楊 苗，龔家國，張寬地，范 典，趙 勇，王 浩

?

坡面水流滾波特征參數(shù)超聲波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)

楊 苗1，龔家國2※，張寬地1，范 典1，趙 勇2，王 浩2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100； 2. 中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038）

精確高效的觀測(cè)手段是深入研究坡面薄層水流特性的基礎(chǔ)。基于系統(tǒng)集成理論和自動(dòng)化測(cè)量原理，結(jié)合高精度超聲波水位傳感器，研制坡面水流滾波特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。在光面玻璃床面，5種坡度和5種單寬流量條件下進(jìn)行實(shí)際測(cè)量應(yīng)用，評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的精確度及穩(wěn)定性，并與人工測(cè)針法和目測(cè)法測(cè)量結(jié)果比較分析。結(jié)果表明，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為0.23%，變異系數(shù)為0.66%；測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)得的滾波波峰值最為接近，滾波頻率、波速和波長的接近程度依次減弱；相比人工測(cè)量方法，超聲波測(cè)量操作簡便，自動(dòng)化程度高且能夠進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)，具有較好地測(cè)量精度和可靠性，能夠滿足坡面水流滾波特性研究需求。研究成果在坡面水流測(cè)量手段改進(jìn)方面具有廣闊的運(yùn)用前景。

超聲水位計(jì)；流量；測(cè)量；滾波特征參數(shù)；薄層水流；坡面

0 引 言

坡面薄層水流是坡面土壤侵蝕和泥沙輸移的主要?jiǎng)恿?，探究其水?dòng)力學(xué)特性是進(jìn)一步研究坡面土壤侵蝕過程的基礎(chǔ)。目前，坡面薄層水流水動(dòng)力學(xué)特性研究主要集中在阻力特征、平均流速和流態(tài)流型方面[1-6]，也有研究成果會(huì)涉及到坡面土壤養(yǎng)分的遷移[7-9]。坡面薄層水流厚度一般只有幾毫米，水流過程受到地形、地表覆被物類型、降雨以及沿程質(zhì)量源和動(dòng)量源匯入等諸多因素的影響，水力條件復(fù)雜。以往研究主要采用明渠水流理論對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性和侵蝕輸沙方面進(jìn)行分析研究，而忽視了滾波對(duì)其影響。當(dāng)水流的慣性力大于黏滯力的平衡作用時(shí)容易形成滾波，造成局部水流的水深和流速增大，水體攜帶能量增強(qiáng)，從而加快坡面水流對(duì)土壤的侵蝕速率[10-12]。目前，測(cè)量技術(shù)的落后致使坡面薄層水流研究工作較明渠水流難度較大，尤其是坡面水流滾波測(cè)量方法研究還尚未成熟。

坡面薄層水流研究采用的基本參數(shù)主要包括平均意義上的流量、流速、水深以及產(chǎn)生滾波情況下的波高、 波速和頻率。目前已有大量關(guān)于平均意義上水力參數(shù)的測(cè)量方法研究，包括平均流量測(cè)量[13-14]、平均流速測(cè)量[15-20]以及平均水深測(cè)量[21-22]。國內(nèi)對(duì)于坡面薄層水流滾波得到的研究成果[23-25]僅局限于采用人工觀測(cè)波速（浮標(biāo)法）、波高（測(cè)針法）和頻率（目測(cè)法）的方法，但人工測(cè)量操作方法相對(duì)復(fù)雜。Kapitza[26]通過研究滾波在光照條件下的投影形態(tài)變化，率先實(shí)現(xiàn)了滾波水流的可視化，但此方法精度較低；在Liu等[27-28]滾波試驗(yàn)中，采用熒光成像觀測(cè)技術(shù)，簡化了水流表面可視化過程的同時(shí)提高了精度；Mouza等[29]采用相對(duì)更精確的光吸收技術(shù)對(duì)穩(wěn)定的坡面流進(jìn)行了測(cè)量，該技術(shù)比較直觀且容易實(shí)現(xiàn)，相比其他更復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，它的成本也比較低，但該測(cè)量系統(tǒng)在水流自由表面失穩(wěn)滾波演化時(shí)，相對(duì)誤差較大；Fiorot等[30]采用更有利的光屬性吸收技術(shù)，對(duì)甘油明渠層流滾波進(jìn)行了測(cè)量，通過與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比，表明該測(cè)量技術(shù)非常適用于甘油滾波的測(cè)量，但對(duì)于黏滯系數(shù)遠(yuǎn)小于甘油的坡面水流測(cè)量是否適用還未見報(bào)道。

