1、doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.04.021不同示蹤法測(cè)量礫石層中水流流速研究收稿日期：2014-06-10修回日期：2014-08-15不同示蹤法測(cè)量礫石層中水流流速研究收稿日期：2014-06-10修回日期：2014-08-15國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41230746)作者簡(jiǎn)介：陳麗燕，博士生，主要從事土壤侵蝕研究,E-mail：cly508通訊作者：雷廷武，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕和旱地農(nóng)業(yè)研究,E-mail：leitingwu陳麗燕雷廷武董月群顏燕(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)摘要：采用室內(nèi)試驗(yàn)，用平均粒徑約2cm的

2、礫石，在長(zhǎng)4m、寬15cm、高50cm的水槽內(nèi)堆積厚為5cm的礫石層，在坡度為4。、8。、12。和流量為3、6、12L/min條件下，距離電解質(zhì)脈沖發(fā)生器0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m處放置探針，測(cè)量電導(dǎo)率變化過(guò)程,計(jì)算水流的最大流速、優(yōu)勢(shì)流速和平均流速,并用染色劑示蹤法對(duì)比礫石層中水流的最大測(cè)量流速。結(jié)果表明，試驗(yàn)所用各工況，流量對(duì)流速的影響不顯著，坡度增大，流速明顯增大。試驗(yàn)條件下，水流的優(yōu)勢(shì)流速變化范圍為0.0310.070m/s,優(yōu)勢(shì)流速與最大流速的比值穩(wěn)定，在0.810.83之間。平均流速與優(yōu)勢(shì)流速的比值隨坡長(zhǎng)的增加逐漸增大，增長(zhǎng)的速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。平均流速與最大流速

3、的比值在0.680.78之間，并隨距離的增加稍有增大。關(guān)鍵詞：礫石層平均流速優(yōu)勢(shì)流速最大流速電解質(zhì)示蹤法中圖分類號(hào)：S157.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10001298(2015)04>0141刃6EstimatingVelocityofWaterFlowwithinGravelLayerbyDifferentTracerMethodsChenLiyanLeiTingwuDongYuequnYanYan(CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)Ab

4、stract:Mountainoussoilsoftencontainlargeamountsofgravelswhichimpactrainfallinfiltration,runoffandsoilerosion.Theflowvelocitywithingravelsisofgreatimportanceforresearchofsoilerosionprocessinrockymountainousareas.Dyetracermethodwascommonlyusedtomeasuretheleadingedge.velocity.Thegravelsofabout2cmindiam

5、eterwereusedtofilltoathicknessofabout5cminaflumeof4mlong,15cmwideand50cmhigh.Fivesensorswereusedtomeasuretheelectrolyteconductivitychangeprocessat0.3,0.6,0.9,1.2and1.5mfromthesoluteinjectorunderthreeflowratesof3,6and12L/minandthreeslopegradientsof4°,8°and12°.Thepeak,meanandleadingedge

6、velocitieswerecomputedbeforecomparisonsweremadewiththosemeasuredbyusingdyetracermethod.Theresultsshowedthatunderdifferentconditions,flowvelocitywasnotsignificantlyaffectedbydischargerate,butnotablyaffectedbyslope.Withtheincreaseinslope,flowvelocityincreasedfrom0.031m/sto0.070m/s.Thepeakvelocitieswer

7、e0.81083timesoftheleadingedgevelocity,regardlessoftheeffectofslopeandflowrate.Meanvelocitieswereaboutthesameasthepeakvelocities,whichwere0.68078timesoftheleadingedgevelocitiesandincreasedwithdistanceincreasing.Theratioofmeanvelocityandleadingedgevelocitycanbealsousedtocalculatetheflowvelocitywithing

8、ravelsmeasuredbydyetracermethod.Themethodshouldbeusefultounderstandthehydrodynamicsofwaterflowwithingravellayers.Keywords:GravellayerMeanvelocityPeakvelocityLeadingedgevelocityElectrolytetracermethod。普(1)3=0)(%=00)(£=0)(2)1.2.1(4)式中引言石質(zhì)山區(qū)土壤常含有大量礫石，土壤表面及土壤內(nèi)部的礫石會(huì)對(duì)降雨入滲產(chǎn)生影響U-力，并影響地表徑流、水動(dòng)力參數(shù)和土壤侵蝕。土壤

