專利名稱：：電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及薄層水流流速測量領(lǐng)域，特別涉及一種電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置及方法。
背景技術(shù)：
：坡面土壤侵蝕過程中，水流是產(chǎn)生土壤侵蝕和使泥沙運移的動力，坡面薄層水流流速是所有土壤侵蝕過程模型的必要參數(shù)。如果獲得的水流流速不準確，即使侵蝕總量預(yù)測是準確的，侵蝕過程的預(yù)測一般也是錯誤的。徑流水流的厚度通常都是毫米級，水流速度受坡度、坡長、流量和下墊面粗糙度等多重因素的影響，因此，探求一種有效的測量水流流速的方法或工具是當前研究的重點和難點。在測量細溝或切溝等存在明顯流線的水流流速時，傳統(tǒng)的流速計由于體積太大等原因而無法使用，只能采用明渠的水流公式，利用土壤粗糙度、徑流通量、細溝寬度和坡長等參數(shù)間接推求水流流速，但是受水流深度和含沙量等因素的影響，這種方法所測結(jié)果的可信度較低。流量法對于規(guī)則橫斷面的流速測量簡單有效，但在實際中很難使用。近期提出的熱脈沖法、浮游反光材料示蹤法、光電或電導(dǎo)傳感器法以及電解質(zhì)示蹤法等，理論尚不完善，有待進一步深入研究和實踐驗證。目前常用的方法有鹽液示蹤法和染色劑示蹤法，但受泥沙含量和流態(tài)的影響，由最大流速計算平均流速的經(jīng)驗參數(shù)一直不能準確確定?，F(xiàn)有技術(shù)還提出了利用電解質(zhì)脈沖模型測量坡面薄層水流流速的方法，該方法采用溶質(zhì)運移模型理論，將高濃度鹽溶液盡可能快速地注入到徑流中，在一定位置處預(yù)設(shè)傳感器，監(jiān)測徑流中電導(dǎo)率的變化過程，將試驗數(shù)據(jù)與溶質(zhì)運移的一維對流彌散模型擬合，計算對流彌散方程中的參數(shù)，包括平均流速，達到測量水流流速的目的。該方法從理論上能夠在一定條件下準確預(yù)測水流流速。然而，由于設(shè)備的限制，輸入邊界為脈沖函數(shù)的假定在實際中很難實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是精確測量坡面上的薄層水流流速，提高測量效率。(二)技術(shù)方案為此，本發(fā)明提供的一種電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置，所述裝置放置在產(chǎn)生薄層水流的坡面上，所述裝置包括電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，用于向所述薄層水流內(nèi)注入鹽溶液；數(shù)個感應(yīng)探針，以一定間距設(shè)置在所述坡面上，用于采集溶液電導(dǎo)率隨時間變化的信號，將采集到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器；所述數(shù)據(jù)采集管理器，與所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生器和感應(yīng)探針相連接，用于控制所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生器開始向薄層水流內(nèi)注入溶液，還用于將感應(yīng)探針發(fā)送的電導(dǎo)率信號發(fā)4送至操作控制計算機系統(tǒng)；所述操作控制計算機系統(tǒng)，與所述數(shù)據(jù)采集管理器相連接，用于根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速；i<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中C表示歸一化的溶液電導(dǎo)率；x表示沿所述坡面的坡長方向的坐標，單位為m；u表示水流流速，單位為m/s；t表示時間，單位為s；Dh表示水動力彌散系數(shù)，單位為m2/s；A、B、D均為待定參數(shù)。所述操作控制計算機系統(tǒng)控制電解質(zhì)脈沖發(fā)生器開始向薄層水流內(nèi)注入溶液。本發(fā)明還提供了一種電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的方法，包括步驟10、將鹽溶液注入到坡面薄層水流中；步驟20、當鹽溶液流經(jīng)各個感應(yīng)探針時，感應(yīng)探針采集鹽溶液的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，并發(fā)送所述電導(dǎo)率隨時間變化的信號至數(shù)據(jù)采集管理器；步驟30、數(shù)據(jù)采集管理器將接收到的信號發(fā)送給操作控制計算機系統(tǒng)，操作控制計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速u，并分別生成采集的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，與模擬的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，記錄并存儲所述流速和曲線<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>當上邊界條件為脈沖函數(shù)(4)C(x,t)=8(t)x=0下邊界條件為(5)C(x,t)=0x=⑴初始條件為(6)溶質(zhì)的初始濃度為零⑷(