張 振, 徐立中, 王慧斌

(河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇 南京 211100)

大尺度粒子圖像測(cè)速(large-scale particle image velocimetry, LSPIV)是一種基于圖像的河流水面成像測(cè)速技術(shù)[1],是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry, PIV)技術(shù)[2]在大尺度現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的擴(kuò)展，它假設(shè)水流示蹤物緊密跟隨待測(cè)水面流場(chǎng)中的局部流體,采用統(tǒng)計(jì)識(shí)別的方法匹配無(wú)畸變連續(xù)圖像中包含示蹤物的分析區(qū)域,估計(jì)區(qū)域的平均運(yùn)動(dòng)矢量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水面流場(chǎng)的定量表示及可視化[3],如圖1所示。由于該技術(shù)融合了數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別及攝影測(cè)量等多學(xué)科領(lǐng)域的成果，相比現(xiàn)有的視頻浮標(biāo)跟蹤法[4],它可以利用可視性和穩(wěn)定性較差、但分布更均勻的天然漂浮物及水面模式作為水流示蹤物;其瞬時(shí)全場(chǎng)流速測(cè)量能力不僅可用于常規(guī)條件下天然河流紊動(dòng)特性及時(shí)均特性的研究[5]，其非接觸特性更使之具有極端條件下流速、流量監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力[6]。

圖1 LSPIV原理示意圖

從原理上看,河流水面成像測(cè)速方法完全依賴于水流示蹤物的可見性、跟隨性及分布情況,因此精確、穩(wěn)定的測(cè)量必須建立在對(duì)水流示蹤物的生成機(jī)理和物化特性具有深刻理解的基礎(chǔ)上。然而,河流水面成像測(cè)速中可利用的水流示蹤物顯著區(qū)別于面向體流動(dòng)測(cè)量[7]以及面向河工模型水面流動(dòng)測(cè)量[8]的人工示蹤粒子,大致可分為天然漂浮物、天然水面模式及人工示蹤粒子3類,其中前兩種天然示蹤物的種類繁多、特性各異,其存在性取決于河段周圍的環(huán)境和河床的水力條件。盡管近年來(lái)部分LSPIV的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已通過(guò)流量比測(cè)等手段間接驗(yàn)證了天然示蹤的可行性,但研究大多針對(duì)具體測(cè)驗(yàn)河段介紹河流水面的表觀現(xiàn)象,關(guān)于明渠紊流形成水面模式的機(jī)理尚不明朗,針對(duì)復(fù)雜流態(tài)下垂線流速分布的研究尚不深入。本文系統(tǒng)地總結(jié)河流水面成像測(cè)速中水流示蹤物的類型、生成機(jī)理和物化特性,進(jìn)而評(píng)述其示蹤性能及應(yīng)用條件,以便指導(dǎo)測(cè)驗(yàn)河段及時(shí)段的選取。

1 天然漂浮物

河流暢流期的漂浮物種類繁多,主要受上游兩岸植被及人為因素的影響。山區(qū)河流中較為常見的漂浮物有樹枝、樹葉等植物碎片;流經(jīng)農(nóng)村的河流中漂浮物以水稻、玉米、小麥等作物的秸稈和雜草垛為主;而流經(jīng)城市的河流中經(jīng)常出現(xiàn)木板、塑料瓶、泡沫塑料制品等生活垃圾以及油污、有機(jī)廢水形成的表面活性物質(zhì)。

