1、寧夏大學(xué)碩士生考試考查卷面紙20132014 學(xué)年度第二學(xué)期姓 名 王艷偉 學(xué) 號(hào) 12013130620 院（所、部） 土水學(xué)院 年 級(jí) 2013級(jí) 專 業(yè) 水利工程 研究方向 節(jié)水灌溉理論與技術(shù)課 程 相似理論與水工測試技術(shù) 考試方式 考查 主考教師評(píng)語：成績： 主考教師簽名： 2014年 月 日水文相似的研究進(jìn)展王艷偉(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川，750021)摘 要 水文相似是近年來工程水文領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，本文主要從水文相似的概念和水文模型試驗(yàn)測量技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢兩個(gè)方面闡述水文相似的研究現(xiàn)狀，并指出了目前存在的一些問題，以期對(duì)水文相似的研究具有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞 水文

2、相似 概念 水文模型試驗(yàn)測量技術(shù)Abstract Hydrologic similarity is the hot problem of research for the engineering hydrology in recent years, the paper summarize the research status of hydrologic similarity from the concept and the application and development trend of hydrologic model test measurement technology, in

3、 addition, points out some problems of the research, which has the reference value to the research on hydrologic similarity。Keyword hydrologic similarity concept hydrologic model test measurement technology1 引 言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種水利工程開發(fā)利用日新月異，大量工程的實(shí)施，對(duì)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。因此，如何科學(xué)高效地開發(fā)利用河流海岸資源，協(xié)調(diào)開發(fā)利用與環(huán)境

4、保護(hù)之間的關(guān)系成為水利科學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題，這些問題的解決需要不斷提高水文模型試驗(yàn)測量技術(shù)的水平。本文著重論述水文模型試驗(yàn)測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，以期對(duì)實(shí)現(xiàn)水利工程的可持續(xù)發(fā)展具有參考價(jià)值。2 水文相似的概念在工程領(lǐng)域，物理模型試驗(yàn)是通過對(duì)試驗(yàn)中主要因素進(jìn)行獨(dú)立控制，使得工程中發(fā)生的現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中得以再現(xiàn)出來的一種常用方法，其指導(dǎo)理論即為“相似理論” 1。物理模型試驗(yàn)中的相似理論結(jié)合了數(shù)學(xué)解析法和試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)，所謂 “相似”指組成模型的每個(gè)要素必須與原型的對(duì)應(yīng)要素相似，這些對(duì)應(yīng)要素包括幾何要素和物理要素。在作為水文學(xué)理論基礎(chǔ)的流體力學(xué)領(lǐng)域中，若兩種流動(dòng)現(xiàn)象相似，一般應(yīng)滿足: 幾何相似、

5、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似2。參照物理模型試驗(yàn)及流體力學(xué)的相關(guān)原理，水文相似可定義為研究流域間水文響應(yīng)關(guān)系的科學(xué)，并用來定量指示流域間水文特性的區(qū)別與聯(lián)系，是水文科學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志。流域水文相似由驅(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力等方面要素組成 3。水文相似的三要素是構(gòu)成流域水文系統(tǒng)不可或缺的3個(gè)組成部分。3 水文模型測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀3.1 流速測量技術(shù)流速分布是流體運(yùn)動(dòng)的主要特性之一，既是理論分析的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證理論的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還為工程實(shí)踐提供可靠依據(jù)，流速測量是水文模型試驗(yàn)測量技術(shù)中最核心的內(nèi)容，一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。21世紀(jì)以來，流速測量技術(shù)取得了較快的發(fā)展4-5，從單點(diǎn)流速測量發(fā)展到多點(diǎn)測量，從單

6、向到多向，從穩(wěn)態(tài)向瞬態(tài)發(fā)展，從畢托管、旋漿流速儀、熱線熱膜流速儀、電磁流速儀發(fā)展到超聲波多譜勒流速儀等技術(shù)。畢托管是一種古典的測量儀器，從原理上說，畢托管測速基于流體力學(xué)的能量方程在定常、理想無黏、不可壓假設(shè)下即成為伯努利方程的原理。一般來說，由于受到上述條件的限制，畢托管只用于平均速度測量或流量測量，且流速宜大于0.15m/s，適用于測量穩(wěn)定流，目前已經(jīng)很少用于水文模型試驗(yàn)測量。旋漿式流速儀基本原理是將固定在傳感器支架上的旋槳置于水流中的施測點(diǎn)，旋槳正對(duì)水流方向，由于動(dòng)水壓力作用會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，流速越大，轉(zhuǎn)動(dòng)越快。采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱陀?jì)數(shù)器，記下單位時(shí)間轉(zhuǎn)數(shù)，就可根據(jù)率定曲線求出流速。 旋漿式流速

