[發明專利]一種用于游蕩型河流的近岸水文現場觀測裝置

有效

• 申請號: 202010967741.2
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112146631B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 徐向舟;彭秀竹;高璐;趙瑩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00;G01P5/00;G01F23/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;隋秀文

本發明屬于土木建筑、水利、交通運輸技術領域，涉及一種用于游蕩型河流的近岸水文現場觀測裝置，包括表面流場觀測裝置和近岸河流斷面水深及流速測定裝置，利用本發明的裝置進行現場觀測，方便快捷且成本低廉，普及性強，同時保證了觀測試驗的可靠性、準確性、安全性，且可以對河流斷面不同位置處水深及流速進行精確量測，同時實現流場的可視化操作。

技術領域

本發明屬于土木建筑、水利、交通運輸技術領域，涉及一種用于游蕩型河流的近岸水文現場觀測裝置。

背景技術

自然河流的水文數據一方面是水文學、河流動力學等眾多學科研究過程中的重要數據，另一方面作為整治和開發河道的依據，用以驗證所建工程的作用、效益和影響。與此同時，水文數據作為揭示黃河下游灘地崩退和發展規律的基礎，為治理游蕩型主流對河岸的破壞提供重要依據。因此，運用現場觀測手段，量測河道斷面的水文要素，并以數字或圖像的形式加以記錄是研究中不可或缺的重要環節。

綜觀國內外天然河道表面流速測量的方法，主要可歸納為三類。第一類是采用浮標示蹤人工計時或拍照后分析處理。觀測記載浮標通過上、下斷面的時間和通過中斷面時的起點距。起點距可以通過橫跨斷面的帶標志的纜索或用經緯儀、平板儀交會確定。上下斷面間的距離除以漂流歷時，即得浮標流速。往往還要乘以浮標系數，換算為垂線平均流速。缺點是：在野外觀測試驗時，費時費力且精度不高，只適于單點流速的近似量測，無法用于大面積水域流速的精確量測。第二類方法是利用在河道斷面架設纜道懸掛流速儀施測，缺點是：這種測流方式需要征地、建設站房、安裝支架、架設纜道等配套設施，同時需要有專人長期駐守測站進行操作，工作強度大，效率相對較低，建設周期長，加之黃河灘岸近岸土體物理性質差，無法承受纜道裝置以及水文橋測車等重量，安全問題得不到保證。第三類方法是利用地面架設的相機或攝像機進行圖像采集的非接觸式河道表面流場測試方法，由于相機或攝像機架設在地面，測試的河道表面范圍有限，而且無法獲得正射影像，降低了測試精度。

王興奎團隊在第三類方法的基礎上，基于顆粒示蹤和圖像處理方法的流場實時測量技術，提出了一種表面流速場的圖像處理系統及其同步實時量測方法，其中示蹤顆粒的性能對流速測量的精度影響很大。為此，王興奎團隊設計了一種半球形帶沿的顆粒，其淹沒深度較小，可以適用于較淺的水流條件，并通過試驗研究了其分散性和跟隨性(禹明忠，詹秀玲，龐東明，王興奎.流場實時測量中示蹤球性能的研究[J].水利水電技術，2002(02):43-45+75)。通過在流場中施放示蹤顆粒，采用攝、錄像的方法記錄顆粒的運動軌跡，經過圖像處理得出全試驗段的表面流速和流態。如設置多套攝錄像系統，則可在要求的時間內完成流場信號的同步記錄，再通過圖像處理，即能獲得需要的成果(王興奎，龐東明，王桂仙，安鳳玲.圖像處理技術在河工模型試驗流場量測中的應用[J].泥沙研究，1996(04):22-27)。此系統具體包括多個CCD攝像機、視頻信號同步器、多臺計算機、圖像采集卡、局域網或圖像實時采集與處理程序，以及流場示蹤顆粒。一臺計算機中的圖像采集卡與其相連的M個CCD攝像機鏡頭組成一個相對獨立的子系統。將全部攝像機用視頻信號同步器連接，實現外同步。各子系統的計算機連成局域網，實現內同步(王興奎，禹明忠，李丹勛，王殿常.大范圍表面流速場的圖像處理系統及其同步實時量測方法[P].CN1289037，2001-03-28)。張紅武教授團隊同樣在基于顆粒示蹤和圖像處理方法的流場實時測量技術中，研發了實體模型表面流場實時量測系統及其后處理方法來測流(胡德超，鐘德鈺，張紅武，卜海磊，張昊.實體模型表面流場實時量測系統及其后處理方法[P].CN101464471，2009-06-24)。但是，上述圖像量測系統目前只用于室內模型試驗。如果要將上述裝置推廣應用到天然河流的現場觀測，仍存在以下問題：(1)上述測量系統的流速量測范圍從0.002m/s～1.0m/s，而現場觀測的實際流速多超出此范圍。(2)由于現場觀測尺度遠大于模型試驗，因而需要考慮在較大尺度范圍內如何均勻布撒示蹤顆粒和布置圖像采集裝置的問題。