算出对流热脉冲速率V；
式中，V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1；Jw为水流速，单位为ms-1；Cw为水的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；Cb为饱和土壤的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；
根据式2来计算Jw，从而得到X方向和Y方向的水流速Jwx和Jwy。
步骤a中，X方向第一温度探针2、加热探针10和X方向第二温度探针4所在直线或Y方向第一温度探针3、加热探针10和Y方向第二温度探针5所在直线与水流速方向不同向。
本发明的基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法及装置的有益效果为：
现有的三探针测量饱和土壤水流速的方法，无法测量饱和土壤水流的方向，所测量的饱和土壤水流速误差较大。上下游最大无量纲温度差异法，要求三探针所在直线必须与水流方向同向。但是在实际测量水流速之前，无法确定土壤水流的方向，当把三探针插入土壤时，很容易造成水流方向与三探针所在直线方向存在一定角度，此时测量的饱和土壤水流速大小只是实际水流速的一个分量，所以测量结果并不能真实反映实际土壤水流速。
本发明通过相互垂直的X方向和Y方向两组探针来测量水流方向，并矢量合成实际水流方向，可以测量饱和土壤水的任意方向水流，既能测量土壤水流向，也能准确测量其流速大小，测得的饱和土壤水流速大小十分准确。
原有方法中，需要把多个探针一一插入土壤，并布置好探针之间的间距。本发明的装置把加热探针、温度探针及其测温元件全部设置在集成底座中，具有良好的便携性；本发明可测量的水流是任意方向的，在测量时，不必考虑水流方向，直接将该装置垂直插入需要测量的土壤水中便可，测量方法简便，也极大简化了测量流程。
附图说明
图1为本发明基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置的集成底座与探针布置图；
图2为本发明基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置的测量装置简图；
图3为本发明的流速矢量合成说明图。
其中的附图标记为：
1、集成底座 2、X方向第一温度探针
3、Y方向第一温度探针 4、X方向第二温度探针
5、Y方向第二温度探针 6、第一测温元件
7、第二测温元件 8、第三测温元件
9、第四测温元件 10、加热探针
11、导线 12、加热装置
13、数据采集装置
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置包括集成底座1、X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5、加热探针10以及测量装置。
加热探针10垂直地布置于集成底座1的底面中心。X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4和Y方向第二温度探针5分别垂直地布置于集成底座1的底面，其中，X方向第一温度探针2和X方向第二温度探针4相对于集成底座1的底面中心对称；Y方向第一温度探针3和Y方向第二温度探针5相对于集成底座1的底面中心对称；X方向第一温度探针2和X方向第二温度探针4的连线垂直于Y方向第一温度探针3和Y方向第二温度探针5的连线；所述X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4和Y方向第二温度探针5与集成底座1的底面中心的距离相等。
如图2所示，所述测量装置包括第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8、第四测温元件9、导线11、加热装置12和数据采集装置13。
在X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5上、沿与加热探针10的轴线平行的方向分别布置有第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9，所述第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9穿过集成底座1与数据采集装置13相连。
导线11的一端通过集成底座1的顶面与加热探针10中的加热电阻相连，另一端与加热装置12相连。
图3为本发明的流速矢量合成说明图。任意方向的实际水流速度都可以矢量分解为图中的X方向水流速与Y方向水流速。通过上下游最大无量纲温度差异法可分别测得X方向水流速与Y方向水流速，进行矢量合成后便得到了实际水流速的大小和方向。
本发明的一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法，包括以下步骤：
a、集成底座1的底面向下将X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5和加热探针10垂直地插入待测土壤中。
其中，X方向第一温度探针2、加热探针10和X方向第二温度探针4所在直线或Y方向第一温度探针3、加热探针10和Y方向第二温度探针5所在直线与水流速方向同向或者与水流速方向不同向。
优选地，X方向第一温度探针2、加热探针10和X方向第二温度探针4所在直线或Y方向第一温度探针3、加热探针10和Y方向第二温度探针5所在直线与水流速方向不同向。
b、等待水流稳定后，加热装置12通过导线11为加热探针10提供一个热脉冲信号，加热探针10的温度升高。
c、数据采集装置13通过第一测温元件6、第二测温元件7、第三测温元件8和第四测温元件9采集X方向第一温度探针2、Y方向第一温度探针3、X方向第二温度探针4、Y方向第二温度探针5的温度变化数据。
d、利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小。其中，所述利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小的计算方法为：
无量纲温差(DTD)为：
式中，
DTD为无量纲温差；
对X方向来说，Td为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
对Y方向来说，Td为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
λ为加热探针10的热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针10在单位时间内释放的热量，单位为Wm-1。其中，λ、q已知。
在测定过程中，最大无量纲温差DTD达到最大值时，表示为MDTD：
式中，
MDTD为最大无量纲温差；
对X方向来说，Xd为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较高者距离热源加热探针10的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为X方向第一温度探针2或者X方向第二温度探针4中温度较低者距离热源加热探针10的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
对Y方向来说，Xd为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较高者距离热源加热探针10的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为Y方向第一温度探针3或者Y方向第二温度探针5中温度较低者距离热源加热探针10的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
