[发明专利]一种用于游荡型河流的近岸水文现场观测装置

说明书

本发明属于土木建筑、水利、交通运输技术领域，涉及一种用于游荡型河流的近岸水文现场观测装置，包括表面流场观测装置和近岸河流断面水深及流速测定装置，利用本发明的装置进行现场观测，方便快捷且成本低廉，普及性强，同时保证了观测试验的可靠性、准确性、安全性，且可以对河流断面不同位置处水深及流速进行精确量测，同时实现流场的可视化操作。

技术领域

本发明属于土木建筑、水利、交通运输技术领域，涉及一种用于游荡型河流的近岸水文现场观测装置。

背景技术

自然河流的水文数据一方面是水文学、河流动力学等众多学科研究过程中的重要数据，另一方面作为整治和开发河道的依据，用以验证所建工程的作用、效益和影响。与此同时，水文数据作为揭示黄河下游滩地崩退和发展规律的基础，为治理游荡型主流对河岸的破坏提供重要依据。因此，运用现场观测手段，量测河道断面的水文要素，并以数字或图像的形式加以记录是研究中不可或缺的重要环节。

综观国内外天然河道表面流速测量的方法，主要可归纳为三类。第一类是采用浮标示踪人工计时或拍照后分析处理。观测记载浮标通过上、下断面的时间和通过中断面时的起点距。起点距可以通过横跨断面的带标志的缆索或用经纬仪、平板仪交会确定。上下断面间的距离除以漂流历时，即得浮标流速。往往还要乘以浮标系数，换算为垂线平均流速。缺点是：在野外观测试验时，费时费力且精度不高，只适于单点流速的近似量测，无法用于大面积水域流速的精确量测。第二类方法是利用在河道断面架设缆道悬挂流速仪施测，缺点是：这种测流方式需要征地、建设站房、安装支架、架设缆道等配套设施，同时需要有专人长期驻守测站进行操作，工作强度大，效率相对较低，建设周期长，加之黄河滩岸近岸土体物理性质差，无法承受缆道装置以及水文桥测车等重量，安全问题得不到保证。第三类方法是利用地面架设的相机或摄像机进行图像采集的非接触式河道表面流场测试方法，由于相机或摄像机架设在地面，测试的河道表面范围有限，而且无法获得正射影像，降低了测试精度。

王兴奎团队在第三类方法的基础上，基于颗粒示踪和图像处理方法的流场实时测量技术，提出了一种表面流速场的图像处理系统及其同步实时量测方法，其中示踪颗粒的性能对流速测量的精度影响很大。为此，王兴奎团队设计了一种半球形带沿的颗粒，其淹没深度较小，可以适用于较浅的水流条件，并通过试验研究了其分散性和跟随性(禹明忠，詹秀玲，庞东明，王兴奎.流场实时测量中示踪球性能的研究[J].水利水电技术，2002(02):43-45+75)。通过在流场中施放示踪颗粒，采用摄、录像的方法记录颗粒的运动轨迹，经过图像处理得出全试验段的表面流速和流态。如设置多套摄录像系统，则可在要求的时间内完成流场信号的同步记录，再通过图像处理，即能获得需要的成果(王兴奎，庞东明，王桂仙，安凤玲.图像处理技术在河工模型试验流场量测中的应用[J].泥沙研究，1996(04):22-27)。此系统具体包括多个CCD摄像机、视频信号同步器、多台计算机、图像采集卡、局域网或图像实时采集与处理程序，以及流场示踪颗粒。一台计算机中的图像采集卡与其相连的M个CCD摄像机镜头组成一个相对独立的子系统。将全部摄像机用视频信号同步器连接，实现外同步。各子系统的计算机连成局域网，实现内同步(王兴奎，禹明忠，李丹勋，王殿常.大范围表面流速场的图像处理系统及其同步实时量测方法[P].CN1289037，2001-03-28)。张红武教授团队同样在基于颗粒示踪和图像处理方法的流场实时测量技术中，研发了实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法来测流(胡德超，钟德钰，张红武，卜海磊，张昊.实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法[P].CN101464471，2009-06-24)。但是，上述图像量测系统目前只用于室内模型试验。如果要将上述装置推广应用到天然河流的现场观测，仍存在以下问题：(1)上述测量系统的流速量测范围从0.002m/s～1.0m/s，而现场观测的实际流速多超出此范围。(2)由于现场观测尺度远大于模型试验，因而需要考虑在较大尺度范围内如何均匀布撒示踪颗粒和布置图像采集装置的问题。