河流凌汛期的漂浮物以流冰為主,包括漂浮在水面流動(dòng)的水內(nèi)冰、棉冰、冰珠、冰屑及薄冰等。我國(guó)的凌汛多發(fā)于北方河流,特別是黃河上游從寧夏到內(nèi)蒙的河套段和下游山東入海段。凌汛期的流凌過(guò)程可分為春季淌凌和秋季淌凌兩種:①秋季淌凌發(fā)生于河流的結(jié)冰過(guò)程。當(dāng)氣溫下降至0°C以下時(shí),水面蒸發(fā)的水分子在空氣中形成凝結(jié)核后落回水面,由于河流的紊動(dòng)作用,在水面和水下的過(guò)冷卻水處產(chǎn)生冰晶體并結(jié)成多孔而不透明的海綿狀冰團(tuán),稱為水內(nèi)冰；在河底附著的稱為底冰,懸浮狀態(tài)的冰屑稱為冰花,其數(shù)量由水面向河底遞減。隨著水內(nèi)冰的體積不斷增大,底冰上浮至水面,與河面冰花順流而下形成淌凌。②春季淌凌發(fā)生于河流的解凍過(guò)程。在氣溫回升至0°C以后,河岸土壤吸熱較冰層多,沿岸冰層首先消融,出現(xiàn)自由水面,如果上游來(lái)水溫度較高,會(huì)加速冰蓋下部融化,由于水流或大風(fēng)作用,產(chǎn)生冰層滑動(dòng),甚至斷裂,脫岸的碎冰順流而下形成淌凌。

上述天然漂浮物往往導(dǎo)致流速儀法等傳統(tǒng)接觸式方法無(wú)法施測(cè)或出現(xiàn)較大誤差,但對(duì)浮標(biāo)法及圖像法等非接觸式方法而言卻是有利的。由于可以直接采用目視的方式觀察和定位,可用于浮標(biāo)法高洪流量測(cè)驗(yàn)[9]和冰流量測(cè)驗(yàn)[10]。Bradley等[11]以水面樹葉作為示蹤物采用LSPIV技術(shù)測(cè)量了淺水(<0.2 m)、低流速(<0.2 m/s)山溪性河流的表面流速,如圖2所示,并以此作為水力學(xué)模型的輸入，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理求出三維流場(chǎng)用于流量估計(jì),和流速儀比測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差為6.4%。Jasek等[12]以水面流冰為示蹤物測(cè)量了加拿大Yukon河凌汛期的冰流量,其結(jié)果和基于一維冰塞剖面模型的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。然而需要注意的是,和標(biāo)準(zhǔn)人工浮標(biāo)相比,天然漂浮物的可視性較差,特征不明顯,在圖像中往往表現(xiàn)為弱小目標(biāo)。對(duì)此,張振等[13]認(rèn)為可以利用漂浮物和水體間光譜反射率的差異,采用近紅外成像的方式抑制水面光學(xué)噪聲,增強(qiáng)目標(biāo)和水體背景間的亮度對(duì)比,如圖3所示。

圖2 天然漂浮物的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

圖3 近紅外成像的水面目標(biāo)增強(qiáng)

2 天然水面模式

氣-水界面是天然河流和人工渠道中流體運(yùn)動(dòng)的基本邊界形式之一,受明渠水力條件和刮風(fēng)、降雨等氣象條件的影響,在水流的自由表面通?？梢杂^察到更為一般的表觀模式,即天然水面模式。

2.1 泡漩模式

泡漩模式主要由水流的折沖現(xiàn)象產(chǎn)生。有泡必有漩,這是河段中流態(tài)紊亂的共生規(guī)律。泡漩分泡水和漩水兩種。泡水是一種由水底向水面翻涌猶如鍋中沸水的水流。如圖4所示,當(dāng)河底的局部高速水流在其紊動(dòng)流動(dòng)過(guò)程中遇到障礙物阻擋或受底流受阻后的折沖水流反擊時(shí),水流就會(huì)急速上涌,沖破水面時(shí)陣發(fā)性地出現(xiàn)泡水。泡水中心的壓力與強(qiáng)度均大于四周,因此水面向上隆起,水流向四周成輻射狀滾出,形似泡花。漩水是一種中心水面凹陷、中心旋速大于回流邊緣旋速的豎軸環(huán)流。當(dāng)兩股水流以不同流向匯流形成的分界面發(fā)生波動(dòng)時(shí),壓力分布發(fā)生變化形成旋轉(zhuǎn)力偶,使其附近的部分水體轉(zhuǎn)動(dòng),隨著旋轉(zhuǎn)速度的逐漸增加,中心水面逐漸低凹呈現(xiàn)出漏斗狀。泡漩產(chǎn)生初期的作用范圍較小,在跟隨底層水流向下游移動(dòng)的過(guò)程中其形態(tài)逐漸增大、強(qiáng)度逐漸減弱直至消散。在此過(guò)程中,水面發(fā)生形變并形成雜亂的鏡面反射模式為水流示蹤提供了信息。

