河流水面成像測速中的水流示蹤物綜述

張 振, 徐立中, 王慧斌

(河海大學計算機與信息學院,江蘇 南京 211100)

大尺度粒子圖像測速(large-scale particle image velocimetry, LSPIV)是一種基于圖像的河流水面成像測速技術[1],是實驗室環(huán)境下的粒子圖像測速(particle image velocimetry, PIV)技術[2]在大尺度現(xiàn)場環(huán)境下的擴展，它假設水流示蹤物緊密跟隨待測水面流場中的局部流體,采用統(tǒng)計識別的方法匹配無畸變連續(xù)圖像中包含示蹤物的分析區(qū)域,估計區(qū)域的平均運動矢量,進而實現(xiàn)水面流場的定量表示及可視化[3],如圖1所示。由于該技術融合了數(shù)字圖像處理、模式識別及攝影測量等多學科領域的成果，相比現(xiàn)有的視頻浮標跟蹤法[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;其瞬時全場流速測量能力不僅可用于常規(guī)條件下天然河流紊動特性及時均特性的研究[5]，其非接觸特性更使之具有極端條件下流速、流量監(jiān)測的應用潛力[6]。

圖1 LSPIV原理示意圖

從原理上看,河流水面成像測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)定的測量必須建立在對水流示蹤物的生成機理和物化特性具有深刻理解的基礎上。然而,河流水面成像測速中可利用的水流示蹤物顯著區(qū)別于面向體流動測量[7]以及面向河工模型水面流動測量[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。盡管近年來部分LSPIV的現(xiàn)場試驗已通過流量比測等手段間接驗證了天然示蹤的可行性,但研究大多針對具體測驗河段介紹河流水面的表觀現(xiàn)象,關于明渠紊流形成水面模式的機理尚不明朗,針對復雜流態(tài)下垂線流速分布的研究尚不深入。本文系統(tǒng)地總結河流水面成像測速中水流示蹤物的類型、生成機理和物化特性,進而評述其示蹤性能及應用條件,以便指導測驗河段及時段的選取。

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;流經農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;而流經城市的河流中經常出現(xiàn)木板、塑料瓶、泡沫塑料制品等生活垃圾以及油污、有機廢水形成的表面活性物質。

河流凌汛期的漂浮物以流冰為主,包括漂浮在水面流動的水內冰、棉冰、冰珠、冰屑及薄冰等。我國的凌汛多發(fā)于北方河流,特別是黃河上游從寧夏到內蒙的河套段和下游山東入海段。凌汛期的流凌過程可分為春季淌凌和秋季淌凌兩種:①秋季淌凌發(fā)生于河流的結冰過程。當氣溫下降至0°C以下時,水面蒸發(fā)的水分子在空氣中形成凝結核后落回水面,由于河流的紊動作用,在水面和水下的過冷卻水處產生冰晶體并結成多孔而不透明的海綿狀冰團,稱為水內冰；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,如果上游來水溫度較高,會加速冰蓋下部融化,由于水流或大風作用,產生冰層滑動,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致流速儀法等傳統(tǒng)接觸式方法無法施測或出現(xiàn)較大誤差,但對浮標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,可用于浮標法高洪流量測驗[9]和冰流量測驗[10]。Bradley等[11]以水面樹葉作為示蹤物采用LSPIV技術測量了淺水(<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,并以此作為水力學模型的輸入，通過運動學原理求出三維流場用于流量估計,和流速儀比測的標準差為6.4%。Jasek等[12]以水面流冰為示蹤物測量了加拿大Yukon河凌汛期的冰流量,其結果和基于一維冰塞剖面模型的數(shù)值模擬結果相吻合。然而需要注意的是,和標準人工浮標相比,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。對此,張振等[13]認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噪聲,增強目標和水體背景間的亮度對比,如圖3所示。

