坡面流流速测定方法

  摘要：在坡面土壤侵蚀中，水流是产生土壤侵蚀和泥沙运移的动力，水流速度的研究是定量分析土壤剥蚀和径流挟沙能力的基础。颜色示踪法、盐液示踪法和流量法等流速测定方法的采用为建立土壤侵蚀模型获取了许多重要参数。目前的概念性土壤侵蚀模型如RUSLE和WEPP模型，综合了土壤侵蚀机理研究的成果，能达到一定的预报效果，但在精度上有时还不如经验模型，其中水流速度的准确测量是一个很重要的原因。 关键词：坡面流流速 测量方法 一、引言       水流是产生土壤侵蚀和泥沙运移的动力，水流速度的研究是定量分析土壤剥蚀和径流挟沙能力的基础。颜色示踪法和盐液示踪法等流速测定方法的采用为建立土壤侵蚀模型获取了许多重要参数。目前的概念性土壤侵蚀模型如RUSLE和WEPP模型，综合了土壤侵蚀机理研究的成果，能达到一定的预报效果，但在精度上有时还不如经验模型。这主要有二方面的原因：一是土壤侵蚀机理的研究还不够深入；二是模型参数不够准确。在坡面侵蚀过程中，影响土壤侵蚀的因子主要是下垫面的特性、水流速度和降雨因素等。其中水流速度的准确测量是目前土壤侵蚀定量研究的难题之一。 二、流速测量方法       1、浮标法       浮标法是河流测速中很常用，简单易行的一种方法。在河流测速中，在上游的某一位置放置漂浮物，同时用秒表记下当时的时间，当漂浮物到达下游某一位置时记录时间，同时测出这两个位置的距离，就可以算出河水的流速，重复几次就可以求出河水的平均流速。但是这种方法只能测出流体的表面流速。在坡面流测速中，我们也可以用此种方法，漂浮物可以选用较为小的诸如泡沫颗粒一类的东西。两点间的距离应该是径流流过的距离。重复几次，即可确定水流速度的平均值。此种方法简单易行，不足之处就是误差较大。用公式表示为：                                                                      2、颜色示踪法       颜色示踪法也是河流测流速的一种方法。通过给流体注入染色剂，如红墨水，在初始位置倒入染色剂并记录时间，选定某一位置作为中止位置，当染色后的流体到达时记录时间，就可以求出水流流速。多做几个重复，就可以求出此段距离内的平均流速。这种方法同样简便易行，误差较浮标法小，但要注意距离不能选得太长，否则染色剂会稀释严重，肉眼不易观察。计算公式和浮标法相同       3、盐液示踪法       盐液示踪法是在上游某一位置给径流中注入盐液，同时用秒表记录时间，通过布设在下游的电极来感应盐液的到达，由连接在电极上的灵敏电流计显示出来。通过时间差和距离，就可以算出此段距离内的流体速度。 计算公式和上式相同，只不过时间 为从开始注入染色剂到电流计的指针发生明显偏移的时间。       4、流量法       在明渠水流测量过程中，对于非常规则的渠道，流量法是目前测量流速比较准确的方法之一，其原理明确、简单。对于坡面薄层水流，由于水流深度在厘米级，其误差主要是产生于水层厚度的测量。在不同坡度和泥沙含量条件下，测量水流流量与水深，流量用积分桶测量，水深用水位计测量，水位计的精度为1/10mm。可以用公式表示为：                                                        5、电解质脉冲法       这是一种较新的测速方法。在示踪法的基础上，假设加入的盐液为电解质脉冲，建立盐液在水流中迁移的数学模型，并求得解析解，再根据测量结果拟合出水流速度，这种方法即为电解质脉冲法。该方法从理论和初步测量结果来看是可行的，但其可行性还需要用大量的实验进行验证，分析泥沙含量、流速和流量对测量结果的影响。由于在野外或室内不规范的条件下，至今没有一种好的方法对薄层水流流速进行比较准确的测量，因此只有在室内设置规范的模拟水槽，建立盐液在水流中迁移的数学模型，并求得解析解，经模数转换后用最小二乘法对电解质迁移的数学模型进行拟合，计算出水流速度。同时，用质心运动速度和流量法的测量结果对这种方法进行验证。 三、小结       1、在含沙量较少的情况下,以上各种方法在不同坡度下测量的结果非常接近。       2、在无泥沙和流速较小时，示踪法能较好地测量水流速度。但在坡面土壤侵蚀过程中，由于坡度、坡长、水流速度、土壤等因素的影响，水流中泥沙含量会有很大差异；同时，由于剥蚀作用使水流中的泥沙不断增加，而泥沙的沉降作用又使泥沙含量不断减少，因此水流中的泥沙是一个不断变化的动态过程。这样就导致泥沙含量的变化使示踪法经验系数难以精确确定。       3、泥沙含量较高时，由于水流的沉降和冲刷使质心运动速度滞后于水流速度，前四种方法受此影响较大，而电解质脉冲法测量的水流速度受此影响不大，但其可行性仍需要用大量的实验进行验证，分析泥沙含量、流速和流量对测量结果的影响。 参考文献 [1] 夏卫生,张宏等.电解质脉冲法测量降雨条件下坡地水流速度的实验研究.水土保持通报,2002,12(6) [2] 夏卫生,雷廷武等.坡面薄层水流流速测量的比较研究.农业工程学报,2004,3(2) [3] 张光辉,卫海燕等.坡面流水动力学特性研究.水土保持学报,2001,3(1) [4] 姚文艺.坡面流流速计算的研究.中国水土保持,1993(3)