CN113009177B - 一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法 - Google Patents

一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于地表水文过程技术领域，特别涉及一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法。所述方法包括以下步骤：1)设备布置和电信号数据采集，2)参数拟合，3)电解质质心求解，4)流速的计算，本发明采用电解质对流弥散过程模拟电解质在水流中的运移过程，减小噪点对实验结果的影响，更准确地确定电解质质心，提高电解质质心法测量坡面水流流速精度。

Description

一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法
技术领域
本发明涉及一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法，尤其是涉及实验误差造成电解质质心求解不准的问题。该技术属于地表水文过程技术领域。
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。薄层水流流速及其水动力特征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，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。
目前测量薄层水流流速的方法主要有两种思路，一是对成熟的明渠或者河流流速测量方法进行改进，例如热膜流速仪、声学多普勒流速仪、核磁共振影像等等，这些方法只适用于水深较深，流量较大等条件，目前对薄层水流流速的测量精度不高。另一种是示踪法，常见的示踪包括染色剂示踪、放射性同同位素示踪、浮游反光材料示踪法、电解质示踪法。
电解质质心法测量薄层水流流速被国内外广泛应用，其数据采集如图1所示，其质心的算法为：
Figure BDA0002939550780000011
式中：Ti为电解质质心从注入点到第i个感应装置的运动时间，单位为s：Cij为第i个感应装置在Tj时刻测量的电解质浓度，单位为Kg/m3：Tj为测量时间，单位为s。
这种质心法在求解质心时将实验所得所有数据点代入求解，一些明显不合理的数据点(这里称为噪点)不可避免地被代入质心的求解中。另外，只采用实验所得数据进行质心的求解，不能确定整个电解质运移过程，这就导致利用这种方法求解坡面水流速时质心求解误差较大，使得利用电解质质心求解薄层水流流速误差较大。因此改进电解质质心法测量水流流速方法，准确找出电解质质心，对于提高测量水流流速的精度就十分重要。
发明内容
本发明提供一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法，其能够降低实验中电解质噪点的影响，拟合电解质运移整个过程，准确确定电解质质心法测量水流流速电解质质心，改进采用电解质质心法测量薄层水流流速计算方法，提高电解质质心法测量水流流速的精度。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法，所述方法包括以下步骤：
1)设备布置和电信号数据采集：
在位于土槽2中的侵蚀坡面3上端设有一个电解质脉冲发生器1；电解质脉冲发生器1内部盛装有高浓度电解质溶液；所述电解质脉冲发生器1下端设有电磁阀9；通过所述电磁阀9的控制，电解质脉冲发生器1每次释放一定体积的电解质溶液；
在电解质脉冲发生器1下游设置多组感应装置7，所述多组感应装置7分别安装在距离电解质脉冲发生器1一定距离处，记为xi；
每组感应装置7包括多根感应探针6，用于测定集中水流经过该点的电导率；每组感应装置7和电磁阀9均连接数据采集器5；数据采集器5与计算机4连接；集中水流稳定后，电磁阀9开启释放电解质溶液，同时感应探针6开始测定水流电导率变化，测定电解质运移过程；测得的数据导入数据采集器5中；
2)参数拟合：
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将感应探针6测定的电导率数据转换为电解质浓度数据；根据溶质运移理论，假设水流为一维的稳定流，得到电解质一维对流弥散运移方程如下：
Figure BDA0002939550780000031
边界条件如下：
C(x,t)＝C0δ(t) x＝0 公式2a
C(x,t)＝0 x＝∞ 公式2b
C(x,t)＝0 t＝0 公式2c
解析解如下：
Figure BDA0002939550780000032
其中，C0是初始电解质浓度，单位为kg/m3；x是探针布设点到入水口的坡长，单位为m；t是电磁阀开启后时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位为ms-1；C(x,t)为不同时间下相对应感应装置测得的水流电解质浓度，单位为kg/m3；
利用公式3对所测量点的电解质浓度数据进行拟合，得到电解质运移过程曲线，将不在所述电解质运移过程曲线上的测量点的电解质浓度数据去除；
3)电解质质心求解
电解质质心从电解质脉冲发生器1到每个感应探针通过时间计算公式如下：
Figure BDA0002939550780000041
式中：Ti为电解质质心从电解质脉冲发生器1到第i个感应探针的通过时间，单位为s；C(xi,t)为第i个感应探针在t时刻测量的电解质浓度，单位为kg/m3；t为电磁阀开启后时间，单位为s；
4)流速的计算
沿着坡长方向，设电解质脉冲发生器1为x0＝0m，感应探针的位置分别表示为：x1,x2,x3,x4……；两个相邻感应装置之间的距离记为ΔLi,则有；
ΔLi＝xi-xi-1 i＝1,2,3... 公式5
水流从电解质脉冲发生器1位置到第1个感应装置，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔记为ΔTi，则有：
ΔTi＝Ti-Ti-1 i＝1,2,3... 公式6
由公式5和公式6计算出通过水流通过两个相邻感应探针的平均流速：
Figure BDA0002939550780000042
其中，ΔLi为两个相邻感应装置之间的距离，单位为m；ΔTi为水流从电解质脉冲发生器1位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔，单位为s；
