本发明公开了一种自记式不同含沙量水流流速测定装置及测定方法，装置包括浮球、无弹力连接绳、滑动环、弹性立柱、应力传感器和数据采集记录器。方法包括：(1)配置不同含沙量S的浑水样，测定浑水样中各级粒径泥沙颗粒含量D；将浑水以不同流量倒入模拟沟道中，得到不同流速水流，使用非接触式电子流速仪获得水流实际流速U，同时通过应力传感器得到弹性立柱弯曲应力F；根据上述一系列实验数据建立U与F、S、D之间对应关系，得到U＝f(F,S,D,F×S,F×D,S×D)；(2)根据实际使用中水流各级粒径泥沙颗粒含量D及含沙量S，以及测定装置采集的弯曲应力F，代入上述模型得到实际水流流速U。本发明可测定并记录不同含沙量水流流速，测定结果准确，结构简单。
1.一种自记式不同含沙量水流流速测定方法，其特征在于，步骤是：(1)装置率定：
配置具有不同含沙量S的浑水样，并测定浑水样中各级粒径泥沙颗粒含量D；
设置一率定机构，弹性立柱底端固定在率定机构模拟沟道底部，原始状态下弹性立柱与水底或水面基本垂直；
将配置的浑水以不同流量倒入模拟沟道中，从而在模拟沟道中产生不同流速水流，使用非接触式电子流速仪获得水流实际流速U，同时通过应力传感器得到弹性立柱弯曲应力F；
根据上述一系列实验数据，建立实际水流流速U与弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间对应关系，得到水流流速计算模型U＝f(F,S,D)；
将水流流速测定装置中的弹性立柱底端固定在被测坡面或者沟道底部，保证原始状态下弹性立柱与水底或水面基本垂直，测定当前弹性立柱的弯曲应力F，以及水流含沙量S和水流中各级粒径泥沙颗粒含量D，根据上面装置率定阶段得到的水流流速计算模型U＝f(F,S,D)，计算得到坡面水流实际流速U。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，根据弯曲应力F、含沙量S、水流中各级粒径泥沙颗粒含量D两两间交互作用对流速U的影响，设定实际水流流速U的计算模型为：U＝f(F,S,D,F×S,S×D,F×D)。
3.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，所述水流中各级粒径泥沙颗粒含量D是指不同粒径的泥沙颗粒质量占泥沙颗粒总质量的比例，根据一般水流中泥沙粒径大小分为4类，对应关系如下：类别 粒径m/mm 分类 含量/％
其中，Dji表示第i种含沙量为Si对应的水流中，第j类泥沙颗粒级别含量，j＝1,2,3,4。
4.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，基于权利要求3所述分类，水流实际流速U与弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系为：U＝f(F,S,D1,D2,D3,D4)；
弯曲应力F、水流含沙量S及各级粒径泥沙颗粒含量D均采用二级泰勒展开式，即为抛物线函数，具体为：2
＝[a1+a2·F+a3·F2]+[b1+b2·S+b3·S2]+[c1+c2·D1+c3·D12]+[e1+e2·D2+e3·D22]+[f1+f2·D3+f3·D32]+[g1+g2·D4+g3·D42] ＝[a1+b1+c1+e1+f1+g1]+[a2·F+a3·F2]+[b2·S+b3·S2]+[c2·D1+c3·D12]+[e2·D2+e3·D22]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]；
上式中除U、S、F、D1、D2、D3、D4为试验测定数据外，其余均为模型待定参数，采用多元非线性回归方法得到。
5.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，当U＝f(F,S,D,F×S,S×D,F×D)时，弯曲应力F、水流含沙量S及各级粒径泥沙颗粒含量D均采用二级泰勒展开式，得到：U＝UF+US+UD1+UD2+UD3+UD4+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F
