CN106895807B - 一种河道植被群尾流区长度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河道植被群尾流区长度测量方法，利用荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，采集植被群尾流区漩涡的运动过程视频；运用Matlab程序和视频处理代码将荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差趋势线；根据标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置；垂向漩涡产生的尾流区长度L_vv按下述公式L_vv＝(L₁+L₂)/2±(L₂–L₁)/2计算；水平向漩涡产生的尾流区长度L_kv按公式L_kv＝(L₃+L₄)/2±(L₄–L₃)/2计算；淹没植被群的尾流区长度L_w为min(L_vv,L_kv)，非淹没群的尾流区长度L_w为L_kv。本发明的方法简单，可快速、准确的测量淹没或非淹没植被群的尾流区长度。

Description

一种河道植被群尾流区长度的测量方法

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，具体涉及一种河道植被群尾流区长度的测量方法。

背景技术

在自然界中，植被群通常是指树木群、灌木群和野草群的初始生长形态。植被群通常生长在河道的过流区域，会长期影响其周围区域的水流特性和河床形态。植被群在自然环境下通过改变水流特性促进局部区域泥沙沉积，改变河床演变规律。研究植被群会对探讨其所在区域的水流结构、阻力特性和河床演变规律具有重要意义。其中，植被群的尾流区长度，即植被群尾端到至其后侧流速最小值出现位置之间的距离。对于非淹没植被群，该距离为植被群尾端到最靠近植被群出现的水平向漩涡(卡门涡街，二维横向漩涡)之间的距离L_kv；对于淹没植被群，由于其尾流区漩涡异常复杂，是典型的三维漩涡结构(同时包含水平方向和垂向)，该距离可能为植被群尾端到最靠近植被群出现的水平向漩涡(卡门涡街，二维横向漩涡)之间的距离L_kv，也可能为植被群尾端到最靠近植被群出现的垂向漩涡之间的距离L_vv。由于植被群的阻水作用，植被群尾流区内水流流速及紊动强度均大幅度减小，水流中挟带的悬浮泥沙通常会淤积在尾流区中，而这些沉积泥沙吸附氮磷等有机物又能够促进植被的扩张和生长。因此研究植被群尾流区长度就能获得植被群尾端悬浮泥沙的淤积长度及植被可能的扩张范围，从而用于建设河道生态防洪，实施生物防冲护岸，整治冲淤河道及改进都市水力学景观等领域。现有研究和测量植被群的尾流区长度的方法是通过测量植被群后侧的流速分布来判定，该方法虽能较准确的给出植被群尾流区的长度，但需要花费大量的时间和人力来完成测量，效率低。例如，对于非淹没植被群，其后侧出现二维水平方向漩涡，完成植被群直径D＝10cm后侧的流速测量需要花费近2.5小时。如果对象为淹没植被群则测量花费的时间更多，这是由于淹没植被群尾部会形成复杂的三维漩涡，漩涡同时发生在水平方向和垂向上，所以需要测量更多的流速点来确定植被尾流区长度。目前，国内外没有提出高效、快速且简单的植被尾流区确定方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全新的河道植被群尾流区长度的测量方法，以实现简单、快速、准确的测量淹没或非淹没植被群的尾流区长度。

针对本发明的上述发明目的，本发明提供的河道植被群尾流区长度的测量方法，方案构成包括：

(1)视频采集：在河道植被群上方和两侧水体注入荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，对于非淹没植被群，俯视采集植被群尾部水平向漩涡的运动过程视频，对于淹没植被群，俯视采集植被群水平向漩涡的运动过程视频视屏和侧视采集垂向漩涡的运动过程视频，视频采集时间不少于30秒，完整记录至少两个漩涡运动周期；

(2)视频数值转化：将步骤(1)采集到的视频按照至少每秒一张的频率截取至少30张的高清图片，在顺水流方向指定视频数值转化断面，运用Matlab程序和视频处理代码将每张视频图片指定断面水流方向上每一点的荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算给出水流方向每一点荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差分布图；

(3)计算尾流区长度的位置确定：将步骤(2)运用Matlab程序和视频处理代码处理后得到的荧光示踪剂色度标准差分布与任一时刻导出的视频图片契合，根据水流方向标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置，且以植被群尾端位置作为尾流区长度计量坐标原点；

(4)尾流区长度计算：以无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，从侧视视频处理结果中先找出植被群后方垂向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L₁，再找出植被群后方垂向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L₂，从俯视视频处理结果中先找出植被群后方水平向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L₃，再找出植被群后方水平向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L₄；垂向漩涡产生的尾流区长度L_vv按下述公式计算：

L_vv＝(L₁+L₂)/2±(L₂–L₁)/2 (1)

水平向漩涡产生的尾流区长度L_kv按下述公式计算：

L_kv＝(L₃+L₄)/2±(L₄–L₃)/2 (2)