以上關(guān)于坡面水流測(cè)量方法的研究成果在很大程度上推動(dòng)了坡面水流水動(dòng)力學(xué)特性的研究進(jìn)程，但是對(duì)于坡面水流滾波測(cè)量方法研究仍待進(jìn)一步完善，以支撐坡面水流滾波特性研究的深入。坡面水流滾波的產(chǎn)生會(huì)加快水流對(duì)于土壤的侵蝕速率，波速、波高和波長等作為滾波基本的特征參數(shù)，是研究坡面含沙水流波流耦合特性及坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)。本文提出一種坡面水流滾波特征參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)，研究其測(cè)量精度和可靠性，以期為推動(dòng)坡面水流波流耦合條件下水動(dòng)力學(xué)特性的研究進(jìn)程提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和原理

1.1 試驗(yàn)基本裝置

試驗(yàn)于2016年在中國水利水電科學(xué)研究院水資源與水土保持工程技術(shù)綜合試驗(yàn)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)水槽采用矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸為11 m×0.5 m×0.5 m，支撐支架采用11 m×0.6 m×0.6 m的角鐵桁架結(jié)構(gòu)。槽身處設(shè)置直立梁，并通過斜拉鋼索與水槽主梁連接，可保證水槽縱橫向變形均小于1 mm，坡度可調(diào)范圍為0～30°。恒定供水系統(tǒng)包括蓄水池、變頻泵、電磁流量計(jì)和出水池，電磁流量計(jì)流量監(jiān)控范圍為0~6 m3/h，測(cè)量誤差為0.4%。出水池采用深漏斗形結(jié)構(gòu)，并放置蜂窩狀整流器，以減少上方來水波動(dòng)對(duì)薄層水流過程的影響。圖1為試驗(yàn)水槽。

圖1 試驗(yàn)水槽

試驗(yàn)底坡定為3°、6°、9°、12°、15°，即能坡為0.052 4、0.104 5、0.156 4、0.207 9、0.258 8。通過不同能坡條件下的預(yù)試驗(yàn)大致確定出現(xiàn)滾波的流量區(qū)間之后，設(shè)計(jì)流量最終定為5.00、7.50、10.00、12.50、15.00 L/min，即單寬流量為0.167、0.250、0.333、0.417、0.500 L/(m·s)共5個(gè)水平處理，共進(jìn)行25組試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)流量分別為0.178、0.254、0.340、0.411、0.530 L/(m·s)。

為避免槽底的不平整度造成干擾，試驗(yàn)下墊面選定為光面玻璃。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)斷面間距為1 m。為便于觀測(cè)，第1斷面設(shè)在距水槽進(jìn)口4 m處，依次為2、3、4、5觀測(cè)斷面。

采用人工測(cè)量法（即測(cè)針法、顏料示蹤法和目測(cè)法）和超聲波法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)，其中滾波觀測(cè)系統(tǒng)可對(duì)所有基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，人工測(cè)量需采用3種方法分別對(duì)滾波的波高、波速和頻率進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)針法觀測(cè)滾波波谷水深存在較大困難，2種方法均只對(duì)波峰水深進(jìn)行測(cè)量。測(cè)針法采用SX402數(shù)顯測(cè)針儀（重慶水文儀器廠）測(cè)定，精度為0.01 mm。波速可由人工觀測(cè)同一滾波經(jīng)過2個(gè)斷面所用的時(shí)間求得，但是由于水槽底面為透明玻璃，背景色會(huì)給視覺觀察造成干擾。故采用顏料示蹤法（KMnO4）測(cè)量，在測(cè)量斷面的上游滴入溶液，進(jìn)行滾波標(biāo)記，選定1個(gè)滾波，測(cè)量其通過觀測(cè)流程長度所用時(shí)間，觀測(cè)流程長度為2 m，由此求得滾波波速。滾波頻率測(cè)量采用目測(cè)法，人工記錄10 s內(nèi)通過觀測(cè)斷面的滾波個(gè)數(shù)。以上人工測(cè)量均重復(fù)3次，取其平均值。