圖4 泡漩模式的形成過(guò)程

圖5 泡漩模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

泡漩模式多發(fā)于流量大、水流急、河谷窄深、河槽縱橫斷面變化急劇的河流,特別是具有復(fù)雜多變的石質(zhì)河床邊界的山區(qū)河段,圖5為岷江都江堰河段的泡漩模式流場(chǎng)示蹤結(jié)果。高速水流的急劇轉(zhuǎn)向和相應(yīng)的降速升壓作用是形成泡漩的根本原因,因此,流速、水深與河床形態(tài)是形成泡漩的基本因素。一般水深大于2 m、流速大于2 m/s才會(huì)出現(xiàn)泡漩;流速越高、河床地形變化越急劇,形成泡漩的強(qiáng)度也越大[14]。Fujita等[15]以高速水流與河床相互作用產(chǎn)生的波紋及泡漩模式作為水面天然示蹤物,繪制出了日本Shin河決堤時(shí)的水面流速分布圖。

2.2 漩滾模式

漩滾模式主要由水流的水躍現(xiàn)象產(chǎn)生。水躍是明渠水流從急流狀態(tài)過(guò)渡到緩流狀態(tài)時(shí)發(fā)生的水面破碎、躍起的局部水力現(xiàn)象。水躍區(qū)的水流可分為上下兩部分,如圖6所示:上部是急流沖入緩流所激起的表面漩滾,漩滾體不斷從水面裹挾大量氣泡進(jìn)入水中,而旋轉(zhuǎn)的水流質(zhì)點(diǎn)在上下部交界面處,又不斷被水流主體帶走,同時(shí)從水流主體末端再得到水質(zhì)點(diǎn)的補(bǔ)充,促使旋轉(zhuǎn)繼續(xù)進(jìn)行;下部為主流,是一個(gè)水深不斷增加的擴(kuò)散體,在擴(kuò)散體的某一位置,水質(zhì)點(diǎn)可穿越臨界水深進(jìn)入上部。在發(fā)生水躍的突變過(guò)程中,水流內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦混摻作用并消耗大量的機(jī)械能,因而流速急劇下降,水流很快轉(zhuǎn)化為緩流狀態(tài)。

圖6 漩滾模式的形成過(guò)程

由于水躍的消能效果較好,常常被用作閘、壩等泄水建筑物下游水流銜接的一種有效消能方式[16]。如圖7所示,上游的閘孔出流受到下游平坡渠道中緩流的頂托作用,在主流的上部形成表面漩滾。漩滾體由于飽摻空氣而呈白色,和周圍的水體形成對(duì)比,起到水流示蹤的作用。

圖7 漩滾模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

2.3 泡沫模式

泡沫模式主要由水流的水跌現(xiàn)象產(chǎn)生。水跌是明渠水流流經(jīng)跌坎處時(shí),由緩流狀態(tài)過(guò)渡到急流狀態(tài)所形成的水面急驟降落的局部水力現(xiàn)象。它一般發(fā)生在明渠縱向邊界突然降低的地段,如泄流閘壩、瀑布等。以圖8為例,水閘上游為緩坡明渠,水流為均勻流,其水深大于臨界水深;由于閘前、閘后存在水位落差而使阻力減小,上游水流在重力作用下以水舌形式自由瀉落,并剪切下游氣-水界面產(chǎn)生水面破碎從而把空氣卷吸帶入水中,該過(guò)程被稱為強(qiáng)迫摻氣;水中氣泡在 “助泡劑”的促進(jìn)作用下,在水面形成大量跟隨水流運(yùn)動(dòng)的白色泡沫。

