CN111366747B - 一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地表水文过程技术领域。本发明涉及一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，所述方法包括如下步骤：1)电信号数据采集；2)拖尾数据去除；3)去除拖尾数据后归一化和流速计算；采用拖尾数据去除方法，在易侵蚀坡面可以准确地测量电解质吸附条件下的薄层水流流速。该方法方便实用，工作可靠。
Description
技术领域
本发明属于地表水文过程技术领域。本发明涉及一种电解质示踪测量薄层水流流速的改进方法，尤其是涉及床面吸附和阻滞引起的电解质浓度分布拖尾现象，造成溶质运移模型无法求解的问题。
背景技术
薄层水流是指毫米级深度的坡面水流，是造成坡面水土流失的主要营力，也是输移泥沙和面源污染物的媒介。薄层水流的水动力特征及流速是认识坡面侵蚀动力过程、分析水流输沙能力和剥蚀能力的重要参数。确定坡面水流流速是建立水土流失量预报模型的关键。因此，在含沙水流条件下，改进以溶质运移理论为基础的电解质示踪技术，快速准确地测量薄层水流流速，具有重要的理论和实践意义。
静止的水中，电解质的运动仅由分子扩散作用控制，某一位置的电导率随时间的分布可用正态分布描述。同理，由于对流作用，水流在通过某一固定位置的电解质浓度(电导率)在水流方向上也符合正太分布，这个过程仅受水动力弥散系数的影响。
人工草皮、砾石、冻结土壤等侵蚀较弱的坡面，电解质示踪剂受水流中泥沙颗粒的吸附和扰动影响很小，同时坡面多孔介质对电解质吸附滞留影响也较小。在上述条件下，电解质运移满足溶质运移控制方程的理想边界条件，因此，测量过程中探针测定的电导率数据随时间的分布仅受水动力弥散作用的影响，左偏(拖尾)很小，采用已有的溶质运移模型可准确计算水流流速。然而，在易侵蚀坡面，如解冻土坡面、新耕农地坡面、陡坡坡面等，薄层水流侵蚀搬运土壤颗粒，形成高含沙水流，侵蚀造成坡面床底糙度和孔隙增加，同时由于电解质溶液密度大于清水密度，床面会吸附和滞留部分电解质。
在电导率探针布设点，含电解质示踪剂的水流经过探针，电导率从零值逐渐增加到峰值，此时间段为上升区；此后电导率从峰值逐渐降低到零值，此时间段为下降区。电解质被沉积泥沙和坡面孔隙吸附阻滞，且被吸附的电解质的量较电解质总量小。
在上升区，水流中总电解质浓度处上升阶段，水流电导率总大于被吸附电解质对应的电导率；故在上升区，电解质的吸附和阻滞对水流电导率随时间的分布影响较小，电导率可仍可准确反映溶质运移过程。坡面水流流速比床底孔隙中的流速大2-3个数量级。因此，在下降区，水流电导率从峰值快速降低至被阻滞和吸附在泥沙中的电解质对应的床面水流电导率值。此后，由于床面吸附电解质的释放，水流电导率缓慢降低并形成拖尾，此时，探针测定值无法真实地反映电解质在水流中的传导过程。
上述由于床面吸附和阻滞引起的电解质浓度分布拖尾现象，无法真实地反映示踪剂溶质在水流中由于对流和水动力弥散作用下的电解质浓度分布；采用含吸附和阻滞造成的拖尾误差的电导率分布数据计算水流流速，会造成溶质运移方程无法求解，或求解结果错误。
测定溶质在薄层水流中电导率变化，用溶质运移模型拟合电解质输移过程，从而计算出水流流速等模型参数。溶质运移控制方程如下：
边界条件如下：
C(x,t)＝C0δ(t) x＝0 方程2a
C(x,t)＝0 x＝∞ 方程2b
C(x,t)＝0 t＝0 方程2c
方程1存在如下解析解：
其中，C是正则化后的电解质浓度，C0是拟合得到的电解质初始浓度；x是探针布设点到马氏瓶的电解质溶液的入水口的坡长，单位为m；t是时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位是m s-1。
将探针测量电解质浓度分布数据带入方程3，用最小二乘法，拟合参数C0，DH和u。u即为测量的坡面水流流速。
目前电解质示踪法测定薄层水流流速被国内外广泛应用，但都集中在非侵蚀坡面，较少关注侵蚀坡面，也缺乏对电解质被侵蚀泥沙吸附影响下的溶质运移过程模拟的认识，对减少电解质吸附影响的方法未能展开研究。
发明内容
本发明提供一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其降低电解质被吸附和阻滞影响，改进采用溶质运移示踪技术测量薄层水流流速。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，所述方法包括如下步骤：
1)电信号数据采集
在侵蚀坡面上游设置一个马氏瓶6，马氏瓶6内装有高溶解度电解质的饱和溶液；
所述马氏瓶6出口设有电磁阀1，电磁阀1的出口距离坡面有一定铅垂距离；电磁阀1的开启时长为固定值，确保马氏瓶6释放确定体积电解质溶液；
一个第一探针2布设在马氏瓶6的下游的侵蚀坡面，第一探针2测定水流电导率，确定溶质运移模型脉冲边界条件；
在第一探针2的下游的侵蚀坡面布设一个第二探针3，第二探针3测定集中水流经过该点的电导率；
第一探针2、第二探针3和电磁阀1均连接至数据采集器4，数据采集器4和操作控制部件5连接；
集中水流稳定后，电磁阀1开启，释放电解质溶液，同时第一探针2和第二探针3开始测定水流电导率实时变化，测定溶质运移过程；电导率实时数据存储在数据采集器4；
2)拖尾数据去除
