专利名称：一种测量坡面径流小区流量过程的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量坡面径流小区流量过程的装置和方法。
背景技术：
土壤侵蚀和坡面水文特性的研究通常借助人工降雨或自然降雨条件下的坡面径流观测，然而，水流含沙的特点增加了径流观测的难度。加之坡面径流具有水头低(无压水流)，流量小(通常只有几升/秒)的特点。因此，广泛应用于渠道、河道的测流装置受到灵敏度和精确度的限制而难以应用。
由于受野外现场环境的特殊性和复杂性限制，目前国内外坡面径流小区流量观测普遍采用集水池法和多孔分流法，如文献1“World MeteorologicalOrganization.Guilde to meteorological instrument and observing practices.，1961，W.M.O-No.8TP3.”和文献2“Pinson，W T，Yoder，D C，Buchanan，J R，Wright，W C，Wilkerson，JB.Design and Evaluation of an Improved Flow Divider forSampling Runoff Plots.Applied Engineering in Agriculture[J]，2004，20433-438.”中公开的技术，其共同之处是都需要人工收集径流，人工测量。因此操作过程繁琐，费时费力，测量结果受人为因素影响比较大，且不能实现过程观测。此外，这两种方法的致命缺陷是在暴雨情况下容易产生溢流，从而常常造成观测数据缺失。
在降雨侵蚀的过程中，降雨强度和降雨历时都存在随机性，径流过程对于理解侵蚀机理以及坡面流水动力规律是非常重要的。为了实现径流的过程观测，国内外的学者都进行了大量的相关研究，其中基于翻斗法的流量计是典型的一种流量计，如文献3“曹建生，刘昌明，张万军.基于翻斗法的自动量水技术及其应用[J].水利水电科学进展，2005.25(2)49-52.”、文献4“Barfield B J，M C Hirschi.Tipping bucket flow measurements on erosion plots [J].Transaction of ofthe ASAE.1986，29(6)1600-1604.”和文献5“Ahmed A H，Khan and Chin K O.1997.Design and Calibration of Tipping Bucket System for Field Runoff andSediment Quantification.Journal of Soil and Water Conservation52(6)437-443.”中公开的技术。该方法的原理已经广泛应用于雨量计，即利用机械测量元件(通常为对称式翻斗室)把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量及过程。但是，坡面径流是不同于雨量观测的集中水流，强度相对较大，惯性力影响产生的误差会比雨量观测中的放大，而且该现有技术中没有解决如何考虑含沙量的问题。
因此，就需要一种新的测量坡面径流小区流量过程的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的不足，解决野外人工操作费时费力、精度低的缺点，而且解决含沙水流的观测问题，从而提供一种测量坡面径流小区流量过程的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下一种测量坡面径流小区流量过程的装置，如图1、2所示，包括一拉力传感器1固定在一支架10的顶部，所述拉力传感器1的拉力点位于一承重管2的正上方；所述承重管2通过至少一根刚性绳7与所述拉力传感器1连接；柔性伸缩管3通过第一卡箍8和第二卡箍9分别与所述承重管2和一个导流管件4连通；所述导流管件4通过固定部件12固定在所述支架10上；一引流装置5，引流装置入口为梯形收缩结构，引流装置出口设计为具有跌水功能的双层落差结构，引流装置5通过焊接或胶接方式与所述导流管件4连通。所述梯形收缩结构即从入口处的垂直梯形截面逐渐向内是收缩减小的。
