【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水力学及河流动力学领域，涉及可侵蚀明渠水动力特性及河床演变研究，具体涉及一种基于明渠表面流速估算推移质输沙率的方法。
技术介绍
1、在水资源管理、洪水预测和防控、环境监测、水力工程设计以及供水和排水系统等工程场景中，精准地测量和计算明渠中的推移质泥沙至关重要。由推移质泥沙运动导致的河床演变将直接影响流域的洪水预测和防控工作。这一动态过程中，推移质泥沙常常携带大量有机物和无机盐，对河网的生态环境健康产生深远影响。在大坝和堤防工程中，准确估算明渠输沙率对于评估工程结构的安全性和稳定运行至关重要。推移质泥沙的运动也在很大程度上影响城市供水和排水系统的设计规划和运行。因此，在水利工程领域，准确测量和估算推移质输沙率被视为评估水利工程设施安全性和稳定运行、防灾减灾、预测河网演变以及水资源优化管理的前提条件。以往常用的明渠推移质输沙率测量和估算办法有：
2、1)器测法
3、将推移质采样器直接放在明渠床面上，采集推移质样品，通过推移质的采集推算泥沙输送率。该方法采样效率很低，会干扰流场，且获得的数据依赖于局部水流和河床条件，稳定性和可靠性差。
4、2)放射性示踪沙法
5、该方法在明渠河道中释放含放射性的同位素示踪剂，利用示踪剂来探测泥沙运动规律并推求推移质输沙率。该方法可能对人类健康及生态环境产生威胁，因此不具有普适性。
6、3)经验性输沙公式估算法
7、工程上往往采用经验性输沙率公式估算。该方法常用基于能量守恒和试验数据分析得到的推移质平衡输沙公式(例如m
8、总的来说，目前尚未出现一种既高效又精确的方法来估算明渠推移质输沙率。在实际工程应用中，明渠表面流速往往是最容易获取的信息。借助明渠表面流场信息进行推移质输沙率估算成为了一种具有潜力的研究方向和强有力的手段。在实际工程中，随着无人机技术的广泛应用，通过无人机拍摄图像，结合图像处理技术，获取河道表面水流速度场的方法正在变得越来越普及。然而，这些方法仅能反映表面流场，无法直接获取水下复杂的推移质泥沙运动情况。如何通过表面流场信息推测水下推移质泥沙运动成为了新的难点和挑战。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于表面流速的明渠推移质输沙率估算方法，通过探索水流表面速度与推移质层泥沙运动之间的相关关系，可实现利用无人机拍摄的水面流场信息和水深信息，来有效估算明渠中推移质泥沙的输沙率，实现更加高效和更加准确地估算明渠推移质输沙率。
2、本专利技术通过探索水流表面速度与推移质层泥沙运动之间的相关关系，实现通过表面流场信息推测水下推移质泥沙运动。如，可借助表面流场图像数据进行推测明渠推移质输沙率，针对无人机拍摄的图像仅能反映水流表面，无法直接获得水流沿水深方向的剖面信息，更无法获取水下复杂的推移质泥沙运动情况的难题，提出：若能从试验数据和数值模拟结果中获得可靠的水流表面速度与推移质层泥沙运动与分布的相关关系，那么就能够通过分析这些关系，基于无人机拍摄得到的表面流场信息来推测明渠推移质输沙率。本专利技术方法利用无人机拍摄的水面流场信息和水深信息，可有效估算明渠中推移质泥沙的输沙率，在保证估算精度的同时，具备便捷、高效和低成本的优点。
3、本专利技术提供的基于表面流速的明渠推移质输沙率估算方法，包括以下步骤：
4、(1)获取明渠推移质泥沙的基本物理参数，包括泥沙密度ρs，粒径d，内摩擦角以及河床泥沙体积浓度c0；测得明渠水深h和河床比降θ；
5、(2)根据以下公式估算推移质层厚度；
6、
7、
8、式中，δ是推移质层厚度；是谢尔兹剪切力；d为明渠推移质泥沙有效粒径；κ和λ为系数，取κ＝8.37，λ＝0.72；h为明渠水深；为推移质泥沙内摩擦角；s＝tanθ，θ为河床坡度；s＝ρs/ρw为推移质泥沙密度ρs与水密度ρw的比值。
9、(3)利用无人机测流技术或高速摄像机测流技术，得到明渠表面流速根据公式(3)估算推移质输沙率qb。
10、
11、其中，式中w为明渠过水断面宽度；c0为不动床的泥沙体积浓度；为明渠表面流速；z为推移质层中任一点的高度；c为高程z处的泥沙体积浓度；us为对应的泥沙运动速度；z0是推移质层下表面高度；δ是推移质层厚度；系数α和β的取值通过寻找其与基于明渠表面流速的无量纲谢尔兹数θ的相关关系，得到：
12、
13、β＝1.40 (5)
14、