圖8 泡沫模式的形成過(guò)程

泡沫是一群漂浮在液面上的具有很薄表面的氣泡聚集體,是表面張力、黏度和懸浮固體相互作用的產(chǎn)物。水中氣泡的存在是泡沫形成的充分條件,而氣泡的穩(wěn)定性則是泡沫形成的必要條件,二者缺一不可[17]。清水中的氣泡上逸至水面后,由于表面張力和大氣壓強(qiáng)的作用,立刻就會(huì)潰滅;但在特定條件時(shí),可以增強(qiáng)氣泡的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)潰滅時(shí)間。圖9為南京市外秦淮河三汊河口閘河段的泡沫模式流場(chǎng)示蹤結(jié)果,由于流經(jīng)城區(qū)并匯入長(zhǎng)江,水體中含有較高濃度的懸浮物及表面活性物質(zhì),為泡沫的形成和維持創(chuàng)造了條件。Creutin等[18]以測(cè)流斷面上游產(chǎn)生的天然泡沫作為天然示蹤物,通過(guò)對(duì)比LSPIV的測(cè)量值和USGS提供的流量和平均流速的歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證了泡沫模式的有效性。

圖9 泡沫模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

2.4 懸移質(zhì)云團(tuán)模式

懸移質(zhì)云團(tuán)是指在紊流作用下遠(yuǎn)離床面并以懸浮方式進(jìn)行搬運(yùn)的一群具有相似運(yùn)動(dòng)特性的碎屑物,通常包括泥沙顆粒及膠質(zhì)物等。圖10為含沙量不同的兩條河流交匯形成的懸移質(zhì)云團(tuán)模式,表現(xiàn)出“涇渭分明”的水體顏色差異。由于懸浮泥沙在近紅外波段的反射率遠(yuǎn)大于清潔水體,對(duì)于混合作用良好的河流,可以通過(guò)主動(dòng)近紅外成像的方式增強(qiáng)水中跟隨水流運(yùn)動(dòng)的微小顆粒,如圖11所示。

圖10 河流交匯處的懸移質(zhì)云團(tuán)模式

圖11 懸移質(zhì)云團(tuán)模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

懸移質(zhì)云團(tuán)的產(chǎn)生和水流的猝發(fā)現(xiàn)象存在著密切聯(lián)系,主要表現(xiàn)在:①當(dāng)流速增大到一定程度時(shí)猝發(fā)現(xiàn)象必然發(fā)生,并且隨著雷諾數(shù)的增大,紊流猝發(fā)現(xiàn)象也相應(yīng)地增強(qiáng),表現(xiàn)為群噴現(xiàn)象的增多、無(wú)量綱猝發(fā)周期的延長(zhǎng),以及噴射和清掃尺度的增大[19];②河床上泥沙顆粒的起動(dòng)與雷諾應(yīng)力的峰值相對(duì)應(yīng),取決于形成清掃沖擊的決定性水流[20];③猝發(fā)紊動(dòng)是維持泥沙懸浮運(yùn)動(dòng)的主要能量來(lái)源[21];④水面近區(qū)懸移質(zhì)的垂向瞬時(shí)速度出現(xiàn)較大幅度的脈動(dòng),并在時(shí)間上表現(xiàn)出高度的相干性[22]。

2.5 表面波模式

表面波模式主要由大氣及結(jié)構(gòu)物對(duì)水體自由表面的擾動(dòng)產(chǎn)生。當(dāng)靜止水面受擾后,水質(zhì)點(diǎn)將偏離平衡位置并在慣性、重力和表面張力的作用下發(fā)生振動(dòng),在水面附近的一個(gè)薄層內(nèi)形成厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的機(jī)械波,稱為表面波[23]。