圖2 天然漂浮物的流場示蹤結果

圖3 近紅外成像的水面目標增強

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動的基本邊界形式之一,受明渠水力條件和刮風、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,當河底的局部高速水流在其紊動流動過程中遇到障礙物阻擋或受底流受阻后的折沖水流反擊時,水流就會急速上涌,沖破水面時陣發(fā)性地出現(xiàn)泡水。泡水中心的壓力與強度均大于四周,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。當兩股水流以不同流向匯流形成的分界面發(fā)生波動時,壓力分布發(fā)生變化形成旋轉力偶,使其附近的部分水體轉動,隨著旋轉速度的逐漸增加,中心水面逐漸低凹呈現(xiàn)出漏斗狀。泡漩產生初期的作用范圍較小,在跟隨底層水流向下游移動的過程中其形態(tài)逐漸增大、強度逐漸減弱直至消散。在此過程中,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 泡漩模式的形成過程

圖5 泡漩模式的流場示蹤結果

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,特別是具有復雜多變的石質河床邊界的山區(qū)河段,圖5為岷江都江堰河段的泡漩模式流場示蹤結果。高速水流的急劇轉向和相應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才會出現(xiàn)泡漩;流速越高、河床地形變化越急劇,形成泡漩的強度也越大[14]。Fujita等[15]以高速水流與河床相互作用產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)象產生。水躍是明渠水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時發(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入水中,而旋轉的水流質點在上下部交界面處,又不斷被水流主體帶走,同時從水流主體末端再得到水質點的補充,促使旋轉繼續(xù)進行;下部為主流,是一個水深不斷增加的擴散體,在擴散體的某一位置,水質點可穿越臨界水深進入上部。在發(fā)生水躍的突變過程中,水流內部產生強烈的摩擦混摻作用并消耗大量的機械能,因而流速急劇下降,水流很快轉化為緩流狀態(tài)。

圖6 漩滾模式的形成過程

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比,起到水流示蹤的作用。

圖7 漩滾模式的流場示蹤結果

2.3 泡沫模式

泡沫模式主要由水流的水跌現(xiàn)象產生。水跌是明渠水流流經跌坎處時,由緩流狀態(tài)過渡到急流狀態(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-水界面產生水面破碎從而把空氣卷吸帶入水中,該過程被稱為強迫摻氣;水中氣泡在 “助泡劑”的促進作用下,在水面形成大量跟隨水流運動的白色泡沫。

圖8 泡沫模式的形成過程

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的作用,立刻就會潰滅;但在特定條件時,可以增強氣泡的穩(wěn)定性,延長潰滅時間。圖9為南京市外秦淮河三汊河口閘河段的泡沫模式流場示蹤結果,由于流經城區(qū)并匯入長江,水體中含有較高濃度的懸浮物及表面活性物質,為泡沫的形成和維持創(chuàng)造了條件。Creutin等[18]以測流斷面上游產生的天然泡沫作為天然示蹤物,通過對比LSPIV的測量值和USGS提供的流量和平均流速的歷史數(shù)據(jù)驗證了泡沫模式的有效性。

圖9 泡沫模式的流場示蹤結果

2.4 懸移質云團模式

懸移質云團是指在紊流作用下遠離床面并以懸浮方式進行搬運的一群具有相似運動特性的碎屑物,通常包括泥沙顆粒及膠質物等。圖10為含沙量不同的兩條河流交匯形成的懸移質云團模式,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大于清潔水體,對于混合作用良好的河流,可以通過主動近紅外成像的方式增強水中跟隨水流運動的微小顆粒,如圖11所示。

