坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

杨 苗，龚家国，张宽地，范 典，赵 勇，王 浩



坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

杨 苗1，龚家国2※，张宽地1，范 典1，赵 勇2，王 浩2

（1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100； 2. 中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038）

精确高效的观测手段是深入研究坡面薄层水流特性的基础。基于系统集成理论和自动化测量原理，结合高精度超声波水位传感器，研制坡面水流滚波特征参数测量系统。在光面玻璃床面，5种坡度和5种单宽流量条件下进行实际测量应用，评价测量系统的精确度及稳定性，并与人工测针法和目测法测量结果比较分析。结果表明，测量数据相对误差为0.23%，变异系数为0.66%；测量系统和传统测量方法测得的滚波波峰值最为接近，滚波频率、波速和波长的接近程度依次减弱；相比人工测量方法，超声波测量操作简便，自动化程度高且能够进行持续稳定观测，具有较好地测量精度和可靠性，能够满足坡面水流滚波特性研究需求。研究成果在坡面水流测量手段改进方面具有广阔的运用前景。

超声水位计；流量；测量；滚波特征参数；薄层水流；坡面

0 引 言

坡面薄层水流是坡面土壤侵蚀和泥沙输移的主要动力，探究其水动力学特性是进一步研究坡面土壤侵蚀过程的基础。目前，坡面薄层水流水动力学特性研究主要集中在阻力特征、平均流速和流态流型方面[1-6]，也有研究成果会涉及到坡面土壤养分的迁移[7-9]。坡面薄层水流厚度一般只有几毫米，水流过程受到地形、地表覆被物类型、降雨以及沿程质量源和动量源汇入等诸多因素的影响，水力条件复杂。以往研究主要采用明渠水流理论对坡面流水动力学特性和侵蚀输沙方面进行分析研究，而忽视了滚波对其影响。当水流的惯性力大于黏滞力的平衡作用时容易形成滚波，造成局部水流的水深和流速增大，水体携带能量增强，从而加快坡面水流对土壤的侵蚀速率[10-12]。目前，测量技术的落后致使坡面薄层水流研究工作较明渠水流难度较大，尤其是坡面水流滚波测量方法研究还尚未成熟。

坡面薄层水流研究采用的基本参数主要包括平均意义上的流量、流速、水深以及产生滚波情况下的波高、 波速和频率。目前已有大量关于平均意义上水力参数的测量方法研究，包括平均流量测量[13-14]、平均流速测量[15-20]以及平均水深测量[21-22]。国内对于坡面薄层水流滚波得到的研究成果[23-25]仅局限于采用人工观测波速（浮标法）、波高（测针法）和频率（目测法）的方法，但人工测量操作方法相对复杂。Kapitza[26]通过研究滚波在光照条件下的投影形态变化，率先实现了滚波水流的可视化，但此方法精度较低；在Liu等[27-28]滚波试验中，采用荧光成像观测技术，简化了水流表面可视化过程的同时提高了精度；Mouza等[29]采用相对更精确的光吸收技术对稳定的坡面流进行了测量，该技术比较直观且容易实现，相比其他更复杂的测量系统，它的成本也比较低，但该测量系统在水流自由表面失稳滚波演化时，相对误差较大；Fiorot等[30]采用更有利的光属性吸收技术，对甘油明渠层流滚波进行了测量，通过与数值分析结果对比，表明该测量技术非常适用于甘油滚波的测量，但对于黏滞系数远小于甘油的坡面水流测量是否适用还未见报道。

以上关于坡面水流测量方法的研究成果在很大程度上推动了坡面水流水动力学特性的研究进程，但是对于坡面水流滚波测量方法研究仍待进一步完善，以支撑坡面水流滚波特性研究的深入。坡面水流滚波的产生会加快水流对于土壤的侵蚀速率，波速、波高和波长等作为滚波基本的特征参数，是研究坡面含沙水流波流耦合特性及坡面侵蚀动力学机制的基础。本文提出一种坡面水流滚波特征参数观测系统，研究其测量精度和可靠性，以期为推动坡面水流波流耦合条件下水动力学特性的研究进程提供参考。

