一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置，所述裝置包括：推移質(zhì)水槽(1)、集沙漏斗(2)、斜面擋板(3)和攝像機(jī)(4)；集沙漏斗(2)設(shè)置在推移質(zhì)水槽(1)的床面泥沙的橫截斷面上，斜面擋板(3)設(shè)置在集沙漏斗(2)上，斜面擋板(3)的寬度與推移質(zhì)水槽(1)的寬度相同，斜面擋板(3)的長度方向設(shè)置成由傾斜板段(31)、垂直板段(32)和底部平板段(33)組成的結(jié)構(gòu)，攝像機(jī)(4)設(shè)置在推移質(zhì)水槽(1)的側(cè)面。本實用新型可實時測量水槽試驗的推移質(zhì)輸沙率，同時得到推移質(zhì)顆粒粒徑的大小與分布，還可以獲取推移質(zhì)泥沙沿橫斷面的分布，極大提高了推移質(zhì)輸沙測量信息量和效率，節(jié)約人工成本，并有效避免了推移質(zhì)輸沙率測量中的人為誤差。
【專利說明】一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置，屬于河道泥沙輸移測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]水流中的泥沙運(yùn)動可分為懸移質(zhì)運(yùn)動和推移質(zhì)運(yùn)動，懸移質(zhì)指懸浮在水中，隨水流同時運(yùn)動的泥沙顆粒，懸移質(zhì)通常遍布河道的整個水深范圍，其運(yùn)動速度與水流流速基本一致；推移質(zhì)是指以滾動、滑動、跳躍為主要運(yùn)動方式的泥沙顆粒，推移質(zhì)運(yùn)動往往只集中于床面附近，運(yùn)動速度與水流流速相差較大，并且推移質(zhì)泥沙顆粒在床面上走走停停，具有一定的隨機(jī)性。水流挾帶泥沙的強(qiáng)度可用輸沙率來表示，輸沙率指單位時間通過特定斷面的輸沙量，根據(jù)泥沙的兩種運(yùn)動方式，也可分為懸移質(zhì)輸沙率和推移質(zhì)輸沙率。
[0003]推移質(zhì)輸沙率是指在特定的水流條件及床沙條件下推移質(zhì)顆粒的輸移數(shù)量，并且是分析床面組成、床面變形及河床沖淤的重要參數(shù)。目前泥沙運(yùn)動力學(xué)中的推移質(zhì)運(yùn)動機(jī)理研究基本是在水槽中開展，其過程主要包括:首先根據(jù)所研究的泥沙顆粒特征，鋪設(shè)床沙，然后施放水流，研究不同水流強(qiáng)度條件下的泥沙顆粒運(yùn)動特征，建立水流條件和推移質(zhì)輸沙率的關(guān)系。由于推移質(zhì)運(yùn)動主要集中在近底床面，很難與不參與運(yùn)動的床面顆粒區(qū)分開來，因此推移質(zhì)輸沙率測量一直是水槽模型試驗中的難點之一。
[0004]現(xiàn)有的推移質(zhì)輸沙率測量方法主要包括:在水槽尾部取樣人工測量、水槽尾部設(shè)置接沙漏斗利用電子天平實時稱重測量、調(diào)整加沙量控制床面變形相似法等測量方法。
[0005]在水槽尾部取樣人工測量方法是在模型尾部設(shè)置取樣器皿，采用人工取樣，提取一定時間段Λ t內(nèi)進(jìn)入器皿內(nèi)的沙樣，再將沙樣烘干、稱重，得到其重量W，則gs = w/ Λ t即為推移質(zhì)輸沙率。該方法為直接測量法，一般為人工計時取樣，存在一定的人為誤差，且所取沙樣需烘干、稱重等后期處理，不能得到實時輸沙率。
[0006]水槽尾部設(shè)置接沙漏斗利用電子天平實時稱重測量方法是在試驗水槽或模型尾部設(shè)密封接沙箱、接沙漏斗、接沙籃，接沙籃位于接沙箱內(nèi)，接沙漏斗之下，且掛于位于其上的電子天平上，試驗時可利用電子天平獲取進(jìn)入接沙籃內(nèi)的泥沙累計曲線，通過該曲線可獲取單位時間內(nèi)的推移質(zhì)輸沙率。該方法可對輸沙率進(jìn)行實時測量，但只能獲取泥沙的重量，不能即時得到進(jìn)入接沙籃內(nèi)泥沙的顆粒級配，顆粒級配只能通過后期烘干篩分得到。
