一種薄層水流流速測量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種薄層水流流速測量系統(tǒng)和方法，是一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，是一種用于室內(nèi)外薄層液流流速的水工測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]薄層水流是自然界廣泛存在的一種水流運(yùn)動(dòng)形式，相對于明渠或河流中的水流，因其水流厚度非常小，受空氣、邊壁等接觸面的影響，使得流速變化規(guī)律非常復(fù)雜。而地面污染物運(yùn)移、泥沙顆粒的侵蝕與起動(dòng)等與薄層水流流速具有密切關(guān)系。特別在一些自然環(huán)境中，薄層水流甚至用肉眼無法直接觀察到，只有在染色劑之類的示蹤液的指示下，才能看到。因此，對薄層水流流速的測量一直是相關(guān)領(lǐng)域研宄的難點(diǎn)。目前對薄層水流流速的測量廣泛采用的方法一般常用和比較成熟的是“染色法”和“示蹤法”測量。
[0003]“染色法”是將指定染色劑加入到被測薄層水流中，使用卷尺和秒表測量和記錄染色段水體流過的距離和時(shí)間，然后根據(jù)手工測量的距離和時(shí)間計(jì)算薄層水流流速?！叭旧ā北容^原始，雖然比較方便，但有時(shí)甚至需要多人進(jìn)行配合測量，且由于測量均為人工測量，帶有一定的人為因素，距離和時(shí)間會有一定的測量誤差。特別是染色流體的形狀會隨著移動(dòng)距離在水流彌散作用下變化，有時(shí)很難把握，其造成的距離測量誤差十分嚴(yán)重，一般只能用多次測量求取平均值計(jì)算。
[0004]“示蹤法”是在薄層水流的確定位置滴入鹽溶液，并在其下游另一個(gè)確定位置對水流的電導(dǎo)率進(jìn)行測量，通過計(jì)算鹽溶液滴入薄層水流至電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)之間的時(shí)間、水流流過的距離計(jì)算薄層水流流速?！笆聚櫡ā痹诰壬嫌辛撕艽蟮母倪M(jìn)，由于距離是事先確定的，只有時(shí)間需要在實(shí)驗(yàn)過程中確定，并可以通過電信號確定，所以可以十分精確的計(jì)算出流體的流速。但“示蹤法”在雜質(zhì)較少的清水中使用效果較好，在水中的泥沙和礦物質(zhì)過多的情況下，水流本身的電導(dǎo)會由于礦物質(zhì)以及含沙量而波動(dòng)變化，以及泥沙物理化學(xué)性質(zhì)的不同造成較大誤差。這些背景噪聲的干擾，往往難于測出水流中示蹤液的電導(dǎo)，致使實(shí)驗(yàn)失敗。
[0005]不論示蹤法還是染色法，兩者在計(jì)算平均速度時(shí)都需要引用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。這是由于這些方法均是往水中添加示蹤物質(zhì)，這些示蹤物質(zhì)在隨水流運(yùn)動(dòng)的過程中均會擴(kuò)散。其中染色法在測量過程中，由于人為記錄時(shí)間，往往只能讀取一個(gè)時(shí)間值，無法準(zhǔn)確測算示蹤段水流的整體情況。對于示蹤法一般采用電表或示波器測量電解液經(jīng)過測試點(diǎn)的時(shí)間，由電解質(zhì)達(dá)到或經(jīng)過兩點(diǎn)時(shí)間的差值和兩點(diǎn)距離的比值來計(jì)算平均速度，這也無法很好的解決電解質(zhì)在水中擴(kuò)散的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種薄層水流流速測量系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法通過對示蹤液在薄層水流中產(chǎn)生色斑的拍攝，利用電腦進(jìn)行圖像分析，可以更加精確的計(jì)算出薄層水流的各個(gè)流速參數(shù)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種薄層水流流速測量系統(tǒng)，包括:能夠產(chǎn)生薄層水流的水源，形成薄層水流的與水平面的夾角小于90度的水流坡面，所述水流坡面的周邊設(shè)有多個(gè)定位標(biāo)志，水流坡面上方、接近坡面的位置還設(shè)有噴射與定位標(biāo)志顏色對比強(qiáng)烈的示蹤液的滴液裝置，面對水流坡面設(shè)置攝取定位標(biāo)志和測試區(qū)域影像的、具有自動(dòng)記錄時(shí)間的數(shù)字取像裝置，所述的數(shù)字取像裝置與圖像處理裝置連接，所述的圖像處理裝置與計(jì)算裝置連接，滴液裝置、取像裝置與控制器電連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述的水源是能夠精確控制降雨量和降雨強(qiáng)度的人工降雨裝置，包括:安裝在水流坡面上方的、縱橫排列的噴水口陣列，所述的噴水口陣列通過管路與供水泵連接，所述的供水泵與蓄水池管路連接。
