[发明专利]一种电解质质心法测量坡面水流流速的方法

说明书

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。

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：

式中：T_i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：C_ij为第i个感应装置在T_j时刻测量的电解质浓度，单位为Kg/m³：T_j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x_i；

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：