2.5.1 風(fēng)生表面波

當(dāng)微風(fēng)作用于水面時(shí),水面上的輕微凹凸將引起風(fēng)壓分布的不一致,使得局部水面受壓產(chǎn)生波動(dòng)形成毛細(xì)波,如圖12和圖13所示。風(fēng)生毛細(xì)波的波長(zhǎng)較短,一般從幾毫米到幾厘米;波高較小,波脊圓滑,波谷尖銳;當(dāng)波速遠(yuǎn)小于流速時(shí)其影響可以忽略,故而能夠作為有效的水流示蹤物。隨著風(fēng)速的加大,風(fēng)的能量可以借助于氣流和水面的摩擦作用直接施加在毛細(xì)波的迎風(fēng)坡上,促使波長(zhǎng)和波高增大變成重力波。風(fēng)生重力波的波長(zhǎng)從幾厘米到幾分米;外形不對(duì)稱,迎風(fēng)面緩、背風(fēng)面陡,波脊較長(zhǎng)[24]。大尺度的風(fēng)生重力波受水平剪切氣流的影響較大,因此當(dāng)風(fēng)力的影響不可忽略而又無(wú)法獲得確切的水面風(fēng)速、風(fēng)向信息時(shí),風(fēng)生重力波就變成了一種干擾模式。

圖12 風(fēng)生表面波模式

圖13 風(fēng)生表面波模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

2.5.2 雨生表面波

當(dāng)單滴雨滴在重力作用下自由落體并撞擊水面時(shí),在水面形成以落點(diǎn)為圓心向外擴(kuò)散的輻射狀同心圓表面波。雨生表面波的波長(zhǎng)和振幅均在毫米至厘米量級(jí),取決于雨滴的大小和入水速度,屬于毛細(xì)波或毛細(xì)重力波[25];波面曲率很大,能夠反射大部分陽(yáng)光輻射,加之雨滴作用于水體的垂向和切向應(yīng)力產(chǎn)生的氣泡及飛沫,在短時(shí)內(nèi)形成區(qū)域獨(dú)有的紋理特征。在圖14所示的自然條件下,由于風(fēng)場(chǎng)和重力的作用,雨滴會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)水流的自由表面產(chǎn)生水平和垂直方向上的動(dòng)量和質(zhì)量輸入,產(chǎn)生形變的橢圓狀表面波。隨著降雨強(qiáng)度的穩(wěn)定,大量雨滴形成的表面波相互干涉呈現(xiàn)出局部紋理雜亂但整體運(yùn)動(dòng)特征規(guī)則的水面模式。

圖14 雨生表面波模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

2.5.3 尾跡表面波

當(dāng)大橋橋墩、立管等結(jié)構(gòu)物穿透水體的自由表面時(shí),由于物體表面的黏性效應(yīng),形成的繞流將產(chǎn)生明顯的波動(dòng)現(xiàn)象,進(jìn)而在下游形成尾跡表面波模式,如圖15所示。以圓柱繞流為例,在圓柱前駐點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度減小至零,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,在正壓力的作用下,前駐點(diǎn)的自由表面逐漸升高;而在圓柱背壓區(qū),流場(chǎng)的壓力到達(dá)最大負(fù)壓,圓柱背部的自由液面明顯下降,達(dá)到一定深度,形成漏斗狀。Graf等[26]在模型試驗(yàn)中觀測(cè)到,在下游距離橋墩10倍水深的區(qū)域,水流將恢復(fù)到正常的對(duì)數(shù)流速分布?；谠摐?zhǔn)則,Bechle等[27]在橋墩下游大約500 m處設(shè)點(diǎn)(水深5 m),利用上游持續(xù)產(chǎn)生的尾跡表面波測(cè)量了完整漲潮、落潮過(guò)程的水面流場(chǎng)和河口流量,如圖16所示。和浮標(biāo)法相比,水面流速測(cè)量的平均偏差為0.021 m/s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.07 m/s,而LSPIV和ADCP的偏差為0.005 m/s,驗(yàn)證了尾跡表面波作為有效示蹤物的假設(shè)。

