[发明专利]床面颗粒起悬时间的提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及水力学及河流动力学领域，尤其涉及一种床面颗粒起悬时间的提取方法。

背景技术

在天然河流中运动着的泥沙，存在两种运动形式，一是随水流悬浮运动的悬移质，二是在床面滚动、滑动、跳跃的推移质。推移质和悬移质可以互相转换，当水流强度足够大，床面上的颗粒可被水流冲起，以悬移状态运动；若水流强度很小，含沙水流中的悬沙颗粒会在重力作用下沉积于河床表面。

天然河流是水、沙输运的通道，河流中泥沙的运移，会改变河道形态，引起河道的冲淤演变。为预测河道冲淤演变，需要计算水流的挟沙能力S^*，所谓挟沙能力，是指单位水体能够输运的泥沙量，其单位是kg/m³(千克/立方米)，在水沙一维数学模型中，它是一个断面平均值，它与断面平均含沙量S(单位水体中所含的泥沙量)的量纲相同，但含义不同，挟沙能力S^*是期望值，含沙量S则是实测值。当水流的实际含沙量S大于水流挟沙能力S^*时，水流中的部分泥沙就要淤积在河床；当水流的实际含沙量小于S^*时，河床就要发生冲刷。

对挟沙能力S^*的估算是河流泥沙运动力学的重要问题。对于粒径为D_l的均匀沙，基于泥沙运动统计理论的挟沙能力计算公式如下：

上式中，S^*(l)表示粒径为D_l的均匀沙的挟沙能力，l表示非均匀沙的粒径分组号。是床面上第l组颗粒由静止起动到脱离床面一个粒径高D_l的平均时间，目前它是上式中最难确定的参数，式中其他各量的物理意义和确定方法相对简单，可参考韩其为院士专著《水库淤积》；同时，韩其为院士也给出数学推导得到的参数t₀₄的方式，但是形式较为复杂，属于理论公式，尚待实测数据验证。

目前，主要有如下两个方案利用高速摄影技术研究颗粒运动的成果。

方案1：惠遇甲、胡春宏利用高速摄影技术研究了水流中颗粒跃移的运动学特征。

在他们的研究中，采用不同容重的颗粒材料和不同的水流强度，利用高速摄影技术系统测量了水流中颗粒的跃移过程。他们的工作是在1980年代末开展的，研究过程采用的高速摄影仪器是当时非常先进的Pentazet-35和GSJ型高速摄影机，摄影频率为60～300f/s。基于此设备记录的1000多条单颗粒泥沙在水槽中的运动轨迹，他们提炼了泥沙颗粒的常规运动形式，并统计了不同运动形式出现的概率与水流强度之间的关系。这是利用高速摄影技术研究颗粒运动的经典成果。在他们的研究中，并未涉及对床面颗粒起动时间t₀₄的推求。

方案2：苗蔚、陈启刚、李丹勋等人通过高速摄影技术研究了推移质泥沙的起动概率。

苗蔚等人对泥沙起动概率的研究，是通过在试验水槽正上方布设俯视高速摄影设备获取床沙影像的，所获得的床沙影像，是床面一个平面区域内的所有床沙分布图，为了增加图像的清晰度和对比度，避免背景照明不均匀、杂质和气泡等对识别结果产生影响，她们对原始图像进行了顶帽变换、对比度线性拉伸和高斯滤波处理，见图1，其中左侧为原始图，右侧为处理后的图。

为了在从连续两张图片中获取泥沙起动的信息，他们采用了Keshavarzy,A等人提出的方法，将两帧图像相减，根据图像灰度变化判读泥沙是否发生运动，这种处理方式的理论依据在于，颗粒运动导致初始位置和当前位置的灰度均发生改变。在泥沙起动试验中，由于运动泥沙暴露度大、距光源近，其对应的灰度值一般比静止泥沙大，当泥沙发生运动后，其初始位置的灰度变小而当前位置的灰度增大，当利用第二帧图片减去第一帧图片时，初始位置的灰度为负，当前位置的灰度为正。分析本文实际拍摄的图片时发现，有部分运动颗粒比静止颗粒暗，即当第二帧减第一帧时，初始位置的灰度为正，当前位置的灰度为负，因此统计全部的负值区域或者正值区域将得到运动颗粒总数，两种方法得到的结果误差率为5％。通过这种处理方式，可以得到不同时刻两帧图像的灰度差分图(见图2)，图2中成对出现的正负峰值清晰标识了运动泥沙的初始位置和当前位置。

显然，上述两个方案关注的重点是颗粒的运动形式和床面推移质的运动过程，均未涉及床沙颗粒的起动时间t₀₄。

发明内容

本发明的目的是提供一种床面颗粒起悬时间的提取方法，可以准确计算床沙颗粒的起动时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种床面颗粒起悬时间的提取方法，包括：