[0007]調(diào)整加沙量控制床面變形相似法是假定水槽內(nèi)的推移質(zhì)輸沙率為平衡輸沙率，則模型進(jìn)口單位時間的加沙量即為推移質(zhì)輸沙率。首先利用現(xiàn)有推移質(zhì)輸沙率公式初步計算模型的輸沙率，按計算值在模型首部加沙，試驗后測量水槽內(nèi)的床面變形，再根據(jù)該比對結(jié)果調(diào)整加沙量，能使模型河床變形與原型相似的加沙率即為推移質(zhì)輸沙率。該方法需要進(jìn)行多組試驗不斷調(diào)整，對于均勻沙來說，只需調(diào)整上游加沙量，需要的組次較少，較容易得到合理的輸沙率，而當(dāng)研究對象為非均勻沙時，床面顆粒在不同水流條件下不僅輸沙率會發(fā)生變化，而且顆粒組成，顆粒級配也不斷發(fā)生變化，在實際操作中很難實現(xiàn)上游加沙量及級配與接沙的輸沙率及級配完全一致。且床面變形測量還存在一定誤差，在實際操作中難以控制整個河段的實際沖淤量。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型為解決現(xiàn)有的推移質(zhì)輸沙率的測量方法存在的人工測量誤差較大、無法實時獲得顆粒級配、測量結(jié)果的誤差較大的問題，進(jìn)而提供了一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置。為此，本實用新型提出了如下的技術(shù)方案:
[0009]一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置，包括:推移質(zhì)水槽、集沙漏斗、斜面擋板和攝像機(jī)；集沙漏斗設(shè)置在推移質(zhì)水槽的床面泥沙的橫截斷面上，斜面擋板設(shè)置在集沙漏斗上，斜面擋板的寬度與推移質(zhì)水槽的寬度相同，斜面擋板的長度方向設(shè)置成由傾斜板段、垂直板段和底部平板段組成的結(jié)構(gòu)，攝像機(jī)設(shè)置在推移質(zhì)水槽的側(cè)面，攝像機(jī)的拍攝平面為斜面擋板的傾斜板段。
[0010]本實用新型提供了一種基于圖像處理的水槽試驗推移質(zhì)輸沙率的裝置，可實時測量水槽試驗的推移質(zhì)輸沙率，同時得到推移質(zhì)顆粒粒徑的大小與分布，還可以獲取推移質(zhì)泥沙沿橫斷面的分布，極大提高了推移質(zhì)輸沙測量信息量和效率，節(jié)約人工成本，并有效避免了推移質(zhì)輸沙率測量中的人為誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型的【具體實施方式】提供的推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本實用新型的【具體實施方式】提供的斜面擋板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本實用新型的【具體實施方式】提供的測量推移質(zhì)輸沙率的拍攝位置示意圖。

【具體實施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0015]本【具體實施方式】提供了一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置，如圖1所示，包括:推移質(zhì)水槽1、集沙漏斗2、斜面擋板3和攝像機(jī)4 ;集沙漏斗2設(shè)置在推移質(zhì)水槽I的床面泥沙的橫截斷面上，斜面擋板3設(shè)置在集沙漏斗2上，斜面擋板3的寬度與推移質(zhì)水槽I的寬度相同，斜面擋板3的長度方向設(shè)置成由傾斜板段31、垂直板段32和底部平板段33組成的結(jié)構(gòu)，攝像機(jī)4設(shè)置在推移質(zhì)水槽I的側(cè)面。
[0016]具體的，在推移質(zhì)水槽I中，集沙漏斗2可設(shè)置在推移質(zhì)水槽I中的尾部或水流方向的下游，由于推移質(zhì)運(yùn)動需不斷與床面接觸，當(dāng)推移質(zhì)顆粒運(yùn)動至集沙漏斗2上方時，將會失去床面支撐而經(jīng)過斜面擋板3的傾斜板段34掉入集沙漏斗2內(nèi)。斜面擋板3可采用不銹鋼板，不銹鋼板厚度為2mm，寬度與推移質(zhì)水槽I的寬度相同，斜面擋板3的長度方向折彎成圖2所示的形狀，該形狀底部段上部鋪設(shè)試驗沙，試驗沙鋪設(shè)厚度同垂直段高度，泥沙顆粒在水流作用下經(jīng)過斜面擋板貼面34進(jìn)入接沙漏斗。斜面擋板3的斜面擋板貼面34的長度最小值通過泥沙顆粒的運(yùn)動速度+攝像機(jī)幀頻X每個泥沙顆粒拍到的幀數(shù)的方式確定，確保每個泥沙顆粒都能拍到10幀以上的圖像，以獲取較為精確的顆粒運(yùn)動軌跡和速度。如泥沙顆粒的運(yùn)動速度為15cm/s,攝像機(jī)巾貞頻為25巾貞/s,則傾斜板最小長度為15/25*10 = 6cm。