一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法，所述装置包括：推移质水槽(1)、集沙漏斗(2)、斜面挡板(3)和摄像机(4)；集沙漏斗(2)设置在推移质水槽(1)的床面泥沙的横截断面上，斜面挡板(3)设置在集沙漏斗(2)上，斜面挡板(3)的宽度与推移质水槽(1)的宽度相同，斜面挡板(3)的长度方向设置成由倾斜板段(31)、垂直板段(32)和底部平板段(33)组成的结构，摄像机(4)设置在推移质水槽(1)的侧面。本发明可实时测量水槽试验的推移质输沙率，同时得到推移质颗粒粒径的大小与分布，还可以获取推移质泥沙沿横断面的分布，极大提高了推移质输沙测量信息量和效率，节约人工成本，并有效避免了推移质输沙率测量中的人为误差。
【专利说明】一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法，属于河道泥沙 输移测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 水流中的泥沙运动可分为悬移质运动和推移质运动，悬移质指悬浮在水中，随水 流同时运动的泥沙颗粒，悬移质通常遍布河道的整个水深范围，其运动速度与水流流速基 本一致；推移质是指以滚动、滑动、跳跃为主要运动方式的泥沙颗粒，推移质运动往往只集 中于床面附近，运动速度与水流流速相差较大，并且推移质泥沙颗粒在床面上走走停停，具 有一定的随机性。水流挟带泥沙的强度可用输沙率来表示，输沙率指单位时间通过特定断 面的输沙量，根据泥沙的两种运动方式，也可分为悬移质输沙率和推移质输沙率。
[0003] 推移质输沙率是指在特定的水流条件及床沙条件下推移质颗粒的输移数量，并且 是分析床面组成、床面变形及河床冲淤的重要参数。目前泥沙运动力学中的推移质运动机 理研究基本是在水槽中开展，其过程主要包括：首先根据所研究的泥沙颗粒特征，铺设床 沙，然后施放水流，研究不同水流强度条件下的泥沙颗粒运动特征，建立水流条件和推移质 输沙率的关系。由于推移质运动主要集中在近底床面，很难与不参与运动的床面颗粒区分 开来，因此推移质输沙率测量一直是水槽模型试验中的难点之一。
[0004] 现有的推移质输沙率测量方法主要包括：在水槽尾部取样人工测量、水槽尾部设 置接沙漏斗利用电子天平实时称重测量、调整加沙量控制床面变形相似法等测量方法。
[0005] 在水槽尾部取样人工测量方法是在模型尾部设置取样器皿，采用人工取样，提取 一定时间段Λ t内进入器皿内的沙样，再将沙样烘干、称重，得到其重量w，则gs = w/ Λ t即 为推移质输沙率。该方法为直接测量法，一般为人工计时取样，存在一定的人为误差，且所 取沙样需烘干、称重等后期处理，不能得到实时输沙率。
[0006] 水槽尾部设置接沙漏斗利用电子天平实时称重测量方法是在试验水槽或模型尾 部设密封接沙箱、接沙漏斗、接沙篮，接沙篮位于接沙箱内，接沙漏斗之下，且挂于位于其上 的电子天平上，试验时可利用电子天平获取进入接沙篮内的泥沙累计曲线，通过该曲线可 获取单位时间内的推移质输沙率。该方法可对输沙率进行实时测量，但只能获取泥沙的重 量，不能即时得到进入接沙篮内泥沙的颗粒级配，颗粒级配只能通过后期烘干筛分得到。
[0007] 调整加沙量控制床面变形相似法是假定水槽内的推移质输沙率为平衡输沙率，则 模型进口单位时间的加沙量即为推移质输沙率。首先利用现有推移质输沙率公式初步计算 模型的输沙率，按计算值在模型首部加沙，试验后测量水槽内的床面变形，再根据该比对结 果调整加沙量，能使模型河床变形与原型相似的加沙率即为推移质输沙率。该方法需要进 行多组试验不断调整，对于均匀沙来说，只需调整上游加沙量，需要的组次较少，较容易得 到合理的输沙率，而当研究对象为非均匀沙时，床面颗粒在不同水流条件下不仅输沙率会 发生变化，而且颗粒组成，颗粒级配也不断发生变化，在实际操作中很难实现上游加沙量及 级配与接沙的输沙率及级配完全一致。且床面变形测量还存在一定误差，在实际操作中难 以控制整个河段的实际冲淤量。
【发明内容】
[0008] 本发明为解决现有的推移质输沙率的测量方法存在的人工测量误差较大、无法实 时获得颗粒级配、测量结果的误差较大的问题，进而提供了一种推移质输沙率和颗粒级配 的实时测量装置及方法。为此，本发明提出了如下的技术方案：
