[發(fā)明專利]一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410370079.7
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104122190B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 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（專利權(quán)）人: 中國水利水電科學(xué)研究院
• 主分類號: G01N15/14
• 分類號: G01N15/14;G01N15/02
• 代理公司: 北京凱特來知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量裝置及方法，屬于河道泥沙輸移測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

水流中的泥沙運動可分為懸移質(zhì)運動和推移質(zhì)運動，懸移質(zhì)指懸浮在水中，隨水流同時運動的泥沙顆粒，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、跳躍為主要運動方式的泥沙顆粒，推移質(zhì)運動往往只集中于床面附近，運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，具有一定的隨機性。水流挾帶泥沙的強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)泥沙的兩種運動方式，也可分為懸移質(zhì)輸沙率和推移質(zhì)輸沙率。

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)。目前泥沙運動力學(xué)中的推移質(zhì)運動機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，研究不同水流強度條件下的泥沙顆粒運動特征，建立水流條件和推移質(zhì)輸沙率的關(guān)系。由于推移質(zhì)運動主要集中在近底床面，很難與不參與運動的床面顆粒區(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。

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。

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Δt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g_s＝w/Δt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。

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。

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。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(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及方法。為此，本發(fā)明提出了如下的技術(shù)方案：

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；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)，攝像機設(shè)置在推移質(zhì)水槽的側(cè)面，攝像機的拍攝平面為斜面擋板的傾斜板段。

一種推移質(zhì)輸沙率和顆粒級配的實時測量方法，包括：

根據(jù)攝像機拍攝的通過斜面擋板傾斜板段上的泥沙顆粒的連續(xù)圖像獲取所述泥沙顆粒所占的像素值、運動軌跡及運動速度值；

根據(jù)所述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)所述泥沙顆粒的運動軌跡和運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；

根據(jù)單位時間內(nèi)所述攝像機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；

對單位時間內(nèi)所述攝像機拍攝到的所述每顆不同泥沙顆粒所占像素大小的數(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。