15、式中g为重力加速度。
16、进一步地，上述方法中，所述无人机测流技术是基于无人机拍摄得到的明渠河道图像，通过图像处理技术获取明渠表面流速场的一种方法。相比于其他测流技术，例如流速计、声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler,adcp)和超声仪，无人机测流技术具有高效、低成本等优点。
17、进一步地，上述方法中，无人机测流技术的步骤如下：a)设置参照点，释放示踪粒子，并利用无人机采集不同时刻河流图像；b)基于参照点坐标，对获取的图像进行去噪和校正处理；c)根据示踪粒子在不同时刻的位置计算表面流场。
18、进一步地，上述方法中，高速摄像机测流技术与无人机测流技术原理和步骤相似。高速摄像机测流技术更适合用于水槽试验中的明渠表面流速测量。
19、进一步地，上述方法中，泥沙速度在推移质层呈现幂函数分布形式，幂函数公式如下：
20、
21、公式中us为推移质层中泥沙运动速度；为明渠表面流速；z为推移质层中任一点的高度；z0是推移质层下表面高度；δ是推移质层厚度；α和β是幂函数系数。
22、进一步地，上述方法中，公式(7)和(3)中幂函数系数的取值，通过建立了α和β与基于明渠表面流速的无量纲谢尔兹数θ的相关关系确定，方法如下：将四个工况(见表1)数值计算得到的速度剖面和对应的明渠表面流速数据提取出来，用公式(6)计算出对应的无量纲谢尔兹数θ；然后用公式(7)的幂函数形式拟合所有的速度剖面，得到每个速度剖面的α和β；找出所有数据点α和β以及与之对应的无量纲谢尔兹数θ的相关关系得到：
23、
24、β＝1.40 (5)
25、
26、式(6)中g为重力加速度。无量纲谢尔兹数是一种常见的，用于描述推移质泥沙运动的指标，通常被定义为床面剪切应力与床沙水下重力的比值，其中u*为剪切流速。在本专利技术中，为了突出明渠表面流速的重要性，定义了一个基于表面流速的无量纲谢尔兹数为了考虑明渠坡降对推移质泥沙运动的影响，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于表面流速的明渠推移质输沙率估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述无人机测流技术的步骤如下：a)设置参照点，释放示踪粒子，并利用无人机采集不同时刻河流图像；b)基于参照点坐标，对获取的图像进行去噪和校正处理；c)根据示踪粒子在不同时刻的位置计算表面流场。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，泥沙速度在推移质层呈现幂函数分布形式，幂函数公式如下：
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，公式(3)和(7)中幂函数系数的取值，通过建立了α和β与基于明渠表面流速的无量纲谢尔兹数Θ的相关关系；确定方法如下：将四个工况数值计算得到的速度剖面和对应的明渠表面流速数据提取出来；用公式(6)计算对应的无量纲谢尔兹数Θ；然后用公式(7)的幂函数形式拟合所有的速度剖面，得到每个速度剖面的α和β；找出所有数据点α和β以及与之对应的无量纲谢尔兹数Θ的相关关系得到：
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)利用搭载激光雷达或测深仪的无人机测量明渠水深H和河床比降θ。
6.根据权利
...【技术特征摘要】
1.一种基于表面流速的明渠推移质输沙率估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述无人机测流技术的步骤如下：a)设置参照点，释放示踪粒子，并利用无人机采集不同时刻河流图像；b)基于参照点坐标，对获取的图像进行去噪和校正处理；c)根据示踪粒子在不同时刻的位置计算表面流场。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，泥沙速度在推移质层呈现幂函数分布形式，幂函数公式如下：
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，公式(3)和(7)中幂函数系数的取值，通过建立了α和β与基于明渠表...
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