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(6)時，(3)的解析解為(7)在已知(7)的情況下，線性系統(tǒng)的輸入信號的響應(yīng)是輸入信號與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>將距離所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生最近處的感應(yīng)探針采集的電導(dǎo)率隨時間的變化信號作為(3)的邊界條件，所述邊界條件用正態(tài)或正弦函數(shù)描述，其中正態(tài)函數(shù)模擬邊界條件的表達式為(8)，正弦函數(shù)模擬邊界條件的表達式為(10)，將(7)和(8)代入(9)中，求解得到公式(1)，將(7)和(10)代入(10)中，求解得到公式(2)。(三)有益效果本發(fā)明提供的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置及方法，通過數(shù)值計算與現(xiàn)代測量技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了對坡面上薄層水流流速的精確測量，大大提高了測量精度和效率，而且操作簡單，儀器便攜，為土壤侵蝕模型以及相關(guān)領(lǐng)域研究提供了一個良好的測量工具。圖1是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的方法流程圖；圖3是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置實施例二結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例二的實測的邊界條件電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖；圖5(a)_(i)是本發(fā)明實施例的不同試驗條件下正態(tài)模型與實測溶質(zhì)濃度變化的擬合曲線圖；圖6(a)_(i)是本發(fā)明實施例的不同試驗條件下正弦模型與實測溶質(zhì)濃度變化的擬合曲線圖；圖7是本發(fā)明實施例的正態(tài)模型和正弦模型在不同試驗條件下測量的流速值比較示意圖。圖8是現(xiàn)有測量方法的測量結(jié)果與本發(fā)明方法的計算結(jié)果的比較示意圖。其中，1:電解質(zhì)脈沖發(fā)生器；2感應(yīng)探針；3數(shù)據(jù)采集管理器；4操作控制計算機系統(tǒng)；5有機玻璃槽；6水量注入設(shè)備。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本裝置包括電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1、數(shù)個感應(yīng)探針2、數(shù)據(jù)采集管理器3和操作控制計算機系統(tǒng)4。其中電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1用于向坡面薄層水流內(nèi)注入溶液；該溶液可以為飽和KC1溶液，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1可以設(shè)置在坡面上需要測量流速的位置；數(shù)個感應(yīng)探針2以一定間距設(shè)置在坡面中，用于采集溶液電導(dǎo)率隨時間變化的信號，將采集到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集管理器3，感應(yīng)探針2的個數(shù)根據(jù)需要可以設(shè)置若干，感應(yīng)探針2之間的間距可以根據(jù)需要設(shè)置；數(shù)據(jù)采集管理器3與電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1和感應(yīng)探針2相連接，用于控制電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1開始向薄層水流內(nèi)注入溶液，還用于將感應(yīng)探針2發(fā)送的電導(dǎo)率隨時間的變化信號發(fā)送至操作控制計算機系統(tǒng)4；操作控制計算機系統(tǒng)4與數(shù)據(jù)采集管理器3相連接，用于根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速U;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中C表示歸一化的溶液電導(dǎo)率，C0表示初始溶液電導(dǎo)率K1表示t時刻的溶液電導(dǎo)率；X表示沿坡面的坡長方向的坐標，單位為m；u表示水流流速，單位為m/s；t表示時間，單位為s;DH表示水動力彌散系數(shù)，單位為m2/s；A、B、D均為待定參數(shù)。本實施例提供的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置，用于測量坡面薄層水流的流速。其中，操作控制計算機系統(tǒng)也可以控制電解質(zhì)脈沖發(fā)生器開始向薄層水流內(nèi)注入溶液。其中公式(1)和(2)的推導(dǎo)過程如下鹽溶液注入到地表徑流中，將與水流發(fā)生對流彌散作用，鹽溶液在水中的遷移運動是一個很復(fù)雜的過程，受很多因素影響，如水流流速、水流泥沙含量、水質(zhì)等。