对于淹没植被群，植被群的尾流区长度L_w为：

L_w＝min(L_vv,L_kv) (3)

对于非淹没群，植被群的尾流区长度L_w为

L_w＝L_kv (4)

在视频的采集过程中，利用荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，荧光示踪剂通常是于植被群影响水流最大断面处注入水流；对于非淹没植被群，荧光示踪剂于植被群影响水流最大断面处植被群两侧注入水流；对于淹没植被群，荧光示踪剂分别于植被群影响水流最大断面处植被群顶端中心和两侧注入水流。视频的录制采集，对于非淹没植被群，采集尾部水平向漩涡(横向漩涡)的运动过程视频；对于淹没植被群，既要采集水平向漩涡，也要采集垂向漩涡的运动过程视频。水平向漩涡的运动是从水流上方俯视采集视频，垂向漩涡的运动是从水流侧面侧视采集视频。

在运用Matlab程序和视频处理代码对视频进行处理的过程中，将每一张漩涡的视频图片的荧光示踪剂颜色转化为数值，视频图片中某个点的颜色浓度高低可以用数值0到255来表示，0表示没有荧光示踪剂颜色，255表示只有荧光示踪剂颜色。图片上出现的荧光示踪剂都有相对应的数值，数值越大表示该处出现的荧光示踪剂量越多，荧光强度越大，荧光强度最大处对应水流速度最小处，从而得到在确定时间内截取的每张视频图片中相同位置处的荧光强度值。在得到指定断面各个位置的荧光强度值后，计算视频图片上指定断面各个位置的荧光强度标准差，分别绘制水平向漩涡和垂向漩涡荧光强度在指定断面上的水流方向标准差分布图。

计算尾流区长度的位置确定，对于垂向漩涡，确定过程如下：

步骤1：将垂向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻垂向漩涡视频图片对照，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点，水流方向为x轴方向；

步骤2：选取植被群顶端以上无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在垂向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₁，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₂。

对于水平向漩涡，确定过程如下：

步骤1：将水平向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻水平向漩涡视频图片对照，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点，水流方向为x轴方向；

步骤2：选取植被群两侧无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在水平向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₃，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₄。

垂向漩涡尾流区长度的计算，在0<x<L₁的区域，荧光强度等于参考点的荧光强度，说明垂向漩涡不进入该区域；在x＝L₂的位置，荧光强度达到最大值，说明漩涡挟带荧光剂总是出现在该位置，而后由于水流扩散造成在x>L₂的区域内荧光强度逐渐降低。由于漩涡总是不稳定的，会在水流方向来回摆动，相应的漩涡会在L₁与L₂之间的区域摆动，因此选取两者的平均值作为尾流区长度，并用两者的差的二分之一说明漩涡摆动的范围，得到垂向漩涡尾流区长度L_vv计算公式如下:

L_vv＝(L₁+L₂)/2±(L₂–L₁)/2 (1)

同理，水平向漩涡尾流区长度L_kv计算公式如下:

L_kv＝(L₃+L₄)/2±(L₄–L₃)/2 (2)

对于淹没植被群，由于先出现的漩涡尾流区末端会产生漩涡，之后水流流速及紊动强度增大会改变另一方向上漩涡的发展，因此淹没植被群的尾流区长度L_w为：

L_w＝min(L_vv,L_kv) (3)

对于非淹没群，尾流区长度

L_w＝L_kv (4)

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明为淹没或非淹没植被群的尾流区长度测量提供了一种简单、快速、准确的测量的新的测量方法。

2.本发明所述方法利用荧光示踪剂配合高清相机拍摄俯视和侧视角度的漩涡运动视频，每一组工况仅需采集大于30秒的视频，有利于提高数据采集速度和试验效率。

3.本发明所述方法通过自主编写的适用于Matlab程序的视频处理代码，实现了将荧光示踪剂运动轨迹转化为数值，以荧光剂强度标准差的沿程分布为基准，用科学的手段判断漩涡的运动区域，获得垂向和水平向漩涡对应的尾流区长度，测量的准确性较高。

4.本发明所述方法针对植被群的尾流漩涡的运动特点提出了植被群尾流区长度计算方法和公式，不需要开展具体的测量工作，仅需配合荧光示踪剂采集漩涡运动视频，实施步骤简单，操作过程所需时间短，具有广泛的通用性。

附图说明

图1是植被群尾端漩涡运动轨迹概化示意图，其中图a为非淹没植被群尾流的俯视图；其中图b为淹没植被群尾流的侧视图。

图2是垂向漩涡尾流区的计算断面(即，水槽纵向中心垂面)；

图3是垂向漩涡30张视频图片上每个位置的荧光强度分布图；

图4是垂向漩涡水流方向上的荧光强度标准差分布图；

图5是垂向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻垂向漩涡视频图片的对照；

图6是水平向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻横向漩涡视频图片的对照

图7是ADV测量尾流区长度的流速分布图；

图8是本发明方法得到的尾流区长度与ADV测量结果比较图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述河道植被群尾流区长度的测量方法做进一步说明。