＝{[a1+b1+c1+e1+f1+g1]+[a2·F+a3·F]+[b2·S+b3·S]+[c2·D1+c3·D1 ]+[e2·D2+e3·D22]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]}+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F令CON＝a1+b1+c1+e1+f1+g1，那么上述模型简化为：
U＝CON+[a2·F+a3·F]+[b2·S+b3·S]+[c2·D1+c3·D1 ]+[e2·D2+e3·D2]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F；
上式中除U、S、F、D1、D2、D3、D4为试验测定数据外，其余均为模型待定参数，采用多元非线性回归方法得到。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述测定方法的自记式不同含沙量水流流速测定装置，其特征在于，包括浮球、无弹力连接绳、滑动环、弹性立柱、应力传感器和数据采集记录器，所述浮球通过无弹力连接绳固定在滑动环上，滑动环套接在弹性立柱上，在弹性立柱上的位置可随水位自行滑动调整；所述弹性立柱底端固定在水底，用于检测弹性立柱弯曲应力的应力传感器粘贴在弹性立柱背水面；所述应力传感器与数据采集记录器连接。
7.根据权利要求6所述的自记式不同含沙量水流流速测定装置，其特征在于，所述浮球为空心硬质塑料球，直径在15-30cm之间。
8.根据权利要求6所述的自记式不同含沙量水流流速测定装置，其特征在于，所述无弹力连接绳为无弹力硬质塑料绳，直径为2-4mm。
9.根据权利要求6所述的自记式不同含沙量水流流速测定装置，其特征在于，所述滑动环为空心硬质塑料滑动环，滑动环内径比弹性立柱的直径大5-10mm；
所述弹性立柱直径在5-15cm之间，且采用具有一定弹性系数的塑料或钢质材料制成。
10.根据权利要求6所述的自记式不同含沙量水流流速测定装置，其特征在于，所述浮球、无弹力连接绳以及滑动环采用一次加工成型工艺制作完成。
一种自记式不同含沙量水流流速测定装置及测定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水流流速测定研究领域，特别涉及一种自记式不同含沙量水流流速测定装置及测定方法。
背景技术
[0002] 坡面及沟道水流流速测定对于坡面及沟道水土保持研究具有重要作用与意义，但是由于坡面或沟道水流具有其独特特点，例如水深较小、流态不稳定等，导致其水流流速测定相对困难。目前，坡面或沟道水流流速测定多采用以下两种方法：一种是使用非接触式设备测定，这类设备精度较好，但成本高投入大，不易推广使用。另一种是使用基于较为传统的颜色或盐液等示踪法测定，这类方法精度相对较差。而且上述两种设备均无法避免含沙量对其测定结果造成的影响。
[0003] 因此，能够应用于不同含沙量水流流速测定装置及其测定方法的研究就显得十分重要。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于克服现有技术缺点与不足，提供一种自记式不同含沙量水流流速测定装置，该装置具有结构简单、使用方便、造价低廉、能够自动记录历史流速数据、精度高的优点。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种基于上述自记式不同含沙量水流流速测定装置的测定方法，该方法建立了坡面实际水流流速、弯曲应力、水流含沙量、各级粒径泥沙颗粒含量之间的对应关系，从而可以对不同含沙量水流流速进行自动测定，测定结果更准确，且能够自动记录历史流速数据，具有智能化优点。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案实现：一种自记式不同含沙量水流流速测定装置，包括浮球、无弹力连接绳、滑动环、弹性立柱、应力传感器和数据采集记录器，所述浮球通过无弹力连接绳固定在滑动环上，滑动环套接在弹性立柱上，在弹性立柱上的位置可随水位自行滑动调整；所述弹性立柱底端固定在水底，用于检测弹性立柱弯曲应力的应力传感器粘贴在弹性立柱背水面；所述应力传感器与数据采集记录器连接。
[0007] 优选的，所述浮球为空心硬质塑料球。
[0008] 更进一步的，所述浮球直径在15-30cm之间。