7、儀主要有電阻式、電感式、光電式3 種。近年來，配套新型光電式流速旋漿傳感器，采用先進(jìn)的電子技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)研發(fā)的新型智能流速儀，具有流速多機(jī)測量及非恒定流速測量與處理等功能，已廣泛應(yīng)用于水文模型試驗(yàn)測量中，但該儀器屬于單點(diǎn)接觸式測量，對(duì)水流干擾較大，而且對(duì)于低于旋漿起動(dòng)流速的小流速無法測量。熱線熱膜流速儀是利用放置在流場中具有加熱電流的金屬絲來測量流速的儀器。由于金屬絲中通過了加熱的電流，當(dāng)流速變化時(shí)，金屬絲的溫度就會(huì)隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了電信號(hào)，電信號(hào)和流速之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此檢測出電信號(hào)就可測出流速,熱線熱膜流速儀能夠測得瞬時(shí)流速，對(duì)水流干擾較小，使用方便，但對(duì)

8、水質(zhì)有較高的要求，必須清潔無雜質(zhì)，否則由于雜質(zhì)沉淀在金屬絲表面，會(huì)改變熱耗散率，將造成測量誤差。因此，在水文模型試驗(yàn)含沙水流中應(yīng)用較少。電磁流速儀是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，把水流作為導(dǎo)體來測量水流速度的流速儀。電磁流速儀傳感器較小，對(duì)水流擾動(dòng)小，可用來測瞬變流速和流向，可測量不同水質(zhì)較大范圍的流速，但易受附近電磁場的干擾，目前用于水文模型試驗(yàn)還比較少。超聲波多譜勒流速儀6和激光多譜勒流速儀7分別基于超聲波和激光的多普勒效應(yīng)來測量流速的，是非接觸式流速儀，可測量三維流速，對(duì)流體沒有干擾，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測量精度高，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用條件苛刻，大部分用于水槽實(shí)驗(yàn)研究，較少應(yīng)用于水文模型試

9、驗(yàn)中。3.2 地形測量技術(shù)地形測量是水文模型試驗(yàn)中重要的測量內(nèi)容之一，這是因?yàn)槲锢砟Ｐ褪歉鶕?jù)實(shí)際地形資料，根據(jù)相似理論按照一定的比尺縮小而成的，水文模型地形測量稍有誤差，就有可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。目前應(yīng)用到物理模型三維地形的測量技術(shù)大致可分為接觸式測量儀和非接觸式測量儀兩類。接觸式地形儀主要包括測針、光電反射式地形儀8、電阻式地形儀9、跟蹤式地形儀等。由于測量時(shí)探頭需要接觸床面，測量效率和精度較低，而且對(duì)水流和地形都有一定的干擾，接觸式地形儀逐漸被非接觸式地形儀取代10。非接觸式地形儀主要有激光地形儀和超聲波地形儀。測量時(shí)不需要接觸床面，對(duì)水流和地形無干擾，測量效率和精度較高。激光具有測

10、量精度高、測量距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)三維地形的大范圍瞬時(shí)非接觸測量。激光地形儀在無水條件下的測量具有較好的應(yīng)用，但由于激光在水下衰減較快，而且在空氣中和水中的傳播速度不一樣，因此無法直接進(jìn)行深水條件下水下地形的測量。而超聲波具有在水下傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可用來實(shí)現(xiàn)水下地形的瞬時(shí)非接觸測量11-13。超聲波探頭在測量水下地形時(shí)需要置于水下，并且有一定的測量盲區(qū)，當(dāng)水深較淺時(shí)無法測量。為了解決水上及水下地形同時(shí)測量的問題，武漢大學(xué)馬志敏等14結(jié)合了兩種非接觸快速地形測量技術(shù)，即利用超聲波實(shí)現(xiàn)水下地形非接觸快速掃描測量和利用激光實(shí)現(xiàn)水上地形的無接觸快速測量，但仍是單點(diǎn)連續(xù)掃描測量，測量效率和精度都有待進(jìn)

11、一步提高?？梢娪捎谀Ｐ驮囼?yàn)地形數(shù)據(jù)的重要性和其對(duì)測量精度及效率的高標(biāo)準(zhǔn)要求，近年來隨著激光技術(shù)，超聲波技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等的發(fā)展，模型試驗(yàn)地形測量技術(shù)從人工測針測量向自動(dòng)測量，從接觸式測量向非接觸式測量發(fā)展，但尚未實(shí)現(xiàn)三維地形特別是水下地形的大范圍瞬時(shí)非接觸測量。3.3 水位測量技術(shù)水位是物理模型試驗(yàn)中必不可少的水力要素。目前應(yīng)用于模型試驗(yàn)的水位測量儀器主要有: 水位測針、跟蹤式水位儀、數(shù)字編碼探測式水位儀、振動(dòng)式水位儀、光柵式水位儀、超聲波水位儀等15。水位測針是一種古典的水位測量工具，由于測針穩(wěn)定可靠，且精度較高，所以沿用至今，但測量時(shí)費(fèi)時(shí)較多，不易同時(shí)測量多點(diǎn)水位