1.2 滾波測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)定原理

滾波測(cè)量系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集箱和控制電腦構(gòu)成。超聲波傳感器為堡盟UNAM 12I9914/S14，感應(yīng)范圍為20～200 mm，聲波頻率為380 kHz。以2個(gè)傳感器為1組，在水槽觀測(cè)斷面處前后布置，斷面前布置 1#傳感器，斷面后布置2#傳感器，間距為5 cm。間距主要由滾波波長（即波間距）確定，間距越大，平均傳播速度的測(cè)定越準(zhǔn)確，如果過大會(huì)造成2個(gè)傳感器之間包含多個(gè)滾波，對(duì)參數(shù)的測(cè)量帶來干擾，故為保證參數(shù)的測(cè)量精度，2個(gè)傳感器最佳間距為略小于波間距。本次研究超聲波測(cè)量持續(xù)時(shí)間為30 s，采集數(shù)據(jù)2000次，采樣平均間隔時(shí)間為15 ms。根據(jù)文獻(xiàn)[23]測(cè)得的最大滾波波速為1 m/s，本次所用傳感器端口距水槽底部距為6 cm，信號(hào)傳播時(shí)間僅需0.2 ms，傳感器采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水流質(zhì)點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量時(shí)的水流質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移僅為0.2 mm，可以有效抓住波峰和波谷等特征值。坡面滾波流特征參數(shù)主要有波速、波高、頻率和波長。圖2給出了超聲波測(cè)量滾波試驗(yàn)的原理和測(cè)量圖。

從圖2中可以看出，測(cè)量系統(tǒng)可直接得到水深隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，通過同一滾波經(jīng)過1組傳感器所需要的時(shí)間計(jì)算波速，通過水深識(shí)別滾波的波峰和波谷計(jì)算波高，通過單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過觀測(cè)斷面的滾波個(gè)數(shù)計(jì)算頻率，波長由波速和頻率得到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)滾波特征參數(shù)的逐一測(cè)量。其中，波高（mm）計(jì)算公式為

峰-谷（1）

式中峰和谷分別為平均波峰和波谷平均水深，mm。

滾波頻率（s）計(jì)算公式為

=(-1)/(終-始) （2）

式中終表示通過觀測(cè)斷面最后1個(gè)滾波波峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，s；始表示第1個(gè)通過觀測(cè)斷面滾波波峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，s；表示通過滾波的個(gè)數(shù)。圖2中1表示滾波波峰質(zhì)點(diǎn)通過1#傳感器的時(shí)刻，2表示同一質(zhì)點(diǎn)￠通過2#傳感器的時(shí)刻，時(shí)間由采集系統(tǒng)進(jìn)行紀(jì)錄。

滾波波速（m/s）計(jì)算公式為

/（3）

式中表示2個(gè)傳感器的間距，m；表示滾波波峰通過2個(gè)傳感器斷面的間隔時(shí)間，即1和2的差值，s。取多個(gè)滾波波速的平均值為觀測(cè)斷面最終的波速值。

滾波波長計(jì)算公式為

（4）

1.3 測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 精確度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

分別采用相對(duì)誤差和變異系數(shù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式為

1.3.2 超聲波測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)

采用相對(duì)均方差誤差（relative root mean square error，RRMSE）、平均相對(duì)誤差（mean relative error，MRE）、平均絕對(duì)誤差（mean absolute error，MAE）以及相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient，）4個(gè)常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)評(píng)價(jià)不同測(cè)量方法的差異。具體計(jì)算公式詳見參考文獻(xiàn)[22]。其中RRMSE表示兩者的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律情況，MRE、MAE均表示兩者的誤差值大小，MAE適用于出現(xiàn)負(fù)值誤差的情況，三者的數(shù)值越小，說明測(cè)定值與參照值間的差異越小，接近程度越高。絕對(duì)值越接近于1，說明其相關(guān)性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 滾波測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

