[发明专利]一种坡面水文试验流量场观测系统及方法

说明书

本发明提供了一种坡面水文试验流量场观测系统，系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；数字地形采集系统用于在试验过程中拍摄坡面模型的地形图像，生成坡面模型的数字高程模型；计算出指定坡面模型位置的坡面流速场以及水流深度；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方案，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。

技术领域

本发明涉及坡面水文过程观测试验领域，设计坡水文试验流量场计算技术领域，特别是涉及一种坡面水文试验流量场观测系统及方法。

背景技术

由于自然界的坡面形态复杂，且水流很薄，难以实现全坡面的产流过程观测。相对于明渠或河流中的水流，薄层水流厚度非常小，受空气、边壁等接触面的影响，使得流速变化规律非常复杂。而地面污染物运移、泥沙颗粒的侵蚀与起动等与薄层水流流速具有密切关系。特别在一些自然环境中，薄层水流甚至用肉眼无法直接观察到，只有在染色剂之类的示踪液的指示下才能看到。

对于薄层水流流速场以及薄层水流深度都很难计算出来，由于薄层水流流量场为流速场与深度的乘积，则对于薄层水流流速场以及薄层水流深度的计算尤为重要。

目前对薄层水流流速的测量广泛采用的方法有“流量法”、“染色法”、“盐溶液示踪法”等。“流量法”只能用于平均流速的测量，在流量较大且需要连续观测时需要较多的人员，工作量较大。对于“染色法”和“盐溶液示踪法”，其测定的是径流表面最大流速，要得到径流平均流速必须进行修正。但是，“染色法”虽然比较方便，但有时需要多人进行配合测量，且由于测量均为人工测量，带有一定的人为因素，距离和时间会有一定的测量误差。特别是染色流体的形状会随着移动距离在水流弥散作用下变化，有时很难把握，其造成的距离测量误差十分严重，一般只能计量最大流速。

可见对坡面水流流速以及深度的测量一直是相关领域研究的难点，对于两者的测量迫切需要一种更加科学和高效的测量方法。

发明内容

本发明提供了一种坡面水文试验流量场观测系统及方法，以解决现有技术中由于对水流的流速场以及深度计算的困难性，导致对坡面流量场的计算和观测不准确的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种坡面水文试验流量场观测系统，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；所述坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型；所述人工降雨系统用于在指定的所述坡面模型上进行降雨；所述示踪液投放系统用于在指定所述坡面模型上投放示踪液；所述数字地形采集系统包括相机阵列和同步器；所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对所述地形图像进行分析，生成所述坡面模型的数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；所述地理信息处理系统对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组；确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；对所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。

优选地，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处；所述地理信息处理系统还包括：校准标识；所述校准标识用于图像校准。