基于双孔径气泡图像的河流流量实时在线测量装置及方法与流程

1.本发明属于河流流量监测技术领域，具体涉及基于双孔径气泡图像的河流流量实时在线测量装置及方法。


背景技术：

2.天然河流的流量测量对于水利工程建设、防洪减灾、水环境保护、河流管理等至关重要。目前测量天然河流流量的方法主要有接触式和非接触式两种方式。接触式测量方法主要以转子式流速仪的使用最为普遍，目前仍是国内外测流的常用仪器，也常作为其它流速测量仪器的比测基准。但转子流速仪长期的机械转动，容易损坏，需要定期的去校准，费用也比较高，对环境的要求比较高，如果一旦有杂物缠绕的话，那么设备就无法使用，另外使用过程也相对复杂。非接触式在线测量方法主要包括雷达流速仪、图像测流法等。雷达流速仪和表面流场图像测流法只能测量表面流速，无法直接测得流量，需要用转子流速仪来标定表面流速与垂线平均流速的换算关系，才能结合断面形状计算出流量。
3.目前国内外有学者研究了上升气泡法测流。在河流底部放置一根直线钢管，在钢管上均匀开孔，通过岸边的空气压缩机向钢管中输送空气，气泡从河床底部钢管的开孔处上升到河面，形成气泡轮廓。通过在河岸架设摄像机拍摄气泡轮廓图像，测量出气泡轮廓面积，然后与气泡上升速度相乘便可计算出流量。该方法是非接触式测量方法，并且可直接测得天然河流流量，无需用转子流速仪来标定表面流速与垂线平均流速的换算关系。
4.然而为了方便确定上升气泡轮廓面积，现有技术通常采用直线钢管，因为直线钢管只要知道起点和终点，其在水下各点的位置就是确定的，而如果采用软管，由于其在河床底部的位置受水流影响，通常是随机弯曲的，就无法确定气泡的水下出口位置，从而无法确定出上升气泡轮廓面积，无法测出流量，但现有技术通常只能用于河底较为平整的河流进行测流，而天然河流大都是具有复杂断面的河流，而且对于较宽的河流，通常需要对钢管进行拼接，现场施工难度大，因此现有技术适用范围较小。


技术实现要素：

5.发明目的：为了扩展上升气泡的适用范围，使上升气泡测流技术能适应各种复杂断面、河宽较宽等天然河流情况下的流量测量，发明了一种基于双孔径气泡图像的河流流量实时在线测量装置和方法。
6.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：河流流量实时在线测量装置，包括若干测量单元，所述测量单元包括固定捆绑的第一管体和第二管体，所述第一管体设有第一出气孔，所述第二管体设有第二出气孔，第一管体和第二管体作为通气管与无油气泵相连，所述第一管体和第二管体下沉到河底并与河床贴合，所述第一出气孔孔径大于第二出气孔孔径。
7.其中，所述第一出气孔为一个或多个，所述第二出气孔与第一出气孔设置的个数和水平位置相同，所述第一管体和第二管体上增加配重块使得第一管体和第二管体下沉到
河底并与河床贴合。
8.本发明中将两根钢丝软管固定捆绑以确保气泡都是从同一条曲线上产生，将两根钢丝软管作为通气管与无油气泵或空气压缩机相连，并在钢丝软管上增加配重块，使软管可以下沉到河底并与河床较好的贴合，适应复杂断面形状，由于钢丝软管是由钢丝支撑塑料软管，能保证软管不会由于水压而变形，保障通气质量，而且钢丝软管长度较长，即使河宽很宽也无须像钢管那样需要拼接。
9.其中，所述第一管体和第二管体为钢丝软管制成，所述钢丝软管的内径10mm，外径15mm。内外径大小可根据所需出气量适当调整，以产生明显气泡轮廓为准。
10.其中，所述第一出气孔和第二出气孔的孔径相差1倍以上，以确保产生的气泡上升速度有明显区别，孔径宜在1～3mm，气泡质量相对较好。孔距一般应大于10cm，以防止相邻气泡掺混影响气泡上升速度，但也不宜过大，气泡出气孔太少会影响气泡轮廓线面积从而降低流量测量精度。
11.作为优选，所述第一出气孔孔径大于第二出气孔孔径。第一出气孔产生的气泡在水中的上升速度为v
b
，第二出气孔产生的气泡在水中的上升速度为v
s
，由于在水中气泡越大上升速度越快，则有v
b
＞v
s
。如图2所示，第一出气孔产生的气泡在水面的位置离出气孔越近，而第二出气孔产生的气泡在水面的位置离出气孔越远，h为水深。