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将第一探针2和第二探针3测定的电导率数据转换为电解质浓度数据，再对电解质浓度数据归一化；
对电解质浓度数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值；
去除拖尾数据的方法如下：
首先，基于对称性原则，根据归一化后的电解质浓度上升段数据预测归一化后的电解质浓度下降段测量数据，并将相同时刻预测数据与测量数据比较；如果在某时刻开始，测量值均比预测值大一个预定的比例以上，则认为从该时刻以后的测量数据为拖尾数据；该预定的比例值可根据测量工况不同调整；
3)去除拖尾数据后归一化和流速计算
去除拖尾数据点后，对剩下的数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值；
采用归一化后的电解质浓度Ci及方程3，采用参数拟合，即得流速、初始浓度、弥散系数：
其中，C是归一化后后的电解质浓度，C0是拟合得到的电解质初始浓度；x是探针布设点到马氏瓶6的电解质溶液的入水口的坡长，单位为m；t是时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位是m s-1；
将探针测量电解质浓度分布数据带入方程3，用最小二乘法，拟合参数C0、DH和u；
u即为测量的坡面水流流速。
步骤1中，所述高溶解度电解质的饱和溶液为氯化钾饱和溶液。
步骤1中，电磁阀1的出口距离坡面的铅垂距离为10cm。
步骤1中，第一探针2与马氏瓶6的电解质溶液的入水口之间的距离为10cm。
步骤1中，根据测量条件和精度要求，第二探针3能够布置多个，能够得到多个探针位置的流速数据。
步骤2中，所述预定的比例值为30％。
本发明的有益效果在于：
采用拖尾数据去除方法，在易侵蚀坡面可以准确地测量电解质吸附条件下的薄层水流流速。该方法方便实用，工作可靠。
附图说明
图1本发明的设备布置和电信号数据采集步骤示意图；
图2为去拖尾数据电解质溶质运移过程模拟示意图；
图3为含拖尾数据的电解质浓度随时间变化过程；
图4为去除拖尾数据的电解质浓度随时间变化过程；
图5有拖尾的电解质溶质运移过程模拟；
图6去除拖尾数据的电解质溶质运移过程模拟。
附图标记：
1、电磁阀
2、第一探针
3、第二探针
4、数据采集器
5、操作控制部件
6、马氏瓶
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
本发明的一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，包括如下步骤：
1、电信号数据采集
如图1所示，在侵蚀坡面上游设置一个马氏瓶6，马氏瓶6内装有高溶解度电解质的饱和溶液。优选地，所述高溶解度电解质的饱和溶液为氯化钾饱和溶液。
所述马氏瓶6出口设有电磁阀1。电磁阀1的出口距离坡面有一定铅垂距离。优选地，电磁阀1的出口距离坡面的铅垂距离为10cm。电磁阀1的开启时长为固定值，确保马氏瓶6释放确定体积电解质溶液。
一个第一探针2布设在马氏瓶6的下游的侵蚀坡面。优选地，第一探针2与马氏瓶6的电解质溶液的入水口之间的距离为10cm。第一探针2测定水流电导率，确定溶质运移模型脉冲边界条件。
在第一探针2的下游的侵蚀坡面布设一个第二探针3。第二探针3测定集中水流经过该点的电导率。根据测量条件和精度要求，第二探针3能够布置多个。
第一探针2和第二探针3均测定水流电导率，其中第一探针2的数据用于确定溶质运移模型脉冲边界条件，第二探针3数据用于分析溶质运移过程。如果布置多个第二探针3，即可得到多个探针位置的流速数据。
第一探针2、第二探针3和电磁阀1均连接至数据采集器4。数据采集器4和操作控制部件5连接。
集中水流稳定后，电磁阀1开启，释放电解质溶液，同时第一探针2和第二探针3开始测定水流电导率实时变化，测定溶质运移过程。电导率实时数据存储在数据采集器4。
2、拖尾数据去除
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将第一探针2和第二探针3测定的电导率数据转换为电解质浓度数据，再对电解质浓度数据归一化。
对电解质浓度数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中的所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值。
拖尾是电解质浓度在达到峰值后并不以和已经测得的上升段(图2的左侧)对称的趋势降低到0值，而是长时间保持在高于背景浓度。
去除拖尾数据的方法如下：
首先，基于对称性原则，根据图2左侧归一化后的电解质浓度上升段数据预测右侧归一化后的电解质浓度下降段测量数据，并将相同时刻预测数据与测量数据比较。如果在某时刻开始，测量值均比预测值大一个预定的比例以上，则认为从该时刻以后的测量数据为拖尾数据。该预定的比例值可根据测量工况不同调整。优选地，所述预定的比例值为30％。
电解质浓度为因变量，时间为自变量作图，如图2所示。下降区，三角符号对应的电解质浓度即为由于床面吸附和阻滞作用造成的电解质浓度的拖尾数据，该部分水流电解质浓度随时间缓慢降低；圆圈符号对应的点即为反映水流中由于对流和水动力弥散作用的电解质浓度变化，为真实的溶质运移过程。
