熒 光 劑 探 測 植 被 群 尾 流 區(qū) 長 度

張 斌， 馬旭東

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，成都 610065)

0 引 言

植被群通常是樹木群、灌木群和野草群的初始生長形態(tài)[1]。植被群通常生長在河道的過流區(qū)域，會長期影響其周圍區(qū)域的水流特性、灘槽演變及河床形態(tài)[2-12]。植被群最大的特征是其尾端存在流速及紊動強(qiáng)度均很小的尾流區(qū)，其長度為Lv(見圖1)。由于較小的流速與紊動強(qiáng)度，吸附有機(jī)營養(yǎng)物的懸浮泥沙極易沉積在植被尾流區(qū)，沉積泥沙可以促進(jìn)植被生長和擴(kuò)張[9]。當(dāng)植被孔隙φ>0.04時(=πnd2/4，其中：n為單位面積植被數(shù)量，d為單株植被直徑)，在x=Lv處開始出現(xiàn)卡門渦街[13]。在渦街作用范圍內(nèi)(x>Lv)，流速和紊動強(qiáng)度迅速增大，引起河床沖刷[14]。因此，有必要對植被尾流區(qū)的長度測量技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 植被群尾流區(qū)及卡門渦街概化示意圖

對于植被尾流區(qū)的長度測量，傳統(tǒng)的方法是通過流速測量找尋植被群尾端(x=0)到植被群后側(cè)最小流速出現(xiàn)處的長度[13-14]。這種方法的特點(diǎn)是精度較高，但缺點(diǎn)是測量時間長且測量范圍大。如運(yùn)用Micro-ADV測量一組植被群尾端1/2水深處的流速縱向分布，然后找出尾流區(qū)長度，需要花費(fèi)約3 h。如果需要完成大量的植被群尾流區(qū)長度測量工作，在實驗室內(nèi)需要花費(fèi)大量的人力、物力和財力來完成測量工作。在野外實測中，天然河道來流條件是隨時間變化的，長時間內(nèi)采集的測量數(shù)據(jù)是隨時間變化的函數(shù)，會讓尾流區(qū)長度的判斷變得相當(dāng)不準(zhǔn)確[2]。

本文采用熒光劑指示植被群尾流漩渦發(fā)展過程，熒光劑具有分辨率高、易識別的特點(diǎn)[15]，在視頻中可以清晰地指示漩渦的運(yùn)動軌跡。運(yùn)用Matlab將漩渦視頻轉(zhuǎn)化為數(shù)值分布，提出了一種全新的植被群尾流長度測量技術(shù)。

1 實驗方法

植被群采用剛性竹簽?zāi)M，植被密度a(=nd)在0.06～0.96 cm-1之間變化，單株植被直徑d=0.4 cm。本文研究僅考慮非淹沒植被群,植被群直徑D=10～40 cm,實驗參數(shù)詳見表1。將每組植被群布置在PVC板上，在植被群后側(cè)的PVC板上沿水流方向用白色方塊膠帶布置多排位置標(biāo)記點(diǎn)，各個白色方塊膠帶中心的實際橫向和縱向距離均為10 cm，以便對應(yīng)后續(xù)處理結(jié)果確定尾流區(qū)的真實坐標(biāo)位置。所有工況的水深及上游平均流速均相同，具體來講，水深H=14 cm，上游平均流速u0=9 cm/s。工況1～25中的D/B=0.15～0.4均小于0.5，滿足植被群阻水寬度比(D/B)小于0.5的條件，所以，邊壁對尾流區(qū)及漩渦形成的影響均可忽略。當(dāng)D/B>0.5時，水槽邊壁會對植被群后側(cè)的漩渦運(yùn)動產(chǎn)生較大影響[16]。

1.1 示蹤實驗及視頻處理

在植被群兩側(cè)邊緣注射熒光劑，相機(jī)布置在植被群下游10倍直徑位置處(x=10D)錄制卡門渦街的運(yùn)動過程。注射各個方向的視頻錄制時間大于30 s以完整錄下至少2個漩渦運(yùn)動周期，確保準(zhǔn)確。卡門渦街的擺動周期約為10～15 s[10]。由于熒光劑只能指示尾流區(qū)的瞬時長度，而通常我們定義的尾流區(qū)為時間平均上的長度，因此，需要將至少包含2個完整擺動周期的卡門渦街視頻進(jìn)行時間平均處理。處理時先將視頻按照1張/s的標(biāo)準(zhǔn)截圖，截圖數(shù)量必須≥30張(≥30 s)，以覆蓋至少完整的2個渦街?jǐn)[動周期。

表1 實驗參數(shù)