t0为加热时间，单位为：s；tm代表Td与Tu温度差异达到最大值的时间，单位为：s；α为饱和土壤水热扩散率，单位为：m2s-1；s为积分变量；V为对流热脉冲速率，单位为：ms-1。
通过测量Td、Tu得到DTD的最大值MDTD值后，根据式6，可计算出对流热脉冲速率V。
式中，V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1；Jw为水流速，单位为ms-1；Cw为水的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；Cb为饱和土壤的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1。
根据式2来计算Jw，从而可以得到X方向和Y方向的水流速Jwx和Jwy。
e、根据步骤d中得到的X方向和Y方向的水流速，利用平行四边形法则，进行矢量合成，最终得到实际水流流向和流速大小，如图3所示。
式中，Jw为实际水流速，Jwx为x方向水流速，Jwy为y方向水流速。
Claims (4)
1.一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置，其特征在于：所述装置包括集成底座(1)、X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)、加热探针(10)以及测量装置；其中，
加热探针(10)垂直地布置于集成底座(1)的底面中心；X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)和Y方向第二温度探针(5)分别垂直地布置于集成底座(1)的底面，其中，X方向第一温度探针(2)和X方向第二温度探针(4)相对于集成底座(1)的底面中心对称；Y方向第一温度探针(3)和Y方向第二温度探针(5)相对于集成底座(1)的底面中心对称；X方向第一温度探针(2)和X方向第二温度探针(4)的连线垂直于Y方向第一温度探针(3)和Y方向第二温度探针(5)的连线；所述X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)和Y方向第二温度探针(5)与集成底座(1)的底面中心的距离相等；
所述测量装置包括第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)、第四测温元件(9)、导线(11)、加热装置(12)和数据采集装置(13)；
在X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)上、沿与加热探针(10)的轴线平行的方向分别布置有第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)，所述第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)穿过集成底座(1)与数据采集装置(13)相连；
导线(11)的一端通过集成底座(1)的顶面与加热探针(10)中的加热电阻相连，另一端与加热装置(12)相连。
2.利用如权利要求1所述的基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
a、集成底座(1)的底面向下将X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)和加热探针(10)垂直地插入待测土壤中；
其中，X方向第一温度探针(2)、加热探针(10)和X方向第二温度探针(4)所在直线或Y方向第一温度探针(3)、加热探针(10)和Y方向第二温度探针(5)所在直线与水流速方向同向或者与水流速方向不同向；
b、等待水流稳定后，加热装置(12)通过导线(11)为加热探针(10)提供一个热脉冲信号，加热探针(10)的温度升高；
c、数据采集装置(13)通过第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)采集X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)的温度变化数据；
d、利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小；
e、根据步骤d中得到的X方向和Y方向的水流速，利用平行四边形法则，进行矢量合成，最终得到实际水流流向和流速大小：
式中，Jw为实际水流速，Jwx为x方向水流速，Jwy为y方向水流速。
3.如权利要求2所述的测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：
步骤d中，所述利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小的计算方法为：
无量纲温差为：
式中，
DTD为无量纲温差；
对X方向来说，Td为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
对Y方向来说，Td为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；
λ为加热探针(10)的热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针(10)在单位时间内释放的热量，单位为Wm-1；其中，λ、q已知；
在测定过程中，最大无量纲温差DTD达到最大值时，表示为MDTD：
式中，
MDTD为最大无量纲温差；
对X方向来说，Xd为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较高者距离热源加热探针(10)的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较低者距离热源加热探针(10)的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
对Y方向来说，Xd为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较高者距离热源加热探针(10)的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较低者距离热源加热探针(10)的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；
t0为加热时间，单位为：s；tm代表Td与Tu温度差异达到最大值的时间，单位为：s；α为饱和土壤水热扩散率，单位为：m2s-1；s为积分变量；V为对流热脉冲速率，单位为：ms-1；
通过测量Td、Tu得到DTD的最大值MDTD值后，根据式6，计算出对流热脉冲速率V；
式中，V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1；Jw为水流速，单位为ms-1；Cw为水的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；Cb为饱和土壤的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；
根据式2来计算Jw，从而得到X方向和Y方向的水流速Jwx和Jwy。
4.如权利要求2所述的测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：步骤a中，X方向第一温度探针(2)、加热探针(10)和X方向第二温度探针(4)所在直线或Y方向第一温度探针(3)、加热探针(10)和Y方向第二温度探针(5)所在直线与水流速方向不同向。
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