[0009] 优选的，所述无弹力连接绳为无弹力硬质塑料绳，直径为2-4mm。
[0010] 优选的，所述滑动环为空心硬质塑料滑动环，滑动环内径比弹性立柱的直径大5-10mm。
[0011] 优选的，所述弹性立柱直径在5-15cm之间，且采用具有一定弹性系数的塑料或钢质材料制成。
[0012] 具体的，所述浮球、无弹力连接绳以及滑动环采用一次加工成型工艺制作完成。从而可以保证三者间连接牢固可靠。
[0013] 一种基于上述自记式不同含沙量水流流速测定装置的测定方法，步骤是：
[0014] (1)装置率定
[0015] 配置具有不同含沙量S的浑水样，并测定浑水样中各级粒径泥沙颗粒含量D；
[0016] 设置一率定机构，弹性立柱底端固定在率定机构中模拟沟道的底部，原始状态下弹性立柱与水底或水面基本垂直；
[0017] 将配置的浑水以不同流量倒入模拟沟道中，从而在模拟沟道中产生不同流速水流，使用非接触式电子流速仪获得水流实际流速U，同时通过应力传感器得到弹性立柱弯曲应力F；
[0018] 根据上述一系列实验数据，建立实际水流流速U与弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间对应关系，得到水流流速计算模型U＝f(F,S,D)；
[0019] (2)装置使用：
[0020] 将水流流速测定装置中的弹性立柱底端固定在被测坡面或者沟道底部，保证原始状态下弹性立柱与水底或水面基本垂直，测定当前的弹性立柱的弯曲应力F，以及水流含沙量S和水流中各级粒径泥沙颗粒含量D，根据上面装置率定阶段得到的水流流速计算模型U＝f(F,S,D)，得到坡面水流实际流速U。
[0021] 优选的，所述水流中各级粒径泥沙颗粒含量D是指不同粒径的泥沙颗粒质量占水流中泥沙颗粒总质量的比例，根据一般水流中泥沙粒径大小分为4类，对应关系如下：
[0022]类别 粒径/mm 分类 含量/％
1 0.5─2 粗砂类 D1i
2 0.25─0.5 中砂类 D2i
3 0.0625─0.125 细砂类 D3i
4 ∞─0.0625 粉砂类 D4i
[0023] 其中，Dji表示第i种含沙量为Si对应的水流中，第j类泥沙颗粒级别含量，j＝1,2,3,4；基于上述分类，水流实际流速U与弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系为：U＝f(F,S,D1,D2,D3,D4)。
[0024] 自然界中两个变量之间定量关系均可采用某点泰勒级数展开式进行表达，如y＝f(x)函数关系，在x0处泰勒级数展开式为：
[0025] y＝f(x0)+f’(x0)(x-x0)+f”(x0)(x-x0)2/2！+…+f(n)(x0)(x-x0)n/n！+…[0026] 一般而言，泰勒级数展开式的前三项，即二级泰勒级数展开式即可较为精确描述变量之间函数关系。因此，在建立水流流速U与弯曲应力F、水流含沙量S及各级粒径泥沙颗粒含量D之间关系时，均采用二级泰勒展开式，即为抛物线函数。那么水流流速U与弯曲应力F、水流含沙量S及各级粒径泥沙颗粒含量D间模型可分别表述为：
[0027] UF＝a1+a2·F+a3·F2；
[0028] US＝b1+b2·S+b3·S2；
[0029] UD1＝c1+c2·D1+c3·D12；
[0030] UD2＝e1+e2·D2+e3·D22；
[0031] UD3＝f1+f2·D3+f3·D32；
[0032] UD4＝g1+g2·D4+g3·D42；
[0033] 上式中除U、S、F、D1、D2、D3、D4为试验测定数据外，其余均为模型待定参数，采用多元非线性回归方法得到。
[0034] 不同变量项(弯曲应力F、水流含沙量S及各级粒径泥沙颗粒含量D1、D2、D3、D4)之间采用线性叠加关系。因此，基于上述各级粒径泥沙颗粒含量D的分类，实际水流流速U与弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D1、D2、D3、D4之间的对应关系可表达为：
[0035] U＝f(F,S,D1,D2,D3,D4)
[0036] ＝UF+US+UD1+UD2+UD3+UD4
[0037] ＝[a1+a2·F+a3·F2]+[b1+b2·S+b3·S2]+[c1+c2·D1+c3·D12]+[e1+e2·D2+e3·D22]+[f1+f2·D3+f3·D32]+[g1+g2·D4+g3·D42]
