[发明专利]一种薄层水流流速测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄层水流流速测量系统和方法，是一种实验系统和方法，是一种用于室内外薄层液流流速的水工测量实验系统和方法。

背景技术

薄层水流是自然界广泛存在的一种水流运动形式，相对于明渠或河流中的水流，因其水流厚度非常小，受空气、边壁等接触面的影响，使得流速变化规律非常复杂。而地面污染物运移、泥沙颗粒的侵蚀与起动等与薄层水流流速具有密切关系。特别在一些自然环境中，薄层水流甚至用肉眼无法直接观察到，只有在染色剂之类的示踪液的指示下，才能看到。因此，对薄层水流流速的测量一直是相关领域研究的难点。目前对薄层水流流速的测量广泛采用的方法一般常用和比较成熟的是“染色法”和“示踪法”测量。

“染色法”是将指定染色剂加入到被测薄层水流中，使用卷尺和秒表测量和记录染色段水体流过的距离和时间，然后根据手工测量的距离和时间计算薄层水流流速。“染色法”比较原始，虽然比较方便，但有时甚至需要多人进行配合测量，且由于测量均为人工测量，带有一定的人为因素，距离和时间会有一定的测量误差。特别是染色流体的形状会随着移动距离在水流弥散作用下变化，有时很难把握，其造成的距离测量误差十分严重，一般只能用多次测量求取平均值计算。

“示踪法”是在薄层水流的确定位置滴入盐溶液，并在其下游另一个确定位置对水流的电导率进行测量，通过计算盐溶液滴入薄层水流至电导率最大值出现之间的时间、水流流过的距离计算薄层水流流速。“示踪法”在精度上有了很大的改进，由于距离是事先确定的，只有时间需要在实验过程中确定，并可以通过电信号确定，所以可以十分精确的计算出流体的流速。但“示踪法”在杂质较少的清水中使用效果较好，在水中的泥沙和矿物质过多的情况下，水流本身的电导会由于矿物质以及含沙量而波动变化，以及泥沙物理化学性质的不同造成较大误差。这些背景噪声的干扰，往往难于测出水流中示踪液的电导，致使实验失败。

不论示踪法还是染色法，两者在计算平均速度时都需要引用经验参数。这是由于这些方法均是往水中添加示踪物质，这些示踪物质在随水流运动的过程中均会扩散。其中染色法在测量过程中，由于人为记录时间，往往只能读取一个时间值，无法准确测算示踪段水流的整体情况。对于示踪法一般采用电表或示波器测量电解液经过测试点的时间，由电解质达到或经过两点时间的差值和两点距离的比值来计算平均速度，这也无法很好的解决电解质在水中扩散的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种薄层水流流速测量系统和方法。所述的系统和方法通过对示踪液在薄层水流中产生色斑的拍摄，利用电脑进行图像分析，可以更加精确的计算出薄层水流的各个流速参数。

本发明的目的是这样实现的：一种薄层水流流速测量系统，包括：能够产生薄层水流的水源，形成薄层水流的与水平面的夹角小于90度的水流坡面，所述水流坡面的周边设有多个定位标志，水流坡面上方、接近坡面的位置还设有喷射与定位标志颜色对比强烈的示踪液的滴液装置，面对水流坡面设置摄取定位标志和测试区域影像的、具有自动记录时间的数字取像装置，所述的数字取像装置与图像处理装置连接，所述的图像处理装置与计算装置连接，滴液装置、取像装置与控制器电连接。

进一步的，所述的水源是能够精确控制降雨量和降雨强度的人工降雨装置，包括：安装在水流坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

进一步的，所述的水源是能够在水流坡面生成薄层水流并能够精确控制流量的供水装置，所述的供水装置包括：安装在水流坡面上部的多个出水口，所述的多个出水口通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

进一步的，所述的水流坡面包括：扁平的长方形泥土槽，所述的泥土槽中设置泥土夯实并板结的平整泥土面。

进一步的，所述的滴液装置包括：设置在坡面上的支架，所述的支架上设置滴液阀，所述的滴液阀通过管路与滴液泵连接，所述的滴液泵与储液罐连接。

进一步的，所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种。

一种使用上述系统的薄层水流流速测量方法，所述方法的步骤如下：

设置的步骤：用于记录各个定位标志之间的距离和位置坐标，记录或设定水流坡面的坡度，设定拍摄点位置及位置坐标和取景范围，保证被测区域和定位标志均在取景框内，且被测区域在取景框中的面积尽可能的大，设定滴液量，设定水源的流量；

形成薄层水流的步骤：用于开启水源，在水流坡面上形成薄层水流；

喷射示踪液的步骤：用于开启滴液装置向测试区域内喷射示踪液，喷射是单点喷射或多点喷射；