9、中的礫石一方面會(huì)限制水分入滲，另一方面更多的大孔隙通道會(huì)促進(jìn)水分的入滲和再分布。礫石的類型、大小、含量及其在土層中的位置對(duì)水流速度的影響也不相同t5-71o大量研究表明，入滲率隨礫石含量的增加而增大4310土壤表面的礫石能降低雨滴對(duì)土壤表面的濺蝕，減少侵蝕產(chǎn)沙量?，F(xiàn)有的土壤侵蝕過(guò)程模型3-w都描述了土壤中礫石對(duì)土嚷侵蝕的影響。Box提出將礫石覆蓋因子作為一個(gè)單獨(dú)的因子放在土壤流失模型中。土壤的質(zhì)地以及礫石在土壤中的位置不同，對(duì)徑流和侵蝕以及產(chǎn)沙量的影響也不同。地表礫石覆蓋會(huì)引起徑流流速、降雨入滲以及土壤侵蝕的變化。徑流流速的大小引起水流挾沙能力的增強(qiáng)或減弱，從而導(dǎo)致土壤侵蝕量和泥沙輸移量在時(shí)間

10、和空間上重新分布。水流在礫石中的流動(dòng)速度比在礫石表面速度慢得多，水流速度的減小使水流的挾沙能力降低，對(duì)礫石下的土壤起到保護(hù)作用。符素華等【在室內(nèi)人工降雨條件下，采用染色劑示蹤法測(cè)量北京山區(qū)普通褐土上不同降雨強(qiáng)度、不同礫石覆蓋度水流流速，結(jié)果表明水流流速和土壤侵蝕量隨礫石覆蓋度的增加呈指數(shù)遞減；降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量和土壤侵蝕量的影響與礫石覆蓋度的關(guān)系不明顯。薄層水流的最大流速、平均流速以及優(yōu)勢(shì)流速的關(guān)系，主要通過(guò)校正系數(shù)來(lái)確定，但由于水流流態(tài)、坡度、泥沙含量等因素的影響，校正系數(shù)一直不能準(zhǔn)確確定，5-18o目前關(guān)于礫石層中水流的3個(gè)流速之間的關(guān)系研究很少。因此，本文采用電解質(zhì)示蹤法測(cè)量電解質(zhì)在礫石層

11、內(nèi)水流中的傳輸，通過(guò)不同測(cè)量斷面水流電導(dǎo)率的變化，計(jì)算水流的優(yōu)勢(shì)流速和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度；同時(shí)采用染色劑示蹤法測(cè)量礫石層內(nèi)水流的最大流速，對(duì)礫石層內(nèi)各測(cè)量斷面的速度進(jìn)行分析，并對(duì)3個(gè)流速之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行分析。1研究方法1.1電解質(zhì)示蹤法溶質(zhì)遷移模型在較短距離內(nèi)，忽略土壤入滲作用和降雨產(chǎn)生的影響，可假定水流速度變化不大3心，根據(jù)菲克定律和質(zhì)量守恒定律，描述溶質(zhì)在一維穩(wěn)態(tài)流中的對(duì)流彌散方程為】-dCdCa+U=dtdxdx式中C水流中某測(cè)量斷面的電解質(zhì)濃度,kg/m3x沿坡長(zhǎng)方向的坐標(biāo)，mu水流流速，m/st時(shí)間,sDh電解質(zhì)在水中的彌散系數(shù),m2/s當(dāng)上邊界條件假設(shè)為脈沖函數(shù)時(shí)，式（1）的邊界條件和

12、初始條件為戶（，）C（"）=Jolo式中Co電解質(zhì)初始濃度3（0脈沖函數(shù)式（1）的解析解為C（x9t）=CQexp2tJD訕1.2最大流速、優(yōu)勢(shì)流速和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算方法電解質(zhì)示蹤法測(cè)量水流流速，根據(jù)計(jì)算流速所用的時(shí)間不同來(lái)定義最大流速、優(yōu)勢(shì)流速和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度。最大流速是以電解質(zhì)前鋒到達(dá)測(cè)量斷面所用的時(shí)間計(jì)算得到的流速，優(yōu)勢(shì)流速是以電解質(zhì)濃度峰值到達(dá)測(cè)量斷面所用的時(shí)間計(jì)算得到的流速，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度是以電解質(zhì)質(zhì)心到達(dá)測(cè)量斷面所用的時(shí)間計(jì)算得到的流速。3種流速都是以電解質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)示蹤水流的流速。各流速的計(jì)算如圖1所示。最大流速的測(cè)量采用染色劑示蹤法測(cè)量水流的最大流速eT,最大流速，m/