[0009] -种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置，包括：推移质水槽、集沙漏斗、斜 面挡板和摄像机；集沙漏斗设置在推移质水槽的床面泥沙的横截断面上，斜面挡板设置在 集沙漏斗上，斜面挡板的宽度与推移质水槽的宽度相同，斜面挡板的长度方向设置成由倾 斜板段、垂直板段和底部平板段组成的结构，摄像机设置在推移质水槽的侧面，摄像机的拍 摄平面为斜面挡板的倾斜板段。
[0010] 一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量方法，包括：
[0011] 根据摄像机拍摄的通过斜面挡板倾斜板段上的泥沙颗粒的连续图像获取所述泥 沙颗粒所占的像素值、运动轨迹及运动速度值；
[0012] 根据所述泥沙颗粒所占的像素值获得所述泥沙颗粒的粒径值及重量值，根据所述 泥沙颗粒的运动轨迹和运动速度值获得所述泥沙颗粒通过拍摄平面起始线的时刻值；
[0013] 根据单位时间内所述摄像机拍摄到的所述泥沙颗粒的重量值及通过拍摄平面起 始线的时刻值获得所述单位时间内的推移质输沙率；
[0014] 对单位时间内所述摄像机拍摄到的所述每颗不同泥沙颗粒所占像素大小的数量 值做频度分析，获得所述预定泥沙颗粒的实时颗粒级配。
[0015] 本发明提供了一种基于图像处理的水槽试验推移质输沙率的技术，可实时测量水 槽试验的推移质输沙率，同时得到推移质颗粒粒径的大小与分布，还可以获取推移质泥沙 沿横断面的分布，极大提高了推移质输沙测量信息量和效率，节约人工成本，并有效避免了 推移质输沙率测量中的人为误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的【具体实施方式】提供的推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置 的结构不意图；
[0017] 图2为本发明的【具体实施方式】提供的斜面挡板的结构示意图；
[0018] 图3为本发明的【具体实施方式】提供的测量推移质输沙率的拍摄位置示意图。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 本【具体实施方式】提供了一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置，如图1所 示，包括：推移质水槽1、集沙漏斗2、斜面挡板3和摄像机4 ;集沙漏斗2设置在推移质水槽 1的床面泥沙的横截断面上，斜面挡板3设置在集沙漏斗2上，斜面挡板3的宽度与推移质 水槽1的宽度相同，斜面挡板3的长度方向设置成由倾斜板段31、垂直板段32和底部平板 段33组成的结构，摄像机4设置在推移质水槽1的侧面。
[0021] 具体的，在推移质水槽1中，集沙漏斗2可设置在推移质水槽1中的尾部或水流 方向的下游，由于推移质运动需不断与床面接触，当推移质颗粒运动至集沙漏斗2上方时， 将会失去床面支撑而经过斜面挡板3的倾斜板段34掉入集沙漏斗2内。斜面挡板3可采 用不锈钢板，不锈钢板厚度为2mm，宽度与推移质水槽1的宽度相同，斜面挡板3的长度方 向折弯成图2所示的形状，该形状底部段上部铺设试验沙，试验沙铺设厚度同垂直段高度， 泥沙颗粒在水流作用下经过斜面挡板贴面34进入接沙漏斗。斜面挡板3的斜面挡板贴面 34的长度最小值通过泥沙颗粒的运动速度+摄像机帧频X每个泥沙颗粒拍到的帧数的 方式确定，确保每个泥沙颗粒都能拍到10帧以上的图像，以获取较为精确的颗粒运动轨迹 和速度。如泥沙颗粒的运动速度为15cm/s，摄像机巾贞频为25巾贞/s，则倾斜板最小长度为 15/25*10 = 6cm。斜面挡板3的垂直板段32根据试验水流所能冲刷的深度设置，通常设 置为10cm左右。斜面挡板3的底部平板段33的最小长度设计为大于前两部分之和，避免 在试验中不锈钢板被水流冲移。在斜面挡板3的倾斜板段31上设置有与实验用沙颜色不 同的斜面挡板贴面34,例如在不锈钢板倾斜板段上部贴一块形状与其完全相同的有机玻璃 板，该有机玻璃板颜色为与试验沙不同的颜色，如果试验沙为多种颜色，有机玻璃板可选择 绿色，有利于后期图像处理中对颗粒的识别，有机玻璃板厚度为2mm，该有机玻璃板34作为 摄像机拍摄泥沙颗粒的拍摄面。在图2中，斜面挡板3的倾斜板段31的角度按大于试验用 沙的水下休止角5°设置。当该角度小于试验沙水下休止角时，泥沙颗粒有可能滞留于平板 上，不往下滑落；当该角度过小时，泥沙颗粒有可能不经斜面顶托，直接落入接沙漏斗，不利 于对泥沙颗粒图像的拍摄。