圖10 河流交匯處的懸移質云團模式

圖11 懸移質云團模式的流場示蹤結果

懸移質云團的產生和水流的猝發(fā)現(xiàn)象存在著密切聯(lián)系,主要表現(xiàn)在:①當流速增大到一定程度時猝發(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)象也相應地增強,表現(xiàn)為群噴現(xiàn)象的增多、無量綱猝發(fā)周期的延長,以及噴射和清掃尺度的增大[19];②河床上泥沙顆粒的起動與雷諾應力的峰值相對應,取決于形成清掃沖擊的決定性水流[20];③猝發(fā)紊動是維持泥沙懸浮運動的主要能量來源[21];④水面近區(qū)懸移質的垂向瞬時速度出現(xiàn)較大幅度的脈動,并在時間上表現(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構物對水體自由表面的擾動產生。當靜止水面受擾后,水質點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,在水面附近的一個薄層內形成厚度遠小于波長的機械波,稱為表面波[23]。

2.5.1 風生表面波

當微風作用于水面時,水面上的輕微凹凸將引起風壓分布的不一致,使得局部水面受壓產生波動形成毛細波,如圖12和圖13所示。風生毛細波的波長較短,一般從幾毫米到幾厘米;波高較小,波脊圓滑,波谷尖銳;當波速遠小于流速時其影響可以忽略,故而能夠作為有效的水流示蹤物。隨著風速的加大,風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波的迎風坡上,促使波長和波高增大變成重力波。風生重力波的波長從幾厘米到幾分米;外形不對稱,迎風面緩、背風面陡,波脊較長[24]。大尺度的風生重力波受水平剪切氣流的影響較大,因此當風力的影響不可忽略而又無法獲得確切的水面風速、風向信息時,風生重力波就變成了一種干擾模式。

圖12 風生表面波模式

圖13 風生表面波模式的流場示蹤結果

2.5.2 雨生表面波

當單滴雨滴在重力作用下自由落體并撞擊水面時,在水面形成以落點為圓心向外擴散的輻射狀同心圓表面波。雨生表面波的波長和振幅均在毫米至厘米量級,取決于雨滴的大小和入水速度,屬于毛細波或毛細重力波[25];波面曲率很大,能夠反射大部分陽光輻射,加之雨滴作用于水體的垂向和切向應力產生的氣泡及飛沫,在短時內形成區(qū)域獨有的紋理特征。在圖14所示的自然條件下,由于風場和重力的作用,雨滴會對運動水流的自由表面產生水平和垂直方向上的動量和質量輸入,產生形變的橢圓狀表面波。隨著降雨強度的穩(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動特征規(guī)則的水面模式。

圖14 雨生表面波模式的流場示蹤結果

2.5.3 尾跡表面波

當大橋橋墩、立管等結構物穿透水體的自由表面時,由于物體表面的黏性效應,形成的繞流將產生明顯的波動現(xiàn)象,進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,在圓柱前駐點的流體質點速度減小至零,動能轉化為勢能,在正壓力的作用下,前駐點的自由表面逐漸升高;而在圓柱背壓區(qū),流場的壓力到達最大負壓,圓柱背部的自由液面明顯下降,達到一定深度,形成漏斗狀。Graf等[26]在模型試驗中觀測到,在下游距離橋墩10倍水深的區(qū)域,水流將恢復到正常的對數(shù)流速分布?；谠摐蕜t,Bechle等[27]在橋墩下游大約500 m處設點(水深5 m),利用上游持續(xù)產生的尾跡表面波測量了完整漲潮、落潮過程的水面流場和河口流量,如圖16所示。和浮標法相比,水面流速測量的平均偏差為0.021 m/s,標準差為0.07 m/s,而LSPIV和ADCP的偏差為0.005 m/s,驗證了尾跡表面波作為有效示蹤物的假設。

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形狀的傳播,水質點本身并不向前移動,而是在平衡位置的周圍做圓周運動。在研究表面波模式作為天然水面示蹤物時,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動,水體內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測速原理相似。此外,從圖16可以看出,遠場的表面波模式比近場的更為明顯,說明選擇合適的拍攝傾角和照明條件可以增強水面的鏡面反射,而小角度拍攝反而有利于提高表面波模式的可見性,這與水體介質的折射率和二向性反射密切相關[28]。