1 试验装置和原理

1.1 试验基本装置

试验于2016年在中国水利水电科学研究院水资源与水土保持工程技术综合试验大厅进行。试验水槽采用矩形结构设计，尺寸为11 m×0.5 m×0.5 m，支撑支架采用11 m×0.6 m×0.6 m的角铁桁架结构。槽身处设置直立梁，并通过斜拉钢索与水槽主梁连接，可保证水槽纵横向变形均小于1 mm，坡度可调范围为0～30°。恒定供水系统包括蓄水池、变频泵、电磁流量计和出水池，电磁流量计流量监控范围为0~6 m3/h，测量误差为0.4%。出水池采用深漏斗形结构，并放置蜂窝状整流器，以减少上方来水波动对薄层水流过程的影响。图1为试验水槽。

图1 试验水槽

试验底坡定为3°、6°、9°、12°、15°，即能坡为0.052 4、0.104 5、0.156 4、0.207 9、0.258 8。通过不同能坡条件下的预试验大致确定出现滚波的流量区间之后，设计流量最终定为5.00、7.50、10.00、12.50、15.00 L/min，即单宽流量为0.167、0.250、0.333、0.417、0.500 L/(m·s)共5个水平处理，共进行25组试验。试验时实测流量分别为0.178、0.254、0.340、0.411、0.530 L/(m·s)。

为避免槽底的不平整度造成干扰，试验下垫面选定为光面玻璃。试验设置5个观测断面，观测断面间距为1 m。为便于观测，第1断面设在距水槽进口4 m处，依次为2、3、4、5观测断面。

采用人工测量法（即测针法、颜料示踪法和目测法）和超声波法对试验进行观测，其中滚波观测系统可对所有基本参数进行测量，人工测量需采用3种方法分别对滚波的波高、波速和频率进行测量。由于测针法观测滚波波谷水深存在较大困难，2种方法均只对波峰水深进行测量。测针法采用SX402数显测针仪（重庆水文仪器厂）测定，精度为0.01 mm。波速可由人工观测同一滚波经过2个断面所用的时间求得，但是由于水槽底面为透明玻璃，背景色会给视觉观察造成干扰。故采用颜料示踪法（KMnO4）测量，在测量断面的上游滴入溶液，进行滚波标记，选定1个滚波，测量其通过观测流程长度所用时间，观测流程长度为2 m，由此求得滚波波速。滚波频率测量采用目测法，人工记录10 s内通过观测断面的滚波个数。以上人工测量均重复3次，取其平均值。

1.2 滚波测量系统和测定原理

滚波测量系统主要由超声波传感器、数据采集箱和控制电脑构成。超声波传感器为堡盟UNAM 12I9914/S14，感应范围为20～200 mm，声波频率为380 kHz。以2个传感器为1组，在水槽观测断面处前后布置，断面前布置 1#传感器，断面后布置2#传感器，间距为5 cm。间距主要由滚波波长（即波间距）确定，间距越大，平均传播速度的测定越准确，如果过大会造成2个传感器之间包含多个滚波，对参数的测量带来干扰，故为保证参数的测量精度，2个传感器最佳间距为略小于波间距。本次研究超声波测量持续时间为30 s，采集数据2000次，采样平均间隔时间为15 ms。根据文献[23]测得的最大滚波波速为1 m/s，本次所用传感器端口距水槽底部距为6 cm，信号传播时间仅需0.2 ms，传感器采集数据对应的水流质点与实际测量时的水流质点相对位移仅为0.2 mm，可以有效抓住波峰和波谷等特征值。坡面滚波流特征参数主要有波速、波高、频率和波长。图2给出了超声波测量滚波试验的原理和测量图。