超聲波是一種由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，遇到物體反射后由接收傳感器的換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，所以采集系統(tǒng)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)為電壓值，需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而得到實(shí)際的距離。傳感器的標(biāo)定距離（傳感器發(fā)射端表面與水槽底板的距離）定為30、60、90、120、150、180 mm，步長為30 mm。標(biāo)定距離通過直尺和游標(biāo)卡尺確定，精度分別為0.1和0.02 mm，通過水準(zhǔn)尺測(cè)定以保證傳感器與水槽底部垂直。為避免溫度變化給試驗(yàn)結(jié)果造成影響，整個(gè)試驗(yàn)的標(biāo)定過程前后不宜持續(xù)時(shí)間過長。最終可得到電壓值和實(shí)際距離為線性關(guān)系，并得到其標(biāo)定轉(zhuǎn)換公式。表1給出了轉(zhuǎn)換后不同測(cè)量距離得到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

表1 不同測(cè)量距離測(cè)定值統(tǒng)計(jì)

從表1可知，極差值在測(cè)量距離為180 mm時(shí)最大，120 mm時(shí)最??；相對(duì)誤差隨著測(cè)量距離增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，在測(cè)量距離為120 mm時(shí)達(dá)到極小值；變異系數(shù)隨著測(cè)量距離增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。坡面流滾波的測(cè)量需要進(jìn)行1次槽底基準(zhǔn)測(cè)量和1次坡面流測(cè)量，水深測(cè)量精度的提高依賴于二者測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。綜合所有統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行考慮，試驗(yàn)測(cè)量距離定為120 mm。此測(cè)量距離下測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差為0.23%，變異系數(shù)為0.66%。目前對(duì)于坡面水流試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定性尚未有具體要求，但文獻(xiàn)[21-22]中均對(duì)超聲波應(yīng)用于坡面水流平均水深的測(cè)量進(jìn)行了研究，表明測(cè)定值平均相對(duì)誤差為1.73%，變異系數(shù)在0.061～0.096之間，能夠滿足室內(nèi)侵蝕靜床條件下坡面流水深測(cè)量的研究需求。相比較而言，可認(rèn)為本文的測(cè)量結(jié)果的精確度和穩(wěn)定性基本滿足試驗(yàn)要求。

2.2 超聲波測(cè)量系統(tǒng)與其他測(cè)量方法對(duì)比分析

從試驗(yàn)現(xiàn)象可以觀察到，坡度和流量恒定條件下，通過固定觀測(cè)斷面滾波形態(tài)基本不變，但是上游斷面的滾波會(huì)對(duì)下游的滾波形成干擾，水流表面的滾波形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。采用超聲波測(cè)量系統(tǒng)可以有效地捕捉到這種水流狀態(tài)，得到初步數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（1）～（4）分別計(jì)算出滾波的波高、頻率、波速和波長。圖3為坡度為3°、不同單寬流量條件下水深隨觀測(cè)歷時(shí)的變化曲線。

注：坡度為3°。

從圖3可知，當(dāng)單寬流量為0.178 L/(m·s)，各個(gè)滾波的形態(tài)基本無異，當(dāng)單寬流量增大到0.340 L/(m·s)時(shí)，測(cè)得各個(gè)滾波形態(tài)不同，形態(tài)較粗的滾波表明其發(fā)生了滾波的聚合，聚合后的滾波波高變化不大，但是波體體積增大。產(chǎn)生滾波時(shí)，水流表面的水深也會(huì)高于平均水深。表2給出了超聲波測(cè)量滾波波峰和平均水深的對(duì)比值，從表中可以看出，滾波波峰水深顯著大于平均水深值，比值范圍為1.45～2.33。單寬流量為0.340 L/(m·s)時(shí)，滾波波峰水深和平均水深的比值隨著坡度增大而增大，但在其他單寬流量條件下，當(dāng)坡度增大至12°時(shí)，兩者的比值會(huì)減小，分析其主要與坡度增大導(dǎo)致水體重力分力的增大有關(guān)。試驗(yàn)條件下坡面滾波的形成會(huì)使得局部水深達(dá)到平均水深的2倍左右，水深值直接關(guān)系到水流剪切力的計(jì)算，說明此時(shí)的剪切力也會(huì)達(dá)到2倍平均水深所對(duì)應(yīng)的值。

