图像处理技术在河流动力学实验教学中的应用

娄 厦， 刘宏哲， 钟桂辉， 刘曙光

（同济大学土木工程学院，上海200092）

0 引 言

河流动力学课程是港口航道与海岸工程专业的一门重要专业基础课程，河流动力学内容包括河道水流结构、泥沙运动、河床演变规律，具有很强的理论性、经验性和学科交叉特性，在水利、环境、交通等诸多领域有着广泛的应用［1-2］。开设这门课程的目的是使学生学习、了解和掌握河道水流结构、泥沙颗粒特性及运动规律、河床演变基本原理及分析方法，从而可以运用专业知识解决工程领域相关问题，为将来从事水利、环境、交通相关的规划、设计、施工、管理工作打下基础。

以往的河流动力学教学，大多以课堂教学为主，采用多媒体和板书相结合的形式，借助多媒体教学课件的动、静态等图片演示效果，结合课程内容形象展示水沙运动的物理过程［3-4］。然而，授课过程中存在概念抽象、内容宽泛、理论复杂、经验性强等诸多问题，尤其是紊流发育、泥沙起动及物质输运部分是河流动力学课程的重点与难点。

我校水利工程系港口航道与海岸工程专业于2017年开展了河流动力学上海市精品课程建设工作，秉承以学生为中心的教育理念，进行教学改革研究，通过改革教学大纲和教学方法，实施课堂教学－实验教学－科研反哺教学相辅相成的多元协同机制［5］。其中，针对河流动力学中紊流发育、泥沙起动及物质输运部分内容，在原有课堂教学的基础上，增设基于图像处理技术的含植物水流紊动及物质输运实验，并对实验教学内容和方法进行改革与探索，以提高教学水平，培养学生的工程实践能力与创新能力。

1 图像处理技术

图像处理技术［6-7］是通过计算机对图像进行去除噪声、滤波、增强、复原、分割等处理，而提取图像特征的方法和技术。数字图像可以进行线性、非线性运算，且在存储、复制、运算等过程中能够保持图像精度，不会发生图像质量退化。随着计算机技术的发展，图像处理技术在水利、环境、工农、林木、医学等领域均得到广泛应用。

本实验采用的数字图像是基于像素点的位图图像，通过光线矫正等一系列预处理方法将高清相机拍摄所得出的数字图像转化为灰度图像。这样一幅图像可以理解成一个二维函数，在任一对空间坐标上的值称为该点图像的灰度。通过污染物浓度标定实验，获取污染物浓度与图像灰度的关系曲线。基于该关系曲线，可获得不同实验条件下污染物浓度分布情况。基本流程如图1所示。

图1 图像处理流程

2 实验设计

2.1 实验背景

随着河流生态保护意识的增强，追求“人水和谐”的生态河道建设越来越受到重视［8-9］。生态河道是在满足防洪、排涝、引水等河道基本功能的基础上，通过人工修复措施构建健康、完整、稳定的河道水生态系统。与传统的加固堤坝、硬化河床、打捞泥沙等河道整治工程相比，生态河道集防护、绿化、生态修复为一体，构建接近于自然状态的水、河岸、植被生态系统，实现工程建设和环境保护的完美结合，不仅能达到防洪排涝的目的，同时可以促进河道生态系统的恢复与发展，改善水质，提高河道自净能力。

生态河道建设过程中，水生植物作为河流生态系统的重要组成部分，不仅为生物提供栖息地和食物来源，还对水流结构和水环境具有重要影响。水生植物的存在使得河道水流阻力增加，行洪能力降低，改变河道的水流阻力和紊动发育。同时，水生植物还可以影响泥沙悬浮，缓解水流对河岸的侵蚀，维持河床稳定及河流蜿蜒度，影响河流水环境特征［10-11］。

因此，含植物河道紊动发育、泥沙起动、物质输运研究对生态型河道防洪能力计算、生态护岸护坡设计及河道植物景观设计都具有重要意义。通过多尺度水流紊动及物质输运实验，模拟植物影响下河道的紊动特征、泥沙起动及污染物扩散过程，通过实验现象使学生直观地理解河道水流紊动的发育，结合理论公式使学生进一步掌握紊动能量泥沙起动流速和污染物浓度的计算和分析方法。同时在实验实施过程中，侧重于学生动手能力的培养，鼓励学生开展自主设计，开展科研反哺教学，激发学生对新知识、新技术的追求欲望，培养学生的创新意识和创造能力。