[0038] 多项式整理后，得到
[0039] U＝[a1+b1+c1+e1+f1+g1]+[a2·F+a3·F2]+[b2·S+b3·S2]+[c2·D1+c3·D12]+[e2·2 2 2
D2+e3·D2]+[f2·D3+f3·D3]+[g2·D4+g3·D4]。
[0040] 浑水样中不同泥沙含量S与弹性立柱弯曲应力F、各级粒径泥沙颗粒含量D与弹性立柱弯曲应力F、以及各级粒径泥沙颗粒含量D与浑水样中不同泥沙含量S之间均存在交互影响的作用关系，而且这种交互影响的作用关系均对水流流速U产生影响作用。为此，建立实际水流流速U计算模型的时候要考虑到二者交互影响的作用。本发明采用多元非线性回归模型建立实际水流流速U、弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系即为：
[0041] U＝UF+US+UD1+UD2+UD3+UD4+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F[0042] 根据上述泥沙分类，基于多元非线性回归方法得到如下模型：
[0043] U＝{[a1+b1+c1+e1+f1+g1]+[a2·F+a3·F2]+[b2·S+b3·S2]+[c2·D1+c3·D12]+[e2·D2+e3·D22]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]}+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F
[0044] 令CON＝a1+b1+c1+e1+f1+g1，那么上述模型简化为：
[0045] U＝CON+[a2·F+a3·F2]+[b2·S+b3·S2]+[c2·D1+c3·D12]+[e2·D2+e3·D22]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F[0046] 上式中除U、S、F、D1、D2、D3、D4为试验测定数据外，其余均为模型待定参数，根据装置率定过程中获得的Fi、Si、D1i—D4i，采用多元非线性回归方法得到。
[0047] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0048] 1、本发明涉及一种坡面或沟道不同含沙量浅层水流流速测定装置，该装置尺寸可适当调节，该装置可自动采集、记录试验数据用于后续分析，对水流中泥沙浓度含量及泥沙粒径分布无特别要求。因此，可广泛应用于水土保持中坡面或沟道等浅层水流流速测定中。
[0049] 2、本发明可分解组装，小巧易携，使用方便，造价低廉，维护简单，能够自动记录，且精度较好。
[0050] 3、本发明中滑动环和浮球组合的结构可以保证该装置测定的是表层水流流速，因此能够比较真实的获得水流表层流速。
[0051] 4、本发明方法建立了水流实际流速U、弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系，基于本发明装置，采集到当前弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D的数值后，根据计算模型就可以直接得到实际水流流速U，克服了现有技术中所测得的实际水流流速易受含沙量的弊端。
附图说明
[0052] 图1是本实施例的外观结构示意图。
[0053] 图2是无水流流动状态时，本实施例的工作原理示意图。
[0054] 图3是有水流流动状态时，本实施例的工作原理示意图。
[0055] 图4是本实施例装置率定时的结构示意图。
[0056] 其中：1—浮球、2—无弹力连接绳、3—滑动环、4—弹性立柱、5—应力传感器、6—数据采集记录器、7—数据连接线、8—储水装置、9—模拟沟道、10—非接触式电子流速仪。
具体实施方式
[0057] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0058] 实施例1
