[发明专利]一种河流横向扩散系数的等浓度线快速观测方法

权利要求书

1.一种河流横向扩散系数的等浓度线快速观测方法，其特征在于先对河流二维对流扩散简化方程在等强度岸边或中心点源排放条件下的浓度分布解析解进行转化，求解出河流污染物浓度分布等浓度线/等色度线的几何特征参数和标准曲线方程；然后进行河流横向扩散系数的现场等浓度线的快速观测，其具体的观测方法步骤如下：

(1)河流二维对流扩散简化方程在等强度岸边或中心点源排放条件下的浓度分布解析解为：

C(x,y)=βmH4πEyUxexp(-Uy24Eyx)---(1)]]>

式中x为自排污口沿河流流向的纵向坐标；y为垂直于x的横向坐标；m为排污强度；U为平均流速；H为平均水深；E_y为横向扩散系数；β为边界反射系数，对中心排放取β＝1，对岸边排放取β＝2；令C＝C_a，其中C_a为常数，得到河流污染物浓度分布的等浓度标准曲线方程为：

(ybs)2=-exLsln(xLs)---(2)]]>

其中，为等浓度线所包围区域的最大长度；为等浓度线所包围区域的最大宽度或半宽度，在中心排放时，b_s为最大半宽度；在岸边排放时，b_s为最大宽度，等浓度线所包围区域最大宽度或半宽度的相应纵向坐标为L_c＝L_s/e≈0.37L_s，数学常数e＝2.7183；根据等浓度线所包围区域的最大长度与最大宽度或半宽度关系，得到横向扩散系数的计算公式为：

Ey=eUbs22Ls---(3)]]>

由式(6)看出，只要通过现场示踪试验快速观测获得河流排放扩散的任一条等浓度线所包围区域的最大长度和最大宽度或半宽度以及河流平均流速，就能得出河流的横向扩散系数；

(2)进行示踪试验快速观测：

(a)在河流排污口/试验投放点附近和下游河段示踪试验浓度场/污染带的拍照范围内标记包含排放点的2～4个点，并测量各标记点之间的距离，在河水流动恒定条件下，运用《水文普通测量规范》观测河流断面宽度、水深、流速分布以及纵向水面比降等水力要素，用于计算河流的平均流速、记录河流横向扩散系数示踪试验的背景数据和适用条件，或采用浮标测流法观测河流流速；

(b)在稳态条件下，将示踪染料罗丹明B溶液均匀注入排污管/渠中或试验投放点排放，持续10～20分钟后河流中的示踪剂浓度场/污染带范围趋于稳定，利用无人机摄像装置对示踪剂浓度场/污染带范围实施空中拍照，每一次拍照中至少要包含排放点在内的2个标记点，以便确定图像比例尺，同一张图像中要完整拍照示踪剂浓度场/污染带范围；罗丹明B在水中溶解后呈现红色，浓度越高颜色越深，浓度越低颜色越浅；

(3)图像筛选、旋转与坐标定位：将无人机摄像装置拍照的示踪剂浓度场/污染带图像导入计算机，筛选出示踪剂浓度场/污染带范围完整、颜色特征清晰、拍照位置高、居中和图像变形小的图像，然后进行图像旋转和陆域多出部分的修剪处理，使其与式(1)的坐标系保持一致，并根据图像中标记点的距离确定比例尺、标注坐标方向和实际刻度；

(4)计算横向扩散系数近似值：在标有坐标系和实际刻度的图像中，读取任一条示踪剂等色度线所包围区域的最大长度L_s和最大宽度或半宽度b_s，将L_s和b_s代入式(2)计算等浓度标准曲线，并点绘于相应的图像中，进行曲线的整体吻合程度比较，并调整L_s和b_s代入式(2)计算等浓度标准曲线，反复进行比较，直至该图像中的示踪剂等色度线与等浓度标准曲线吻合，再将最后确定的最大长度L_s、最大宽度或半宽度b_s和采用浮标测流法观测的河流流速U代入式(3)计算，则得到河流示踪试验条件下的横向扩散系数近似值；

(5)计算横向扩散系数精确值：采用MATLAB语言对河流示踪试验浓度场/污染带图像选择进行仿真处理得到数字化的等浓度图像，读取数字化的等浓度图像中任一条示踪剂等浓度线所包围区域的最大长度L_s和最大宽度或半宽度b_s，将L_s和b_s代入式(2)计算等浓度标准曲线，并点绘于相应的图像中，进行曲线的整体吻合程度比较，然后调整L_s和b_s代入式(2)计算等浓度标准曲线，反复进行比较，直至该图像中的示踪剂等浓度线与等浓度标准曲线吻合后确定最大长度L_s、最大宽度或半宽度b_s，将最后确定的最大长度L_s、最大宽度或半宽度b_s和采用《水文普通测量规范》观测的河流平均流速U代入式(3)计算，得到河流示踪试验条件下的横向扩散系数精确值，完成河流横向扩散系数的等浓度线的快速观测。

2.根据权利要求1所述河流横向扩散系数的等浓度线快速观测方法，其特征在于采用MATLAB语言对河流示踪试验浓度场/污染带图像选择进行仿真处理的具体过程为：

首先，读入已筛选出、标有坐标系及实际刻度的示踪剂浓度场/污染带图像，用同态滤波进行初次滤波消除光照不均匀性影响，然后选择中值滤波对图像进行再次滤波处理消除示踪试验浓度场/污染带图像的噪声，使图像平滑；

其次，进行形态学处理：将数字形态学作为工具从图像中提取对于表达和描绘区域形状有用处的图像分量，有用处的图像分量包括河流示踪试验浓度场/污染带图像中的边界、骨架和凸壳以及用于预处理或后处理的形态学过滤、细化和修剪等，采用先腐蚀后膨胀的开运算进行仿真处理，消除不同图像间的差异对后续处理的影响；

第三，提取感兴趣区域：在形态学处理之后，提取需要研究河流的示踪试验浓度场/污染带区域，先要进行颜色空间模型的转换，提取Cr分量进行K均值聚类分割，提取二值化图像的轮廓线，使提取的示踪剂扩散轮廓清晰，与扩散轨迹符合程度良好，再将之前经过滤波和形态学处理后的图像填充到轮廓中；

第四，进行二次滤波：对提取后的红色液体区域进行二次滤波，选择中值滤波算法消除噪声，使图像平滑；

第五，绘制等浓度线：经过以上算法的处理后，在试验过程中拍照的河流示踪试验浓度场/污染带图像转化为可进行等浓度线绘制的灰度图，利用MATLAB中的contour与contourf函数对灰度图像进行等浓度线的绘制得到数字化的等浓度线图像。