圖16 尾跡表面波模式的流場示蹤結果

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,此時可以采用布撒人工粒子的方式進行補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,還應當具備以下特點:①環(huán)保性。作為飲用水源地的重要組成部分,許多河渠對水質有很高要求,嚴禁向水體投放會對水源造成污染的腐蝕性及有毒性物質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格昂貴的問題,根據(jù)丹麥DANTEC公司的報價,即使最便宜的空心玻璃球每100 g的售價也在300元左右;而相比實驗室水槽和河工模型,向天然河流中投放的人工示蹤粒子幾乎不可能回收進行循環(huán)利用,因此示蹤粒子必須廉價易得。

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,因此不會對水體和生態(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,而部分浸沒于水中亦可減輕風力干擾引起的復雜度;其形狀近似為直徑15 mm、長度50 mm的圓柱形,白色的粒子能與深色水體形成較強的亮度對比,從而滿足成像可見性要求;淀粉作為一種可再生資源,其來源豐富、價格低廉,加之加工技術成熟、產品化程度高,生物基發(fā)泡粒每100 g的單價僅在2元左右,目前在歐美發(fā)達國家的物流運輸中得到了廣泛應用,國內也逐漸開始普及。鑒于上述優(yōu)點,生物基發(fā)泡粒是一種可用于河流水面成像測速的理想人工示蹤粒子。

圖17 生物基發(fā)泡粒的水溶過程

圖18 人工示蹤粒子的布撒方法

3.2 示蹤粒子布撒

現(xiàn)場條件下示蹤粒子的布撒和實驗室條件下大不相同,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區(qū)域內粒子布撒的均勻性,對此研究人員進行了各種嘗試,如圖18所示,布撒方法包括:①測船布撒[30]。在動船法測流時通過測船向拍攝區(qū)域人工投放示蹤粒子。該方法需要人工涉水操作,費時費力,主要用于淺水濕地的測流。②過河懸索布撒[31]。在待測斷面上游的兩岸間連接一根與峽谷穿越法類似的過河懸索,將內部裝填示蹤粒子的滑動容器固定在懸索上,由兩岸的操作人員拉拽繩索控制容器的往復運動,進而通過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待測斷面。該方法需要預先布設懸索,操作過程至少需要兩人配合,適用于無法進行涉水測量的高洪期測流。③紙屑噴射機布撒[30]。在河岸架設一臺鼓風機并通過物料斗向其提供碎紙屑形成一套紙屑噴射機。機器僅需單人操作,噴射距離遠且方向可控,使得粒子分布較為均勻,同樣適用于發(fā)泡粒等輕質材料。

4 結 語

綜上所述,在河流水面成像測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,有利于測量結果的校驗,因此具有較高的可信度;大多數(shù)天然水面模式產生的本質原因是明渠紊流,當流速大于一定閾值并且河床滿足一定條件時就會發(fā)生,因此特別適合于高洪期測流;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充,但現(xiàn)有布撒方式普遍存在自動化程度低、費時費力的問題,難以長期連續(xù)監(jiān)測。目前河流水面成像測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變,可以說天然示蹤是LSPIV在現(xiàn)場環(huán)境下應用推廣的必然趨勢。

實際測流中通常會同時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雜。這些天然模式可能存在自身的振蕩、擴散及形變運動,加之模式出現(xiàn)的短時性和隨機性,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才能達到測速目的。此外,由于擬序結構的復雜性和河道水流條件的多樣性,當前對明渠紊流的認識尚不成熟,研究上述流態(tài)下的明渠流速分布規(guī)律,準確建立水面模式和底層水流間的流速關系也是提高河流水面成像測速精度的關鍵。未來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定,并通過分析水面光學成像中目標、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速工作模式,避免LSPIV在現(xiàn)場應用的復雜性,

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