进一步地，还包括一数据显示装置11通过导线13与拉力传感器1连接，用于显示拉力输出。
进一步地，还包括在所述入口引流装置5内安装一泥沙传感器6，该泥沙传感器6与数据显示装置11连接，从而对含沙水流进行精度修正，适用于降雨径流中含沙量较大的地区。
进一步地，所述导流管件4和所述入口引流装置5集成为一体。
进一步地，该装置包括两根所述刚性绳，两根刚性绳分别以一端在所述承重管2的轴线两侧对称地固定在承重管外表面，两根刚性绳的另一端共同固定在拉力传感器1的受力点上，从而减少承重管的晃动，提高观测质量。
进一步地，所述数据显示装置11包括数据采集器、数据处理器，该数据处理器对数据采集器采集到的拉力传感器数据进行计算，并显示流量数据。
进一步地，所述数据显示装置11实时显示数据、图形，或着数据和图形。
结合上述装置，一种测量坡面径流小区流量过程的方法，包括如下步骤1)参数标定按照公式Q=f(F)=αF32]]>进行标定，求出α；其中Q表示流量，F表示拉力；2)将装置至于测量地开始流量测量，记录各个时刻的拉力传感器拉力值F；3)根据拉力值F用公式Q=f(F)=αF32]]>和步骤1)中标定求得的参数α计算各个时刻的流量值Q。
在上述方法步骤中，进一步地，在径流含沙量比较大的地区，泥沙浓度会对观测结果有一定影响，如果需要更为精确的径流观测值，则步骤2)还包括记录各个时刻拉力值对应的水流含沙量值c；且步骤3)中的公式替换成如下公式Qc=2650α1.65c+2650F32,]]>根据该公式通过步骤2)中得到的拉力值F和水流含沙量值c计算各个时刻的流量值Qc，此流量值是考虑径流含沙量的。
与现有技术相比，本发明的优点在于1)本发明可以实现坡面径流小区流量过程的精确观测；2)实验装置简便，无需存水，而且还可以很方便实现实时自动观测；3)可以对含沙量大的水流观测结果进行含沙量影响的校正；4)本发明精度高，结实耐用并且省时省力，为相关人员的野外实验和水土流失野外监测工作节省大量的时间、人力和物力。
图1表示本发明的坡面径流小区流量测量装置的结构组成剖面图；图2表示本发明装置核心结构的立体剖视示意图；图3表示本发明装置承重管受力图；图4表示本发明装置承重管中对应同一水面高度的水力半径R和过水断面A的数值关系；
图5表示拉力值和实际流量回归分析图；图6表示人工观测径流量与仪器观测值的对比分析；其中虚线表示不考虑含沙量影响的情况，实线表示经过含沙量校正的情况；图7表示含沙量引起流量观测的相对误差。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述首先结合附图3-7，描述本发明的原理和试验验证结果。
如图3所示，作用在称重管部分的力和动量，根据受力和动量平衡，有ΣM=0⇒Fδ+Ms+fWsinθδcosθ-FsL2cosθ=0]]>ΣFy=0⇒Fscosθ+F-Ffsinθ-W+Ftsinθ=0]]>ΣFx=0⇒Ffcosθ+Fssinθ-Ftcosθ=0...(1.1-1.3)]]>式中F-作用在拉力传感器上的拉力，单位千克(kg)；θ-是称重管的坡度(≈1°)；f-水流作用在称重管上的摩擦力系数；W-是称重管中水体的重力，单位kg；δ-拉力F和重力W作用线的距离，单位米(m)，(实际上非常小可以忽略)；L-是称重管的长度，单位m；ε1，ε-分别是称重管在拉力点A和支撑点B的微小形变引起的位移量，单位米(m)；因为称重管在拉力点A和支撑点B的形变量非常小，作用在这两个点的力可以用胡克定理表示为FS＝ε1K1，FS＝εK，式中K，K1为弹性系数(kg/m)。所以公式(1.1-1.3)可以表示为Ms=FsL2cosθ-Fδ-fWtgθδ]]>K1ϵ1cosθ+Kϵ=W+Ftsinθ-Ftsinθ]]>Ft=Ff+Fstgθ...