基于边缘检测算法的坡面薄层水流深度测量系统研制

为了准确高效地测定坡面薄层水流断面位置上的水深，该研究利用"一"字线激光器、高分辨率工业摄像机获取激光线边缘像素点坐标数据，基于Python语言与OpenCV计算机视觉库进行边缘检测算法编程，通过分析、计算薄层水流表面激光线偏移量与水深间的函数关系，构建坡面薄层水流深度测量系统，并利用人工测量方法（测针法与染色法）对该系统测定结果的精确性与稳定性进行验证。结果表明，坡面薄层水流深度测量系统对标准水深进行标定的变异系数均值为6.64%，具有较高的稳定性；在光滑床面上的测定结果与人工测量方法相比，相对均方差误差、平均相对误差与平均绝对误差均不超过0.2，水深测量系统与测针法、染色法对比所得纳什效率系数分别达到了0.922与0.972，说明水深测量系统与人工测量方法具有较好的一致性与相关性，能够满足定床测量坡面薄层水流深度的需求，在坡面水动力学研究中具有较好的应用前景。     

径流小区集流桶含沙量测量方法研究

径流小区是研究坡面土壤侵蚀的重要观测手段,含沙量的测定是准确计算土壤流失量的关键。用传统方法很难测到粗颗粒,使测到的含沙量明显偏小。试验在密云石匣示范区坡面径流试验小区下面的分流桶内进行,用人工在径流桶内加沙的方法制备约4,12,30,60,90,120kg/m3不同含沙量。然后分别用传统测量方法和改进的分层测量方法进行了粗沙区的含沙量观测,并将观测结果与实际含沙量进行了对比。研究结果表明,传统测量方法所测得的含沙量远小于实际含沙量,平均相对误差为-83.05%;而分层测量所测得的含沙量基本上接近于实际值,平均相对误差为-2.77%。     

坡面流超声波水深测量系统研究

坡面流水深是常用的水动力学参数,是计算坡面流流速、水流剪切力、水流功率的基础,因而对其准确测量至关重要。室内侵蚀静床实验中水深直接测量法耗时长、误差大,而间接测量法一般是通过染色法测定流速进而反推出坡面流水深,测量精度受水流流态、测流区长度和含沙量等因素影响。鉴此,对超声波距离传感器应用于侵蚀静床坡面流水深测量进行系统研究,通过参数调试和测量系统检验,表明超声波水深测量系统测量不同厚度玻璃的平均相对误差为1.73%,对不同坡度、不同流量组合下坡面流测距的变异系数在0.061%～0.096%之间,其精度能够满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的研究需求,可用于侵蚀静床条件下坡面流水动力学特性、坡面流挟沙力、输沙及模拟覆盖对坡面流水动力学特性潜在影响的研究。     

称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统

坡面径流小区流量观测是坡地水土流失状况研究的重要内容。该文提出了一种新型的含沙水流流量自动观测方法和测量系统。通过受力分析和水力推导,得到了无含沙水流流量测定计算模型和含沙水流流量校正公式。模型验证和参数标定的试验结果表明：无含沙水流的拉力输出值和流量之间的关系与推导得到的水力学模型非常吻合,决定系数可以达到0.99。含沙水流流量通过校正可以得到精度很高的观测结果,与人工观测平均相对误差仅为0.4％。因此,该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度,有一定的应用前景。     

3种坡面流水深测量方法比较

[目的]为坡面流水深的快速、准确测量提供技术支撑。[方法]采用超声波系统测量变坡试验水槽不同坡度和流量条件下坡面流水深,同时用测针法和染色法对其进行平行测量,利用平均绝对误差(MAE),平均相对误差(MRE),相对均方差误差(RRMSE)和Nash—Sultcliffe系数(NSE)4个指标比较超声波法和染色法或测针法测量数据的接近程度。[结果]通过对3种方法测量结果的比较分析发现,不管以测针法还是以染色法的测量值为参照,超声波法测量的水深值与参照值更接近且相关程度更高。[结论]超声波法能快速有效地测量坡面流水深,用于侵蚀静床坡面流水动力学、土壤侵蚀机理等相关的研究工作。     

基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义.该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统.试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究.结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法.     