13、sLe染色劑注入點(diǎn)與測(cè)量斷面之間的距離，mTe染色劑由注入斷面到達(dá)測(cè)量斷面所用時(shí)間，s1.2.2優(yōu)勢(shì)流速通過(guò)薄層水流流速測(cè)量?jī)x測(cè)量不同工況下測(cè)量斷面的電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的過(guò)程，由一對(duì)傳感器對(duì)應(yīng)的2個(gè)探針測(cè)量得到的電導(dǎo)率達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差及2個(gè)探針之間的距離，計(jì)算該斷面的優(yōu)勢(shì)流速叩辛(5)p式中%優(yōu)勢(shì)流速，m/sL一一電解質(zhì)溶液注入點(diǎn)到測(cè)量斷面的距離,mTp電導(dǎo)率峰值到達(dá)測(cè)量斷面所用的時(shí)間，s1.2.3電解質(zhì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度將坡面薄層水流中的電解質(zhì)分布看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)群，用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理計(jì)算質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度，即成=辛(6)C式中uc電解質(zhì)溶液的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)流速，m/sTc電解質(zhì)質(zhì)心到達(dá)測(cè)量斷面所用的時(shí)間，s質(zhì)心

14、到達(dá)測(cè)量斷面的時(shí)間ZCZ(7)EG式中G測(cè)量斷面的探針在時(shí)間T,所測(cè)的電壓以第一個(gè)探針測(cè)量的質(zhì)心通過(guò)時(shí)間為起點(diǎn)，由各點(diǎn)的時(shí)間差和距離計(jì)算電解質(zhì)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)對(duì)流彌散理論，可以認(rèn)為質(zhì)心流速等于平均流速。夏衛(wèi)生曾用公式推導(dǎo)得出，水流的平均流速和電解質(zhì)脈沖的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度在理論上是相等的。2試驗(yàn)材料與儀器2.1均勻流速水槽及供水箱用有機(jī)玻璃制作長(zhǎng)4m、寬14.7cm、高50cm的水槽，水槽前端20cm處設(shè)置有機(jī)玻璃板，上面均勻布置大小為5cm的孔，用來(lái)緩沖水流，保證水流穩(wěn)定進(jìn)入槽身，末端設(shè)有百葉窗，用于排水。水槽底部粘接粒徑為1mm的砂紙，模擬土壤下墊面。水槽一端可升降，用以調(diào)節(jié)水槽坡度。為模擬

15、徑流，水槽前端設(shè)有水流注入系統(tǒng)，恒壓均勻輸水系統(tǒng)控制水槽上方來(lái)水流量，供水系統(tǒng)為一個(gè)體積為1.6m3的恒壓水箱，依據(jù)馬氏瓶原理設(shè)計(jì)而成，流入水槽的流量通過(guò)板閥開(kāi)啟大小來(lái)控制。2.2薄層水流流速測(cè)儀薄層水流流速測(cè)量系統(tǒng)主要由電解質(zhì)脈沖發(fā)生器、感應(yīng)探針、數(shù)據(jù)采集管理器、操作控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成C礫石在水槽內(nèi)堆積厚度為5cm。距離入水口20cm的距離段放置直徑大小約4cm的礫石，用于穩(wěn)定水流流速，其余部分堆積粒徑大小約2cm的礫石。在距離入水口1m處水槽內(nèi)放置電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，使電解質(zhì)溶液能滴入到礫石層內(nèi)，分別在距離脈沖發(fā)生器下游0.3、0.6。9、1.2、1.5m處各固定一組探針，測(cè)定該斷面的電導(dǎo)率