[0009]進(jìn)一步的，所述的水源是能夠在水流坡面生成薄層水流并能夠精確控制流量的供水裝置，所述的供水裝置包括:安裝在水流坡面上部的多個(gè)出水口，所述的多個(gè)出水口通過管路與供水泵連接，所述的供水泵與蓄水池管路連接。
[0010]進(jìn)一步的，所述的水流坡面包括:扁平的長方形泥土槽，所述的泥土槽中設(shè)置泥土夯實(shí)并板結(jié)的平整泥土面。
[0011]進(jìn)一步的，所述的滴液裝置包括:設(shè)置在坡面上的支架，所述的支架上設(shè)置滴液閥，所述的滴液閥通過管路與滴液泵連接，所述的滴液泵與儲液罐連接。
[0012]進(jìn)一步的，所述的取像裝置是照相機(jī)、攝像頭中的一種。
[0013]一種使用上述系統(tǒng)的薄層水流流速測量方法，所述方法的步驟如下:
設(shè)置的步驟:用于記錄各個(gè)定位標(biāo)志之間的距離和位置坐標(biāo)，記錄或設(shè)定水流坡面的坡度，設(shè)定拍攝點(diǎn)位置及位置坐標(biāo)和取景范圍，保證被測區(qū)域和定位標(biāo)志均在取景框內(nèi)，且被測區(qū)域在取景框中的面積盡可能的大，設(shè)定滴液量，設(shè)定水源的流量；
形成薄層水流的步驟:用于開啟水源，在水流坡面上形成薄層水流；
噴射示蹤液的步驟:用于開啟滴液裝置向測試區(qū)域內(nèi)噴射示蹤液，噴射是單點(diǎn)噴射或多點(diǎn)噴射；
拍攝的步驟:用于開啟取像裝置對測試區(qū)域的示蹤液在薄層水流所產(chǎn)生的色斑進(jìn)行拍攝，以數(shù)秒的間隔拍攝兩張以上的照片，拍攝的同時(shí)記錄拍攝的時(shí)間和拍攝的畫面像素質(zhì)量;
圖像處理的步驟:用于將拍攝的各個(gè)測試圖像進(jìn)行正射校正，根據(jù)所拍攝照片的畫面像素質(zhì)量、定位標(biāo)志的坐標(biāo)以及拍攝點(diǎn)位置的坐標(biāo)建立測量坐標(biāo)系，準(zhǔn)確的找出示蹤液在測試區(qū)中所產(chǎn)生色斑在圖像中形成的圖斑在圖像中的坐標(biāo)；
計(jì)算圖斑位移的步驟:用于利用不同照片所拍攝的時(shí)間間隔信息和圖斑的坐標(biāo)位置信息計(jì)算圖斑特征點(diǎn)位移速度；
計(jì)算水流流速參數(shù)的步驟:用于根據(jù)色斑運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別計(jì)算色斑的水動(dòng)力彌散速度以及水流與水動(dòng)力彌散綜合影響的流速，計(jì)算出水流的最大流速、最小流速、平均流速、水動(dòng)力彌散速度。
[0014]進(jìn)一步的，所述的“計(jì)算色斑位移的步驟”包括以下子步驟，以下子步驟均對應(yīng)單個(gè)照片的處理:
提取照片生成時(shí)間；
根據(jù)顏色屬性對糾正后的圖像色斑區(qū)域進(jìn)行識別和亮度增強(qiáng)； 對色斑區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取色斑統(tǒng)計(jì)信息，包括色斑質(zhì)點(diǎn)位置及色斑前后左右位置坐標(biāo)。
[0015]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明所述的系統(tǒng)和方法與傳統(tǒng)方法相比，存在如下優(yōu)點(diǎn):能夠在觀測區(qū)域能設(shè)置多點(diǎn)同時(shí)試驗(yàn)和觀測，視場寬闊可以很好的解決較大區(qū)域的薄層水流流速觀測。因?yàn)橹饕菙?shù)字圖像處理，既適應(yīng)室內(nèi)工作也適應(yīng)野外工作。由于現(xiàn)場工作量較小，特別適用在野外惡劣情況下工作。由于觀測過程只需較少記錄，使觀測記錄過程更加客觀，人為影響和主觀誤差較小。能夠?qū)崿F(xiàn)水流示蹤段的過程觀測記錄，實(shí)現(xiàn)最大流速、最小流速、質(zhì)心流速、彌散速度等多個(gè)特征流速的直接觀測和計(jì)算，使平均流速的觀測和計(jì)算更加科學(xué)和準(zhǔn)確。本發(fā)明所述系統(tǒng)充分利用現(xiàn)成技術(shù)成熟的一些硬件、軟件，將其進(jìn)行組合，實(shí)驗(yàn)成本很低，經(jīng)濟(jì)性好，精度卻可以到達(dá)相當(dāng)高的程度。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例五所述滴液裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖1中A向視圖；
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例七所述方法的流程圖；
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例七所述方法的正射校正像素網(wǎng)