一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程中水文测量的技术领域，具体是一种原位实时测量悬移质浓 度和级配的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 江河中的泥沙主要以悬移质的形式运动，其输移、淤积、冲刷过程对河床演变、水 利工程安全运行等都具有重要的影响。
[0003] 按照《河流悬移质泥沙测验规范》（GB-50159-92)，悬移质浓度主要是在观测断面 布设测点，用采样器取水样，再到室内进行分析的方法测定。当含沙浓度大于2.Okg/m3时， 可以采用同位素测沙仪原位测量。悬移质级配则需要采集水样后在室内进行分析。
[0004] 在大水深条件下，细颗粒悬移质泥沙可能以异重流的形式输移，水库异重流排沙 是一种有效的减淤运行模式。水流的流速分布为上部流速大，下部流速小；悬移质泥沙浓度 的垂线分布则相反，上部浓度小，下部浓度大。在大型水库的洪水过程中，沙峰滞后于洪峰， 在排沙调度时，需要抓住时机在洪峰过后、沙峰到达时降低坝前水位排沙。此两种工况都需 要实时掌握悬移质泥沙的运移状态，按照《河流悬移质泥沙测验规范》的方法难以满足工程 实际的需要。
[0005] 在现有的仪器中，美国SequoiaScientific公司生产的激光原位散射透射测量仪 (laserinsituscatteringandtransmissometry(LISST)可以用于野外实时检测。该仪 器依据激光衍射的基本原理，利用光经过颗粒边缘时发生衍射来测量颗粒的大小，其基本 布置方式是使用单色激光作为光源，穿过数毫米的待测水体，在测量水体后布置傅里叶透 镜，并在透镜的后焦面设置由多级不同直径的同心圆环组成的光电探测器，每级圆环接受 不同偏离角度的光线，由标定参数可反算出悬移质泥沙的级配。该仪器的前端设置了双层 框架支撑傅里叶透镜和光电探测器，检测水团位于框架内部。流体中泥沙悬浮的能量来源 于水流的紊动，当在河流等野外流场中使用时，该仪器的外框架将明显改变检测水团的紊 动特性，由于泥沙与水体的比重不同，在运动中的惯性力不一样，水流紊动特性的变化将改 变泥沙的分布和级配，而这种影响在标定时很难模拟，所以该仪器用于野外实时测量时尚 有不足。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法，可以实现原位的 实时测量，能获得即时的测量结果，实时掌握悬移质泥沙的运移状态，对河流水沙输移的动 态监测具有独特的优势。
[0007] 一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，包括铅鱼、安装于铅鱼内的测量单 元及与测量单元连接的计算机，所述测量单元包括照相机、微缩镜头、激光器、反射镜、鲍 威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组、超声水深仪、供电单元，所述照相机的前端加装有微缩镜 头，所述激光器安装在反射镜的入射光路上，反射镜的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜、 柱面凸透镜、折射镜组，柱面凸透镜汇聚的矩形片光通过折射镜组穿过铅鱼下部以照亮铅 鱼下部局部水体，位于照相机下方的铅鱼底壳上设有钢化玻璃观测窗，供电单元分别与照 相机、激光器和超声水深仪连接。
[0008] 如上所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，所述计算机安放在测量船 上，用于控制激光器的开启和关闭、照相机的图像采集、传输和储存，进行测量成果的分析 并生成检测报表。
[0009] 一种原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其应用上述装置进行测量，具体包 括如下步骤：
[0010] 步骤一、将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼，在一定的水深处悬 停，用超声水深仪测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程；
[0011] 步骤二、开启激光器，所述激光器发出的激光光束向后发射，经反光镜使光束折返 180度，穿过鲍威尔棱镜扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜汇聚成矩形片光，最后用折射镜 组穿过铅鱼下部将矩形片光导入铅鱼下部的局部水体；
[0012] 步骤三、照相机通过下方的钢化玻璃观测窗拍摄连续拍摄图像并储存在照相机的 储存卡中，然后通过通讯电缆将照相机内的图像传输至测量船上的计算机中；
[0013] 步骤四、计算机将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用颗 粒的等容面积换算颗粒直径，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度，根据颗粒直径计算 悬移质的级配。
[0014] 如上所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，所述步骤四具体为：