16、。另外在脈沖發(fā)生器下游約5cm處設(shè)置1組探針，用于測(cè)量電解質(zhì)注入過(guò)程。試驗(yàn)坡度為4。、8。、12。，流量為3、6、12L/min,試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)開(kāi)始前,將飽和KC1溶液，裝入電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，將探針與數(shù)據(jù)采集管理器上相應(yīng)的接口連接，數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接。設(shè)置軟件中的相關(guān)參數(shù):采樣頻率50點(diǎn)/s；采樣時(shí)間為10s,脈沖寬度500ms,脈沖高度100mm0每一工況下，待流量流速穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，測(cè)量不同斷面的電導(dǎo)率;試驗(yàn)結(jié)束，計(jì)算機(jī)中形成6條完整的曲線，并得到電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1礫石層中水流優(yōu)勢(shì)流速利用電解質(zhì)示蹤法測(cè)量得到水流流經(jīng)各斷面的電導(dǎo)率，根據(jù)優(yōu)勢(shì)

17、流速的計(jì)算原理得到各測(cè)量斷面的優(yōu)勢(shì)流速，為研究坡度和流量對(duì)水流速度的影響，對(duì)相同坡度、不同流量和相同流量、不同坡度的流速分別做圖分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，測(cè)量計(jì)算得到各個(gè)斷面的優(yōu)勢(shì)流速比較穩(wěn)定，流量對(duì)流速的影響并不明顯，而坡度對(duì)流速的影響比較明顯，隨著坡度的增大，流速明顯增大。坡度為4。時(shí)水流流速約為0.035m/s,8°時(shí)增加到約0.052m/s,12°時(shí)為0.065m/s。3.2優(yōu)勢(shì)流速與最大流速的關(guān)系不同坡度、流量下電解質(zhì)示蹤法測(cè)量得到不同位置的優(yōu)勢(shì)流速與染色劑示蹤法測(cè)量得到的最大流速如表1所示。從表1可以看出，染色劑示蹤法得到的最大流速與電解質(zhì)示蹤法得到

18、的優(yōu)勢(shì)流速隨流量和坡度的變化規(guī)律基本相同，證明了優(yōu)勢(shì)流速的合理性。將計(jì)算得到的各測(cè)量斷面的優(yōu)勢(shì)流速與染色劑示蹤法測(cè)量得到的最大流速進(jìn)行比較，通過(guò)常數(shù)項(xiàng)為零的線性擬合，結(jié)果如圖3所示。從圖3優(yōu)勢(shì)流速與最大流速的線性擬合系數(shù)可以看出，隨著測(cè)量距離的增加，優(yōu)勢(shì)流速與最大流速的比值變化較小，穩(wěn)定在0.810.83之間。在薄層水流中，優(yōu)勢(shì)流速和最大流速近似相等，礫石層中由于水流速度的減小,使水流中電解質(zhì)峰值到達(dá)測(cè)量0.080.080.08.o3L/minO6L/minA12L/minO3UminO6L/minA12LAnin0,0.060.046,0.060.04OO2o030.08。4。0.60.9距

19、離An(a)8°1.215°%距離An(b)12A12°0.08。4。8°A12。巨0.060.040.060.04旦0.060.04°%0.080.060.04o3L/minO6L/minA12L/min0.3。4。°%0.60.9距離Zm(d)12°%距離/m(e)12OO2o0.60.9距離/m(c)08°121.5A12°0.60.9距離Zm(012圖2不同坡度與不同流量條件下各測(cè)量斷面的流速變化Fig.2Flowvelocitiesatdifferentdis

20、tancesunderdifferentflowratesandslopegradients(a)4°(b)8°(c)12°(d)3L/min(e)6L/min(f)12L/min表1優(yōu)勢(shì)流速與最大流速Tab.1Peakingvelocityandleadingedgevelocitym/s0.08r.0.06-0.04-0.020.08r.0.06-0.04-0.020.08r%04ao.0.040.060.08最大流速/(ms-1)(b)0.08r0.040.060.08最大流速/(ms*)(a)0604。a偵日善濱案攔08060402Q。O。rS.UI)國(guó)熙

21、席寒o10.1y=0.8072r/?2M).9287t0.020.040.060.080.100.020.040.060.080.10坡度s/(°)流最Q/(L*min-')距離/m染色劑示蹤法最大流速1.21.530.0310.0320.0320.0310.0320.039460.0330.0340.0340.0350.0350.042120.0340.0340.0340.0350.0350.05430.0520.0530.0530.0520.0490.062860.0540.0550.0550.0540.0550.062120.0530.0540.054