(2.1-2.3)]]>柔性的软管连接可以使称重管在一定程度上灵活转动，所以柔性管的连接可以看作铰连接，那么就有Ms≈0。假设ε1≈ε，将(2.3)代入(2.2)得到ε(K1cosθ+K)＝W-Fstgθsinθ≈W (3.1)且θ≈1°，可以认为tgθsinθ≈0上式可以变形为ϵ=W(1-fsinθ)K1cosθ+K...(3.2)]]>带入F＝εK可以得到F=K(1-fsinθ)K+K1cosθW...(4.1)]]>对于柔性塑料管，K1＜＜K，且当θ≈1°时，fsinθ＜＜1。所以，在任何确定的时刻，作用在称重管上的水的重力和拉力值之间可以近似为线性关系。
水的密度随温度的变化范围很小4℃时为1000千克/立方米(kg/m3)；20℃时998.2kg/m3≈1000kg/m3，在实际的工程应用中，水的密度一般认为是个恒值。因此，在不考虑水流含沙量即清水的情况下，有以下关系成立F∝W W∝V(4.2)式中V是特定时刻称重管中水的体积，L；从而可以推出以下关系F∝V (4.3)上式表明作用在拉力传感器上的拉力是由流量决定的。反之，如果这种关系存在，流量观测就可以通过拉力值的观测实现，其函数关系如下V＝f-1(F) (4.4)在水流含沙量为0kg/m3即清水的情况下，通过称重管的水流可以看作明渠恒定流。谢才公式(5)和满宁公式(6)可以得到明渠均匀流的流量公式(7)Qi=ACR...(5)]]>C=1nR16...(6)]]>Q=1nAi12R23...(7)]]>式中Q-流量，L/s；
i-水力坡度，m/m；A-过水面积，m2；C-谢才系数，m1/2/s；R-水力半径，m；n-满宁系数，无量纲；在无压管道中，如文献“吴持恭.水力学(上册)[M].北京高等教育出版社，1982.240”中公开的，水力半径的计算如下 式中，d为管道直径，单位m；φ为水面弦的圆心角。
在满足实际应用的前提下，为了简化(8)中Q和R的关系，对内径为60mm的称重管，对不同水面高度所对应的R和A进行回归分析(图4)在水面高度不超过管道半径的范围内，R和A的数值间呈较好的相关关系公式(9)相关系数可以到达0.97。
R=σA34...(9)]]>将公式(9)代入公式(7)，得Q=1ni12σA32...(10)]]>因为称重管相对较短且沿水流方向断面可近似为恒定，因此可以认为V＝A1，代入公式(10)则有Q=1ni12σ(1l)32V32...(11)]]>对于物理结构，材料，尺寸既定的径流观测装置，公式中除了称重管中的水的体积V外，都是常量，因此Q是含有单一变量V的函数如公式(12)Q∝V32...(12)]]>把公式(4.2)的关系代入公式(12)得Q∝F32]]>或Q=f(F)=αF32...(13)]]>以上是水流含沙量为0即清水的情况。在含沙水流的情况下，对应的同样重量的水，其体积小于清水的情况。因此，某时刻对应相同的拉力值，含沙水流的实际流量小于清水的流量。设水流的含沙量为c(kg/m3)，实际流量为Qc(m3/s)，则与清水情况的流量的关系可以表示如下Qρw＝ρwf(F) (14.1)并且Qρw=Qcc+(Qcρw-Qccρsρw)...(14.2)]]>合并化简(14.1)和(14.2)，得Q=Qccρw+(Qc-Qccρs)=f(F)...(15)]]>式中ρw＝1000kg/m3水的密度；ρs＝2650kg/m3为干土密度。以上公式可进一步变形为Qc=2650α1.65c+2650F32...(16)]]>以上的公式表明，只要拉力传感器配套泥沙含量传感器同时获得径流含沙量就可以实现含沙水流径流观测。