視頻錄制完成后需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值分布。①在Matlab中運(yùn)行代碼，將每張垂向漩渦視頻圖片的熒光示蹤劑綠色轉(zhuǎn)化為數(shù)值，具體為，某個點(diǎn)的綠色濃度高低可以用數(shù)值0～255表示，0表示沒有熒光綠，255表示只有熒光綠。某些區(qū)域出現(xiàn)熒光指示劑時，數(shù)值增大，代表該處熒光強(qiáng)度越大。然后，得到30張視頻圖片中計算斷面上(x-y平面)的熒光強(qiáng)度縱向分布。②計算30張視頻圖片在計算斷面上每個位置的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，繪制橫向漩渦在水流方向上的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖，例如，圖2(b)中x=1 430時，標(biāo)準(zhǔn)差約等于50，表明該處熒光劑出現(xiàn)的頻率很高，而x=1 200時，標(biāo)準(zhǔn)差約等于0，表明該出熒光劑出現(xiàn)得平率很低。圖2(a)為30張?zhí)幚硪曨l中的一張，可以看出，與上面所述熒光劑識別情況一致。然后，選取植被群兩側(cè)無熒光示蹤劑區(qū)域的一點(diǎn)為參考點(diǎn)(見圖2(a))，以該點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值SD(例如，圖2中SD=1.8)，在水平向漩渦的熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間的水平距離定為L1，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)間的水平距離定為L2。最后，采用下式計算尾流區(qū)長度：

Ldye=(L1+L2)/2±(L2-L1)/2

對于每一組工況，示蹤試驗及視頻處理過程，具體包括視頻錄制、視頻導(dǎo)出、視頻處理和繪制分布圖，只需要約5 min即可完成。

圖2 熒光劑指示植被群尾流區(qū)及熒光強(qiáng)度縱向分布

1.2 流速測量

為了驗證熒光劑指示尾流區(qū)長度的準(zhǔn)確性，用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行驗證。因為所有工況均為非淹沒植被群，這里也沿用傳統(tǒng)方法在1/2水深開展流速測量。測量范圍從x/D=-3～-1和0～5。每一個點(diǎn)的采樣頻率和時間分別為25 Hz和4 min，以確保能夠在每點(diǎn)采集至少6 000個樣本點(diǎn)，保證測量精度。采用傳統(tǒng)測量方法確定一個工況的植被群尾流區(qū)至少花費(fèi)2.5 h。將采集的流速原始數(shù)據(jù)運(yùn)用WinADV處理后，輸出每個點(diǎn)的時均流速。做出流速(用上游平均流速無量綱化，U/U0)在水流方向(用植被直徑無量綱，x/D)上的分布圖(u/u0vsx/D)。尾流區(qū)長度Lv為植被群末端(x/D=0)到流速最低點(diǎn)處的距離。例如：圖3中，工況5，D=10 cm,Lv=(20±3) cm。

圖3 傳統(tǒng)流速測量方法確定植被群尾流區(qū)長度Lv

2 實驗結(jié)果比較與討論

將所有工況用流速測量獲得的Lv和Ldye進(jìn)行比較(見圖4，數(shù)據(jù)見表1)，發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好(R2=0.92)。表明熒光劑探測植被尾流區(qū)長度給出的結(jié)果是準(zhǔn)確的。對于每一組工況，采用熒光指示劑技術(shù)獲取Ldye的時間僅需要約5 min，而傳統(tǒng)流速測量方法獲取Lv需要約2.5 h。從時間成本、人力成本上看，該技術(shù)可以很大程度上節(jié)約時間及人力資源。換句話說，將實驗效率提高了至少30倍。

圖4 比較Ldye和Lv

對于野外實測，熒光劑探測技術(shù)也有很大優(yōu)勢，只需架設(shè)攝像機(jī)，在指定植被群兩側(cè)注射熒光劑或是顏色分辨率高的染色劑，采集視頻大于30 s，導(dǎo)出視頻運(yùn)用Matlab處理后即可獲得尾流區(qū)長度。在如此短暫的時間內(nèi)(約30 s)，水流條件的變化基本可以忽略，相對于傳統(tǒng)方法，新技術(shù)能夠更快、更準(zhǔn)確地獲取尾流區(qū)長度。為開展植被群的研究提供測量技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

本文提出了一種簡單、快速、準(zhǔn)確的河道植被群尾流區(qū)長度測量技術(shù)。通過開展水槽實驗，配合熒光示蹤劑、視頻拍攝、視頻處理和繪制分布圖等方法，能夠迅速得到尾流區(qū)長度，觀測結(jié)果與傳統(tǒng)流速測量方法的結(jié)果比較,吻合度較高。同時，該技術(shù)可以節(jié)約大量時間及人力成本，有效地提高了實驗室實驗和野外實測的效率。

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