為了有效地量化這一過程，現(xiàn)有技術(shù)中提出以下3點基本假定來建立測量模型1)水流為一維穩(wěn)態(tài)流，溶質(zhì)運移也是一維的；2)在給定測量距離內(nèi)的流速可認為是平均值，即為常數(shù)；3)初始注入鹽溶液的時間很短，可以假設(shè)符合脈沖函數(shù)。根據(jù)上面3點假設(shè)且不考慮降雨及入滲影響時，溶質(zhì)在一維穩(wěn)態(tài)水流中的對流彌散方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，C表示歸一化的溶液電導(dǎo)率；χ表示沿坡面的坡長方向的坐標，單位為m;u表示水流流速，單位為m/s；t表示時間，單位為s；Dh表示水動力彌散系數(shù)，單位為m2/s。根據(jù)模型假設(shè)，上邊界條件為脈沖函數(shù)δ(t)，表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)假定水槽無限長，因此下邊界條件為Dirichlet第一類邊界，表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)徑流中溶質(zhì)的初始濃度為零，因此初始條件為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(6)聯(lián)立偏微分方程(3)，邊界條件(4)、(5)及初始條件(6)，利用拉普拉斯變換(Laplace’stransformation)求得模型的解析解，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>公式(7)是在上邊界條件為單位脈沖函數(shù)時溶質(zhì)對流彌散方程的解析解。其中Ctl表示溶液初始電導(dǎo)率，C0,u和Dh為待定參數(shù)。本發(fā)明實施例對上述現(xiàn)有技術(shù)中的測量模型的上邊界條件脈沖函數(shù)進行改進，在坡面上溶液流經(jīng)的途徑上設(shè)置感應(yīng)探針，由感應(yīng)探針采集溶液的電導(dǎo)率隨時間的變化信號，根據(jù)實際測得的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律，采用正態(tài)函數(shù)和正弦函數(shù)近似擬合邊界條件。當邊界條件已知后，利用Duhamel積分，模型的真實輸入即由該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)與實際邊界輸入的卷積計算。設(shè)計試驗裝置收集電導(dǎo)率在時間和空間上的變化，與實際邊界條件下的模型解擬合，利用最小二乘法計算出平均水流流速。其中正態(tài)函數(shù)模擬邊界條件的表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其它(8)式中，參數(shù)A、B、D可以通過公式⑶與距溶液注入點最近的感應(yīng)探針實測的電導(dǎo)率變化數(shù)據(jù)擬合計算。對于一個線性系統(tǒng)而言，在已知單位脈沖信號下作用的響應(yīng)函數(shù)，即方程(7)的情況下，任何輸入信號的響應(yīng)是輸入信號與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(9)將公式(7)和(8)代入到公式(9)中，得到當實際邊界輸入為正態(tài)分布函數(shù)時，對應(yīng)的解如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>同理正弦函數(shù)模擬邊界條件的表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其它(10)將公式(7)和(10)代入公式(9)中，得到當實際邊界輸入為正弦分布函數(shù)時，對應(yīng)的解如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)o如圖2所示，為發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的方法流程圖，本方法使用上述實施例的裝置，本方法包括如下步驟步驟10、將飽和鹽溶液注入到坡面薄層水流中；本步驟使用電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，將飽和鹽溶液注入到電解質(zhì)脈沖發(fā)生器中，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器根據(jù)數(shù)據(jù)采集管理器的控制指示，將飽和鹽溶液注入到薄層水流中；步驟20、當飽和鹽溶液流經(jīng)各個感應(yīng)探針之后，感應(yīng)探針采集飽和鹽溶液的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，并發(fā)送該電導(dǎo)率隨時間變化的信號；本步驟中，感應(yīng)探針將采集到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集管理器，數(shù)據(jù)采集管理器再將該信號發(fā)送至操作控制計算機系統(tǒng)；步驟30、根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式⑴或⑵進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，求得水流流速U，并分別生成采集的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，與模擬的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，記錄并存儲流速和曲線圖。