12.其中，所述无油气泵，对水体无污染，功率为1500～3000w，容积30～60l，排气量140～280l/min，气泵功率、容积和排气量等参数选取应根据河流宽度、水深适当调整，确保能在水面上形成明显气泡轮廓，气泵出口设置三通两接头分别与两根钢丝管相连。本发明内容还包括基于双孔径气泡图像的河流流量实时在线测量方法，包括以下步骤：
13.1)将所述的河流流量实时在线测量装置下沉到河底并与河床贴合；
14.2)测量第一出气孔产生的气泡在水中的上升速度v
b
，测量第二出气孔产生的气泡在水中的上升速度v
s
，通过摄像机分别拍摄第一出气孔产生的气泡和第二出气孔产生的气泡图像，然后通过摄像机标定将图像坐标转换为实际坐标，从计算出第一出气孔产生的气泡轮廓与第二出气孔产生的气泡轮廓的实际面积之差为da，根据以下河流流量计算公式即可实时监测河流流量q：
15.q＝v
b
*v
s
/(v
b
‑
v
s
)*da。
16.若将河道断面分解为n个流量测量单元，n为大于5的自然数，则每个单元的流量为qi可表示为：
17.q
i
＝u
si
h
i
w
i
＝v
s
l
si
w
i
＝v
s
a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
5)
18.q
i
＝u
bi
h
i
w
i
＝v
b
l
b
iv
i
＝v
b
a
6i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
6)
19.其中，每个单元的第一出气孔产生的气泡和每个单元的第二出气孔产生的气泡上升过程中的水平平均速度分别为u
bi
和u
si
，hi为每个单元的气泡从河床底部到河面的垂直距离，wi为每个单元的宽度，每个单元的第一出气孔产生的气泡和每个单元的第二出气孔产生的气泡从河床底部上升到河面的水平距离分别为l
bi
和l
si
，每个单元的第一出气孔产生的气泡轮廓面积和第二出气孔产生的气泡轮廓面积分别为a
si
和a
bi
。
20.其中，本发明的水平平均速度指的是沿河道方向的平均速度。
21.其中，所述a
si
和a
bi
的计算公式为：
22.q
i
/v
s
＝a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
7)
23.q
i
/v
b
＝a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
8)
24.其中，每个单元的流量为qi可表示为：
25.q
i
＝v
b
*v
s
*da
i
/(v
b
‑
v
s
)(1
‑
11)，其中，所述da
i
＝a
si
‑
a
bi
。
26.其中，若将河道断面分解为n个流量测量单元，n为大于5的自然数，则整个河流的流量q为：
[0027][0028]
即为
[0029]
本发明的公式推导过程如下：
[0030]
如图2所示，v
b
、v
s
分别为第一出气孔产生的气泡(大孔径气泡)和第二出气孔产生的气泡(小径气泡)从河床底部上升到河面的平均速度，u
b
、u
s
分别为大孔径气泡和小孔径气泡上升过程中的水平平均速度。h为气泡从河床底部上升到河面的垂直距离。l
b
、l
s
分别为大孔径气泡和小孔径气泡从河床底部上升到河面的水平距离，则大孔径气泡和小孔径气泡从从河床底部上升到河面的时间t
b
、t
s
可表示为：
[0031][0032][0033]
由(1
‑
1)和(1
‑
2)式可得
[0034]
u
b
h＝v
b
l
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
3)
[0035]
u
s
h＝v
s
l
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
4)
[0036]
若将河道断面分解为n个流量测量单元，n为大于5的自然数，每个单元的宽度为w
i
，则每个单元的流量为q
i
可表示为：
[0037]
q
i
＝u
si
h
i
w
i
＝v
s
l
si
w
i
＝v
s
a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
5)
[0038]
q
i
＝u
bi
h
i
w
i
＝v
b
l
bi
w
i
＝v
b