Figure BDA0002939550780000043
为水流通过电解质脉冲发生器1位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应探针的平均流速，单位为m/s。
步骤1中，电解质脉冲发生器1布置于侵蚀坡面3上的支撑台8上。
步骤1中，所述高浓度电解质溶液为饱和氯化钾溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用电解质对流弥散过程模拟电解质在水流中的运移过程，减小噪点对实验结果的影响，更准确地确定电解质质心，提高电解质质心法测量坡面水流流速精度。
附图说明
图1为本发明的设备布置和电信号数据采集示意图；
图2为本发明的电解质溶质运移过程函数拟合示意图；
图3为本发明的实施例中，第一和第二感应装置位置的电解质运移过程示意图；
图4为本发明的实施例中，第一和第二感应装置位置的电解质质心计算对比示意图。
其中的附图标记为：
1、电解质脉冲发生器 2、土槽
3、侵蚀坡面 4、计算机
5、数据采集器 6、感应探针
7、感应装置 8、支撑台
9、电磁阀
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法，包括以下步骤：
1、设备布置和电信号数据采集：
如图1所示，在位于土槽2中的侵蚀坡面3上端设有一个电解质脉冲发生器1。优选地，电解质脉冲发生器1布置于侵蚀坡面3上的支撑台8上。电解质脉冲发生器1内部盛装有高浓度电解质溶液。优选地，所述高浓度电解质溶液为饱和氯化钾溶液。所述电解质脉冲发生器1下端设有电磁阀9。通过所述电磁阀9的控制，电解质脉冲发生器1每次释放一定体积的电解质溶液。
在电解质脉冲发生器1下游设置多组感应装置7，所述多组感应装置7分别安装在距离电解质脉冲发生器1一定距离处，记为xi。
每组感应装置7包括多根感应探针6，用于测定集中水流经过该点的电导率。每组感应装置7和电磁阀9均连接数据采集器5。数据采集器5与计算机4连接。集中水流稳定后，电磁阀9开启释放电解质溶液，同时感应探针6开始测定水流电导率变化，测定电解质运移过程。测得的数据导入数据采集器5中。
2、参数拟合：
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将感应探针6测定的电导率数据转换为电解质浓度数据。根据溶质运移理论，假设水流为一维的稳定流，得到电解质一维对流弥散运移方程如下：
Figure BDA0002939550780000061
边界条件如下：
C(x,t)＝C0δ(t) x＝0 公式2a
C(x,t)＝0 x＝∞ 公式2b
C(x,t)＝0 t＝0 公式2c
解析解如下：
Figure BDA0002939550780000071
其中，C0是初始电解质浓度，单位为kg/m3；x是探针布设点到入水口的坡长，单位为m；t是电磁阀开启后时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位为ms-1；C(x,t)为不同时间下相对应感应装置测得的水流电解质浓度，单位为kg/m3。
如图2所示。实际测量电解质浓度会出现噪点，这些噪点并不是实验操作失误导致的，而是由于电解质弥散吸附等原因造成的。在计算电解质质心时，这些点会严重影响质心的计算精度。利用公式3对所测量点的电解质浓度数据进行拟合，得到电解质运移过程曲线，将不在所述电解质运移过程曲线上的测量点的电解质浓度数据去除。
3、电解质质心求解
电解质质心从电解质脉冲发生器1到每个感应探针通过时间计算公式如下：
Figure BDA0002939550780000072
式中：Ti为电解质质心从电解质脉冲发生器1到第i个感应探针的通过时间，单位为s；C(xi,t)为第i个感应探针在t时刻测量的电解质浓度，单位为kg/m3；t为电磁阀开启后时间，单位为s。
4、流速的计算
沿着坡长方向，设电解质脉冲发生器1为x0＝0m，感应探针的位置分别表示为：x1,x2,x3,x4……。两个相邻感应装置之间的距离记为ΔLi,则有；
ΔLi＝xi-xi-1 i＝1,2,3... 公式5
水流从电解质脉冲发生器1位置到第1个感应装置，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔记为ΔTi，则有：
ΔTi＝Ti-Ti-1 i＝1,2,3... 公式6
由公式5和公式6可以计算出通过水流通过两个相邻感应探针的平均流速：
Figure BDA0002939550780000081
其中，ΔLi为两个相邻感应装置之间的距离，单位为m；ΔTi为水流从电解质脉冲发生器1位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔，单位为s；
Figure BDA0002939550780000082
为水流通过电解质脉冲发生器1位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应探针的平均流速，单位为m/s。
实施例
取两组感应装置为例，具体的工作过程如下：
1、设备布置和电信号数据采集：
从侵蚀坡面3的坡顶注入水流，等坡面水流稳定后，开启电磁阀9，释放电解质溶液，与此同时，感应探针6开始检测水流电导率实时变化。电导率实时数据存储在数据采集器5，然后换算成电解质浓度。
2、参数拟合
第1感应装置与第2感应装置测量电解质浓度随时间变化如图3所示，由图3可以看出实验出现一些噪点，明显不符合溶质运移过程规律，根据溶质运移理论拟合出电解质运移过程。
3、电解质质心求解
用公式4对感应探针测量的电解质运移过程进行计算，电解质质心计算结果如图4中虚线所示，第1探针测得电解质质心为t＝27.47s，第2探针测得电解质质心为t＝68.43，显然噪点数据导致求解质心结果出现较大偏差。
4、流速的计算
沿着坡长方向，设电解质脉冲发生器1为x0＝0m，感应装置的位置分别表示为，x1＝1.15，x2＝3.15。两个感应装置之间的距离记为ΔLi，则有；
ΔL1＝x1-x0＝1.15 ΔL2＝x2-x1＝2
水流从电解质脉冲发生器1位置到第1感应装置或者两个相邻感应装置之间的时间间隔记为ΔTi，则有：
ΔT1＝T1-T0＝31.33 ΔT2＝T2-T1＝27.48
由公式5和6可以计算出通过水流通过两个相邻感应装置的平均流速：
Figure BDA0002939550780000091
这种方法可以更加准确地找到电解质质心，因此使得电解质质心法测量薄层水流流速更加准确。