斜面擋板3的垂直板段32根據(jù)試驗水流所能沖刷的深度設(shè)置，通常設(shè)置為1cm左右。斜面擋板3的底部平板段33的最小長度設(shè)計為大于前兩部分之和，避免在試驗中不銹鋼板被水流沖移。在斜面擋板3的傾斜板段31上設(shè)置有與實驗用沙顏色不同的的斜面擋板貼面34，例如在不銹鋼板傾斜板段上部貼一塊形狀與其完全相同的有機(jī)玻璃板，該有機(jī)玻璃板顏色為與試驗沙不同的顏色，如果試驗沙為多種顏色，有機(jī)玻璃板可選擇綠色，有利于后期圖像處理中對顆粒的識別，有機(jī)玻璃板厚度為2mm,該有機(jī)玻璃板作為攝像機(jī)拍攝泥沙顆粒的拍攝面。在圖2中，斜面擋板3的傾斜板段31的角度按大于試驗用沙的水下休止角5°設(shè)置。當(dāng)該角度小于試驗沙水下休止角時，泥沙顆粒有可能滯留于平板上，不往下滑落；當(dāng)該角度過小時，泥沙顆粒有可能不經(jīng)斜面頂托，直接落入接沙漏斗，不利于對泥沙顆粒圖像的拍攝。
[0017]本【具體實施方式】還提供的推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置的工作過程包括:
[0018]步驟1，根據(jù)攝像機(jī)4拍攝的流經(jīng)斜面擋板3傾斜板段34的泥沙顆粒的連續(xù)圖像獲取所述每個泥沙顆粒所占的像素值、運(yùn)動軌跡及運(yùn)動速度值。
[0019]具體的，在拍攝過程中，攝像機(jī)4位于推移質(zhì)水槽I的側(cè)面，攝像機(jī)4的高度與斜面擋板3所在面相同，攝像機(jī)4的具體位置為能拍攝到整個斜面擋板3傾斜板段34為宜，具體位置如圖3所示。
[0020]步驟2，根據(jù)所述每個泥沙顆粒所占的像素值獲得所述泥沙顆粒的粒徑值及重量值，根據(jù)所述泥沙顆粒的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度值獲得所述泥沙顆粒通過拍攝平面起始線的時刻值。
[0021]具體的，推移質(zhì)輸沙率的定義為單位時間內(nèi)通過某一斷面的推移質(zhì)輸沙量，在本【具體實施方式】中計算的輸沙率是指泥沙開始進(jìn)入拍攝平面的斷面，即斜面擋板3的斜面擋板貼面34的起始線?？紤]攝像機(jī)4與拍攝平面不平行，處于拍攝平面中不同部位單位像素所代表的實際尺度并不相等，因此，在使用前首先須對攝像機(jī)4處于特定位置時所獲取圖像代表的實際尺度進(jìn)行率定。具體率定方法為常規(guī)方法，此處不再贅述。經(jīng)率定后的圖像中，各個位置的圖像像素大小即可代表實際尺度大小。
[0022]當(dāng)某一顆泥沙顆粒(標(biāo)號為I)通過拍攝平面(斜面擋板貼面34)時，攝像機(jī)可得到該顆粒運(yùn)動的連續(xù)圖像，通過該連續(xù)圖像可以獲取該泥沙顆粒在平面上的泥沙顆粒所占像素大小、運(yùn)動軌跡及運(yùn)動速度。通過該泥沙顆粒所占的像素大小可以獲取該泥沙顆粒的粒徑大小dl ;將該泥沙顆粒的運(yùn)動軌跡延長至拍攝平面(斜面擋板貼面34)的起始線，此為該顆粒進(jìn)入拍攝平面(斜面擋板貼面34)的部位，以圖3所示，該位置以距水槽右岸邊壁的距離Xl表示；根據(jù)泥沙顆粒的運(yùn)動軌跡及其運(yùn)動速度可以獲取該泥沙顆粒通過拍攝平面起始線的時刻tl。
[0023]步驟3，根據(jù)單位時間內(nèi)所述攝像機(jī)拍攝到的所述泥沙顆粒的重量值及通過拍攝平面起始線的時刻值獲得所述單位時間內(nèi)的推移質(zhì)輸沙率；
[0024]步驟4，對單位時間內(nèi)所述攝像機(jī)拍攝到的所述泥沙顆粒大小的數(shù)量值做頻度分析，獲得所述預(yù)定泥沙顆粒的實時顆粒級配。
[0025]具體的，持續(xù)對推移質(zhì)水槽I試驗拍攝，可以獲取大量顆粒的運(yùn)動信息，包括不同顆粒的粒徑d、距離X及時刻t。如在一段時間At內(nèi)，共拍攝到了 1000個泥沙顆粒，獲得了 1000個不同的t:tl?t100。根據(jù)輸沙率的定義，在At時段內(nèi)的輸沙率為該1000個顆粒的重量，則根據(jù)不同顆粒粒徑dl?dlOOO可以計算該1000個泥沙顆粒的重量W，則為輸沙率w/ △ t。當(dāng)泥沙顆粒圓度較好，可根據(jù)粒徑d直接利用球體公式計算其體積，再按質(zhì)量=密度X體積計算其重量；當(dāng)試驗沙圓度較差時，可預(yù)先進(jìn)行率定，獲取單顆粒泥沙的do?WO的定量關(guān)系，根據(jù)該定量關(guān)系，按dl?dlOOO計算泥沙顆粒的總重量。