圖15 尾跡表面波模式

需要注意的是:在靜水條件下,表面波的傳播只是波動(dòng)形狀的傳播,水質(zhì)點(diǎn)本身并不向前移動(dòng),而是在平衡位置的周圍做圓周運(yùn)動(dòng)。在研究表面波模式作為天然水面示蹤物時(shí),為了便于分析而又抓住主要矛盾,假定表面波在不可壓縮的理想流體表面運(yùn)動(dòng),水體內(nèi)的摩擦可以忽略并且只考慮橫波,這和電波流速儀利用水面波動(dòng)測(cè)速原理相似。此外,從圖16可以看出,遠(yuǎn)場(chǎng)的表面波模式比近場(chǎng)的更為明顯,說(shuō)明選擇合適的拍攝傾角和照明條件可以增強(qiáng)水面的鏡面反射,而小角度拍攝反而有利于提高表面波模式的可見性,這與水體介質(zhì)的折射率和二向性反射密切相關(guān)[28]。

圖16 尾跡表面波模式的流場(chǎng)示蹤結(jié)果

表1比較了各種天然水面模式的水力現(xiàn)象、生成條件及示蹤性能。

表1 天然水面模式的水力現(xiàn)象、生成條件及示蹤性能

3 人工示蹤粒子

天然示蹤物的出現(xiàn)通常是隨機(jī)且不穩(wěn)定的,特別是在低流速條件下,要么缺乏上述天然漂浮物或水面模式,要么跟隨性和可見性難以保證,此時(shí)可以采用布撒人工粒子的方式進(jìn)行補(bǔ)充以獲得較為理想的水流示蹤效果。

3.1 示蹤粒子選擇

河流水面成像測(cè)速中的人工示蹤粒子除了和傳統(tǒng)PIV中的示蹤粒子一樣應(yīng)滿足跟隨性、可見性以及布撒均勻性和濃度的要求之外,還應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn):①環(huán)保性。作為飲用水源地的重要組成部分,許多河渠對(duì)水質(zhì)有很高要求,嚴(yán)禁向水體投放會(huì)對(duì)水源造成污染的腐蝕性及有毒性物質(zhì)或像泡沫塑料等難于降解的白色垃圾。②低成本。傳統(tǒng)PIV的示蹤粒子普遍存在價(jià)格昂貴的問(wèn)題,根據(jù)丹麥DANTEC公司的報(bào)價(jià),即使最便宜的空心玻璃球每100 g的售價(jià)也在300元左右;而相比實(shí)驗(yàn)室水槽和河工模型,向天然河流中投放的人工示蹤粒子幾乎不可能回收進(jìn)行循環(huán)利用,因此示蹤粒子必須廉價(jià)易得。

一種用作填充緩沖材料的生物基發(fā)泡粒已被證明可用于河工模型及天然河流下的水面成像測(cè)速[29]。生物基發(fā)泡粒由99%的玉米淀粉制成,是一種生物可降解的天然高分子環(huán)保材料,廢棄后在自然環(huán)境中可自行降解,亦可作安全焚燒處理;由于淀粉的水溶性,這種發(fā)泡粒投放于水中1 min左右就開始逐漸溶解,如圖17所示,因此不會(huì)對(duì)水體和生態(tài)環(huán)境造成污染;吸水后其密度與水流的密度相近,能夠滿足跟隨性的要求,而部分浸沒(méi)于水中亦可減輕風(fēng)力干擾引起的復(fù)雜度;其形狀近似為直徑15 mm、長(zhǎng)度50 mm的圓柱形,白色的粒子能與深色水體形成較強(qiáng)的亮度對(duì)比,從而滿足成像可見性要求;淀粉作為一種可再生資源,其來(lái)源豐富、價(jià)格低廉,加之加工技術(shù)成熟、產(chǎn)品化程度高,生物基發(fā)泡粒每100 g的單價(jià)僅在2元左右,目前在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的物流運(yùn)輸中得到了廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)也逐漸開始普及。鑒于上述優(yōu)點(diǎn),生物基發(fā)泡粒是一種可用于河流水面成像測(cè)速的理想人工示蹤粒子。