从图2中可以看出，测量系统可直接得到水深随时间变化的关系图，通过同一滚波经过1组传感器所需要的时间计算波速，通过水深识别滚波的波峰和波谷计算波高，通过单位时间内经过观测断面的滚波个数计算频率，波长由波速和频率得到，从而实现对单个滚波特征参数的逐一测量。其中，波高（mm）计算公式为

峰-谷（1）

式中峰和谷分别为平均波峰和波谷平均水深，mm。

滚波频率（s）计算公式为

=(-1)/(终-始) （2）

式中终表示通过观测断面最后1个滚波波峰对应的时刻，s；始表示第1个通过观测断面滚波波峰对应的时刻，s；表示通过滚波的个数。图2中1表示滚波波峰质点通过1#传感器的时刻，2表示同一质点¢通过2#传感器的时刻，时间由采集系统进行纪录。

滚波波速（m/s）计算公式为

/（3）

式中表示2个传感器的间距，m；表示滚波波峰通过2个传感器断面的间隔时间，即1和2的差值，s。取多个滚波波速的平均值为观测断面最终的波速值。

滚波波长计算公式为

（4）

1.3 测量系统评价方法

1.3.1 精确度和稳定性评价

分别采用相对误差和变异系数对测量系统的精确度和稳定性进行评价，评价指标的计算公式为

1.3.2 超声波测量系统评价

采用相对均方差误差（relative root mean square error，RRMSE）、平均相对误差（mean relative error，MRE）、平均绝对误差（mean absolute error，MAE）以及相关系数（correlation coefficient，）4个常用的统计参数评价不同测量方法的差异。具体计算公式详见参考文献[22]。其中RRMSE表示两者的统计分布规律情况，MRE、MAE均表示两者的误差值大小，MAE适用于出现负值误差的情况，三者的数值越小，说明测定值与参照值间的差异越小，接近程度越高。绝对值越接近于1，说明其相关性越好。

2 结果与分析

2.1 滚波测量系统标定结果

超声波是一种由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的振动频率高于声波的机械波，遇到物体反射后由接收传感器的换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，所以采集系统采集的测量数据为电压值，需对其进行标定，进而得到实际的距离。传感器的标定距离（传感器发射端表面与水槽底板的距离）定为30、60、90、120、150、180 mm，步长为30 mm。标定距离通过直尺和游标卡尺确定，精度分别为0.1和0.02 mm，通过水准尺测定以保证传感器与水槽底部垂直。为避免温度变化给试验结果造成影响，整个试验的标定过程前后不宜持续时间过长。最终可得到电压值和实际距离为线性关系，并得到其标定转换公式。表1给出了转换后不同测量距离得到数据的统计参数。

表1 不同测量距离测定值统计

从表1可知，极差值在测量距离为180 mm时最大，120 mm时最小；相对误差随着测量距离增大呈先减小后增大的趋势，在测量距离为120 mm时达到极小值；变异系数随着测量距离增大呈现减小的趋势。坡面流滚波的测量需要进行1次槽底基准测量和1次坡面流测量，水深测量精度的提高依赖于二者测量的精度和稳定性。综合所有统计参数进行考虑，试验测量距离定为120 mm。此测量距离下测量数据的相对误差为0.23%，变异系数为0.66%。目前对于坡面水流试验测量数据的精确度和稳定性尚未有具体要求，但文献[21-22]中均对超声波应用于坡面水流平均水深的测量进行了研究，表明测定值平均相对误差为1.73%，变异系数在0.061～0.096之间，能够满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的研究需求。相比较而言，可认为本文的测量结果的精确度和稳定性基本满足试验要求。

2.2 超声波测量系统与其他测量方法对比分析

从试验现象可以观察到，坡度和流量恒定条件下，通过固定观测断面滚波形态基本不变，但是上游断面的滚波会对下游的滚波形成干扰，水流表面的滚波形态也会发生变化。采用超声波测量系统可以有效地捕捉到这种水流状态，得到初步数据后，根据式（1）～（4）分别计算出滚波的波高、频率、波速和波长。图3为坡度为3°、不同单宽流量条件下水深随观测历时的变化曲线。