实验地貌的动态观测装置

实验地貌的动态观测对于研究沟坡的侵蚀过程和发生机制具有重要意义.在介绍实验地貌动态观测装置——MX - 2010 -G型地貌仪的基础上,采用传统钢尺+水准仪观测方法以及地貌仪测量方法,测量同一坡体的体积,以率定地貌仪的观测精度.结果表明:对于5组不同坡度、体积约为2.4万cm3的沟坡模型,地貌仪测量的体积相对误差可以控制在±10％以内,其中绝对值最大相对误差为9.0％,绝对值最小误差为-0.4％;对于120 cm×140 cm范围内的坡面,10个检查点空间坐标在x、y、z 3个方向上的均方误差平均值分别为0.99、0.84和0.42 cm;在6个断面测点系列高程值线性回归分析中,回归系数6与相关系数R2值均接近于1.结果表明,该地貌仪能够对沟坡微地貌的变化过程进行精确的观测.     

激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的适用性

为研究激光扫描和摄影测量技术在监测坡面侵蚀演变过程中的精度及适用性,该研究利用近景摄影测量技术和三维激光扫描技术对长历时条件下坡面侵蚀演变过程进行监测,获取不同时段的坡面微地形数据,基于坡面高精度数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）对坡面侵蚀演变过程进行分析,探究2种非接触式测量方法在坡面侵蚀监测中的适用性和精确度。结果表明：1）按主导侵蚀方式的不同,坡面侵蚀过程可分为片蚀阶段、细沟发育阶段和细沟成熟阶段;2）2种非接触式测量方法均能够精确的对坡面侵蚀产沙过程进行监测,最大相对误差为-16.82 %,2种方法在坡面侵蚀量测量方面有很好的适用性。3）近景摄影测量技术在坡面侵蚀产沙监测、细沟深度测量和坡面微地形模拟方面要优于三维激光扫描技术。该研究可土壤坡面侵蚀监测方法的选择提供参考。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法（染料示踪法、盐示踪法）比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在?10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在?10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统构建与试验

为减小染色法测量坡面水流流速的误差,提高染色法测量准确度,根据染色示踪剂在水中扩散引起颜色发生变化的特性,结合漫反射型模拟量光电颜色传感器和数据采集卡采集信号,通过小波变换对信号进行去噪,研发一种基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统。以流量法为参照,确定该系统传感器最优数据采集距离为0.6～0.8 m;传感器数据采集距离为0.7 m时,该系统测量数据最小相对误差仅为0.48%,变异系数15%。相比染色法,该系统与流量法拟合的决定系数在0.90以上,大于染色法的决定系数0.75。表明薄层水流流速测量系统优于染色法,可以用坡面薄层水流试验研究中。     

基于声振响应法的香梨硬度无损检测

为了探索香梨硬度无损检测的方法,该研究搭建了由压电梁式传感器进行信号激励和感测的检测装置,分析了装置信号检测的稳定性,提取了香梨共振频率和声速并进行香梨硬度评估,然后将这两响应参数的评估硬度与香梨硬度的M-T穿刺法(Magness-Taylor)测量结果进行线性回归分析,以构建香梨硬度的检测模型。结果表明,检测装置的共振频率和声速信号检测稳定可靠,并且在香梨赤道部不同位置激励感测均无显著差异(P0.05);基于共振频率法和声速法的硬度评估指标可以构建3种香梨硬度检测模型,相关系数分别为0.841、0.877和0.938,其中由共振频率检测硬度和声速检测硬度联合构建的检测模型硬度检测敏感度为67.30%,最接近M-T穿刺法检测敏感度,该模型对香梨正常果和粗皮果的检测准确率较高,达到86.7%。研究结果可为声振法无损检测香梨硬度提供参考。     