a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
6)由(1
‑
5)和(1
‑
6)式可得
[0039]
q
i
/v
s
＝a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
7)
[0040]
q
i
/v
b
＝a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
8)由(1
‑
7)和(1
‑
8)式可得
[0041]
q
i
/v
s
‑
q
i
/v
b
＝a
si
‑
a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
9)
[0042]
q
i
(1/v
s
‑
1/v
b
)＝da
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
10)
[0043]
q
i
＝v
b
*v
s
×
da
i
/v
b
‑
v
s
)(1
‑
11)则整个河流的流量q为：
[0044][0045]
[0046]
q＝v
b
*v
s
/(v
b
‑
v
s
)*da(1
‑
14)。
[0047]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
[0048]
(1)相对于传统的转子流速仪等接触式测量方法，该方法无需将测量仪器放置在水流中，安装维护更简单方便。
[0049]
(2)相对于水平式声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler，adcp)、雷达流速仪、表面流场图像测流法等非接触式测量方法，该方法可直接测得流量，不需要用转子流速仪来标定层流速或表面流速与垂线平均流速的换算关系。
[0050]
(3)相对于现有的上升气泡法，该方法采用钢丝软管，更适用于具有复杂断面形状的天然河流，应用范围更广。
附图说明
[0051]
图1本发明的河流流量实时在线测量装置示意图；
[0052]
图2大孔径产生的气泡和小孔径产生的气泡上升示意图；
[0053]
图3大孔径产生的气泡和小孔径产生的气泡轮廓实际面积示意图；横线部分为实际轮廓面积之差da。
具体实施方式
[0054]
下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
[0055]
本发明的一种河流流量实时在线测量装置，包括若干测量单元，测量单元包括固定捆绑的第一管体和第二管体，第一管体均匀分布多个第一出气孔，第二管体均匀分布多个第二出气孔，第一管体和第二管体作为通气管与无油气泵相连，第一管体和第二管体上增加配重块使得第一管体和第二管体下沉到河底并与河床贴合，第一出气孔孔径大于第二出气孔孔径。第二出气孔与第一出气孔设置的个数和水平位置均相同。
[0056]
本发明的基于双孔径气泡图像的河流流量实时在线测量方法，包括以下步骤：
[0057]
1)将所述的河流流量实时在线测量装置下沉到河底并与河床贴合；
[0058]
2)测量第一出气孔产生的气泡在水中的上升速度v
b
，测量第二出气孔产生的气泡在水中的上升速度v
s
，通过摄像机分别拍摄第一出气孔产生的气泡和第二出气孔产生的气泡图像，然后通过摄像机标定将图像坐标转换为实际坐标，计算出第一出气孔产生的气泡轮廓与第二出气孔产生的气泡轮廓的实际面积之差da，根据以下河流流量计算公式即可实时监测河流流量q：
[0059]
q＝v
b
*v
s
/(v
b
‑
v
s
)*da。
[0060]
若将河道断面分解为n个流量测量单元，n为大于5的自然数，则每个单元的流量为qi可表示为：
[0061]
q
i
＝u
si
h
i
w
i
＝v
s
l
si
w
i
＝v
s
a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
5)
[0062]
q
i
＝u
bi
h
i
w
i
＝v
b
l
bi
w
i
＝v
b
a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