实施例1

本实施例通过水槽模拟实验对河道植被群尾流区长度的测量方法作说明。

①试验目的

通过水槽试验，揭示植被群尾流漩涡的运动过程，并运用荧光示踪剂录制视频，通过图像处理计算植被群的尾流区长度。将发明方法得到的结果与实际测量结果相比较，检验发明探测结果的准确性。

②试验设备

主要设备如下表所示。

表1荧光剂示踪结果检验试验使用的仪器设备

③试验工况

表2荧光示踪剂及ADV流速测量工况^a

	D(cm)	h(cm)	H(cm)	h/H
					A1	5	3	14	0.21
A2	5	5	14	0.36
					A3	5	7	14	0.5
A4	5	9	14	0.62
					A5	5	11	14	0.79
A6<sup>b</sup>	5	&gt;14	14	1
					A7	10	3	14	0.21
A8	10	5	14	0.36
					A9	10	7	14	0.5
A10	10	9	14	0.62
					A11	10	11	14	0.79
A12<sup>b</sup>	10	&gt;14	14	1

^a D为植被群直径，h和H分别为植被群高度和水深；

^b工况A6和A12中使用非淹没植被群。

④试验方法

(1)视频采集

首先，将淹没植被群布置在PVC板上，在植被群后侧的PVC板上沿水流方向用白色方块胶带布置多排位置标记点，各个白色方块胶带中心的实际横向和纵向距离均为10cm，以便对应后续处理结果确定尾流区的真实坐标位置。然后缓慢加水使水深达到H＝14cm，开动泵使水流流动，稳定后上游平均流速U₀＝9.1cm/s。

在淹没植被群的两侧边缘注射荧光剂，相机布置在植被群下游80厘米处录制水平方向漩涡的运动过程，如附图1(a)；在淹没植被群顶端中心处注射荧光剂，相机布置在水槽侧面录制垂向漩涡的运动过程，如附图1(b)。各个方向的视频录制的时间大于30秒以完整录下至少两个漩涡运动周期，确保准确。

(2)视频处理

步骤1：在Matlab中运行代码，将每一张垂向漩涡视频图片的荧光示踪剂颜色(以绿色为例)转化为数值，具体为，某个点的绿色浓度高低可以用数值0到255来表示，0表示没有绿色，255表示只有绿色。某些区域出现荧光指示剂时，数值增大，荧光强度越大，例图3中x＝1000时，绿色数值约等于180，表示该处出现了大量的荧光示踪剂。然后，得到30张视频图片中计算断面上的纵向荧光强度分布，见图3。

Matlab中运行代码如下：

步骤2：计算30张视频图片在计算断面上每个位置的荧光强度标准差，绘制垂向漩涡在水流方向上的荧光强度标准差分布图，见图4；

步骤3：用相同的方法处理水平漩涡的30张视频图片，绘制水流方向上水平向漩涡的荧光强度标准差分布图；

此处需要解释的是：在荧光剂注射点以下的植被群区域和参考点处并没有荧光示踪剂，但图3、图4显示了有关荧光强度和荧光强度标准差的数据。这是由于在整个视频录制过程中，水是波动的，荧光示踪剂也会随水的波动在每一时刻产生不同的漩涡形态。绿色荧光剂会反射在植被群上，造成很轻微的光影差别，这点用肉眼很难观察出来，但是如果用软件处理就会显示出相应数据，即荧光示踪剂强度>0，即标准差＝1.5。同时，整个水槽是用玻璃制成的，绿色的荧光剂在玻璃上也会留下相应的光影。因此，在本发明方法中使用参考点得出的光影标准差来判定荧光剂强度标准差真正开始增加的位置，使试验结果更加准确。

(3)尾流区长度计算

步骤1：将垂向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻垂向漩涡视频图片对照，见图5，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点；

步骤2：选取植被群顶端以上无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在垂向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₁，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₂；

步骤3：将水平向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻水平向漩涡视频图片对照，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点；

步骤4：选取植被群两侧无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在水平向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₃，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L₄；

步骤5：垂向漩涡尾流区长度L_vv计算公式如下

L_vv＝(L₁+L₂)/2±(L₂–L₁)/2 (1)

水平向漩涡尾流区长度L_kv计算公式如下

L_kv＝(L₃+L₄)/2±(L₄–L₃)/2 (2)

对于淹没植被群，由于先出现的漩涡尾流区末端会产生漩涡，之后水流流速及紊动强度增大会改变另一方向上漩涡的发展，因此淹没植被群的尾流区长度L_w为：

L_w＝min(L_vv,L_kv) (3)