归一化的电解质浓度随时间变化如图3所示，在电解质峰值过后，有一系列数据保持较高值，形成一个比较明显的拖尾。
去除拖尾后的电解质浓度如图4所示。
3、去除拖尾数据后归一化和流速计算
去除拖尾数据点后，对剩下的数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值。
采用归一化后的电解质浓度Ci及方程3，采用参数拟合，即得流速、初始浓度、弥散系数：
其中，C是归一化后后的电解质浓度，C0是拟合得到的电解质初始浓度；x是探针布设点到马氏瓶6的电解质溶液的入水口的坡长，单位为m；t是时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位是m s-1。
将探针测量电解质浓度分布数据带入方程3，用最小二乘法，拟合参数C0、DH和u。
u即为测量的坡面水流流速。
采用方程3及包含有拖尾数据的电解质运移过程进行参数拟合，结果如图5中虚线所示，流速值为0.12m/s，而流量法计算得流速为0.31m/s，显然拖尾数据导致模拟结果出现较大偏差。
采用方程3及去除拖尾数据的电解质运移过程进行参数拟合，结果如图6中虚线所示，流速值为0.34m/s，计算结果与流量法所得流速近似。故去除拖尾后模型所得结果为正确的水流流速。
Claims (6)
1.一种提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)电信号数据采集
在侵蚀坡面上游设置一个马氏瓶(6)，马氏瓶(6)内装有高溶解度电解质的饱和溶液；
所述马氏瓶(6)出口设有电磁阀(1)，电磁阀(1)的出口距离坡面有一定铅垂距离；电磁阀(1)的开启时长为固定值，确保马氏瓶(6)释放确定体积电解质溶液；
一个第一探针(2)布设在马氏瓶(6)的下游的侵蚀坡面，第一探针(2)测定水流电导率，确定溶质运移模型脉冲边界条件；
在第一探针(2)的下游的侵蚀坡面布设一个第二探针(3)，第二探针(3)测定集中水流经过该点的电导率；
第一探针(2)、第二探针(3)和电磁阀(1)均连接至数据采集器(4)，数据采集器(4)和操作控制部件(5)连接；
集中水流稳定后，电磁阀(1)开启，释放电解质溶液，同时第一探针(2)和第二探针(3)开始测定水流电导率实时变化，测定溶质运移过程；电导率实时数据存储在数据采集器(4)；
2)拖尾数据去除
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将第一探针(2)和第二探针(3)测定的电导率数据转换为电解质浓度数据，再对电解质浓度数据归一化；
对电解质浓度数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值；
去除拖尾数据的方法如下：
首先，基于对称性原则，根据归一化后的电解质浓度上升段数据预测归一化后的电解质浓度下降段测量数据，并将相同时刻预测的测量数据与测量数据比较；如果在某时刻开始，测量值均比预测值大一个预定的比例以上，则认为从该时刻以后的测量数据为拖尾数据；该预定的比例值可根据测量工况不同调整；
3)去除拖尾数据后归一化和流速计算
去除拖尾数据点后，对剩下的数据进行归一化处理，即各数据点的电解质浓度ci均除以本次测量过程中所有数据点的电解质浓度最大值cmax：
Ci＝ci/cmax
其中，i对应测量时间，ci为各数据点的电解质浓度，cmax为本次测量过程中所有数据点的电解质浓度的最大值；
采用归一化后的电解质浓度Ci及方程3，采用参数拟合，即得流速、初始浓度、弥散系数：
其中，C是归一化后的电解质浓度，C0是拟合得到的电解质初始浓度；x是探针布设点到马氏瓶(6)的电解质溶液的入水口的坡长，单位为m；t是时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位是m s-1；
将探针测量电解质浓度分布数据代入方程3，用最小二乘法，拟合参数C0、DH和u；
u即为测量的坡面水流流速。
2.如权利要求1所述的提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，所述高溶解度电解质的饱和溶液为氯化钾饱和溶液。
3.如权利要求1所述的提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，电磁阀(1)的出口距离坡面的铅垂距离为10cm。
4.如权利要求1所述的提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，第一探针(2)与马氏瓶(6)的电解质溶液的入水口之间的距离为10cm。
5.如权利要求1所述的提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，根据测量条件和精度要求，第二探针(3)能够布置多个，能够得到多个探针位置的流速数据。
6.如权利要求1所述的提高电解质示踪测量侵蚀坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤2中，所述预定的比例值为30％。
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2020
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