6)
[0063]
其中，每个单元的第一出气孔产生的气泡和每个单元的第二出气孔产生的气泡上升过程中的水平平均速度分别为u
bi
和u
si
，hi为每个单元的气泡从河床底部到河面的垂直
距离，w
i
为每个单元的宽度，每个单元的第一出气孔产生的气泡和每个单元的第二出气孔产生的气泡从河床底部上升到河面的水平距离分别为l
bi
和l
si
，每个单元的第一出气孔产生的气泡轮廓面积和第二出气孔产生的气泡轮廓面积分别为a
si
和a
bi
。
[0064]
a
si
和a
bi
的计算公式为：
[0065]
q
i
/v
s
＝a
si
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
7)
[0066]
q
i
/v
b
＝a
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
8)
[0067]
每个单元的流量为q
i
可表示为：
[0068]
q
i
＝v
b
*v
s
*da
i
/(v
b
‑
v
s
)(1
‑
11)，其中，所述da
i
＝a
si
‑
a
bi
。
[0069]
若将河道断面分解为n个流量测量单元，n为大于5的自然数，则整个河流的流量q为：
[0070][0071]
即为
[0072]
实施例1窄浅河道测流
[0073]
(1)河宽4.86m，最大水深约0.15m，选择无油气泵，对水流无污染，功率1500w，容积30l，排气量140l/min，压力峰值0.7mpa。通气管选择钢丝软管，通气效果好，数量两根作为第一管体和第二管体，都是内径10mm，外径15mm，长度10m，第一管体均匀分布多个第一出气孔，第二管体均匀分布多个第二出气孔，第二出气孔的孔径均为1mm，第一出气孔的孔径均为2mm。孔距都是20cm。配重块为1kg/个，均放置在出气孔位置，保证出气孔贴近床面。摄像机采用1200万像素高清网络摄像机，拍摄气泡高分辨率图像，通过图像处理测得da为0.481m2，现场用高1.5m的量筒装入河水，底部与气泡出气孔相连，测量气泡从发生至到达水面所需的时间，然后用量筒水深除以时间，测得v
b
为0.346m/s，v
s
为0.235m/s。根据本发明的计算公式q＝v
b
*v
s
/(v
b
‑
v
s
)*da，计算得到本发明的流量为0.352m3/s。
[0074]
将测量结果与走航式adcp测流结果进行比较，本方法测得流量为0.352m3/s，adcp测得流量为0.369m3/s，相对误差为4.61％。
[0075]
实施例2宽深河道测流
[0076]
河宽约68.56m，最大水深约6m，选择无油气泵，对水流无污染，功率3000w，容积60l，排气量280l/min，压力峰值0.7mpa。通气管选择钢丝软管，通气效果好，数量两根作为第一管体和第二管体，都是内径10mm，外径15mm，长度80m，第一管体均匀分布多个第一出气孔，第二管体均匀分布多个第二出气孔，第二出气孔的孔径均为1mm，第一次出气孔的孔径均为2mm。孔距都是50cm。配重块为1kg/个，均放置在出气孔位置，保证出气孔贴近床面。摄像机采用1200万像素高清网络摄像机，拍摄气泡高分辨率图像。通过图像处理测得da为28.219m2，现场用高1.5m的量筒装入河水，底部与气泡出气孔相连，测量气泡从发生至到达水面所需的时间，然后用量筒水深除以时间，测得v
b
为0.328m/s，v
s
为0.223m/s。根据本发明的计算公式q＝v
b
*v
s
/(v
b
‑
v
s
)*da，计算得到本发明的流量为19.658m3/s。
[0077]
将测量结果与走航式adcp测流结果进行比较，本方法测得流量为19.658m3/s，adcp测得流量为20.662m3/s，相对误差为4.86％。
[0078]
对比例
[0079]
宽深河道测流时，无油气泵，对水流无污染，功率3000w，容积60l，排气量280l/min，压力峰值0.7mpa。窄浅河道测流时的气泵，功率1500w，容积30l，排气量140l/min，压力峰值0.7mpa。现场试验时将窄河道测流时的气泵应用到宽河道测流，则仅能在水深较浅且离泵较近处产生少许气泡，无法在水面形成明显气泡轮廓。