为了验证实施例1结果是否准确，运用传统的ADV测量流速的方法确定植被群尾流区长度，方法如下：

步骤1：流速采集

为了保证每组工况中的试验数据采集在同一位置，选取最低的植被群h＝3cm一组为标准，以水槽纵向中心垂面为测量断面，以该断面上水槽底板植被群尾端为左边原点，水流方向为x轴方向，植被高度方向为z轴方向，测量z＝1，2和3cm处的流速数据，测量范围从x/D＝0～5(D为植被直径)。每一个点的采样频率和时间分别为25Hz和4min，以确保能够在每点采集至少6000个样本点，保证测量精度。因此，采用传统测量方法确定一个工况的植被群尾流区至少花费2.5小时。

步骤2：原始数据处理

将采集的流速原始数据运用仪器厂商提供的配套软件winADV处理后，输出每个点的时均流速。再将每个x/D位置的3个流速数据平均后，做出流速(用上游平均流速无量纲化，U/U₀)在水流方向(用植被直径无量纲，x/D)上的分布图(U/U₀vsx/D)。

步骤3：确定尾流区长度

尾流区长度L_w为植被群末端(x/D＝0)到流速最低点处的距离，见附图7。例如，A11组，h＝11cm，h/H＝0.79，L_w＝15.0±1.3cm。

两种方法尾流区长度结果比较

将实施例所得min(L_vv,L_kv)与流速测量结果L_w比较，见表3和图8。

表3荧光剂示踪及ADV流速测量结果^a

	L<sub>kv</sub>(cm)	L<sub>vv</sub>(cm)	L<sub>w</sub>(cm)
				A1	-	5±2	3±1
A2	5.8±1.7	7.2±1.2	5±1
				A3	8±2	13±2	6±1
A4	9±2	28±4	6±1
				A5	12±2	43±5	8±2
A6	15±3	-	9±2
				A7	-	2±1	4±2
A8	-	3.6±1.2	8±1
				A9	9±2	8±4	8±1
A10	12±2	14±5	10±1
				A11	16±3	40±7	15.0±1.3
A12	23±3	-	18±2

^a L_kv和L_vv定义在图1中(通过实施例1的步骤获得)。

L_w为植被群尾端与尾流流速最低处间的距离(通过ADV实测流速获得)。

“-”表示相应漩涡没有出现，所以没有取值。

Claims (5)

1.一种河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于包括：

(1)视频采集：在河道植被群上方和两侧水体注入荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，对于非淹没植被群，俯视采集植被群尾部水平向漩涡的运动过程视频，对于淹没植被群，俯视采集植被群水平向漩涡的运动过程视频视屏和侧视采集垂向漩涡的运动过程视频，视频采集时间不少于30秒，完整记录至少两个漩涡运动周期；

(2)视频数值转化：将步骤(1)采集到的视频按照至少每秒一张的频率截取至少30张的高清图片，在顺水流方向指定视频数值转化断面，运用Matlab程序和视频处理代码将每张视频图片指定断面水流方向上每一点的荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算给出水流方向每一点荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差分布图；

(3)计算尾流区长度的位置确定：将步骤(2)运用Matlab程序和视频处理代码处理后得到的荧光示踪剂色度标准差分布图与任一时刻导出的视频图片契合，根据水流方向标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置，且以植被群尾端位置作为尾流区长度计量坐标原点；

(4)尾流区长度计算：以无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，从侧视视频处理结果中先找出植被群后方垂向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L₁，再找出植被群后方垂向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L₂，从俯视视频处理结果中先找出植被群后方水平向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L₃，再找出植被群后方水平向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L₄；垂向漩涡产生的尾流区长度L_vv按下述公式计算：

L_vv＝(L₁+L₂)/2±(L₂–L₁)/2 (1)

水平向漩涡产生的尾流区长度L_kv按下述公式计算：

L_kv＝(L₃+L₄)/2±(L₄–L₃)/2 (2)

对于淹没植被群，植被群的尾流区长度L_w为：

L_w＝min(L_vv,L_kv) (3)

对于非淹没群，植被群的尾流区长度L_w为：

L_w＝L_kv (4)。

2.根据权利要求1所述的河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于，荧光示踪剂于植被群影响水流最大断面处注入水流。

3.根据权利要求2所述的河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于，对于非淹没植被群，荧光示踪剂于植被群影响水流最大断面处植被群两侧注入水流。

4.根据权利要求2所述的河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于，对于淹没植被群，荧光示踪剂分别于植被群影响水流最大断面处植被群顶端中心和两侧注入水流。

5.根据权利要求1至4之一所述的河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于，在步骤(2)中视频图片水流方向各点的荧光示踪剂色度，按照色度大小从没有荧光示踪剂的色度到荧光示踪剂本身的色度对应地转化为0～255的数值。