2.2 实验材料

本实验在河道模拟系统中布置一定密度的木棒模拟刚性植物，在底床布置一定级配的泥沙模拟河道底床，通过带颜色示踪剂来模拟河道中的污染物。

（1）含植物河道模拟系统。含植物河道模拟系统由河道装置、供水装置、植物装置、底泥装置组成，其中河道装置包括溢流水槽、挡水板、有机玻璃薄板；供水装置包括供水箱及备用水箱、流量调节阀、抽水泵、蠕动泵、水管若干。植物装置包括植物模型（木棒）、模型支座；底泥装置包括拦沙槽、天然砂、电子天平。

（2）示踪剂。选择无吸附作用的胭脂红和有吸附作用的亮蓝两种示踪剂。胭脂红是《食品添加剂使用卫生标准》（GB2760-2007）允许使用的色素［12-13］，满足本实验的两个要求：① 实验介质不会对示踪剂产生吸附作用；②示踪剂对环境无污染。因此，实验选取红色食用色素（胭脂红）作为示踪剂，质量浓度为1 g／1 001 g（1 g示踪剂，1 000 g蒸馏水）；亮蓝具有吸附作用，符合等温吸附规律，在动水静水中吸附速率均较快，质量浓度为1 g／1 001 g（1 g 示踪剂，1 000 g 蒸馏水）［14］。

（3）污染物投放装置。污染物配置及投放装置由广口瓶（200 mL、500 mL）、流量调节阀、软木塞、有机玻璃管、橡胶管、止水夹、胶头滴管、量筒（100 mL、20 mL）组成，通过控制流量模拟不同浓度污染物进入含植物河道之后在植物引起的紊动作用下的扩散过程。

（4）监测仪器。通过流速仪测定含植物水流的流速分布，由单反相机、黑白色帷幕、LED灯组成的污染物监测系统记录污染物运移过程中的浓度场变化。

2.3 实验装置

本实验装置由含植物河道模拟系统和污染物监测系统两部分组成（见图2）。

图2 河流动力学实验装置示意图

模拟河道长104 cm、高63 cm、宽66 cm，由厚度为1 cm的透明有机玻璃制作而成，沿长度方向依次设置为进水箱、模拟河道、出水箱。进水箱长21 cm，高63 cm，宽66 cm。进水箱下部管口通过橡胶管与稳定水头水箱相连，另外一侧的下部管口与水泵相连。出水口设有200目的金属滤网和金属透水插板，既保证水流能通过又保证泥沙不漏出。3个区域连接处均设有止水橡胶，防止水渗漏。外部水源将水注入稳定水头水箱，待水流加入到满足实验要求时，停止加水，开启水泵，内循环系统打开。隔板为稳定水流的装置，为可拆卸式组装，可根据不同的实验要求，设置不同的高度（6、11、16、21、26、31、36、41、46、51 cm），即可控制水头。

污染物监测系统由拍照系统和照明系统组成，采用数字图像处理技术获取污染物浓度数据。将图像转换成数据矩阵存放于计算机中并对其进行滤波、增强、形态学操作等处理，再通过污染物浓度与灰度级曲线间接地将浓度由灰度级求出。数字图像处理技术可以非侵入式地获得污染物运移的时空分布，避免布设密集的采样点，对流场影响小，同时图像处理技术实时拍摄影像视频，通过后期计算机处理提取所需数据，极大地增加了采样频率，也能在减少工作量的同时又能保证精度要求。

拍照系统设置在模拟河道正前方，用于拍摄实验过程和记录结果。高像素的单反相机由三脚架支撑，相机离地75 cm，设置在距离三维模拟河道正前方200 cm处。此外，为避免相机影子在河道中显现，影响拍摄效果，在相机放置处设置了黑色帷幕，仅使相机镜头从黑色帷幕中探出。照明系统用于提供稳定单一光源，封闭实验室门窗，阻止室外光的照射，采用两个LED灯，设置在离地200 cm处。在实验过程中进行稳定不间断地照明，尽量减少杂光光线变化引起的拍照色差。实验步骤如图3所示。

图3 河流动力学实验步骤

3 含植物水流紊动及物质输运实验示例

河流动力学中的水流紊动及物质输运是一个十分复杂的内容，很多学者分别提出了不同的理论，通过复杂的计算公式来说明紊动应力的产生及由此造成的流速变化和污染物紊动扩散，但对于学生来讲该部分内容过于抽象和理论，难以理解与掌握。