表2 兩種方法測(cè)定滾波特征參數(shù)結(jié)果對(duì)比

單從超聲波測(cè)量系統(tǒng)本身測(cè)量結(jié)果考慮，無法有效進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，故采用人工測(cè)量方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，比較2種方法測(cè)量結(jié)果的差異。由于人工測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量同一滾波的波峰和波谷水深，此處用波峰水深進(jìn)行比較。該條件下的具體比較結(jié)果如表2和表3所示。

表3 超聲波測(cè)量與人工測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

表2給出了25組試驗(yàn)工況下，2種方法測(cè)得的波峰水深對(duì)比值，以測(cè)針法為參照值，具體到每個(gè)觀測(cè)值，兩者的數(shù)值都較為接近，相對(duì)誤差范圍為2.29%～17.51%。從表3中可以看出，滾波波峰水深的相對(duì)均方差誤差、平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差值均較小，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.938。表明2種方法的波峰水深測(cè)量結(jié)果具有較好的規(guī)律一致性和相關(guān)性；2種方法測(cè)得滾波的頻率、波速和波長的接近程度指標(biāo)也在合理的范圍之內(nèi)，但其相關(guān)系數(shù)分別為0.804、0.636、-0.171，依次減小，其中滾波波長的相關(guān)性最小。

2種方法測(cè)得的滾波波峰值比較接近，但其他滾波特征參數(shù)存在差異，分析其原因可能與人工測(cè)量方法的局限性有關(guān)。通過對(duì)25組試驗(yàn)測(cè)得的滾波數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，滾波流作為非恒定非均勻流，每種試驗(yàn)工況30 s的測(cè)量過程中，滾波的波高、波速和頻率均不恒定，表2給出了滾波參數(shù)在各個(gè)工況下的變異系數(shù)，可以看出，滾波的波峰水深、波速和頻率變異系數(shù)值分別在0.089～0.298、0.207～1.588、0.341～0.500之間波動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，平均值分別達(dá)到0.238、0.806、0.430，其中滾波波速的變異程度最大，頻率次之，波峰水深最小?？梢园l(fā)現(xiàn)滾波波峰水深的變異系數(shù)較小，人工測(cè)量和超聲波測(cè)量得到的波峰水深的相關(guān)性也較好；反之，滾波波速和頻率的變異系數(shù)較大，2種方法測(cè)得的波速和頻率的相關(guān)性也較差?？梢妼?duì)滾波流進(jìn)行較長時(shí)間的數(shù)據(jù)觀測(cè)是很有必要的，而人工測(cè)量的過程持續(xù)時(shí)間較短，觀測(cè)時(shí)長會(huì)難以覆蓋觀測(cè)斷面的滾波變化頻率，因此會(huì)造成測(cè)量誤差，而超聲波測(cè)量系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定測(cè)量，從而提高試驗(yàn)測(cè)量精度。另外，在人工進(jìn)行測(cè)量的過程中發(fā)現(xiàn)，人為選取的測(cè)量目標(biāo)均為演化較為成熟的滾波波形，即滾波聚合后波形較為明顯的，致使測(cè)量數(shù)值相比真實(shí)值略大。本次人工測(cè)量得到25種工況下的滾波波峰、頻率、波速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.13、0.24、0.24，超聲波測(cè)量系統(tǒng)得到的滾波波峰、頻率、波速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.20、0.30、0.31。后者的數(shù)值均大于前者，其原因可能是與人工測(cè)量有意識(shí)的選取發(fā)育較好的滾波有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

針對(duì)坡面薄層滾波流特征參數(shù)測(cè)量問題，研發(fā)了基于超聲波測(cè)量原理的滾波特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)滾波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度高且操作簡單，不受測(cè)量空間限制，滾波特征參數(shù)推求過程簡單、物理意義明確。距離測(cè)量值相對(duì)誤差為0.23%，變異系數(shù)為0.66%，具有較好的精確度和穩(wěn)定性。