圖17 生物基發(fā)泡粒的水溶過(guò)程

圖18 人工示蹤粒子的布撒方法

3.2 示蹤粒子布撒

現(xiàn)場(chǎng)條件下示蹤粒子的布撒和實(shí)驗(yàn)室條件下大不相同,除了斷面較窄(一般在20 m以下)的渠道和溪流,一般很難保證大范圍流動(dòng)區(qū)域內(nèi)粒子布撒的均勻性,對(duì)此研究人員進(jìn)行了各種嘗試,如圖18所示,布撒方法包括:①測(cè)船布撒[30]。在動(dòng)船法測(cè)流時(shí)通過(guò)測(cè)船向拍攝區(qū)域人工投放示蹤粒子。該方法需要人工涉水操作,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,主要用于淺水濕地的測(cè)流。②過(guò)河懸索布撒[31]。在待測(cè)斷面上游的兩岸間連接一根與峽谷穿越法類似的過(guò)河懸索,將內(nèi)部裝填示蹤粒子的滑動(dòng)容器固定在懸索上,由兩岸的操作人員拉拽繩索控制容器的往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而通過(guò)底部的漏斗將粒子布撒于橫跨河流斷面的水面,條帶狀分布的粒子順流而下通過(guò)待測(cè)斷面。該方法需要預(yù)先布設(shè)懸索,操作過(guò)程至少需要兩人配合,適用于無(wú)法進(jìn)行涉水測(cè)量的高洪期測(cè)流。③紙屑噴射機(jī)布撒[30]。在河岸架設(shè)一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)并通過(guò)物料斗向其提供碎紙屑形成一套紙屑噴射機(jī)。機(jī)器僅需單人操作,噴射距離遠(yuǎn)且方向可控,使得粒子分布較為均勻,同樣適用于發(fā)泡粒等輕質(zhì)材料。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,在河流水面成像測(cè)速可利用的水流示蹤物中,天然漂浮物可以直接采用目視的方式觀察和定位,有利于測(cè)量結(jié)果的校驗(yàn),因此具有較高的可信度;大多數(shù)天然水面模式產(chǎn)生的本質(zhì)原因是明渠紊流,當(dāng)流速大于一定閾值并且河床滿足一定條件時(shí)就會(huì)發(fā)生,因此特別適合于高洪期測(cè)流;人工示蹤粒子具有穩(wěn)定的示蹤性能,適合在淺水低流速條件下作為天然示蹤物的補(bǔ)充,但現(xiàn)有布撒方式普遍存在自動(dòng)化程度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題,難以長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。目前河流水面成像測(cè)速的示蹤方式正從布撒人工粒子向有效利用天然漂浮物和水面模式轉(zhuǎn)變,可以說(shuō)天然示蹤是LSPIV在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用推廣的必然趨勢(shì)。

實(shí)際測(cè)流中通常會(huì)同時(shí)包含多種天然漂浮物和水面模式,使得示蹤物的濃度更高、分布更均勻,而水面表觀也更加復(fù)雜。這些天然模式可能存在自身的振蕩、擴(kuò)散及形變運(yùn)動(dòng),加之模式出現(xiàn)的短時(shí)性和隨機(jī)性,使得人眼難以穩(wěn)定、連續(xù)地捕獲,必須依賴魯棒的圖像分析技術(shù)才能達(dá)到測(cè)速目的。此外,由于擬序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和河道水流條件的多樣性,當(dāng)前對(duì)明渠紊流的認(rèn)識(shí)尚不成熟,研究上述流態(tài)下的明渠流速分布規(guī)律,準(zhǔn)確建立水面模式和底層水流間的流速關(guān)系也是提高河流水面成像測(cè)速精度的關(guān)鍵。未來(lái)的研究工作將在受控條件下開展示蹤物的示蹤性能分析和精度評(píng)定,并通過(guò)分析水面光學(xué)成像中目標(biāo)、背景和噪聲的光譜特性及偏振特性,建立一套完善的河流水面成像測(cè)速工作模式,避免LSPIV在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的復(fù)雜性,

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