参照图1制作本发明的测量坡面径流小区流量过程的装置，拉力传感器1采用市场所售的常规产品，比如CZL-1R型称重传感器，拉力传感器1的量程为1000g，精度为0.1g；承重管2的内径为60mm，长度为26mm，用两根钢丝绳7悬于拉力传感器1正下方，为了增强稳定性减少水流通过时称重管的晃动，两钢丝绳在承重管上的两个受力点和拉力传感器受力点呈等腰三角分布。泥沙浓度传感器6采用市场所售常规产品，或着采用现有技术的泥沙浓度传感器如“王辉，雷廷武，赵军，刘清坤.坡面径流量与含沙量动态测量系统[J].农业机械学报，2005.36(1)79-82.”中公开的技术。数据采集器11通过导线与拉力传感器1、泥沙传感器6进行有线通讯，数据采集器11以1/3克(g)为一个基本单位，因此具有1/3000的分辨率。
拉力传感器1和泥沙浓度传感器6与数据采集器11的数据传输通过普通电线13连接实现；外壳10的加工采用25×4mm角铝做框架，外包1mm厚的铁皮，外观尺寸为500mm×200mm×200mm；柔性伸缩管3采用市场所售的橡胶波纹管，实施例中波纹管的内径同称重管，为60mm，长度为12mm；导流管件4采用于承重管2相同材质和型号，即60mmm内径PVC管，长度为12mm。实施例中入口引流装置5采用1mm厚的铁皮定型焊制。引流装置5与导流管件4的连接采用锚固加胶接。
引流装置5的入口为梯形收缩结构；出口设计为具有跌水功能的双层落差结构，具有互相连接的上下两层，引流的水从上层跌落到下层；引流装置5与所述导流管件4连通，梯形收缩结构即从入口处的垂直梯形截面逐渐向内是收缩减小的，这样作的好处是有利于引导水流。
数据采集器11可以在软件程序的控制下自动采集、存储拉力传感器1的原始数据，并可以通过软件程序把采集到的拉力数据换算成流量值，本领域技术人员根据下面介绍的方法能够胜任对于数据采集器11的控制。
其测量方法为如下步骤1)标定参数；在清水的条件下，通过放水试验，人工和仪器分别观测流量值和拉力值，对结果进行对比和拟合，并与理论推导的模型进行比较。实施过程中，采用马氏瓶原理的水箱体积约为1m3提供恒压水流，用水管将水引到仪器入口处；在引水管的末端安装阀门，人工控制阀门是流量从小到大再从大到小均匀变化，实施例中流量在0-3000ml/s和3000-0ml/s范围调节；人工在仪器的出口处取样，用体积法计算流量作为流量观测的标准值；人工取样的同时读取记录数据采集器采集到的对应时刻的拉力值。
作为实施例，此处人工观测采用5个重复取平均。
对于人工观测的流量值与对应的拉力值，用公式(14)回归分析见图6。
2)不考虑含沙量的流量观测计算；人工配置不同的含沙量(比如50kg/m3，100kg/m3和150kg/m3)，进行放水试验。用推导的模型和数据采集装置自动观测流量，如图6所示，虚线关系的计算流量没有考虑含沙量的影响即采用公式Q=f(F)=αF32]]>进行计算并与人工同步观测的结果进行比较。
3)通过含沙量进行观测修正；对于含沙水流，含沙量作为一个独立的变量，其数值用泥沙传感器进行观测。将观测结果和标定参数α代入Qc=2650α1.65c+2650F32]]>可计算得出流量观测仪器值。
从图5可以看出拉力值和流量之间存在非常好的相关性，R2＝0.98；小流量的时候数据点基本在曲线上，随着流量的增大，数据点偏移曲线的幅度越来越大，但平均相对误差仍低于5％。相对误差随着流量增大而增大是由于人工读表的误差所致。人工取样的过程中，取样时间是通过秒表读取的，不同操作者的反映时间存在个体差异，这就会引起一定的误差，对于特定的操作者，反映时间的延迟基本上是一定的，因此可以在一定程度上抵消。但是，对于收集一定体积的取样过程，流量小的时候取样时间相对较长，反映时间引起相对误差也较小，当流量增大时，取样时间也越来越短，反映时间引起的误差相对值会不断增大。这势必会在流量的观测结果中有所表现。
同时，拉力值和流量之间呈幂函数关系证明了在清水条件下，通过水力推导所得到的函数关系是真实存在并且具有实际应用价值的。拉力值与流量之间的拟合函数同时可以用来作为该流量观测装置的标定函数，即公式(13)中，α＝0.069。从标定结果还可以得出，径流传感器的分辨率可以达到0.07ml/s。
从图6中可以看出在考虑含沙和不考虑含沙的两种情况下，流量的人工观测结果和计算值都具有相当好的相关关系，确定系数R2分别为0.9976和0.9989。