測(cè)量系統(tǒng)和人工測(cè)量法（測(cè)針法、顏料示蹤法和目測(cè)法）測(cè)得的滾波波峰值接近程度最高，滾波的頻率、波速、波長接近程度依次減弱。相對(duì)人工測(cè)量，超聲波測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)滾波水力特征參數(shù)長時(shí)間的全面、穩(wěn)定觀測(cè)，有效避免人工觀測(cè)過程中的人為誤差，客觀地反映坡面滾波流的水動(dòng)力特性規(guī)律。

本研究僅在玻璃下墊面條件下對(duì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)、驗(yàn)證，該系統(tǒng)是否適用于更為復(fù)雜試驗(yàn)條件下的滾波特征參數(shù)測(cè)量，還需在以后的研究當(dāng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] 姚文藝. 坡面流阻力規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 泥沙研究，1996(1)：74－82. Yao Wenyi. Experiment study on hydraulic resistance laws of overland sheet flow[J]. Journal of Sediment Research, 1996(1): 74－82. (in Chinese with English abstract)

[2] 敬向鋒，呂宏興，潘成忠，等. 坡面薄層水流流態(tài)判定方法的初步探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(5)：56－61. Jing Xiangfeng, Lü Hongxing, Pan Chengzhong, et a1. Prelinainary study oil flow pattern determinant method of shallowflow on slope surface[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(5): 56－61. (in Chinese with English abstract)

[3] 張光輝. 坡面薄層流水動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2002，13(2)：159－165. Zhang Guanghui. Study on hydraulic properties of shallow flow [J]. Advances in Water Science, 2002, 13(2): 159－165. (in Chinese with English abstract)

[4] 張寬地，王光謙，呂宏興，等. 模擬降雨條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)特性研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2012，23(2)：229－235. Zhang Kuandi, Wang Guangqian, Lü Hongxing, et al. Experimental study of shallow flow hydraulics on a hillslope under artificial rainfall conditions[J]. Advances in Water Science, 2012, 23(2): 229－235. (in Chinese with English abstract)

[5] 魏霞，李勛貴，李占斌，等. 黃土高原坡溝系統(tǒng)徑流水動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(10)：19－24. Wei Xia, Li Yungui, Li Zhanbing, et al. Experiments on hydraulic characteristics of runoff in slope-gully systems in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(10): 19－24.(in Chinese with English abstract)

[6] 羅榕婷，張光輝，曹穎. 坡面含沙水流水動(dòng)力學(xué)特性研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2009，28(4)：567－574. Luo Rongting, Zhang Guanghui, Cao Ying. Progress in the research of hydrodynamic characteristics of sediment-laden overland flow[J]. Progress in Geography, 2009, 28(4): 567－575. (in Chinese with English abstract)

[7] 王全九，沈晉，王文焰，等.降雨條件下黃土坡面溶質(zhì)隨地表徑流遷移實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1993(1)：11－17. Wang Quanjiu, Shen Jin, Wang Wenyan, et al. Experimental research with surface runoff on loess slope solute migration rainfall[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1993 (1): 11－17. (in Chinese with English abstract)

[8] 王輝，王全九，邵明安. 人工降雨條件下黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(6)：39－44. Wang Hui, Wang Quanjiu, Shao Mingan. Under simulated rainfall runoff from loess slope nutrient test [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(6): 39－44. (in Chinese with English abstract)

[9] 邵明安，張興昌. 坡面面土壤養(yǎng)分與降雨、徑流的相互作用機(jī)理及模型[J]. 世界科技研究與發(fā)展，2001，23(2)：7－12. Shao Mingan, Zhang Xingchang. Soil nutrient with rainfall runoff and model interaction mechanism [J]. World Science and Technology Research and Development, 2001, 23(2): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[10] 張寬地，王光謙，孫曉敏，等. 坡面薄層水流水動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(15)：182－189. Zhang Kuandi, Wang Guangqian, Sun Xiaomin, et al. Experiment on hydraulic characteristics of shallow open channel flow on slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 182－189. (in Chinese with English abstract)

[11] 張寬地，王光謙，王占禮，等.人工加糙床面薄層滾波流水力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4)：28－34. Zhang Kuandi, Wang Guangqian, Wang Zhanli. et al. Experiments on hydraulic characteristics of roll wave for sheet flow with artificial rough bed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(4): 28－34. (in English with Chinese abstract)

[12] Zhao Chunhong, Gao Jian'en, Zhang Mengjie, et al. Response of roll wave to suspended load and hydraulics of overland flow on steep slope [J]. Catena, 2015, 133: 394－402.