在以学生为中心教学理念的指导下，开展河流动力学实验教学改革，增设含植物水流紊动及物质输运实验，将含植物河道模拟系统、流速仪、图像处理技术等科研设备和技术应用于实验教学，优化实验教学内容、改革实验教学模式，强调实验的综合性和设计性、突出创新性，着重学生动手能力的培养。

3.1 实验方案设计

组织学生进行现场观测，调查校园内河道植物的生长特点。鼓励学生进行文献阅读和小组讨论，分析河道水流特性和污染物特点。最终，由学生独立设计河道植物特征、水流方案、污染物排放系统（见图4），组合多种实验方案，开展独立监测及数据处理和结果分析。在实验设计、仪器布设、实际操作和实验数据处理过程中，引导学生将理论知识与科研实践相结合，对课堂内容进行补充与延伸，培养学生科研兴趣和科学思维，培养科研储备军。

同时，鼓励学生发散思维，思考河流动力学及其相关领域的科学前沿问题，开展科研反哺教学，将国内外最新科研成果和技术引入教学活动中，通过理论知识与科研活动的结合，为学生提供体验式、多元化的学习氛围。以科学研究为基础，以学生为中心，培养学生的科研兴趣，鼓励学生积极参与大学生创新活动，提高学生的科研创新意识。

图4 河流动力学实验装置

3.2 实验过程观察

实验于校水利港口综合实验室开展，水利港口综合实验室具备本实验所需的各种仪器设备，已完成了多项教学和科研实验［15-16］。实验过程中，采用含植物河道模拟系统，组织学生自行布设流速仪和污染物监测系统、自主设计水动力条件及示踪剂投放方案，引导学生观察障碍物干扰下的水流特征和示踪剂扩散规律，使学生直观感受到河道障碍物（植物）引起的紊动。通过开展不同的水动力条件和植物特征方案下的实验（见图5），观察示踪剂在含植物河道中的运移轨迹，探讨不同实验条件下单株植物后方引起的小尺度涡旋和植物群整体引起的大尺度涡旋，分析含植物水流的紊动、泥沙起动及物质输运特征，使学生进一步理解不同空间尺度的紊动发育及其影响因素，结合河流动力学专业知识，引导学生讨论引发水流紊动的原因和含植物水流物质输运的规律，启发学生发现问题、分析问题，培养学生的科研思维，为今后独立解决工程问题打下基础。

图5 不同植物特征和底床形式下的物质输运实验

3.3 实验结果分析

在现象观察的基础上，学生自行开展水动力要素及污染物浓度监测。结合河流动力学理论知识，学生应用监测的流速数据计算平均流速，独立分析植物阻力作用下河道水流流速再分布过程及其对泥沙起动和污染物运移的影响（见图6）。同时，采用理论公式计算雷诺应力和紊动能量的纵向分布，从而加深学生对理论知识的理解和掌握。

学生通过图像分析技术，分析指定时间节点的污染物浓度场，讨论多尺度水流紊动的特征以及紊流对于物质扩散的影响，鼓励学生开展水利与环境学科的交叉研究，利用高新实验设备、深度探索河流动力学的规律，鼓励学生对新知识、新技术的追求欲望，进一步激发学生对科学研究的热情。

4 结 语

我校水利工程系港口航道与海岸工程专业秉承以学生为中心的教育理念，进行了一系列的教学改革与研究工作。河流动力学中增设的含植物水流紊动及物质输运实验，通过现场观察与思考、理论计算与分析、自主设计与实施的过程，加强学生对课本内容的理解，使学生掌握相关理论知识。在此基础上，改革实验教学模式，通过学生自主设计、独立实验，提高学生的主动学习能力和独立解决问题能力，激发学生对新知识、新技术的追求欲望，培养学生的动手能力与创新能力。同时，融合了科研中的前沿科学问题，开展科研反哺教学，将最新的科研成果和技术引入教学活动，对教学内容进行补充和拓展，激发学生的学习热情，培养学生的科研兴趣，有效提高了教学水平，对人才培养模式改革和探索起到了一定的推动作用。

图6 采用图像处理技术进行数据处理

·名人名言·

好的先生不是教书，不是教学生，乃是教学生学。

——陶行知