[0015] 对采集的图像进行图形二值化，分割出泥沙占据的像素，根据泥沙占据的像素计 算每个泥沙颗粒的面积Ap，并按面积大小进行分级，设第i级颗粒每颗沙的面积为Aip，相应 的颗粒直径Djg据公式（1)计算得出：
【主权项】
1. 一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，其特征在于：包括铅鱼（I)、安装于铅 鱼（1)内的测量单元及与测量单元连接的计算机（14)，所述测量单元包括照相机（3)、微缩 镜头（4)、激光器（5)、反射镜（6)、鲍威尔棱镜（7)、柱面凸透镜（9)、折射镜组（10)、超声水 深仪（11)、供电单元（12)，所述照相机（3)的前端加装有微缩镜头（4)，所述激光器（5)安 装在反射镜￠)的入射光路上，反射镜￠)的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜（7)、柱面 凸透镜（9)、折射镜组（10)，柱面凸透镜（9)汇聚的矩形片光通过折射镜组（10)穿过铅鱼 (1)下部以照亮铅鱼（1)下部局部水体，位于照相机（3)下方的铅鱼（1)底壳上设有钢化玻 璃观测窗（15)，供电单元（12)分别与照相机（3)、激光器（5)和超声水深仪（11)连接。
2. 如权利要求1所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，其特征在于：所述计 算机（14)安放在测量船上，用于控制激光器（5)的开启和关闭、照相机（3)的图像采集、传 输和储存，进行测量成果的分析并生成检测报表。
3. -种原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其特征在于：其应用权利要求1或2 所述装置进行测量，具体包括如下步骤： 步骤一、将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼（1)，在一定的水深处悬 停，用超声水深仪（11)测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程； 步骤二、开启激光器（5)，所述激光器（5)发出的激光光束向后发射，经反光镜（6)使 光束折返180度，穿过鲍威尔棱镜（7)扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜（9)汇聚成矩形片 光，最后用折射镜组（10)穿过铅鱼下部将矩形片光导入铅鱼（1)下部的局部水体； 步骤三、照相机（3)通过下方的钢化玻璃观测窗（15)拍摄连续拍摄图像并储存在照 相机（3)的储存卡中，然后通过通讯电缆将照相机（1)内的图像传输至测量船上的计算机 (14)中； 步骤四、计算机（14)将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用 颗粒的等容面积换算颗粒直径，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度，根据颗粒直径计 算悬移质的级配。
4. 如权利要求3所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其特征在于所述步骤 四具体为： 对采集的图像进行图形二值化，分割出泥沙占据的像素，根据泥沙占据的像素计算每 个泥沙颗粒的面积Ap，并按面积大小进行分级，设第i级颗粒每颗沙的面积为Aip，相应的颗 粒直径Djg据公式（1)计算得出：
在面积A的全幅图像中有Ni个颗粒，假定颗粒在流场中均匀分布，则平均A/N i的面积 上有一颗沙，颗粒中心的平均距离为
，颗粒之间的长度为Si= Li-Di; 定义线性浓度为λ :
对第i级颗粒：
含沙浓度Cvi与线性浓度λ的关系：
通过连续采集图像分析及式（2)和（3)，即可得出水体各级粒径的直SDi、含沙浓度 Cvi、以及颗粒级配参数。
【专利摘要】本发明提供一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，包括铅鱼、安装于铅鱼内的测量单元及与测量单元连接的计算机，所述测量单元包括照相机、微缩镜头、激光器、反射镜、鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组、超声水深仪、供电单元，所述照相机的前端加装有微缩镜头，所述激光器安装在反射镜的入射光路上，反射镜的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组，柱面凸透镜汇聚的矩形片光通过折射镜组穿过铅鱼下部以照亮铅鱼下部局部水体，位于照相机下方的铅鱼底壳上设有钢化玻璃观测窗，供电单元分别与照相机、激光器和超声水深仪连接。本发明可实现原位的实时测量，能获得即时的测量结果，对河流水沙输移的动态监测具有独特的优势。
【IPC分类】G01N15-06, G01N15-02
【公开号】CN104535462
【申请号】CN201510010173
【发明人】杨文俊, 李丹勋, 陈启刚, 李健, 王兴奎
【申请人】长江水利委员会长江科学院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月9日