熒 光 劑 探 測 植 被 群 尾 流 區 長 度

張 斌， 馬旭東

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，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[1]。植被群通常生長在河道的過流區域，會長期影響其周圍區域的水流特性、灘槽演變及河床形態[2-12]。植被群最大的特征是其尾端存在流速及紊動強度均很小的尾流區，其長度為Lv(見圖1)。由于較小的流速與紊動強度，吸附有機營養物的懸浮泥沙極易沉積在植被尾流區，沉積泥沙可以促進植被生長和擴張[9]。當植被孔隙φ>0.04時(=πnd2/4，其中：n為單位面積植被數量，d為單株植被直徑)，在x=Lv處開始出現卡門渦街[13]。在渦街作用范圍內(x>Lv)，流速和紊動強度迅速增大，引起河床沖刷[14]。因此，有必要對植被尾流區的長度測量技術進行研究。

圖1 植被群尾流區及卡門渦街概化示意圖

對于植被尾流區的長度測量，傳統的方法是通過流速測量找尋植被群尾端(x=0)到植被群后側最小流速出現處的長度[13-14]。這種方法的特點是精度較高，但缺點是測量時間長且測量范圍大。如運用Micro-ADV測量一組植被群尾端1/2水深處的流速縱向分布，然后找出尾流區長度，需要花費約3 h。如果需要完成大量的植被群尾流區長度測量工作，在實驗室內需要花費大量的人力、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，長時間內采集的測量數據是隨時間變化的函數，會讓尾流區長度的判斷變得相當不準確[2]。

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

1 實驗方法

植被群采用剛性竹簽模擬，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,實驗參數詳見表1。將每組植被群布置在PVC板上，在植被群后側的PVC板上沿水流方向用白色方塊膠帶布置多排位置標記點，各個白色方塊膠帶中心的實際橫向和縱向距離均為10 cm，以便對應后續處理結果確定尾流區的真實坐標位置。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，邊壁對尾流區及漩渦形成的影響均可忽略。當D/B>0.5時，水槽邊壁會對植被群后側的漩渦運動產生較大影響[16]。

1.1 示蹤實驗及視頻處理

在植被群兩側邊緣注射熒光劑，相機布置在植被群下游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個漩渦運動周期，確保準確?？ㄩT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的瞬時長度，而通常我們定義的尾流區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行時間平均處理。處理時先將視頻按照1張/s的標準截圖，截圖數量必須≥30張(≥30 s)，以覆蓋至少完整的2個渦街擺動周期。

表1 實驗參數

視頻錄制完成后需要將其轉化為數值分布。①在Matlab中運行代碼，將每張垂向漩渦視頻圖片的熒光示蹤劑綠色轉化為數值，具體為，某個點的綠色濃度高低可以用數值0～255表示，0表示沒有熒光綠，255表示只有熒光綠。某些區域出現熒光指示劑時，數值增大，代表該處熒光強度越大。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度標準差，繪制橫向漩渦在水流方向上的熒光強度標準差分布圖，例如，圖2(b)中x=1 430時，標準差約等于50，表明該處熒光劑出現的頻率很高，而x=1 200時，標準差約等于0，表明該出熒光劑出現得平率很低。圖2(a)為30張處理視頻中的一張，可以看出，與上面所述熒光劑識別情況一致。然后，選取植被群兩側無熒光示蹤劑區域的一點為參考點(見圖2(a))，以該點的標準差為基準誤差值SD(例如，圖2中SD=1.8)，在水平向漩渦的熒光強度標準差分布圖上找出植被群后側標準差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標原點之間的水平距離定為L1，再找出標準差最大值的出現位置，將該點與坐標原點間的水平距離定為L2。最后，采用下式計算尾流區長度：

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及熒光強度縱向分布

1.2 流速測量

為了驗證熒光劑指示尾流區長度的準確性，用傳統測量方法進行驗證。因為所有工況均為非淹沒植被群，這里也沿用傳統方法在1/2水深開展流速測量。測量范圍從x/D=-3～-1和0～5。每一個點的采樣頻率和時間分別為25 Hz和4 min，以確保能夠在每點采集至少6 000個樣本點，保證測量精度。采用傳統測量方法確定一個工況的植被群尾流區至少花費2.5 h。將采集的流速原始數據運用WinADV處理后，輸出每個點的時均流速。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)。尾流區長度Lv為植被群末端(x/D=0)到流速最低點處的距離。例如：圖3中，工況5，D=10 cm,Lv=(20±3) cm。

圖3 傳統流速測量方法確定植被群尾流區長度Lv

2 實驗結果比較與討論

將所有工況用流速測量獲得的Lv和Ldye進行比較(見圖4，數據見表1)，發現兩者吻合很好(R2=0.92)。表明熒光劑探測植被尾流區長度給出的結果是準確的。對于每一組工況，采用熒光指示劑技術獲取Ldye的時間僅需要約5 min，而傳統流速測量方法獲取Lv需要約2.5 h。從時間成本、人力成本上看，該技術可以很大程度上節約時間及人力資源。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，熒光劑探測技術也有很大優勢，只需架設攝像機，在指定植被群兩側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，導出視頻運用Matlab處理后即可獲得尾流區長度。在如此短暫的時間內(約30 s)，水流條件的變化基本可以忽略，相對于傳統方法，新技術能夠更快、更準確地獲取尾流區長度。為開展植被群的研究提供測量技術支撐。

3 結 語

本文提出了一種簡單、快速、準確的河道植被群尾流區長度測量技術。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長度，觀測結果與傳統流速測量方法的結果比較,吻合度較高。同時，該技術可以節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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