[13] 雷廷武，王輝，趙軍，等. 徑流流量及含沙量自動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(5)：48－51. Lei Tingwu, Wang Hui, Zhao Jun, et al. Automatic System for dynamical determination of sediment concentration and flow rate in runoff [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE). 2002, 18(5): 48－51. (in Chinese with English abstract)

[14] 張蕾蕾. 坡面徑流量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014. Zhang Leilei. Research and Implementation of Runoff Discharge Automatic Measurement[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[15] 夏衛(wèi)生，雷廷武，趙軍，等. 薄層水流速度測(cè)量系統(tǒng)的研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(6)：781－784.Xia Weisheng, Lei Tingwu, Zhao Jun, et al. Velocity measuring system for sheet flow[J]. Advances in Water Science, 2003,14(6): 781－784. (in Chinese with English abstract)

[16] 夏衛(wèi)生，雷廷武，劉春平，等. 坡面薄層水流流速測(cè)量的比較研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(2)：23－26. Xia Weisheng, Lei Tingwu, Liu Chunping, et al. Comparative analysis of measurement of velocity of slope laminar flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(2): 23－26. (in Chinese with English abstract)

[17] 張捷，王華民，劉慶豐，等. 基于FPGA的坡面流流速儀的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，18(12)：62－63. Zhang Jie, Wang Huamin, Liu Qinfeng, et al. FPGA-based overland flow velocity Instrument [J]. Industrial Control Computer, 2005, 18(12): 62－63. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉鵬，李小昱，王為. 基于光電傳感器和示蹤法的徑流流速測(cè)量系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(5)：116－120. Liu Peng, Li Xiaoyu, Wang Wei. Runoff flow velocity measurement system using photoelectric sensor and tracing method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(5): 116－120. (in Chinese with English abstract)

[19] 王為，李小昱，張軍，等. 基于電導(dǎo)式傳感器徑流流速測(cè)量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(2)：1－5. Wang Wei, Li Xiaoyu, Zhang Jun, et al. Experimental study on measurement system of runoff velocity based on conductance sensor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(2): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[20] 羅榕婷，張光輝，沈瑞昌，等. 染色法測(cè)量坡面流流速的最佳測(cè)流區(qū)長度研究[J]. 水文，2010，30(3)：5－9. Luo Rongting, Zhang Guanghui, Shen Ruichang, et al. Study on optimal length for measuring velocity of overland flow with dye tracing[J] Journal of China Hydrology, 2010, 30(3): 5－9. (in Chinese with English abstract)

[21] 朱良君，張光輝，胡國芳，等.坡面流超聲波水深測(cè)量系統(tǒng)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2013(1)：235－239. Zhu Liangjun, Zhang Guanghui, Hu Guofang, et al. Overland flow ultrasonic depth measurement system[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013(1): 235－239. (in Chinese with English abstract)

[22] 胡國芳，張光輝，朱良君. 3種坡面流水深測(cè)量方法比較[J]. 水土保持通報(bào)，2015(3)：152－156. Hu Guofang, Zhang Guanghui, Zhu Liangjun, et al. Three kinds of measurement methods comparing overland flow depth[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation. 2015(3): 152－156. (in Chinese with English abstract)

[23] 張寬地. 坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性及挾沙機(jī)理研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011. Zhang Kuandi. Research on Hydrodynamic Characteristics of Slope Surface Flow and Sediment Transport Mechanisms[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[24] 李鵬，李占斌，鄭良勇. 黃土坡面水蝕動(dòng)力與侵蝕產(chǎn)沙臨界關(guān)系試驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，18(3)：435－441． Li Peng, Li Zhanbin, Zheng Liangyong. Experimental study on the crificalrelation between water erosion dynamics and soil erosion on steep loess slope[J]. Journal of Basic Science and Engineerin, 2010, 18(3): 435－441. (in Chinese with English abstract)

[25] 潘成忠，上官周平. 降雨和坡度對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6(6)：843－851. Pan Chengzhong, Shangguan Zhouping. Experimental study on influence of rainfall and slope gradient on overland shallow flow hydraulics[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2009, 6(6): 843－851. (in Chinese with English abstract)

[26] Kapitza P L. Wave Flow of Thin Layer Sofa Viscous Fluid Collected Papers: II [M]. England: Pergamon Press, 1948.