[0059] 如图1、2所示，本实施例一种自记式不同含沙量水流流速测定装置，包括浮球1、无弹力连接绳2、滑动环3、弹性立柱4、应力传感器5和数据采集记录器6，其中弹性立柱底端固定于水底，直径在5-15cm之间，采用弹性良好的钢质、塑料或其他替代性材料制成，最大程度保证其迎水面面积较小，使得其阻水作用最小。浮球、无弹力连接绳、滑动环均为塑料制成，通过模具一次成型，之间相互连接，保证连接点牢固可靠，浮球为空心硬质塑料球，直径在15-30cm之间，无弹力连接绳为无弹力硬质塑料绳，直径为2-4mm，滑动环为空心硬质塑料滑动环，滑动环内径比弹性立柱的直径大5-10mm。滑动环套接在弹性立柱上，在水浮力作用下滑动环可随水位变动而沿弹性立柱上下自由滑动。应力传感器粘贴在弹性立柱背水面。在水流冲击下，浮球通过无弹力连接绳、滑动环拉动弹性立柱，造成弹性立柱发生弯曲，如图3所示，应力传感器实时测量该弯曲形变量，并将其上传到数据采集记录器，数据采集记录器将弯曲形变量转换为应力数据F。
[0060] 本实施例中自记式不同含沙量水流流速测定装置的测定方法，步骤是：
[0061] (1)装置率定：
[0062] 设置一率定机构，包括一模拟沟道9、储水装置8，将弹性立柱底端固定在率定机构中模拟沟道的底部，保证原始状态下弹性立柱与水底基本垂直；
[0063] 配置不同含沙量S的浑水样，浑水样中有不同粒径级别的泥沙颗粒含量D，控制水流以上述设定的各个S、D流经测定装置，采集各个S、D时弹性立柱的弯曲应力F；
[0064] 同时，采用非接触式电子流速仪10测定各个S、D时实际坡面流速U；
[0065] 根据上述数据，建立实际水流流速U、弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系，得到流速计算模型U＝f(F,S,D,F×S,F×D,S×D)。其中F×S表示含沙量S与弹性立柱弯曲应力F对水流流速U的交互影响作用，F×D表示弹性立柱弯曲应力F与水流中泥沙颗粒含量D对水流流速U的交互影响作用，S×D表示含沙量S与水流中泥沙颗粒含量D对水流流速U的交互影响作用。当然在实际应用中也可以建立模型U＝f(F,S,D)，只是该方案的准确性会较上面方案有所降低，此处不再赘述。
[0066] 实际中泥沙颗粒分级及含沙量各不相同，因此建立实际水流流速U的计算模型方法也很多，一般来说可采用多元非线性回归拟合方法建立。本实施例根据粒径大小将泥沙分为4类，对应关系如下：
[0067] 表1 各级粒径泥沙颗粒含量D的分类
[0068]类别 粒径/mm 分类 含量/％
1 0.5─2 粗砂类 D1i
2 0.25─0.5 中砂类 D2i
3 0.0625─0.125 细砂类 D3i
4 ∞─0.0625 粉砂类 D4i
[0069] 其中，Dji表示第i种含沙量Si对应的浑水样中，第j类泥沙颗粒粒径界别对应的泥沙颗粒含量，j＝1,2,3,4。
[0070] 基于上述分类，实际水流流速U、弯曲应力F、水流含沙量S、各级粒径泥沙颗粒含量D之间的对应关系为：
[0071] U＝f(F,S,D1,D2,D3,D4,F×S,F×D1×D2×D3×D4,S×D1×D2×D3×D4)。
[0072] 根据上述泥沙分类，可开展如下i次实验，获得如下数据表格：
[0073]
[0074] 基于上述实验数据，采用多元非线性回归模型建立流速U的模型，具体模型如下：
[0075] U＝CON+[a2·F+a3·F2]+[b2·S+b3·S2]+[c2·D1+c3·D12]+[e2·D2+e3·D22]+[f2·D3+f3·D32]+[g2·D4+g3·D42]+h·S·F+k·S·D1·D2·D3·D4+m·D1·D2·D3·D4·F[0076] 上式中U、F、S、D1、D2、D3、D4均为率定试验测定数据，其余均为模型待定参数，基于实验获得的Fi、Si和D1i—D4i资料，采用多元非线性回归方法得到。
[0077] (2)装置使用：
[0078] 将测定装置放置在被测坡面或者沟道，保证原始状态下弹性立柱与水底(水面)基本垂直。测定当前的弹性立柱的弯曲应力F，以及水流含沙量S和各级粒径泥沙颗粒含量D，根据上面装置率定阶段得到的流速计算模型U＝f(F,S,D1,D2,D3,D4,F×S,F×D1×D2×D3×D4,S×D1×D2×D3×D4)，得到坡面水流实际流速U。
[0079] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