22、0.0540.0540.06630.0550.0660.0660.0650.0600.0771260.0690.0700.0690.0680.0670.080120.0670.0690.0690.0680.0700.083最大流速/(ms'最大流速/(ms'(d)(e)圖3不同距離處優(yōu)勢(shì)流速與最大流速對(duì)比Fig.3Comparisonofpeakvelocitieswithleadingedgevelocities(a)0.3m(b)0.6m(c)0.9m(d)1.2m(e)L5m斷面所需的時(shí)間與示蹤劑到達(dá)測(cè)量斷面的時(shí)間相差較大，不能忽略，從而使優(yōu)勢(shì)流速與最大流速存在這樣的比值

23、關(guān)系。3.3平均流速與優(yōu)勢(shì)流速的關(guān)系行比較，通過(guò)常數(shù)項(xiàng)為零的線性擬合，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著測(cè)量距離的增加，平均流速與優(yōu)勢(shì)流速的比值逐漸增大，到1.2m處趨于穩(wěn)定，為0.96,決定系數(shù)均大于0.98,表明二者相關(guān)性將計(jì)算得到的各斷面的平均流速與優(yōu)勢(shì)流速進(jìn)較好。0.08(b)-尸0.9557x.7?2=0.99310.020.040.060.080.10優(yōu)勢(shì)流速/(ms30.080.020.040.060.080.10優(yōu)勢(shì)流速/(ms'(d)(e)圖4不同距離處平均流速與優(yōu)勢(shì)流速對(duì)比Fig.4Comparisonbetweenmeanvelocityandpeakveloc

24、ity(u)0.3m(b)0.6m(c)0.9m(d)1.2m(e)1.5m3.4平均流速與最大流速的關(guān)系將不同工況下各斷面的平均流速與最大流速進(jìn)行比較，通過(guò)常數(shù)項(xiàng)為零的線性擬合，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，平均流速與最大流速的比值隨距離的增大稍有增大，到1.2m處達(dá)到穩(wěn)定，為0.780在坡面薄層水流中，采用校正系數(shù)a表示平均流速與最大流速的比值，并在采用a計(jì)算水流的平均流速。不同水流狀態(tài)，采用不同。值，Abrahams等的田間試驗(yàn)得到層流時(shí)a=0.67,過(guò)渡流a=0.7,紊流a=0.824o本試驗(yàn)得到的平均流速與最大流速的比值也可用于染色劑示蹤法計(jì)算礫石層中水流流速。0.020.040.

25、060.080.10最大流速/(ms'(c)0.08巨0.060.040.040.060.08最大流速/(ms*)(b)0.040.060.080.10最大流速/(ms-%(a)0.100.020.080.060.040.02qS.U1)肩溟茉0.080.08r0.060.040.060.040.020.040.060.080.10最大流速/(ms。0.020.040.060.080.10最大流速/(mL)(<D圖5不同距離處平均流速與最大流速對(duì)比Fig.5Comparisonbetweenmeanvelocityandleadingedgevelocity(a)0.3m(b)0

26、.6m(c)0.9m(d)1.2m(e)1.5m4結(jié)束語(yǔ)礫石層內(nèi)水流的優(yōu)勢(shì)流速在各測(cè)量斷面都比較穩(wěn)定，流量對(duì)流速的影響并不顯著，而坡度對(duì)流速的影響比較顯著，隨著坡度的增大，流速明顯增大。優(yōu)勢(shì)流速變化范圍為0.0310.070m/s。隨著距離的參考增加，優(yōu)勢(shì)流速與最大流速的比值穩(wěn)定在0.810.83之間。平均流速與優(yōu)勢(shì)流速的比值逐漸增大,到1.2m處趨于穩(wěn)定，為0.96。平均流速與最大流速的比值在0.68-0.78之間，并隨距離的增大稍有增大，二者相關(guān)關(guān)系的決定系數(shù)均大于0.9,相關(guān)性較好。文獻(xiàn)1 PoesenJ,Ingelmo-SanchezF,MucherH.Thehydrologicalr

27、esponseofsoilsurfacetorainfallasaffectedbycoverandpositionofrockfragmentsinthetoplayerJ.EarthSurfaceProcessesandLandformsy1990,15(7)：653-671.2 PoesenJ,Ingelmo-SanchezF.RunoffandsedimentyieldfromtopsoilswithdifferentporosityasaffectedbyrockfragmentcoverandpositionJ.CATENA,1992,19(5)：447-451.3 BoxJE.T

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