12、。跟蹤式水位儀、數(shù)字編碼探測式水位儀、振動(dòng)式水位儀及光柵式水位儀都是采用步進(jìn)電機(jī)跟蹤水位進(jìn)行測量的水位儀，只是采用的傳感器不同,由于功能強(qiáng)精度高，這些跟蹤式的水位儀在水文模型試驗(yàn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)部分易于磨損而產(chǎn)生誤差，此外由于受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度的限制而使水位跟蹤速度受到影響。超聲波水位儀應(yīng)用超聲波反射原理測量水位，跟蹤速度快，并可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水位同步測量，但測量精度易受環(huán)境溫度等影響。3.4 含沙量測量技術(shù)含沙量是模型試驗(yàn)中必不可少的測量要素。在天然河流中，懸沙的含沙濃度高低隨流域來沙條件、水流條件和邊界條件而變化，為了準(zhǔn)確模擬天然河流中的泥沙運(yùn)動(dòng)，必須隨時(shí)測定模型試驗(yàn)中

13、水體含沙量，以便即時(shí)控制模型試驗(yàn)的各種參數(shù)，確保模型試驗(yàn)成果質(zhì)量。模型試驗(yàn)含沙量測量方法和儀器主要有烘干稱重法、比重瓶法、光電測沙儀、同位素測沙儀、激光測沙儀和超聲波測沙儀等16-18。烘干稱重法和比重瓶法是直接測量法，通過直接測量泥沙的重量來測得含沙量，具有較高的精度，但操作過程復(fù)雜，不能進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)的含沙量測量。間接測量方法主要有光電測沙儀、同位素測沙儀、激光測沙儀、超聲波測沙儀，通過測量光電信號(hào)、激光信號(hào)或超聲波信號(hào)的衰減與含沙量的關(guān)系來進(jìn)行測量，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)的測量含沙量，但無論是光電信號(hào)、激光信號(hào)還是超聲波信號(hào)在含沙水流中的衰減受泥沙的形狀、大小、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等影響較大，特別

14、是在高含沙水流中測量誤差較大。4 存在的問題及發(fā)展趨勢水文相似性研究是水文科學(xué)的前沿問題，研究的開展將增進(jìn)人們對(duì)水文現(xiàn)象的理解，提高水文研究的科學(xué)性，不斷發(fā)展和完善水文科學(xué)。4.1 存在問題目前用于水文模型試驗(yàn)中的流速測量儀器主要是旋漿流速儀。旋漿流速儀可測量流速的垂向分布，但是屬于接觸式測量方法，對(duì)水流干擾較大。水文模型試驗(yàn)地形測量技術(shù)從人工測針測量向自動(dòng)測量，從接觸式測量向非接觸式測量發(fā)展，但尚未實(shí)現(xiàn)三維地形特別是水下地形的大范圍瞬時(shí)非接觸測量。水位測量技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)同步采集，但尚未實(shí)現(xiàn)全場測量。含沙量測量技術(shù)隨著光學(xué)、聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、實(shí)時(shí)的含沙量測量，但測量精度還有待提

15、高，而且無法瞬時(shí)測量含沙量全場分布。由于模型試驗(yàn)水流及泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，模型試驗(yàn)中水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)、河床變形、含沙量分布等變化規(guī)律十分復(fù)雜，隨著研究的不斷深入，需測量流速、地形、水位、含沙量等關(guān)鍵參數(shù)的三維全場數(shù)據(jù)。但目前的測量技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)水沙參數(shù)的三維全場測量，已經(jīng)嚴(yán)重制約了模型試驗(yàn)研究水平的提高，成為河流泥沙工程研究急需解決的瓶頸問題。4.2 發(fā)展趨勢為了解決目前水文模型試驗(yàn)水沙參數(shù)的三維全場測量難題，在目前技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限測量數(shù)據(jù)獲取三維全場信息的測量技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。將數(shù)值模擬與物理模型以及智能科學(xué)相結(jié)合，是一種較為可行的途徑。智能科學(xué)主要包括人工智能、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模

16、糊邏輯、遺傳算法、元胞自動(dòng)機(jī)、混沌分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等19-20。運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能科學(xué)中的非平凡、非傳統(tǒng)方法，建立水流運(yùn)動(dòng)的非線性模型，汲取復(fù)合模型的思想，對(duì)實(shí)測資料進(jìn)行整理，并與遺傳算法等智能方法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化選取，從而實(shí)現(xiàn)水流的智能模擬。河海大學(xué)唐洪武等21-22在水流智能模擬方面進(jìn)行了探索，并在四面體框架空間流場及復(fù)雜河網(wǎng)的智能模擬方面取得了一些研究成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及測量控制技術(shù)的發(fā)展，將智能科學(xué)、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)測控技術(shù)相結(jié)合，研究智能模擬與模型試驗(yàn)測控技術(shù)相耦合的三維全場測量技術(shù)，已具備一定的研究基礎(chǔ)，并成為今后模型試驗(yàn)測量技術(shù)發(fā)展的方向。5 參考文獻(xiàn)1 BU

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