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水 利 学 报

２０２４年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）１１ － １３３３ － １２

基于 ＡＩ图像识别的床面形态特征参数和迁移速度分析

张凌峰 １，２ ，刘春晶 １，２ ，曹文洪 １，２ ，江肖鹏 １，２ ，张 宇 １，２
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００４８；
２．中国水利水电科学研究院 水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室，北京 １０００４８）

摘要：床面形态特征和迁移速度是影响水流阻力和推移质泥沙输移的关键因素，对于分析河床演变趋势、河底生
境系统和人类活动的影响具有重要意义。本文利用 ＡＩ视觉大模型技术，从试验水槽侧壁获得了长时间、高时空
分辨率的床面形态动态发展数据。采用改进的床面形态量化方法和迁移速度计算方法，提取了 ９种工况下的床形
特征参数和迁移速度。结果表明：在动态平衡状态下，床面形态特征参数和迁移速度仍存在显著的随机波动，其
中迁移速度的波动性和变异性较高，床面形态的平均迁移速度随泥沙运动强度和推移质运动强度的增加呈幂函数
型增长，相对波高、陡度与泥沙运动强度符合抛物线关系；约 ９５％的背流面角度集中在 １０°～３０°，与陡度呈线性
关系；床面形态和迁移速度均呈现明显的右偏分布且具有拖尾特征，其中波高、波长符合 Ｂｉｒｎｂａｕｍ － Ｓａｕｎｄｅｒｓ分
布，其他床面形态特征和迁移速度遵循伽马分布。
关键词：床面形态；ＡＩ图像识别；沙波迁移速度；泥沙运动强度
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１７３
中图分类号：ＴＶ１４２

１ 研究背景

床面形态（床形）是指在水流作用下，河床沉积物或床沙的外观、形状和结构特征，是沙垄、沙
纹、沙丘、沙波等有规则或无规则的河床地貌的统称，其影响作用跨越了不同的空间与时间尺度 ［１ － ３］ 。
床面形态特征参数的量化分析，如波长、波高、背流面角度等，在河流的河床演变 ［４ － ６］ 、推移质输沙
和动床阻力 ［７ － ９］ 的研究中扮演着至关重要的角色。
床面形态的迁移是指床形向下游的推移，不包括床面形状的变化（变形） ［１０］ 。床形在单位时间内
向下游迁移的长度即为床形的迁移速度。为保持平衡状态下的稳定输沙率，床形的迁移速度被认为和
床形的高度呈负相关关系 ［１１］ 。部分研究发现床面形态迁移速度表现出强烈的波动现象 ［１２］ ，且平均迁
移速度不受床形几何形状的影响，这种差异被归因为水流、泥沙输移和床面形态间的非线性反馈作
用 ［２］ 。ＭｃＥｌｒｏｙ等 ［１０］ 认为与床形迁移相关的泥沙通量等于推移质输沙量，与床形变形相关的泥沙通量
与悬移质输沙量相当，因为变形是悬移质和推移质交换的结果，主要表现为垂向的泥沙通量变化。深
入分析和理解床面形态迁移速度有助于揭示床面演化和推移质输沙率变化的内在机理。
目前对床面形态特征参数和迁移速度的研究包括理论研究、野外观测和水槽试验。在理论研究方
面，Ｍｏｈｒｉｇ等 ［１３］ 通过估算从波峰处越过背流面的推移质通量的比例建立了计算床形迁移率的模型；
ＭｃＥｌｒｏｙ等 ［１０］ 将床形迁移和变形进行了划分和定义，提出了对河床纵剖面的时间序列进行交叉相关分
析，提取迁移速度的方法；Ｇｕａｌａ等 ［１４］ 发现迁移速度对床面形态几何参数和时间尺度的双重依赖性，

收稿日期：２０２４ － ０３ － ２６；网络首发日期：２０２４ － １０ － ２４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｄｏｉ?１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１７３
基金项目：国家自然科学基金项目（１２０７２３７３）
作者简介：张凌峰（ １９９５ － ），博士生，主要从事水力学及河流动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｌｆ２５４２０１１７３１＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
通信作者：曹文洪（１９６３ － ），博士，正高级工程师，主要从事泥沙运动及河床演变研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃａｏｗｈ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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