Claims (3)

1.一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)设备布置和电信号数据采集：
在位于土槽(2)中的侵蚀坡面(3)上端设有一个电解质脉冲发生器(1)；电解质脉冲发生器(1)内部盛装有高浓度电解质溶液；所述电解质脉冲发生器(1)下端设有电磁阀(9)；通过所述电磁阀(9)的控制，电解质脉冲发生器(1)每次释放一定体积的电解质溶液；
在电解质脉冲发生器(1)下游设置多组感应装置(7)，所述多组感应装置(7)分别安装在距离电解质脉冲发生器(1)一定距离处，记为xi；
每组感应装置(7)包括多根感应探针(6)，用于测定集中水流经过该点的电导率；每组感应装置(7)和电磁阀(9)均连接数据采集器(5)；数据采集器(5)与计算机(4)连接；集中水流稳定后，电磁阀(9)开启释放电解质溶液，同时感应探针(6)开始测定水流电导率变化，测定电解质运移过程；测得的数据导入数据采集器(5)中；
2)参数拟合：
首先根据电解质浓度和电导率的函数关系，将感应探针(6)测定的电导率数据转换为电解质浓度数据；根据溶质运移理论，假设水流为一维的稳定流，得到电解质一维对流弥散运移方程如下：
Figure FDA0002939550770000011
边界条件如下：
C(x,t)＝C0δ(t) x＝0 公式2a
C(x,t)＝0 x＝∞ 公式2b
C(x,t)＝0 t＝0 公式2c
解析解如下：
Figure FDA0002939550770000021
其中，C0是初始电解质浓度，单位为kg/m3；x是探针布设点到入水口的坡长，单位为m；t是电磁阀开启后时间，单位为s；DH是水动力弥散系数，单位为m2 s-1；u是流速，单位为m s-1；C(x,t)为不同时间下相对应感应装置测得的水流电解质浓度，单位为kg/m3；
利用公式3对所测量点的电解质浓度数据进行拟合，得到电解质运移过程曲线，将不在所述电解质运移过程曲线上的测量点的电解质浓度数据去除；
3)电解质质心求解
电解质质心从电解质脉冲发生器(1)到每个感应探针通过时间计算公式如下：
Figure FDA0002939550770000022
式中：Ti为电解质质心从电解质脉冲发生器(1)到第i个感应探针的通过时间，单位为s；C(xi,t)为第i个感应探针在t时刻测量的电解质浓度，单位为kg/m3；t为电磁阀开启后时间，单位为s；
4)流速的计算
沿着坡长方向，设电解质脉冲发生器(1)为x0＝0m，感应探针的位置分别表示为：x1,x2,x3,x4……；两个相邻感应装置之间的距离记为ΔLi,则有；
ΔLi＝xi-xi-1 i＝1,2,3... 公式5
水流从电解质脉冲发生器(1)位置到第1个感应装置，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔记为ΔTi，则有：
ΔTi＝Ti-Ti-1 i＝1,2,3... 公式6
由公式5和公式6计算出通过水流通过两个相邻感应探针的平均流速：
Figure FDA0002939550770000031
其中，ΔLi为两个相邻感应装置之间的距离，单位为m；ΔTi为水流从电解质脉冲发生器(1)位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应装置之间的时间间隔，单位为s；
Figure FDA0002939550770000032
为水流通过电解质脉冲发生器(1)位置到第1个感应探针，或者两个相邻感应探针的平均流速，单位为m/s。
2.如权利要求1所述的电解质质心法测量坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，电解质脉冲发生器(1)布置于侵蚀坡面(3)上的支撑台(8)上。
3.如权利要求1所述的电解质质心法测量坡面水流流速的方法，其特征在于：步骤1中，所述高浓度电解质溶液为饱和氯化钾溶液。
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