本發(fā)明屬于水力學(xué)及河流動力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種河道植被群尾流區(qū)長度的測量方法。
背景技術(shù)：
：在自然界中，植被群通常是指樹木群、灌木群和野草群的初始生長形態(tài)。植被群通常生長在河道的過流區(qū)域，會長期影響其周圍區(qū)域的水流特性和河床形態(tài)。植被群在自然環(huán)境下通過改變水流特性促進(jìn)局部區(qū)域泥沙沉積，改變河床演變規(guī)律。研究植被群會對探討其所在區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)、阻力特性和河床演變規(guī)律具有重要意義。其中，植被群的尾流區(qū)長度，即植被群尾端到至其后側(cè)流速最小值出現(xiàn)位置之間的距離。對于非淹沒植被群，該距離為植被群尾端到最靠近植被群出現(xiàn)的水平向漩渦(卡門渦街，二維橫向漩渦)之間的距離Lkv；對于淹沒植被群，由于其尾流區(qū)漩渦異常復(fù)雜，是典型的三維漩渦結(jié)構(gòu)(同時包含水平方向和垂向)，該距離可能為植被群尾端到最靠近植被群出現(xiàn)的水平向漩渦(卡門渦街，二維橫向漩渦)之間的距離Lkv，也可能為植被群尾端到最靠近植被群出現(xiàn)的垂向漩渦之間的距離Lvv。由于植被群的阻水作用，植被群尾流區(qū)內(nèi)水流流速及紊動強(qiáng)度均大幅度減小，水流中挾帶的懸浮泥沙通常會淤積在尾流區(qū)中，而這些沉積泥沙吸附氮磷等有機(jī)物又能夠促進(jìn)植被的擴(kuò)張和生長。因此研究植被群尾流區(qū)長度就能獲得植被群尾端懸浮泥沙的淤積長度及植被可能的擴(kuò)張范圍，從而用于建設(shè)河道生態(tài)防洪，實施生物防沖護(hù)岸，整治沖淤河道及改進(jìn)都市水力學(xué)景觀等領(lǐng)域。現(xiàn)有研究和測量植被群的尾流區(qū)長度的方法是通過測量植被群后側(cè)的流速分布來判定，該方法雖能較準(zhǔn)確的給出植被群尾流區(qū)的長度，但需要花費(fèi)大量的時間和人力來完成測量，效率低。例如，對于非淹沒植被群，其后側(cè)出現(xiàn)二維水平方向漩渦，完成植被群直徑D＝10cm后側(cè)的流速測量需要花費(fèi)近2.5小時。如果對象為淹沒植被群則測量花費(fèi)的時間更多，這是由于淹沒植被群尾部會形成復(fù)雜的三維漩渦，漩渦同時發(fā)生在水平方向和垂向上，所以需要測量更多的流速點來確定植被尾流區(qū)長度。目前，國內(nèi)外沒有提出高效、快速且簡單的植被尾流區(qū)確定方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全新的河道植被群尾流區(qū)長度的測量方法，以實現(xiàn)簡單、快速、準(zhǔn)確的測量淹沒或非淹沒植被群的尾流區(qū)長度。針對本發(fā)明的上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的河道植被群尾流區(qū)長度的測量方法，方案構(gòu)成包括：(1)視頻采集：在河道植被群上方和兩側(cè)水體注入熒光示蹤劑示蹤植被群尾流漩渦的運(yùn)動軌跡，對于非淹沒植被群，俯視采集植被群尾部水平向漩渦的運(yùn)動過程視頻，對于淹沒植被群，俯視采集植被群水平向漩渦的運(yùn)動過程視頻視屏和側(cè)視采集垂向漩渦的運(yùn)動過程視頻，視頻采集時間不少于30秒，完整記錄至少兩個漩渦運(yùn)動周期；(2)視頻數(shù)值轉(zhuǎn)化：將步驟(1)采集到的視頻按照至少每秒一張的頻率截取至少30張的高清圖片，在順?biāo)鞣较蛑付ㄒ曨l數(shù)值轉(zhuǎn)化斷面，運(yùn)用Matlab程序和視頻處理代碼將每張視頻圖片指定斷面水流方向上每一點的熒光示蹤劑色度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)數(shù)值，計算給出水流方向每一點熒光示蹤劑色度的標(biāo)準(zhǔn)差及水流方向標(biāo)準(zhǔn)差分布圖；(3)計算尾流區(qū)長度的位置確定：將步驟(2)運(yùn)用Matlab程序和視頻處理代碼處理后得到的熒光示蹤劑色度標(biāo)準(zhǔn)差分布與任一時刻導(dǎo)出的視頻圖片契合，根據(jù)水流