[0022] 本【具体实施方式】还提供了一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量方法，包括：
[0023] 步骤1，根据摄像机4拍摄的流经斜面挡板3倾斜板段34的泥沙颗粒的连续图像 获取所述每个泥沙颗粒所占的像素值、运动轨迹及运动速度值。
[0024] 具体的，在拍摄过程中，摄像机4位于推移质水槽1的侧面，摄像机4的高度与斜 面挡板3所在面相同，摄像机4的具体位置为能拍摄到整个斜面挡板3倾斜板段34为宜， 具体位置如图3所示。
[0025] 步骤2,根据所述每个泥沙颗粒所占的像素值获得所述泥沙颗粒的粒径值及重量 值，根据所述泥沙颗粒的运动轨迹和运动速度值获得所述泥沙颗粒通过拍摄平面起始线的 时刻值。
[0026] 具体的，推移质输沙率的定义为单位时间内通过某一断面的推移质输沙量，在本
【具体实施方式】中计算的输沙率是指泥沙开始进入拍摄平面的断面，即斜面挡板3的斜面挡 板贴面34的起始线。考虑摄像机4与拍摄平面不平行，处于拍摄平面中不同部位单位像素 所代表的实际尺度并不相等，因此，在使用前首先须对摄像机4处于特定位置时所获取图 像代表的实际尺度进行率定。具体率定方法为常规方法，此处不再赘述。经率定后的图像 中，各个位置的图像像素大小即可代表实际尺度大小。
[0027] 当某一颗泥沙颗粒（标号为1)通过拍摄平面（斜面挡板贴面34)时，摄像机可得 到该颗粒运动的连续图像，通过该连续图像可以获取该泥沙颗粒在平面上的泥沙颗粒所占 像素大小、运动轨迹及运动速度。通过该泥沙颗粒所占的像素大小可以获取该泥沙颗粒的 粒径大小dl ;将该泥沙颗粒的运动轨迹延长至拍摄平面（斜面挡板贴面34)的起始线，此 为该颗粒进入拍摄平面（斜面挡板贴面34)的部位，以图3所示，该位置以距水槽右岸边壁 的距离xl表示；根据泥沙颗粒的运动轨迹及其运动速度可以获取该泥沙颗粒通过拍摄平 面起始线的时刻tl。
[0028] 步骤3,根据单位时间内所述摄像机拍摄到的所述泥沙颗粒的重量值及通过拍摄 平面起始线的时刻值获得所述单位时间内的推移质输沙率；
[0029] 步骤4,对单位时间内所述摄像机拍摄到的所述泥沙颗粒大小的数量值做频度分 析，获得所述预定泥沙颗粒的实时颗粒级配。
[0030] 具体的，持续对推移质水槽1试验拍摄，可以获取大量颗粒的运动信息，包括不同 颗粒的粒径d、距离X及时刻t。如在一段时间At内，共拍摄到了 1000个泥沙颗粒，获得 了 1000个不同的t:tl?tlOOO。根据输沙率的定义，在At时段内的输沙率为该1000个 颗粒的重量，则根据不同颗粒粒径dl?dlOOO可以计算该1000个泥沙颗粒的重量w，则为 输沙率w/ △ t。当泥沙颗粒圆度较好，可根据粒径d直接利用球体公式计算其体积，再按质 量=密度X体积计算其重量；当试验沙圆度较差时，可预先进行率定，获取单颗粒泥沙的 d0?w0的定量关系，根据该定量关系，按dl?dl000计算泥沙颗粒的总重量。
[0031] 对该1000个颗粒粒径dl?dl000做频度分析，即可得到该1000个颗粒的颗粒级 配。再根据该1000个颗粒的不同位置，即：xl?X1000可以获取输沙率起始线上任意一段 距离内的输沙率，即输沙率沿横向分布。此外，根据该At时段内的1000个颗粒，还可以计 算小于At的任意时段内的推移质平均输沙率，以及该时段内的颗粒级配，推移质运动沿 横向分布等大量基础信息。
[0032] 本【具体实施方式】提供的推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法具有如 下的技术效果：