注：坡度为3°。

从图3可知，当单宽流量为0.178 L/(m·s)，各个滚波的形态基本无异，当单宽流量增大到0.340 L/(m·s)时，测得各个滚波形态不同，形态较粗的滚波表明其发生了滚波的聚合，聚合后的滚波波高变化不大，但是波体体积增大。产生滚波时，水流表面的水深也会高于平均水深。表2给出了超声波测量滚波波峰和平均水深的对比值，从表中可以看出，滚波波峰水深显著大于平均水深值，比值范围为1.45～2.33。单宽流量为0.340 L/(m·s)时，滚波波峰水深和平均水深的比值随着坡度增大而增大，但在其他单宽流量条件下，当坡度增大至12°时，两者的比值会减小，分析其主要与坡度增大导致水体重力分力的增大有关。试验条件下坡面滚波的形成会使得局部水深达到平均水深的2倍左右，水深值直接关系到水流剪切力的计算，说明此时的剪切力也会达到2倍平均水深所对应的值。

表2 两种方法测定滚波特征参数结果对比

单从超声波测量系统本身测量结果考虑，无法有效进行准确性分析，故采用人工测量方法对试验数据进行验证，比较2种方法测量结果的差异。由于人工测量方法难以实现同时测量同一滚波的波峰和波谷水深，此处用波峰水深进行比较。该条件下的具体比较结果如表2和表3所示。

表3 超声波测量与人工测量数据评价

表2给出了25组试验工况下，2种方法测得的波峰水深对比值，以测针法为参照值，具体到每个观测值，两者的数值都较为接近，相对误差范围为2.29%～17.51%。从表3中可以看出，滚波波峰水深的相对均方差误差、平均相对误差和平均绝对误差值均较小，相关系数达到了0.938。表明2种方法的波峰水深测量结果具有较好的规律一致性和相关性；2种方法测得滚波的频率、波速和波长的接近程度指标也在合理的范围之内，但其相关系数分别为0.804、0.636、-0.171，依次减小，其中滚波波长的相关性最小。

2种方法测得的滚波波峰值比较接近，但其他滚波特征参数存在差异，分析其原因可能与人工测量方法的局限性有关。通过对25组试验测得的滚波数据分析后发现，滚波流作为非恒定非均匀流，每种试验工况30 s的测量过程中，滚波的波高、波速和频率均不恒定，表2给出了滚波参数在各个工况下的变异系数，可以看出，滚波的波峰水深、波速和频率变异系数值分别在0.089～0.298、0.207～1.588、0.341～0.500之间波动。经计算，平均值分别达到0.238、0.806、0.430，其中滚波波速的变异程度最大，频率次之，波峰水深最小。可以发现滚波波峰水深的变异系数较小，人工测量和超声波测量得到的波峰水深的相关性也较好；反之，滚波波速和频率的变异系数较大，2种方法测得的波速和频率的相关性也较差。可见对滚波流进行较长时间的数据观测是很有必要的，而人工测量的过程持续时间较短，观测时长会难以覆盖观测断面的滚波变化频率，因此会造成测量误差，而超声波测量系统能够持续稳定测量，从而提高试验测量精度。另外，在人工进行测量的过程中发现，人为选取的测量目标均为演化较为成熟的滚波波形，即滚波聚合后波形较为明显的，致使测量数值相比真实值略大。本次人工测量得到25种工况下的滚波波峰、频率、波速的标准差分别为0.13、0.24、0.24，超声波测量系统得到的滚波波峰、频率、波速的标准差分别为0.20、0.30、0.31。后者的数值均大于前者，其原因可能是与人工测量有意识的选取发育较好的滚波有关。

