专利名称：一种测量泥沙启动流速的方法
技术领域：
本发明属于河工测量技术领域，涉及一种泥沙启动流速的测量方法。
背景技术：
在河工模型试验中，泥沙启动流速的测量对于泥沙运移规律的研究具有十分重要的意义。泥沙启动是指在一定的水流条件下，泥沙由静止转为运动的现象。然而，现有泥沙启动流速测量的方法还比较落后，主要依靠人工观察的方法，即由人工调整试验水槽中的流速，并通过人工目视观察试验水槽床面泥沙的启动情况，进而判定是否达到泥沙的启动 流速。这种方法存在以下问题1、受人为因素影响较大，不同人员、不同的习惯、不同光照条件可能得出不同临界启动流速；2、缺乏合理的、定量的、客观一致的判别依据，人为随意性很大。3、受水流透明性影响较大。在含沙水流中往往会有很多微小的尘粒，长时间悬浮在水中，尤其是流动的水中，使得水体混浊，实验人员根本无法看清床面泥沙的运动情况，因而无法判定泥沙的启动状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于仪器的测量泥沙启动流速的方法。本发明采用B超成像，自动判别泥沙启动状态和测量启动流速。当流速低于泥沙的启动流速时，除少数微小粒子流动外，床面的沙粒是不动的，在床底附近悬浮运动的沙粒浓度很低，只有少数杂散悬浮粒子。显然，在这种情况下，河床床面也保持不变；当水流速度达到并超过泥沙临界启动流速时，床面沙粒的力学平衡条件被打破，就会发生沙粒沿床面的滚动和部分沙粒上扬运动，伴随而至的是床面附近悬浮运动粒子的浓度的显著增加。经历一定的时间后，床面的地形会发生一定的变化；进一步增大水流速度，将伴随大量沙粒的扬起和流动，运动沙粒的浓度将急剧增加，同时，河床地貌也将发生快速的变化。显然，测量出河床边界上方悬移沙粒的数量(或浓度)及其变化情况，就可以判定泥沙的启动与否，对应流速由流速仪测得，从而测量出泥沙的临界启动流速。由于超声波在水下有很好的传导性，而且高频超声波对水中的粒子较为敏感，借助于B型超声扫描方式，只要选择合适的超声频率，进行水下二维成像，可以获得河床界面及其上方的悬浮沙粒的的实时图像信号。依据这些粒子的光斑图像信号可以分析判定泥沙的启动状况。虽然图像中的粒子的大小可能会有一定失真，但足以反映悬移粒子的存在和粒子的浓度变化情况，为分析判定泥沙的启动状态提供足够的信息。实验证明，在泥沙临界启动流速附近，河床界面悬移沙粒的浓度有一个显著的增加的过程，这为通过B超成像准确判定泥沙的启动状况提供了有效特征。定义术语粒子浓度每帧图像所含悬移粒子的数目，用N表示。基础浓度静水中每帧图像所含悬移粒子浓度，用NO表示。水流速度用V表示,单位cm/s。浓度变化率Λ N/Λ V，用U表示。相对浓度N/(NO)，用S表示。根据不同沙质多次实验结果和数据的统计分析，本发明建立了以下基于B超成像的泥沙启动流速的判定法则
1、粒子浓度N显著增加到基础浓度NO的3飞倍以上且Ν>30；
2、粒子浓度的相对变化率达到10(Γ200颗/cm/s。 以上两个条件同时满足对应的最小流速即为泥沙的启动流速。基于上述判定准则，本发明提供的测量泥沙启动流速的方法为
①、从流速为零开始，利用B超仪测量并记录河床边界上方悬移粒子浓度，所述粒子浓度为每帧图像所含悬移粒子的数目，用N表示；
②、逐步增加水流速度，测量并记录悬浮粒子浓度及浓度变化率，所述水流速度用V表示，单位cm/s，所述浓度变化率为Λ N/ Λ V ;
③、当悬浮粒子浓度超过静水中悬浮粒子浓度的3飞倍且Ν>30，悬浮粒子的浓度变化率达到10(Γ200时判定此时的水流速度为泥沙启动流速，测量此时的水流速度为泥沙的启动流速。测量水流速度可用常用的流速仪如旋桨流速仪、ADV流速仪或电磁流速仪等。本发明方法采用B超成像仪，对启动流速试验设施的水下河床边界和悬移沙粒直接进行成像，获取泥沙粒子运动的直观视频图像信息，通过分析床面附近悬移粒子浓度的变化特征，结合流速仪测得的流速，最终给出泥沙的启动流速。这种方法有以下优点1、适应性较强。由于超声波在水下有良好的穿透性，混水流和清水流都能获得比较清晰的图像。
2、能够对水流中悬移沙粒进行定量分析，从而建立定量、客观、一致的判定标准。3、可利用计算机自动分析处理，实现启动流速的自动测量。