方向標(biāo)準(zhǔn)差趨勢線確定植被群尾端和河床標(biāo)記點在標(biāo)準(zhǔn)差分布上的位置，且以植被群尾端位置作為尾流區(qū)長度計量坐標(biāo)原點；(4)尾流區(qū)長度計算：以無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值，從側(cè)視視頻處理結(jié)果中先找出植被群后方垂向漩渦標(biāo)準(zhǔn)差開始增大的位置及相對于坐標(biāo)原點的距離L1，再找出植被群后方垂向漩渦標(biāo)準(zhǔn)差最大的位置及相對于坐標(biāo)原點的距離L2，從俯視視頻處理結(jié)果中先找出植被群后方水平向漩渦標(biāo)準(zhǔn)差開始增大的位置及相對于坐標(biāo)原點的距離L3，再找出植被群后方水平向漩渦標(biāo)準(zhǔn)差最大的位置及相對于坐標(biāo)原點的距離L4；垂向漩渦產(chǎn)生的尾流區(qū)長度Lvv按下述公式計算：Lvv＝(L1+L2)/2±(L2–L1)/2(1)水平向漩渦產(chǎn)生的尾流區(qū)長度Lkv按下述公式計算：Lkv＝(L3+L4)/2±(L4–L3)/2(2)對于淹沒植被群，植被群的尾流區(qū)長度Lw為：Lw＝min(Lvv,Lkv)(3)對于非淹沒群，植被群的尾流區(qū)長度Lw為Lw＝Lkv(4)在視頻的采集過程中，利用熒光示蹤劑示蹤植被群尾流漩渦的運(yùn)動軌跡，熒光示蹤劑通常是于植被群影響水流最大斷面處注入水流；對于非淹沒植被群，熒光示蹤劑于植被群影響水流最大斷面處植被群兩側(cè)注入水流；對于淹沒植被群，熒光示蹤劑分別于植被群影響水流最大斷面處植被群頂端中心和兩側(cè)注入水流。視頻的錄制采集，對于非淹沒植被群，采集尾部水平向漩渦(橫向漩渦)的運(yùn)動過程視頻；對于淹沒植被群，既要采集水平向漩渦，也要采集垂向漩渦的運(yùn)動過程視頻。水平向漩渦的運(yùn)動是從水流上方俯視采集視頻，垂向漩渦的運(yùn)動是從水流側(cè)面?zhèn)纫暡杉曨l。在運(yùn)用Matlab程序和視頻處理代碼對視頻進(jìn)行處理的過程中，將每一張漩渦的視頻圖片的熒光示蹤劑顏色轉(zhuǎn)化為數(shù)值，視頻圖片中某個點的顏色濃度高低可以用數(shù)值0到255來表示，0表示沒有熒光示蹤劑顏色，255表示只有熒光示蹤劑顏色。圖片上出現(xiàn)的熒光示蹤劑都有相對應(yīng)的數(shù)值，數(shù)值越大表示該處出現(xiàn)的熒光示蹤劑量越多，熒光強(qiáng)度越大，熒光強(qiáng)度最大處對應(yīng)水流速度最小處，從而得到在確定時間內(nèi)截取的每張視頻圖片中相同位置處的熒光強(qiáng)度值。在得到指定斷面各個位置的熒光強(qiáng)度值后，計算視頻圖片上指定斷面各個位置的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，分別繪制水平向漩渦和垂向漩渦熒光強(qiáng)度在指定斷面上的水流方向標(biāo)準(zhǔn)差分布圖。計算尾流區(qū)長度的位置確定，對于垂向漩渦，確定過程如下：步驟1：將垂向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻垂向漩渦視頻圖片對照，選取視頻圖片中水槽縱向中心垂面為計算斷面，確定水槽縱向中線上植被群尾端和水槽標(biāo)記點在熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上的對應(yīng)位置，以植被群尾端為坐標(biāo)原點，水流方向為x軸方向；步驟2：選取植被群頂端以上無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值，在垂向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L1，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L2。