电解质脉冲法测量水流流速和泥沙含量的方法技术

本发明专利技术公开了一种电解质脉冲法测量水流流速和泥沙含量的方法，以溶质运移理论、波动学、传导学为基础，结合现代数学建立并求解电解质脉冲在含沙径流中的运移模型，分析模型中水流速度和泥沙含量的特征量，并以理论依据的计算和数据存贮，制作通过水流和泥沙含量测试的计算机软件，本发明专利技术能很好地同时测量水流流速和泥沙含量，测量精度非常高，速度较快，并且简单易用。本发明专利技术可应用于各种导电性能不太好液体的流速和其中悬浮质的含量测量，测量速度范围为大于零、小于５０ｍ／ｓ。泥沙含量测量范围为０－１００％，因此也可以测量土壤、根物根系等多孔介质中水流流速和水分含量。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量水流流速和泥沙含量的方法，进一步涉及。二、
我国是一个水土流失严重，多沙河流的国家之一，泥沙问题相当突出。在水利水电工程建设、水文观测预报、工程取水和土壤侵蚀预报等方面，水流速度和水体泥沙含量的测量是一个十分重要而国内外至今未能很好解决的问题。特别在土壤侵蚀预报中，细沟和浅沟的水速测量，传统的水速计由于体积或误差太大等原因而无法使用，只有用径流通量进行推求；由于土壤蒸发和入渗的作用，使测定结果可信度很低。含沙量的测量一般采用取样烘干法。即取一定体积的具有代表性的样品，经过预处理、烘干、称重求其含沙量。这种方法准确，但操作过程繁杂，费时费力，不能快速、实时测量。鉴于径流速度和含沙量测量的重要性，近几十年来许多学者在这方面从理论和方法上做了大量的工作，希望在这方面有所突破，以便更好地进行定量研究。径流速度的测量主要是测量其平均速度及其截面的速度分布。径流平均速度的测定除了用传统方法之外，目前有些学者试图采用漂浮法和微流速计。漂浮法即用极小的漂浮体放入径流中，用跟踪摄像法测定漂浮体的移动速度，经校正后求得。由于降雨的打击和侵蚀细沟的不规范性，使实际操作非常困难。微流速计从理论上来看是可行的，而实际上任何微小的变化如泥沙含量的变化都会对测量结果造成很大的影响。截面流速分布的测定一般用激光法(简称LDV)、相位多普勒粒子分析仪(简称PDPA)和声学多普勒流速计(简称ADV)。这些方法都是基于(激)光或声波对不同流速水体的折射和反射而形成影像不同而进行分辨。这些在室内研究流场时应用非常广泛，并取得了比较满意的效果；但不能用于薄层径流和野外测量。要产生新的测试方法必须借助新的理论，波动学和量子力学认为波特别是几率波在流动介质中的传播是可以定量描述的，这为我们用电解质脉冲测定径流速度提供了理论依据。目前含沙量的测量主要有五种方法。一是振动法利用振动学原理，根据谐振棒在水中的周期不同推求含沙量。这种仪器稳定性较差，零点漂移严重；在测低含沙量时，受温度影响较大。二是光电法利用Bear理论和光在介质中的吸收和散射作用，由消光度推求含沙量。这种方法由于泥沙颗粒分布广泛性和流动性使其很难应用。三是γ射线法根据水和沙对γ射线共同吸收的原理，测定一定厚度水体中泥沙的厚度。在水静止时，或水流速度不大，或者可以假定水流速度和泥沙流动速度一致时，这种方法是可行的。四是超声波法超声波法分为超声波反射法和超声波衰减法。前者根据超声波的反射量与沙粒的正比例关系，从而测定含沙量。后者是考虑媒体对超声波的散射、吸收和超声波自身的扩散因素，利用传感器检测其能量的衰减计算含沙量。两者测定的范围都较窄(0-3kg/m3)。五是激光法其原理仍是利用光在介质中的衰减，只是采用激光具有高度的空间相干性和时间相干性，特别是与计算机的结合和光导纤维的应用，使外界漂移或扰动的影响减少，从而提高了测试效率和精度。但这种设备不仅笨重、庞大，而且成本较高，很难广泛使用这些测量方法的共性问题是不适用于坡面土壤侵蚀过程中薄层径流含沙量的测量，并且成本很高，受外界影响大。
技术实现思路
综观以上方法，要测定薄层径流流速和含沙量必须采用新的理论，设计精度较高，体积较小并能用于薄层、高含沙水流的快速直接读取的设备。根据现代物理学理论，几率波(如电解质脉冲)在介质中传播时，波强变化与介质本身的速度、介质的特性及传导距离有关。电解质脉冲具有发射、接收简单，受外界干扰小，根据其变化从理论而言不仅可以求得含沙量，还可以同时计算水体的流速。从脉冲法在其它领域应用的情况来看，如测定植物茎中的水汽流动，土壤水分的入渗速率等，效果较好；本项目如能得到资助，加上我们的不断探索，是完全有可能实现薄层径流流速和含沙量的同时测量。这种方法将对土壤侵蚀定量研究以及其它方面产生深远的影响。本专利技术的目的是，以溶质运移理论、波动学、传导学为基础，结合现代数学，利用电解质脉冲运移模型，测量水流特别是较薄水流速度和泥沙含量，提供一种。并结合室内外实验，制作测定径流速和含沙量的仪器。