图I平均粒径为O. Imm沙粒图像。图2平均粒径为O. 25mm沙粒图像。 图3平均粒径为O. 5mm沙粒成像。图4泥沙启动前的水下图像。图5泥沙启动后的水下图像。图6粒子浓度与流速的关系曲线。
具体实施例方式实施例I，通过B超对静止水中塑料沙进行成像
试验证实，根据所测粒子的粒度大小，采用医用B超仪，选择合适的超声波频率(2. 5^7. 5MHZ)和适当的信号增益，完全可以获得水中沙粒的反射图像。
图1，2，3是实际采集到的不同粒径时悬移粒子图像。可以看出，B超仪可以获得粒度小至O. Imm的沙粒的清晰图像。
实施例2通过B超对水中泥沙启动前后进行成像
根据所测粒子的粒度大小，采用医用B超仪，选择合适的超声波频率(2. 5^7. 5MHZ)和适当的信号增益，获得水中沙粒启动流速前后河床界面附近水下悬移粒子图像信号。如图4，5所示。图中亮线为河床边界，河床上方的亮斑为悬移沙粒的图像。由图可以看出，启动前后河床边界上方悬移粒子数量发生了明显变化。
实施例3以模型试验塑料沙为例，图6是该方法实测得到的悬移粒子浓度与流速的关系曲线。从中可以看出当流速小于3. llcm/s时，床面附近悬移粒子浓度很低，曲线平坦，颗粒浓度变化不大，约为每帧8 11颗左右，平均浓度为10颗/每帧(以下称为基础浓度，这是由其它一些轻质的悬浮物造成的，并非真正的悬浮沙粒)。此时，人工目视观察河床界面处没有明显沙粒的启动运动现象；当流速增加到3. 21cm/s时，悬移粒子浓度由每帧10颗增加到每帧27颗，粒子浓度相对于流速的变化率(即曲线的斜率)为170颗/cm/s，相对变化倍率(与基础浓度的比值)为2. 7，目视观察河床界面处有沙粒的轻微移动；当流速增加到
3.33 cm/s时，悬移粒子浓度猛增到N=47颗/每帧，粒子浓度的变化率为168颗/cm/s，相对变化倍率为4. 7，人工目视观察河床界面处有沙粒的明显移动；当流速增加到3. 45 cm/s时，悬移粒子浓度猛增到76颗/每帧，粒子浓度变化率为194颗/cm/s，相对变化倍率为7. 6。此时，目视观察河床界面处有沙粒的显著移动；很显然，从上面数据和目视观察的结果来看，在流速为3. 21cm/s时，发生了泥沙的轻微启动，在流速为3. 45cm/s时泥沙发生了显著运动，所以泥沙临界启动流速应在3. 2Γ3. 45cm/s之间，可取临界启动流速为3. 33cm/s。不确定度为±0. lcm/s，完全满足启动流速测量精度的要求。
权利要求
1.一种测量泥沙启动流速的方法，其特征在于包括如下步骤 ①、从流速为零开始，利用B超仪测量并记录河床边界上方悬移粒子浓度，所述粒子浓度为每帧图像所含悬移粒子的数目，用N表示； ②、逐步增加水流速度，测量并记录悬浮粒子浓度及浓度变化率，所述水流速度用V表示，单位cm/s，所述浓度变化率为Λ N/ Λ V ; ③、当悬浮粒子浓度超过静水中悬浮粒子浓度的3飞倍且Ν>30，同时悬浮粒子的浓度变化率达到10(Γ200颗/ (cm/s)时，判定此时的水流速度为泥沙启动流速，测量此时的水流速度为泥沙的启动流速。
2.根据权利要求I所述的测量泥沙启动流速的方法，其特征在于，测量水流速度用旋桨流速仪、ADV流速仪或电磁流速仪。
全文摘要
本发明涉及一种测量泥沙启动流速的方法，包括如下步骤、从流速为零开始，利用B超仪测量并记录河床边界上方悬移粒子浓度，所述粒子浓度为每帧图像所含悬移粒子的数目，用N表示；、逐步增加水流速度，测量并记录悬浮粒子浓度及浓度变化率，所述水流速度用V表示，单位cm/s，所述浓度变化率为ΔN/ΔV；、当悬浮粒子浓度超过静水中悬浮粒子浓度的3~6倍且N>30，同时悬浮粒子的浓度变化率达到100~200颗/(cm/s)时，判定此时的水流速度为泥沙启动流速，测量此时的水流速度为泥沙的启动流速。本发明方法能够对水流中悬移沙粒进行定量分析，从而建立定量、客观、一致的判定标准。
文档编号G01P5/24GK102830246SQ201210314718
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者马志敏, 赵小红, 胡向阳, 许明, 邹先坚 申请人:武汉大学