對于水平向漩渦，確定過程如下：步驟1：將水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻水平向漩渦視頻圖片對照，選取視頻圖片中水槽縱向中心垂面為計算斷面，確定水槽縱向中線上植被群尾端和水槽標(biāo)記點在熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上的對應(yīng)位置，以植被群尾端為坐標(biāo)原點，水流方向為x軸方向；步驟2：選取植被群兩側(cè)無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值，在水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L3，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L4。垂向漩渦尾流區(qū)長度的計算，在0<x<L1的區(qū)域，熒光強(qiáng)度等于參考點的熒光強(qiáng)度，說明垂向漩渦不進(jìn)入該區(qū)域；在x＝L2的位置，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值，說明漩渦挾帶熒光劑總是出現(xiàn)在該位置，而后由于水流擴(kuò)散造成在x>L2的區(qū)域內(nèi)熒光強(qiáng)度逐漸降低。由于漩渦總是不穩(wěn)定的，會在水流方向來回擺動，相應(yīng)的漩渦會在L1與L2之間的區(qū)域擺動，因此選取兩者的平均值作為尾流區(qū)長度，并用兩者的差的二分之一說明漩渦擺動的范圍，得到垂向漩渦尾流區(qū)長度Lvv計算公式如下:Lvv＝(L1+L2)/2±(L2–L1)/2(1)同理，水平向漩渦尾流區(qū)長度Lkv計算公式如下:Lkv＝(L3+L4)/2±(L4–L3)/2(2)對于淹沒植被群，由于先出現(xiàn)的漩渦尾流區(qū)末端會產(chǎn)生漩渦，之后水流流速及紊動強(qiáng)度增大會改變另一方向上漩渦的發(fā)展，因此淹沒植被群的尾流區(qū)長度Lw為：Lw＝min(Lvv,Lkv)(3)對于非淹沒群，尾流區(qū)長度Lw＝Lkv(4)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1.本發(fā)明為淹沒或非淹沒植被群的尾流區(qū)長度測量提供了一種簡單、快速、準(zhǔn)確的測量的新的測量方法。2.本發(fā)明所述方法利用熒光示蹤劑配合高清相機(jī)拍攝俯視和側(cè)視角度的漩渦運(yùn)動視頻，每一組工況僅需采集大于30秒的視頻，有利于提高數(shù)據(jù)采集速度和試驗效率。3.本發(fā)明所述方法通過自主編寫的適用于Matlab程序的視頻處理代碼，實現(xiàn)了將熒光示蹤劑運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)化為數(shù)值，以熒光劑強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的沿程分布為基準(zhǔn)，用科學(xué)的手段判斷漩渦的運(yùn)動區(qū)域，獲得垂向和水平向漩渦對應(yīng)的尾流區(qū)長度，測量的準(zhǔn)確性較高。4.本發(fā)明所述方法針對植被群的尾流漩渦的運(yùn)動特點提出了植被群尾流區(qū)長度計算方法和公式，不需要開展具體的測量工作，僅需配合熒光示蹤劑采集漩渦運(yùn)動視頻，實施步驟簡單，操作過程所需時間短，具有廣泛的通用性。附圖說明圖1是植被群尾端漩渦運(yùn)動軌跡概化示意圖，其中圖a為非淹沒植被群尾流的俯視圖；其中圖b為淹沒植被群尾流的側(cè)視圖。圖2是垂向漩渦尾流區(qū)的計算斷面(即，水槽縱向中心垂面)；圖3是垂向漩渦30張視頻圖片上每個位置的熒光強(qiáng)度分布圖；圖4是垂向漩渦水流方向上的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖；圖5是垂向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻垂向漩渦視頻圖片的對照；圖6是水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻橫向漩渦視頻圖片的對照圖7是ADV測量尾流區(qū)長度的流速分布圖；圖8是本發(fā)明方法得到的尾流區(qū)長度與ADV測量結(jié)果比較圖。具體實施方式下面通過具體實施方式對本發(fā)明所述河道植被群尾流區(qū)長度的測量方法做進(jìn)一步說明。實施例1本實施例通過水槽模擬實驗對河道植被群尾流區(qū)長度的測量方法作說明。