3 结论与讨论

针对坡面薄层滚波流特征参数测量问题，研发了基于超声波测量原理的滚波特征参数测量系统，可以实现单个滚波的实时监测，测量系统设计合理，自动化程度高且操作简单，不受测量空间限制，滚波特征参数推求过程简单、物理意义明确。距离测量值相对误差为0.23%，变异系数为0.66%，具有较好的精确度和稳定性。

测量系统和人工测量法（测针法、颜料示踪法和目测法）测得的滚波波峰值接近程度最高，滚波的频率、波速、波长接近程度依次减弱。相对人工测量，超声波测量系统可以实现逐个滚波水力特征参数长时间的全面、稳定观测，有效避免人工观测过程中的人为误差，客观地反映坡面滚波流的水动力特性规律。

本研究仅在玻璃下垫面条件下对超声波测量系统进行了评价、验证，该系统是否适用于更为复杂试验条件下的滚波特征参数测量，还需在以后的研究当中进行验证。

[1] 姚文艺. 坡面流阻力规律试验研究[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] 敬向锋，吕宏兴，潘成忠，等. 坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨[J]. 农业工程学报，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] 张光辉. 坡面薄层流水动力学特性的实验研究[J]. 水科学进展，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] 张宽地，王光谦，吕宏兴，等. 模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究[J]. 水科学进展，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，李勋贵，李占斌，等. 黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验[J]. 农业工程学报，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] 罗榕婷，张光辉，曹颖. 坡面含沙水流水动力学特性研究进展[J]. 地理科学进展，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，沈晋，王文焰，等.降雨条件下黄土坡面溶质随地表径流迁移实验研究[J]. 水土保持学报，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] 王辉，王全九，邵明安. 人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验[J]. 农业工程学报，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，张兴昌. 坡面面土壤养分与降雨、径流的相互作用机理及模型[J]. 世界科技研究与发展，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] 张宽地，王光谦，孙晓敏，等. 坡面薄层水流水动力学特性试验[J]. 农业工程学报，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] 张宽地，王光谦，王占礼，等.人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验[J]. 农业工程学报，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，王辉，赵军，等. 径流流量及含沙量自动动态测量系统[J]. 农业工程学报，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] 张蕾蕾. 坡面径流量自动测量系统的研究与实现[D]. 北京：北京林业大学，2014. Zhang Leilei. Research and Implementation of Runoff Discharge Automatic Measurement[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[15] 夏卫生，雷廷武，赵军，等. 薄层水流速度测量系统的研究[J]. 水科学进展，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] 夏卫生，雷廷武，刘春平，等. 坡面薄层水流流速测量的比较研究[J]. 农业工程学报，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] 张捷，王华民，刘庆丰，等. 基于FPGA的坡面流流速仪的设计[J]. 工业控制计算机，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] 刘鹏，李小昱，王为. 基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究[J]. 农业工程学报，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] 王为，李小昱，张军，等. 基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究[J]. 农业工程学报，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] 罗榕婷，张光辉，沈瑞昌，等. 染色法测量坡面流流速的最佳测流区长度研究[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，张光辉，胡国芳，等.坡面流超声波水深测量系统研究[J]. 水土保持学报，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] 胡国芳，张光辉，朱良君. 3种坡面流水深测量方法比较[J]. 水土保持通报，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] 张宽地. 坡面径流水动力学特性及挟沙机理研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，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] 李鹏，李占斌，郑良勇. 黄土坡面水蚀动力与侵蚀产沙临界关系试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报，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. 降雨和坡度对坡面流水动力学参数的影响[J]. 应用基础与工程科学学报，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

流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题（2015ZY01、2015TS01）；国家自然科学基金青年基金项目（51209222）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（WR0145B022016）。

杨苗，男，湖南邵阳人，主要从事坡面水流的研究。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：18700944827@163.com

龚家国，男，湖北枣阳人，博士，高级工程师，主要从事水文水资源研究。北京中国水利水电科学研究院水资源研究所，100038。 Email：jiaguogong@163.com

杨 苗，龚家国，张宽地，范 典，赵 勇，王 浩.坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验[J]. 农业工程学报，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