基于能坡划分原理的大比降山区河流阻力特性

在山区河流水沙灾害河道修复中,河道阻力系数是一个非常重要的参数。普通天然河道的达西阻力系数是水深h与泥沙粒径d比值的函数,而在山区大比降粗糙河道中,其值随着坡降的改变而变化。为探究大比降河道达西阻力变化规律,该研究通过变坡水槽试验设置3种坡度（10°、25°、35°）更大的河道,试验时床面铺设中值粒径为0.5、1和1.85 mm的3种天然沙,流量设定为0.5～2.5 L/s,淹没度范围h/d为0.84～7.27,采取试验数据和经典文献数据共计48组,涵盖河道坡度范围0.97°～35°（对应比降S范围为17‰～573.6‰）,进而建立能够反映滚波影响的适用于山区大比降河流的达西阻力表达式。结果表明：1）大比降河道水流表面会产生滚波,使得达西阻力系数增大;2）大比降河流的能坡可划分为两部分：正常河道无滚波时的能坡以及河道水面滚波产生的额外能坡,前者及其对应的达西阻力系数可以利用传统的对数公式进行求取,后者可以利用总能坡与无滚波时的能坡相减得到;3）将建立的比降达西阻力公式计算结果与实测数据比较,可以发现绝大部分数据落在±20%误差线中,说明该研究提出的公式的计算精度较高。研究建立的大比降河流阻力计算模型可以揭示大比降河道水流能量消耗机理,为后续研究大比降河流问题提供理论基础。     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

基于热传递过程的薄层水流流速测量方法及装置

基于薄层水流中的热传递过程，提出测量水流流速的示踪方法，并设计对应的测量系统。在室内试验坡面上，设计不同试验工况(坡度为5°,10°,20°,流量为2,5,8 L/min),以盐示踪法为对照，研究热示踪测量薄层水流流速的可行性及其影响因素。结果表明，测量系统能准确地测得热示踪剂的运移过程；热与盐2种示踪剂测得流速范围为0.408～1.522 m/s,线性拟合斜率为1.006,R²为0.993,表明两者具有显著的线性关系，热示踪法具有较高的可靠性；由于物理属性差异，部分水力工况下示踪剂的释放方式对盐和热的测量结果影响显著，表明此时2种示踪剂测量流速的代表性不同；可采用盐与热联合示踪的方法，取二者测量结果的均值作为薄层水流的平均流速，以提高测量结果的代表性。研究结果可为复杂下垫面、盐渍化和禁用化学成分等特殊坡面上薄层水流流速的准确测量提供新方法和理论参考。薄层水流流速的准确测量对地表水文和土壤侵蚀领域的研究具有重要意义。     

基于机器视觉的河水表面流速估计

为了解决河水流速的视频测量需要投掷浮标、效率低等问题,提出了基于机器视觉的河水表面流速测量方法。采用高清摄像机拍摄河水流动视频,捕捉河水流动时表面产生的波浪运动。为了凸显这些细微的水面运动,利用帧差法计算运动显著性图。提取相邻2帧显著性图的SURF特征点,通过特征点匹配法找出相邻2帧的匹配点,将匹配点间的距离作为特征点在2帧图像间的运动距离。计算了多帧图像间特征点运动距离的直方图,该直方图具有单峰特征;通过对直方图进行曲线拟合准确地找到峰值对应的距离,将其作为最优的运动距离。最后结合帧间时间和根据小孔成像原理导出的速度公式估计出河水表面流速。为了验证该方法的有效性,用流速仪和该方法进行了对比试验。结果表明,该方法具有精度好、稳定性高和运算速度快的优点。在低、中速河流速度估计时,该方法最大变异系数为1.63%,与流速仪测量结果的最大相对误差仅为3.12%。对2组数据的一致性分析表明,2组数据的皮尔逊相关系数和斯皮尔曼相关系数分别为0.998和0.990,显示了该方法的速度估计值与流速仪实测值有良好的一致性。与已有的图像处理方法相比,不仅更为准确,而且耗时更短。研究可为用其他机器视觉处理算法估计复杂水面和高速水流提供参考。     

沟灌三角形长喉道田间量水槽水力特性试验及数值模拟

针对目前北方灌区田间沟灌缺乏有效量水设施的现状,提出了一种针对田间小流量情况的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,为进一步研究其水力特性,在沟灌简易长喉道量水槽原型试验的基础上,采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对该量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,对水流流态、水深、傅汝德数、纵向时均流速、紊动强度进行了分析。结果表明:试验水深值与模拟值的最大相对误差小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高;通过临界流理论推导与回归分析得到沟灌简易长喉道量水槽测流公式,其计算结果与实际流量的最大相对误差为4.34%;量水槽收缩段及喉道段纵向时均流速沿程不断增大,流速最大值的位置存在于水面以下,越靠近收缩段、喉道段出口,最大纵向流速位置越低,断面流速分布越不均匀;紊动强度总体呈现沿程增加的趋势,各断面的紊动强度最大值相对位置在0.13到0.30倍水深之间,沿程逐渐上升。