[0033] 推移质运动是泥沙输移的基本运动方式之一，推移质运动主要集中在近底床面， 而近壁区又是水流紊动猝发等相干结构最为发育的部位，水沙相互作用机理十分复杂，目 前对推移质运动机理的认识仍远落后于实际工程应用。而本【具体实施方式】提供了一种水槽 试验推移质实时测量技术，实现了推移质输沙率、推移质颗粒级配、推移质颗粒运动沿横向 分布的实时测量，极大提高了工作效率，节约了大量人力成本，并能有效避免人为误差；并 且，本【具体实施方式】还使大量亟需获取的推移质颗粒输沙运动基本信息成为可能，可为推 移质输沙机理研究提供大量的更科学、完善、可靠的数据，有利于推动泥沙运动基本理论研 究的进一步发展，可广泛应用于各种需测量推移质输沙率的水槽试验，由于推移质输沙率 数据能实时采集，还可应用于非恒定流等各种复杂流动的推移质输沙率研究。
[0034] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或 替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护 范围为准。
【权利要求】
1. 一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置，其特征在于，包括：推移质水槽 (1)、集沙漏斗（2)、斜面挡板（3)和摄像机（4);集沙漏斗（2)设置在推移质水槽（1)的床 面泥沙的横截断面上，斜面挡板（3)设置在集沙漏斗（2)上，斜面挡板（3)的宽度与推移质 水槽（1)的宽度相同，斜面挡板（3)的长度方向设置成由倾斜板段（31)、垂直板段（32)和 底部平板段（33)组成的结构，摄像机（4)设置在推移质水槽（1)的侧面。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，斜面挡板（3)的倾斜板段的角度至少大于 试验用沙的水下休止角5°。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，斜面挡板（3)的倾斜板段的长度最小值通 过泥沙颗粒的运动速度+摄像机帧频X每个泥沙颗粒拍到的帧数的方式确定。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在斜面挡板（3)的倾斜板段上设置有与所 述实验用沙颜色不同的斜面挡板贴面（34)。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，摄像机（4)对推移质泥沙运动的拍摄平面 为斜面挡板（3)的斜面挡板贴面（34)。
6. -种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量方法，其特征在于，包括： 根据如权利要求1至4任意一项所述的推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置中的 摄像机（4)拍摄的经过斜面挡板贴面（34)落入集沙漏斗（2)的泥沙颗粒的连续图像获得 获取所述泥沙颗粒所占的像素值、运动轨迹及运动速度值； 根据所述所拍摄的泥沙颗粒所占的像素值获得所述泥沙颗粒的粒径值及重量值，根 据所述泥沙颗粒的运动轨迹和运动速度值获得所述泥沙颗粒通过拍摄平面起始线的时刻 值； 根据单位时间内所述摄像机拍摄到的所述泥沙颗粒的重量值及通过拍摄平面起始线 的时刻值获得所述单位时间内的推移质输沙率； 对单位时间内所述摄像机拍摄到的所述预定泥沙颗粒粒径大小的数量值做频度分析， 获得所述预定泥沙颗粒的实时颗粒级配。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获得所述泥沙颗粒的重量值的方法包括： 当所述泥沙颗粒圆度较好时，根据所述粒径值获得所述泥沙颗粒的体积及重量；当所述泥 沙颗粒圆度较差时，根据单个所述颗粒泥沙的单位颗粒和重量的定量关系获得所述摄像机 拍摄到的所述预定泥沙颗粒的总重量。
【文档编号】G01N15/14GK104122190SQ201410370079
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】曹文洪, 刘春晶, 许琳娟, 孙高虎, 张晓明, 鲁文, 鲁婧, 胡健, 张治昊, 王玉海, 关见朝, 刘磊, 凃洋 申请人:中国水利水电科学研究院