操作控制計算機系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)分析計算系統(tǒng)利用公式(1)或(2)計算得到薄層水流流速。如圖3所示，是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置實施例二結(jié)構(gòu)示意圖；本實施例在試驗室中模擬對坡面上薄層水流流速的測量過程，以此為例驗證本方法的精確性和效率，為此本實施例還設(shè)置了有機玻璃槽5和水量注入設(shè)備6。其中有機玻璃槽5長4m，高50cm，寬15cm，呈一定坡度放置，比如可以與地面呈4°，或8°，或12°夾角等來放置，用于模擬真實的坡面。在有機玻璃槽5頂端水流比較穩(wěn)定的位置設(shè)置溶液注入點，根據(jù)經(jīng)驗，距有機玻璃槽1的頂端Im處一般情況下水流達到穩(wěn)定，因此可以在該點設(shè)置溶液注入點；水量注入設(shè)備6用于向有機玻璃槽5中注入清水，形成一定流量的徑流，用于模擬坡面的薄層水流；電解質(zhì)脈沖發(fā)生器1靠近溶液注入點放置，用于將飽和氯化鉀(鹽)溶液注入有機玻璃槽5中；感應(yīng)探針2以一定的間距設(shè)置在有機玻璃槽5上，用于采集鹽溶液的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，將采集到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集管理器3；比如感應(yīng)探針2可以設(shè)置在距離溶液注入點5Cm、30Cm、60Cm、90Cm、120cm和150cm處。數(shù)據(jù)采集管理器3與感應(yīng)探針2相連接，用于接收感應(yīng)探針2采集的信號，將接收到的信號發(fā)送至操作控制計算機系統(tǒng)4，操作控制計算機系統(tǒng)4根據(jù)接收到的電導(dǎo)率信號，生成實測的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，及模擬的電導(dǎo)率隨時間變化的函數(shù)關(guān)系圖，并按公式(1)或(2)經(jīng)計算機模擬求得水流流速U。如圖4所示，為本發(fā)明實施例二的實測的邊界條件電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖。根據(jù)不同試驗條件下測得的鹽溶液濃度數(shù)據(jù)隨時間變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(1)計算模型參數(shù)，得到不同試驗條件下正態(tài)模型與實測溶質(zhì)濃度變化的擬合曲線圖如圖5(a)-⑴所示，從圖中可以看出，正態(tài)模型預(yù)測的溶液濃度與實測數(shù)據(jù)擬合趨于一致，能夠較好地捕捉峰值及濃度下降的趨勢，確定系數(shù)基本都大于0.9。在不同試驗條件下不同測量距離計算得到的平均流速如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，模型預(yù)測的平均流速隨著坡度及流量的增加而逐漸增加，這與事實相符。另外，不同測量位置預(yù)測的平均流速值差異很小，這與模型計算的前提亦是一致的。因此，說明正態(tài)模型的理論及參數(shù)求解程序的合理性。表1正態(tài)模型與正弦模型計算得到的平均流速值(m/s)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根據(jù)不同位置處測得的鹽溶液濃度數(shù)據(jù)隨時間變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(2)計算模型參數(shù)，得到不同試驗條件下正弦模型與實測溶質(zhì)濃度變化的擬合曲線圖如圖6(a)_(i)所示，由圖6(a)_(i)可見，在不同坡度和流量條件下，正弦模型與實測數(shù)據(jù)的擬合非常一致。隨著坡度和流量的增加，單次電解質(zhì)通過感應(yīng)探針的時間顯著縮短。確定系數(shù)幾乎均大于0.9。不同試驗條件下，正弦模型在各測量位置處預(yù)測的水流平均流速值如表1所示。利用不同位置處測量的試驗數(shù)據(jù)計算得到的流速值之間的變化規(guī)律不是很明顯，T檢驗的結(jié)果亦表明流速在不同的測量位置間無顯著差異。該結(jié)果表明地表水流基本上是穩(wěn)態(tài)的，這與模型的假設(shè)一致。坡面水流流速隨著流量及有機玻璃槽坡度的增加呈增加的趨勢，流量對流速的影響較坡度對流速的影響更顯著，這一結(jié)論是合理的。因此，通過分析表明，利用正弦函數(shù)模擬邊界計算坡面薄層水流流速是合理的。下面通過正態(tài)模型和正弦模型的預(yù)測結(jié)果來比較分析流速預(yù)測的合理性。如圖7所示，為正態(tài)模型和正弦模型在不同試驗條件下測量的流速值比較示意圖，可見，所有數(shù)據(jù)點幾乎都落在1:1的直線附近，說明兩個模型在預(yù)測流速時沒有顯著差異。因此，正態(tài)分布函數(shù)和正弦函數(shù)均能夠較好地模擬實際采集的邊界條件，以此為邊界條件建立的正態(tài)模型和正弦模型能夠很好地擬合各位置處的實測數(shù)據(jù)，并且預(yù)測水流流速值隨流量和坡度的變化具有合理性。通過兩個模型預(yù)測的平均水流流速無顯著差異，進一步證明了模型的合理性及可行性。