[發(fā)明專利]電解質(zhì)脈沖法測量水流流速和泥沙含量的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01131826.0
• 申請日: 2001-12-18
• 公開（公告）號: CN1354357A
• 公開（公告）日: 2002-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷廷武;夏衛(wèi)生;趙軍;王輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所
• 主分類號: G01F1/74
• 分類號: G01F1/74;G01N33/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 李鄭建

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量水流流速和泥沙含量的方法，進(jìn)一步涉及電解質(zhì)脈沖法測量水流流速和泥沙含量的方法。

二、技術(shù)領(lǐng)域

我國是一個(gè)水土流失嚴(yán)重，多沙河流的國家之一，泥沙問題相當(dāng)突出。在水利水電工程建設(shè)、水文觀測預(yù)報(bào)、工程取水和土壤侵蝕預(yù)報(bào)等方面，水流速度和水體泥沙含量的測量是一個(gè)十分重要而國內(nèi)外至今未能很好解決的問題。特別在土壤侵蝕預(yù)報(bào)中，細(xì)溝和淺溝的水速測量，傳統(tǒng)的水速計(jì)由于體積或誤差太大等原因而無法使用，只有用徑流通量進(jìn)行推求；由于土壤蒸發(fā)和入滲的作用，使測定結(jié)果可信度很低。含沙量的測量一般采用取樣烘干法。即取一定體積的具有代表性的樣品，經(jīng)過預(yù)處理、烘干、稱重求其含沙量。這種方法準(zhǔn)確，但操作過程繁雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能快速、實(shí)時(shí)測量。鑒于徑流速度和含沙量測量的重要性，近幾十年來許多學(xué)者在這方面從理論和方法上做了大量的工作，希望在這方面有所突破，以便更好地進(jìn)行定量研究。

徑流速度的測量主要是測量其平均速度及其截面的速度分布。徑流平均速度的測定除了用傳統(tǒng)方法之外，目前有些學(xué)者試圖采用漂浮法和微流速計(jì)。漂浮法即用極小的漂浮體放入徑流中，用跟蹤攝像法測定漂浮體的移動速度，經(jīng)校正后求得。由于降雨的打擊和侵蝕細(xì)溝的不規(guī)范性，使實(shí)際操作非常困難。微流速計(jì)從理論上來看是可行的，而實(shí)際上任何微小的變化如泥沙含量的變化都會對測量結(jié)果造成很大的影響。截面流速分布的測定一般用激光法(簡稱LDV)、相位多普勒粒子分析儀(簡稱PDPA)和聲學(xué)多普勒流速計(jì)(簡稱ADV)。這些方法都是基于(激)光或聲波對不同流速水體的折射和反射而形成影像不同而進(jìn)行分辨。這些在室內(nèi)研究流場時(shí)應(yīng)用非常廣泛，并取得了比較滿意的效果；但不能用于薄層徑流和野外測量。要產(chǎn)生新的測試方法必須借助新的理論，波動學(xué)和量子力學(xué)認(rèn)為波特別是幾率波在流動介質(zhì)中的傳播是可以定量描述的，這為我們用電解質(zhì)脈沖測定徑流速度提供了理論依據(jù)。

目前含沙量的測量主要有五種方法。一是振動法：利用振動學(xué)原理，根據(jù)諧振棒在水中的周期不同推求含沙量。這種儀器穩(wěn)定性較差，零點(diǎn)漂移嚴(yán)重；在測低含沙量時(shí)，受溫度影響較大。二是光電法：利用Bear理論和光在介質(zhì)中的吸收和散射作用，由消光度推求含沙量。這種方法由于泥沙顆粒分布廣泛性和流動性使其很難應(yīng)用。三是γ射線法：根據(jù)水和沙對γ射線共同吸收的原理，測定一定厚度水體中泥沙的厚度。在水靜止時(shí)，或水流速度不大，或者可以假定水流速度和泥沙流動速度一致時(shí)，這種方法是可行的。四是超聲波法：超聲波法分為超聲波反射法和超聲波衰減法。前者根據(jù)超聲波的反射量與沙粒的正比例關(guān)系，從而測定含沙量。后者是考慮媒體對超聲波的散射、吸收和超聲波自身的擴(kuò)散因素，利用傳感器檢測其能量的衰減計(jì)算含沙量。兩者測定的范圍都較窄(0-3kg/m³)。五是激光法：其原理仍是利用光在介質(zhì)中的衰減，只是采用激光具有高度的空間相干性和時(shí)間相干性，特別是與計(jì)算機(jī)的結(jié)合和光導(dǎo)纖維的應(yīng)用，使外界漂移或擾動的影響減少，從而提高了測試效率和精度。但這種設(shè)備不僅笨重、龐大，而且成本較高，很難廣泛使用這些測量方法的共性問題是：不適用于坡面土壤侵蝕過程中薄層徑流含沙量的測量，并且成本很高，受外界影響大。

三、發(fā)明內(nèi)容

綜觀以上方法，要測定薄層徑流流速和含沙量必須采用新的理論，設(shè)計(jì)精度較高，體積較小并能用于薄層、高含沙水流的快速直接讀取的設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)理論，幾率波(如電解質(zhì)脈沖)在介質(zhì)中傳播時(shí)，波強(qiáng)變化與介質(zhì)本身的速度、介質(zhì)的特性及傳導(dǎo)距離有關(guān)。電解質(zhì)脈沖具有發(fā)射、接收簡單，受外界干擾小，根據(jù)其變化從理論而言不僅可以求得含沙量，還可以同時(shí)計(jì)算水體的流速。從脈沖法在其它領(lǐng)域應(yīng)用的情況來看，如測定植物莖中的水汽流動，土壤水分的入滲速率等，效果較好；本項(xiàng)目如能得到資助，加上我們的不斷探索，是完全有可能實(shí)現(xiàn)薄層徑流流速和含沙量的同時(shí)測量。這種方法將對土壤侵蝕定量研究以及其它方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

本發(fā)明的目的是，以溶質(zhì)運(yùn)移理論、波動學(xué)、傳導(dǎo)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)，利用電解質(zhì)脈沖運(yùn)移模型，測量水流特別是較薄水流速度和泥沙含量，提供一種電解質(zhì)脈沖法測量水流流速和泥沙含量的方法。并結(jié)合室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，制作測定徑流速和含沙量的儀器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：研究將以溶質(zhì)運(yùn)移理論、波動學(xué)、傳導(dǎo)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)建立并求解電解質(zhì)脈沖在含沙徑流中的運(yùn)移模型，分析模型中水流速度和泥沙含量的特征量，并以理論依據(jù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存貯，制作通過水流和泥沙含量測試的計(jì)算機(jī)軟件。