[发明专利]一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法，属于河道泥沙输移测量技术领域。

背景技术

水流中的泥沙运动可分为悬移质运动和推移质运动，悬移质指悬浮在水中，随水流同时运动的泥沙颗粒，悬移质通常遍布河道的整个水深范围，其运动速度与水流流速基本一致；推移质是指以滚动、滑动、跳跃为主要运动方式的泥沙颗粒，推移质运动往往只集中于床面附近，运动速度与水流流速相差较大，并且推移质泥沙颗粒在床面上走走停停，具有一定的随机性。水流挟带泥沙的强度可用输沙率来表示，输沙率指单位时间通过特定断面的输沙量，根据泥沙的两种运动方式，也可分为悬移质输沙率和推移质输沙率。

推移质输沙率是指在特定的水流条件及床沙条件下推移质颗粒的输移数量，并且是分析床面组成、床面变形及河床冲淤的重要参数。目前泥沙运动力学中的推移质运动机理研究基本是在水槽中开展，其过程主要包括：首先根据所研究的泥沙颗粒特征，铺设床沙，然后施放水流，研究不同水流强度条件下的泥沙颗粒运动特征，建立水流条件和推移质输沙率的关系。由于推移质运动主要集中在近底床面，很难与不参与运动的床面颗粒区分开来，因此推移质输沙率测量一直是水槽模型试验中的难点之一。

现有的推移质输沙率测量方法主要包括：在水槽尾部取样人工测量、水槽尾部设置接沙漏斗利用电子天平实时称重测量、调整加沙量控制床面变形相似法等测量方法。

在水槽尾部取样人工测量方法是在模型尾部设置取样器皿，采用人工取样，提取一定时间段Δt内进入器皿内的沙样，再将沙样烘干、称重，得到其重量w，则g_s＝w/Δt即为推移质输沙率。该方法为直接测量法，一般为人工计时取样，存在一定的人为误差，且所取沙样需烘干、称重等后期处理，不能得到实时输沙率。

水槽尾部设置接沙漏斗利用电子天平实时称重测量方法是在试验水槽或模型尾部设密封接沙箱、接沙漏斗、接沙篮，接沙篮位于接沙箱内，接沙漏斗之下，且挂于位于其上的电子天平上，试验时可利用电子天平获取进入接沙篮内的泥沙累计曲线，通过该曲线可获取单位时间内的推移质输沙率。该方法可对输沙率进行实时测量，但只能获取泥沙的重量，不能即时得到进入接沙篮内泥沙的颗粒级配，颗粒级配只能通过后期烘干筛分得到。

调整加沙量控制床面变形相似法是假定水槽内的推移质输沙率为平衡输沙率，则模型进口单位时间的加沙量即为推移质输沙率。首先利用现有推移质输沙率公式初步计算模型的输沙率，按计算值在模型首部加沙，试验后测量水槽内的床面变形，再根据该比对结果调整加沙量，能使模型河床变形与原型相似的加沙率即为推移质输沙率。该方法需要进行多组试验不断调整，对于均匀沙来说，只需调整上游加沙量，需要的组次较少，较容易得到合理的输沙率，而当研究对象为非均匀沙时，床面颗粒在不同水流条件下不仅输沙率会发生变化，而且颗粒组成，颗粒级配也不断发生变化，在实际操作中很难实现上游加沙量及级配与接沙的输沙率及级配完全一致。且床面变形测量还存在一定误差，在实际操作中难以控制整个河段的实际冲淤量。

发明内容

本发明为解决现有的推移质输沙率的测量方法存在的人工测量误差较大、无法实时获得颗粒级配、测量结果的误差较大的问题，进而提供了一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置及方法。为此，本发明提出了如下的技术方案：

一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量装置，包括：推移质水槽、集沙漏斗、斜面挡板和摄像机；集沙漏斗设置在推移质水槽的床面泥沙的横截断面上，斜面挡板设置在集沙漏斗上，斜面挡板的宽度与推移质水槽的宽度相同，斜面挡板的长度方向设置成由倾斜板段、垂直板段和底部平板段组成的结构，摄像机设置在推移质水槽的侧面，摄像机的拍摄平面为斜面挡板的倾斜板段。

一种推移质输沙率和颗粒级配的实时测量方法，包括：

根据摄像机拍摄的通过斜面挡板倾斜板段上的泥沙颗粒的连续图像获取所述泥沙颗粒所占的像素值、运动轨迹及运动速度值；

根据所述泥沙颗粒所占的像素值获得所述泥沙颗粒的粒径值及重量值，根据所述泥沙颗粒的运动轨迹和运动速度值获得所述泥沙颗粒通过拍摄平面起始线的时刻值；

根据单位时间内所述摄像机拍摄到的所述泥沙颗粒的重量值及通过拍摄平面起始线的时刻值获得所述单位时间内的推移质输沙率；

对单位时间内所述摄像机拍摄到的所述每颗不同泥沙颗粒所占像素大小的数量值做频度分析，获得所述预定泥沙颗粒的实时颗粒级配。