下面將本發(fā)明實施例的正態(tài)模型、正弦模型與現(xiàn)有技術(shù)中測量流速的流量法和漂浮物法的測量結(jié)果進行對比，驗證正態(tài)模型和正弦模型預(yù)測流速的準確性。如圖8所示，為現(xiàn)有測量方法的測量結(jié)果與本發(fā)明方法的計算結(jié)果的比較示意圖，并利用線性回歸擬合。結(jié)果表明流量法測得的流速值是正態(tài)模型和正弦模型計算結(jié)果的0.789倍，確定性系數(shù)為0.854。流量法的原理是利用監(jiān)測水流流量與水深計算流速，其中流量用積分桶測量，水深用水位計測量，流量法計算的流速精度主要取決于水深的測量精度，由于水位計的精度為l/10mm，這就意味著流量法測量薄層水流流速亦有10%的相對誤差。據(jù)此分析，流量法測量的流速值與正態(tài)模型和正弦模型計算結(jié)果之間的差異是可以解釋的，能夠反映模型計算結(jié)果的合理性。漂浮物法測量的流速值是本發(fā)明的方法計算結(jié)果的1.013倍，確定性系數(shù)為0.801，與本發(fā)明測得的流速差異很小，這一結(jié)果進一步說明了正態(tài)模型和正弦模型計算結(jié)果的準確性。本發(fā)明提供的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置及方法，通過將溶液的電導(dǎo)率隨時間的變化信號作為對流彌散方程的邊界條件，通過數(shù)值計算與現(xiàn)代測量技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了短距離內(nèi)對薄層水流流速的測量，大大提高了測量精度，而且操作簡單，儀器便攜，為土壤侵蝕模型以及相關(guān)領(lǐng)域研究提供了一個良好的測量工具。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求一種電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置，其特征在于，所述裝置放置在產(chǎn)生薄層水流的坡面上，所述裝置包括電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，用于向所述薄層水流內(nèi)注入鹽溶液；數(shù)個感應(yīng)探針，以一定間距設(shè)置在所述坡面上，用于采集溶液電導(dǎo)率隨時間變化的信號，將采集到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集管理器；所述數(shù)據(jù)采集管理器，與所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生器和感應(yīng)探針相連接，用于控制所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生器開始向薄層水流內(nèi)注入溶液，還用于將感應(yīng)探針發(fā)送的信號發(fā)送至操作控制計算機系統(tǒng)；所述操作控制計算機系統(tǒng)，與所述數(shù)據(jù)采集管理器相連接，用于根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速u；<mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>&Integral;</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mi>x</mi><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><msqrt><mi>&pi;</mi><msub><mi>D</mi><mi>H</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><msub><mrow><mn>4</mn><mi>D</mi></mrow><mi>H</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>A</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;&tau;</mi></mrow><mi>B</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>D</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d&tau;</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>&Integral;</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mi>x</mi><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><msqrt><mi>&pi;</mi><msub><mi>D</mi><mi>H</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><msub><mrow><mn>4</mn><mi>D</mi></mrow><mi>H</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>Aexp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mi>&tau;</mi><mo>-</mo><mi>D</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mi></mi></mrow><msup><mrow><mn>2</mn><mi>B</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>d&tau;</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中C表示歸一化的溶液電導(dǎo)率；x表示沿所述坡面的坡長方向的坐標，單位為m；u表示水流流速，單位為m/s；t表示時間，單位為s；DH表示水動力彌散系數(shù)，單位為m2/s；A、B、D均為待定參數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置，其特征在于，所述操作控制計算機系統(tǒng)控制電解質(zhì)脈沖發(fā)生器開始向薄層水流內(nèi)注入溶液。3.一種使用權(quán)利要求1的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟10、將鹽溶液注入到坡面薄層水流中；步驟20、當鹽溶液流經(jīng)各個感應(yīng)探針時，感應(yīng)探針采集鹽溶液的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，并發(fā)送所述電導(dǎo)率隨時間變化的信號至數(shù)據(jù)采集管理器；步驟30、數(shù)據(jù)采集管理器將接收到的信號發(fā)送給操作控制計算機系統(tǒng)，操作控制計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速u，并分別生成采集的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，與模擬的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，記錄并存儲所述流速和曲線圖；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(2)4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的方法，其特征在于，所述公式⑴或⑵按照以下方法得到對于對流彌散方程(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(3)當上邊界條件為脈沖函數(shù)(4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(4)下邊界條件為(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(5)初始條件為(6)溶質(zhì)的初始濃度為零<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(6)時，(3)的解析解為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(7)在已知(7)的情況下，線性系統(tǒng)的輸入信號的響應(yīng)是輸入信號與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(9)將距離所述電解質(zhì)脈沖發(fā)生最近處的感應(yīng)探針采集的電導(dǎo)率隨時間的變化信號作為(3)的邊界條件，所述邊界條件用正態(tài)或正弦函數(shù)描述，其中正態(tài)函數(shù)模擬邊界條件的表達式為(8)，正弦函數(shù)模擬邊界條件的表達式為(10)，將(7)和(8)代入(9)中，求解得到公式(1)，將(7)和(10)代入(9)中，求解得到公式(2)。全文摘要本發(fā)明公開了一種電解質(zhì)示蹤測量薄層水流流速的裝置及方法，該方法包括將鹽溶液注入到電解質(zhì)脈沖發(fā)生器中，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器將鹽溶液注入到坡面薄層水流中；當鹽溶液流經(jīng)各個感應(yīng)探針時，感應(yīng)探針采集鹽溶液的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，并發(fā)送該信號至數(shù)據(jù)采集管理器；數(shù)據(jù)采集管理器將該信號發(fā)送至操作控制計算機系統(tǒng)存儲，操作控制計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)接收到的電導(dǎo)率隨時間變化的信號，按公式(1)或(2)進行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)計算，得到水流流速u，并分別生成采集的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖與模擬的電導(dǎo)率隨時間變化的曲線圖，記錄并存儲流速和曲線圖。本發(fā)明大大提高了薄層水流流速的測量精度，操作簡單，提高了測量效率。文檔編號G01P5/00GK101825646SQ20101017152公開日2010年9月8日申請日期2010年5月7日優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日發(fā)明者史曉楠,啜瑞媛,趙軍,雷廷武申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)