[0026]對該1000個顆粒粒徑dl?dlOOO做頻度分析，即可得到該1000個顆粒的顆粒級配。再根據(jù)該1000個顆粒的不同位置，即:xl?XlOOO可以獲取輸沙率起始線上任意一段距離內(nèi)的輸沙率，即輸沙率沿橫向分布。此外，根據(jù)該At時段內(nèi)的1000個顆粒，還可以計算小于At的任意時段內(nèi)的推移質(zhì)平均輸沙率，以及該時段內(nèi)的顆粒級配，推移質(zhì)運(yùn)動沿橫向分布等大量基礎(chǔ)信息。
[0027]本【具體實施方式】提供的推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置具有如下的技術(shù)效果:
[0028]推移質(zhì)運(yùn)動是泥沙輸移的基本運(yùn)動方式之一，推移質(zhì)運(yùn)動主要集中在近底床面，而近壁區(qū)又是水流紊動猝發(fā)等相干結(jié)構(gòu)最為發(fā)育的部位，水沙相互作用機(jī)理十分復(fù)雜，目前對推移質(zhì)運(yùn)動機(jī)理的認(rèn)識仍遠(yuǎn)落后于實際工程應(yīng)用。而本【具體實施方式】提供了一種水槽試驗推移質(zhì)實時測量技術(shù)，實現(xiàn)了推移質(zhì)輸沙率、推移質(zhì)顆粒級配、推移質(zhì)顆粒運(yùn)動沿橫向分布的實時測量，極大提高了工作效率，節(jié)約了大量人力成本，并能有效避免人為誤差；并且，本【具體實施方式】還使大量亟需獲取的推移質(zhì)顆粒輸沙運(yùn)動基本信息成為可能，可為推移質(zhì)輸沙機(jī)理研究提供大量的更科學(xué)、完善、可靠的數(shù)據(jù)，有利于推動泥沙運(yùn)動基本理論研究的進(jìn)一步發(fā)展，可廣泛應(yīng)用于各種需測量推移質(zhì)輸沙率的水槽試驗，由于推移質(zhì)輸沙率數(shù)據(jù)能實時采集，還可應(yīng)用于非恒定流等各種復(fù)雜流動的推移質(zhì)輸沙率研究。
[0029]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實用新型實施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置，其特征在于，包括:推移質(zhì)水槽(I)、集沙漏斗(2)、斜面擋板(3)和攝像機(jī)(4);集沙漏斗(2)設(shè)置在推移質(zhì)水槽(I)的床面泥沙的橫截斷面上，斜面擋板(3)設(shè)置在集沙漏斗(2)上，斜面擋板(3)的寬度與推移質(zhì)水槽(I)的寬度相同，斜面擋板(3)的長度方向設(shè)置成由傾斜板段(31)、垂直板段(32)和底部平板段(33)組成的結(jié)構(gòu)，攝像機(jī)(4)設(shè)置在推移質(zhì)水槽(I)的側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，斜面擋板(3)的傾斜板段的角度至少大于實驗用沙的水下休止角5°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，斜面擋板(3)的傾斜板段的長度最小值通過泥沙顆粒的運(yùn)動速度+攝像機(jī)幀頻X每個泥沙顆粒拍到的幀數(shù)的方式確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在斜面擋板(3)的傾斜板段上設(shè)置有與所述實驗用沙顏色不同的斜面擋板貼面(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，攝像機(jī)(4)對推移質(zhì)泥沙運(yùn)動的拍攝平面為斜面擋板(3)的斜面擋板貼面(34)。
【文檔編號】G01N15/02GK204044040SQ201420425910
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】曹文洪, 劉春晶, 許琳娟, 孫高虎, 張曉明, 魯文, 魯婧, 胡健, 張治昊, 王玉海, 關(guān)見朝, 劉磊, 凃洋 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院