以上结果表明1)流量观测装置就有很好的观测精度，与观测结果的相对误差在6％以内，考虑含沙量影响的情况下平均相对误差仅为0.4％；2)对基于拉力传感器的径流观测方法而言，小流量情况下，含沙的影响并不是很明显；但随着流量增大，含沙量的影响也逐渐增大。这是因为在小流量的时候水流能量有限携带泥沙的量相对较少；随着流量增大，水流挟沙能力增大，含沙量相对较大。
图7是利用公式16计算得到含沙量与相对误差的关系曲线。从图中可以看到，含沙量为100kg/m3，引起的相对误差在5％以内，当含沙量为500kg/m3时，相对误差超过30％。因此，在具体的实施过程中，如果径流量比较大或土壤易侵蚀的情况下，用含沙量数据对观测结果进行修正是有必要的。而在流水含沙量相对较低地方，忽略含沙量的影响也可以得到相当精度的观测结果。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，包括一拉力传感器(1)固定在一支架(10)的顶部，所述拉力传感器(1)的拉力点位于一承重管(2)的正上方；所述承重管(2)通过至少一根刚性绳(7)与所述拉力传感器(1)连接；一柔性伸缩管(3)通过第一卡箍(8)和第二卡箍(9)分别与所述承重管(2)和一个导流管件(4)连通；所述导流管件(4)通过固定部件(12)固定在所述支架(10)上；一引流装置(5)，该引流装置(5)通过焊接或胶接方式与所述导流管件(4)连通。
2.根据权利要求1所述测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，还包括一数据显示装置(11)通过导线(13)与拉力传感器(1)电连接。
3.根据权利要求1所述测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，还包括在所述引流装置(5)内安装一泥沙浓度传感器(6)，该泥沙浓度传感器(6)与数据显示装置(11)连接。
4.根据权利要求1所述测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，所述导流管件(4)和所述引流装置(5)集成为一体。
5.根据权利要求1所述测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，该装置包括两根所述刚性绳，两根刚性绳分别以一端在所述承重管(2)的轴线两侧对称地固定在承重管外表面，两根刚性绳的另一端共同固定在拉力传感器(1)的受力点上。
6.根据权利要求1所述测量坡面径流小区流量过程的装置，其特征在于，所述数据显示装置(11)包括数据采集器、数据处理器，该数据处理器对数据采集器采集到的拉力传感器数据进行计算。
7.一种利用权利要求1所述装置测量坡面径流小区流量过程的方法，包括如下步骤1)参数标定；按照公式Q=f(F)=αF32]]>进行标定，求出α；其中Q表示流量，F表示拉力；2)将装置至于测量地开始流量测量，记录各个时刻的拉力传感器拉力值F；3)根据拉力值F用公式Q=f(F)=αF32]]>和步骤1)中标定求得的参数α计算各个时刻的流量值Q。
8.根据权利要求7所述测量坡面径流小区流量过程的方法，其特征在于，步骤2)还包括记录各个时刻拉力值对应的水流含沙量值c；且步骤3)中的公式替换成如下公式Qc=2650α1.65c+2650F32;]]>根据该公式通过步骤2)中得到的拉力值F和水流含沙量值c计算各个时刻的流量值Qc。
全文摘要
本发明公开了一种测量坡面径流小区流量过程的装置和方法，该装置包括一拉力传感器，一支架，一承重管，至少一根刚性绳，柔性伸缩管，第一卡箍，第二卡箍，一个导流管件，固定部件，引流装置。该方法，包括如下步骤1)参数标定；按照公式Q=f(F)=αF
文档编号G01F1/704GK1967162SQ20061011338
公开日2007年5月23日 申请日期2006年9月26日 优先权日2006年9月26日
发明者雷廷武, 赵军, 屈丽琴 申请人:雷廷武