[27] Liu J, Paul J D, Gollub J P. Measurements of the primary instabilities of film flows[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1993, 250(1): 69－101.

[28] Liu J, Gollub J P. Solitary wave dynamics of film flows[J]. Physics of Fluids, 1994, 6(5): 1702－1712.

[29] Mouza A A, Vlachos N A, Paras S V, et al. Measurement of liquid film thickness using a laser light absorption method[J]. Experiments in Fluids, 2000, 28(4): 355－359.

[30] Fiorot G H, Maciel G F, Cunha E F, et al. Experimental setup for measuring roll waves on laminar open channel flows[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2014, 41:149－157.

Establishment and experiment of ultrasonic measuring system for characteristic parameters of roll waves on slope surface

Yang Miao1, Gong Jiaguo2※, Zhang Kuandi1, Fan Dian1, Zhao Yong2, Wang Hao2

(1.712100,; 2.100038,)

The precise study of free surface flows is explored mostly because of their importance in construction of soil erosion models. The accurate and efficient observation methods can lay a solid foundation for the further study of characteristics of slope flow. The objective of this work was to design an experimental system for measuring roll waves. The system was based on a high-precision ultrasonic sensor. The measurement system was composed of ultrasonic sensors, data acquisition box and the computer. The experiment was carried out in a hydraulic flume. The unit discharge varied from 0.167 to 0.500 L/(m·s), and slope gradient was from 3oto 15o. The system was calibrated and the results showed that the average relative error of the measurement system was 0.23%. The average coefficient of variation was 0.66%. The main parameters of roll waves included wave velocity, wave frequency, wave length and wave peak. In this study, by recording roll waves observed in the same section, the relationship between water depth and time was obtained by ultrasonic flowmeter. The average interval time of data acquisition was 15 ms so that the sensor could catch the change of water level in time. Roll wave frequency was obtained by observing the cross section peaks in unit time. Wave velocity could be obtained by two sensors. The two sensors recorded the time that the same roll wave passed through the section and also measured the distance of the two sensors. The wave velocity was calculated as the ratio of distance and duration. The wave length was calculated by the wave velocity and the frequency. The results measured by the proposed system were compared with that obtained from the stylus method and visual method. The results showed that the wave peak measured by the system was mostly similar with that from the stylus method, followed by roll wave frequency, wave velocity and wave lengths. The measuring system had better accuracy and reliability to reach measurement requirements of characteristic parameters of roll waves on slope surface. For the same observation section, the rolling wave was not constant in the measurement process. The wave peak, wave velocity and the frequency had the average coefficient of variation of 0.238, 0.806 and 0.430. The ultrasonic measuring system can continuously work and provide reliable measurements for roll wave parameters. As compared with the conventional method, the measuring system greatly reduced test time and effort to improve test efficiency. The research results have wide application foreground in the improvement of the water flow measurement method on the slope surface.

ultrasonic flowmeters; flow rate; measurements; roll wave characteristic parameters; sheet flow; slope surface

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.018

TV131.3+1

A

1002-6819(2017)-03-0134-06

2016-06-01

2016-11-10

流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2015ZY01、2015TS01）；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51209222）；中國水利水電科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目（WR0145B022016）。

楊苗，男，湖南邵陽人，主要從事坡面水流的研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100。Email：18700944827@163.com

龔家國，男，湖北棗陽人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源研究。北京中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，100038。 Email：jiaguogong@163.com

楊 苗，龔家國，張寬地，范 典，趙 勇，王 浩.坡面水流滾波特征參數(shù)超聲波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：134－139. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.018 http://www.tcsae.org

Yang Miao, Gong Jiaguo, Zhang Kuandi, Fan Dian, Zhao Yong, Wang Hao. Establishment and experiment of ultrasonic measuring system for characteristic parameters of roll waves on slope surface[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 134－139. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.018 http://www.tcsae.org