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是研究将以溶质运移理论、波动学、传导学为基础，结合现代数学建立并求解电解质脉冲在含沙径流中的运移模型，分析模型中水流速度和泥沙含量的特征量，并以理论依据的计算和数据存贮，制作通过水流和泥沙含量测试的计算机软件。用电解质脉冲测定径流速度和泥沙含量与热脉冲测定植物中溶质运移和土壤孔隙中水分移动有很多相似之处，但热脉冲受温度的影响较大，电解质脉冲能克服这方面的缺陷，同时在水中衰减很慢，只需要防止下垫面的影响。假设电解质在流水中的动力学弥散分为扩散和弥散两个部分，则电解质脉冲的响应函数只与传导距离、径流速度及含沙量有关。求出电解质在水流中传导方程，就可以求水流速度和扩散系数。用不同的含沙量对扩散系数进行标定后，就可以由扩散系数求出含沙量。若进一步假定水流的流速在垂直方向具有均一性，就可以进行一维方程求解。3.1一维电解质脉冲传导模型泥沙输运控制微分方程为hw∂C∂t+hwu∂C∂x=∂∂x(hwDH∂C∂x)----(3-1)]]>式中h为水流深度(m)；w为水流宽度(m)；C为水流中的泥沙含量(g/l或kg/m3)，u是水流速度；是x和t的函数；x向坡下的坐标(m)；t为时间(s)；DH为(电解质)泥沙在水中的扩散系数(m2/s)。控制条件下水流的入流量Q0为常数，即Q0＝hwu＝常数 (3-2)设实验条件可以进一步控制，使得u＝常数则有hw＝constant(3-3)将(3)代入(1)式得∂C∂t+u∂C∂x=∂∂x(DH∂C∂x)----(3-4)]]>问题得边界条件为C(0，t)＝C0δ(t)(3-4a)C(∞，t)＝0 (3-4b)初始条件为c(x，0)＝0(3-4c)应用Laplace变换可得C(x,t)=C0x2tπDhtexp(ux2DH)exp(-u2t4DH)exp(-x24DHt)----(3-5)]]>由上式经计算机模拟就可以求得u和DH。3.2泥沙含量的获得由(3-5)式计算的DH和已测量的泥沙含量p，用下式拟合ρ=aexpbDH]]>在以后的测量中，由a＝0.185，b＝1.426和DH的模拟结果就可以求出泥沙含量；以上计算和数据存贮通过水流和泥沙含量测试计算机软件实现。3.3水流流速和泥沙含量测试软件简介本软件主要实现电解质脉冲输出控制、数据采集、数据处理和结果输出等功能。所述水流和泥沙含量测试的计算机软件按以下步骤制作采用windows 9x/me下的Visual Basic为开发工具，整个软件分为五大模块，即数据采集模块、数据显示模块、数据计算模块、数据存储模块和误差分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
电解质脉冲法测量水流流速和泥沙含量的方法，按以下步骤进行： １）建立一维电解质脉冲传导模型 泥沙输运控制微分方程为： ｈｗ＊Ｃ／＊ｔ＋ｈｗｕ＊Ｃ／＊ｘ＝＊／＊ｘ（ｈｗＤ↓［Ｈ］＊Ｃ／＊ｘ） （１） 式中：ｈ为水流深度（ｍ）；ｗ为水流宽度（ｍ）；Ｃ为水流中的泥沙含量（ｇ／ｌ或ｋｇ／ｍ↑［３］），ｕ是水流速度；是ｘ和ｔ的函数；ｘ向坡下的坐标（ｍ）；ｔ为时间（ｓ）；Ｄ↓［Ｈ］为（电解质）泥沙在水中的扩散系数（ｍ↑［２］／ｓ）； 控制条件下水流的入流量Ｑ↓［０］为常数，即： Ｑ↓［０］＝ｈｗｕ＝常数 （２） 设实验条件可以进一步控制，使得： ｕ＝常数 则有： ｈｗ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ （３） 将（３）代入（１）式得： ＊Ｃ／＊ｔ＋ｕ＊Ｃ／＊ｘ＝＊／＊ｘ（Ｄ↓［Ｈ］＊Ｃ／＊ｘ） （４） 问题得边界条件为： Ｃ（０，ｔ）＝Ｃ↓［０］δ（ｔ） （４ａ） Ｃ（∞，ｔ）＝０ （４ｂ） 初始条件为： ｃ（ｘ，０）＝０ （４ｃ） 应用Ｌａｐｌａｃｅ变换可得： Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ↓［０］ｘ／２ｔ＊ｅｘｐ（ｕｘ／２Ｄ↓［Ｈ］）ｅｘｐ（－ｕ↑［２］ｔ／４Ｄ↓［Ｈ］）ｅｘｐ（－ｘ↑［２］／４Ｄ↓［Ｈ］ｔ） （５） 由上式经计算机模拟就可以求得ｕ和Ｄ↓［Ｈ］； ２）泥沙含量的获得 由（５）式计算的Ｄ↓［Ｈ］和已测量的泥沙含量ρ，用下式拟合： ρ＝αｅｘｐ↑［ｂＤ］↓［Ｈ］］ （６） 在以后的测量中，由ａ＝０．１８５，ｂ＝１．４２６和Ｄ↓［Ｈ］的模拟结果就可以求出泥沙含量； ３）通过以上理论依据的计算和数据存贮，制作通过水流和泥沙含量测试的计算机软件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷廷武，夏卫生，赵军，王辉，
申请(专利权)人：中国科学院水利部水土保持研究所，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]