①試驗?zāi)康耐ㄟ^水槽試驗，揭示植被群尾流漩渦的運(yùn)動過程，并運(yùn)用熒光示蹤劑錄制視頻，通過圖像處理計算植被群的尾流區(qū)長度。將發(fā)明方法得到的結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較，檢驗發(fā)明探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。②試驗設(shè)備主要設(shè)備如下表所示。表1熒光劑示蹤結(jié)果檢驗試驗使用的儀器設(shè)備③試驗工況表2熒光示蹤劑及ADV流速測量工況aD(cm)h(cm)H(cm)h/HA153140.21A255140.36A357140.5A459140.62A5511140.79A6b5>14141A7103140.21A8105140.36A9107140.5A10109140.62A111011140.79A12b10>14141aD為植被群直徑，h和H分別為植被群高度和水深；b工況A6和A12中使用非淹沒植被群。④試驗方法(1)視頻采集首先，將淹沒植被群布置在PVC板上，在植被群后側(cè)的PVC板上沿水流方向用白色方塊膠帶布置多排位置標(biāo)記點，各個白色方塊膠帶中心的實際橫向和縱向距離均為10cm，以便對應(yīng)后續(xù)處理結(jié)果確定尾流區(qū)的真實坐標(biāo)位置。然后緩慢加水使水深達(dá)到H＝14cm，開動泵使水流流動，穩(wěn)定后上游平均流速U0＝9.1cm/s。在淹沒植被群的兩側(cè)邊緣注射熒光劑，相機(jī)布置在植被群下游80厘米處錄制水平方向漩渦的運(yùn)動過程，如附圖1(a)；在淹沒植被群頂端中心處注射熒光劑，相機(jī)布置在水槽側(cè)面錄制垂向漩渦的運(yùn)動過程，如附圖1(b)。各個方向的視頻錄制的時間大于30秒以完整錄下至少兩個漩渦運(yùn)動周期，確保準(zhǔn)確。(2)視頻處理步驟1：在Matlab中運(yùn)行代碼，將每一張垂向漩渦視頻圖片的熒光示蹤劑顏色(以綠色為例)轉(zhuǎn)化為數(shù)值，具體為，某個點的綠色濃度高低可以用數(shù)值0到255來表示，0表示沒有綠色，255表示只有綠色。某些區(qū)域出現(xiàn)熒光指示劑時，數(shù)值增大，熒光強(qiáng)度越大，例圖3中x＝1000時，綠色數(shù)值約等于180，表示該處出現(xiàn)了大量的熒光示蹤劑。然后，得到30張視頻圖片中計算斷面上的縱向熒光強(qiáng)度分布，見圖3。Matlab中運(yùn)行代碼如下：步驟2：計算30張視頻圖片在計算斷面上每個位置的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，繪制垂向漩渦在水流方向上的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖，見圖4；步驟3：用相同的方法處理水平漩渦的30張視頻圖片，繪制水流方向上水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖；此處需要解釋的是：在熒光劑注射點以下的植被群區(qū)域和參考點處并沒有熒光示蹤劑，但圖3、圖4顯示了有關(guān)熒光強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)。這是由于在整個視頻錄制過程中，水是波動的，熒光示蹤劑也會隨水的波動在每一時刻產(chǎn)生不同的漩渦形態(tài)。綠色熒光劑會反射在植被群上，造成很輕微的光影差別，這點用肉眼很難觀察出來，但是如果用軟件處理就會顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)，即熒光示蹤劑強(qiáng)度>0，即標(biāo)準(zhǔn)差＝1.5。同時，整個水槽是用玻璃制成的，綠色的熒光劑在玻璃上也會留下相應(yīng)的光影。因此，在本發(fā)明方法中使用參考點得出的光影標(biāo)準(zhǔn)差來判定熒光劑強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差真正開始增加的位置，使試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。(3)尾流區(qū)長度計算步驟1：將垂向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻垂向漩渦視頻圖片對照，見圖5，選取視頻圖片中水槽縱向中心垂面為計算斷面，確定水槽縱向中線上植被群尾端和水槽標(biāo)記點在熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上的對應(yīng)位置，以植被群尾端為坐標(biāo)原點；步驟2：選取植被群頂端以上無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值，在垂向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L1，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L2；步驟3：將水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖與任一時刻水平向漩渦視頻圖片對照，選取視頻圖片中水槽縱向中心垂面為計算斷面，確定水槽縱向中線上植被群尾端和水槽標(biāo)記點在熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上的對應(yīng)位置，以植被群尾端為坐標(biāo)原點；步驟4：選取植被群兩側(cè)無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值，在水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L3，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L4；步驟5：垂向漩渦尾流區(qū)長度Lvv計算公式如下Lvv＝(L1+L2)/2±(L2–L1)/2(1)水平向漩渦尾流區(qū)長度Lkv計算公式如下Lkv＝(L3+L4)/2±(L4–L3)/2(2)對于淹沒植被群，由于先出現(xiàn)的漩渦尾流區(qū)末端會產(chǎn)生漩渦，之后水流流速及紊動強(qiáng)度增大會改變另一方向上漩渦的發(fā)展，因此淹沒植被群的尾流區(qū)長度Lw為：Lw＝min(Lvv,Lkv)(3)為了驗證實施例1結(jié)果是否準(zhǔn)確，運(yùn)用傳統(tǒng)的ADV測量流速的方法確定植被群尾流區(qū)長度，方法如下：步驟1：流速采集為了保證每組工況中的試驗數(shù)據(jù)采集在同一位置，選取最低的植被群h＝3cm一組為標(biāo)準(zhǔn)，以水槽縱向中心垂面為測量斷面，以該斷面上水槽底板植被群尾端為左邊原點，水流方向為x軸方向，植被高度方向為z軸方向，測量z＝1，2和3cm處的流速數(shù)據(jù)，測量范圍從x/D＝0～5(D為植被直徑)。每一個點的采樣頻率和時間分別為25Hz和4min，以確保能夠在每點采集至少6000個樣本點，保證測量精度。因此，采用傳統(tǒng)測量方法確定一個工況的植被群尾流區(qū)至少花費(fèi)2.5小時。步驟2：原始數(shù)據(jù)處理將采集的流速原始數(shù)據(jù)運(yùn)用儀器廠商提供的配套軟件winADV處理后，輸出每個點的時均流速。再將每個x/D位置的3個流速數(shù)據(jù)平均后，做出流速(用上游平均流速無量綱化，U/U0)在水流方向(用植被直徑無量綱，x/D)上的分布圖(U/U0vsx/D)。步驟3：確定尾流區(qū)長度尾流區(qū)長度Lw為植被群末端(x/D＝0)到流速最低點處的距離，見附圖7。例如，A11組，h＝11cm，h/H＝0.79，Lw＝15.0±1.3cm。兩種方法尾流區(qū)長度結(jié)果比較將實施例所得min(Lvv,Lkv)與流速測量結(jié)果Lw比較，見表3和圖8。表3熒光劑示蹤及ADV流速測量結(jié)果aLkv(cm)Lvv(cm)Lw(cm)A1-5±23±1A25.8±1.77.2±1.25±1A38±213±26±1A49±228±46±1A512±243±58±2A615±3-9±2A7-2±14±2A8-3.6±1.28±1A99±28±48±1A1012±214±510±1A1116±340±715.0±1.3A1223±3-18±2aLkv和Lvv定義在圖1中(通過實施例1的步驟獲得)。Lw為植被群尾端與尾流流速最低處間的距離(通過ADV實測流速獲得)?！?”表示相應(yīng)漩渦沒有出現(xiàn)，所以沒有取值。當(dāng)前第1頁1 2 3