CN115063682B - 一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，将植被层视为多孔介质，物理模型更贴近天然植被条件，并基于图像识别技术快速获取植株孔隙率信息，建立的孔隙率计算公式简便有效，最终计算获得的流速误差小于5％，准确度很高。

Description

一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法

技术领域

本发明涉及水环境治理及水利技术领域。更具体地说，本发明涉及一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法。

背景技术

天然河流中广泛生长着淹没植被，随着河道生态观念的普及和黑臭水环境治理的推进，河道生态化和沉水植物恢复被越来越多的城市河道采纳，淹没植被也成为了许多水生生态系统的关键组成部分。从河道水流结构上看，植被的生长减缓了河道的流速，抬高了行洪水位。植被影响下的水流阻力是生态河道水动力学研究的基础，而开展植被特性研究，准确、快速获得淹没植被条件下河道的水流流速，对设计河道内行洪、净化河湖水质、受污染环境治理等方面至关重要。因此，植被群的水流特性研究对水生环境中的水文、水环境动态过程具有重要意义。

现有技术研究表明，影响流动阻力的参数是冠层密度、冠层孔隙率、总表面积、单个植物的柔性和植被群落组成。因植被形状的复杂性，如何量化植被的数学物理参数从而建立植被拖曳阻力计算模型是研究的重点，因此大量研究集中于采用刚性圆柱群来简化模拟植被条件，这种简化模型可以很好的量化物理参数，进而可以方便地分析圆柱阵列对水流结构的影响，对数值模型的建模计算也十分友好，采用这种方法，学者们建立了植被拖曳力计算方法，并将植被拖曳力项引入到水流控制方程中，并得到了简化的解析解。但是，一方面，解析解包含的参数较多，计算繁琐，植被拖曳力系数Cd系数，表征了植被对水流的影响程度，是植被拖曳力计算的重要贡献部分，但植被的柔性、形状系数、水流雷诺数等众多因素，影响着拖曳力系数的选取，从而对结果产生较大的不确定性。另一方面简化模型的适用性和计算精度是否可以有效的反映出天然植被条件下的植被特征，目前还没有被验证。另外，在研究表征植被的模型时，经常需要人工参与各项操作，下河道存在诸多不便及安全隐患，测量效率低，测量的准确度也容易受到水流、天气等多方面影响。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，以解决现有技术的计算方法不够准确的技术问题，实现快速、简便、准确地获取河道水文、水动力信息，为河道防洪、污染物扩散预测、河道生态恢复提供决策依据。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，包括如下步骤：

步骤S1、对天然河道条件下的正常植株进行采样，选取研究区进行拍照，获得图片；

步骤S2、图片预处理，自定义最大高度l_max和最大宽度d_max对图片进行裁剪，确保图片始终覆盖研究区；

步骤S3、对剪裁后的图片进行二值化处理；

步骤S4、对二值化处理后的照片进行孔隙度提取，得到图像面积分数a；

步骤S5、计算淹没植被冠层区的图像体积分数根据图像面积分数a得到单株植株的体积分数为a²，则/>其中n为植被密度，表示单位面积的植株数；

步骤S6、计算淹没植被河道水流垂线流速分布，计算模型基于对流扩散-多孔介质耦合模型理论，将淹没植被区视为多孔介质，定义无量纲参数：

其中，为垂线水深位置，/>为对应水深处的流速，/>为界面流速，H为植被高度，L为植被上方水体深度，K为渗透系数，S₀为河道坡降，κ为卡门常数，q为特征速度尺度，μ_e为流体有效粘度；

则淹没植被河道垂线流速分布为：

其中，U_w、U_v分别为淹没植被区和植被上方纯水区流速，U＝λ^-2+δλ^-1cothλ，/>D＝1/(2nd_max)²。

优选的是，在步骤S4中采用像素统计法或盒子计数法对二值化的植株照片进行孔隙度提取，得到图像面积分数a。

优选的是，当水下植被为条带状交错生长、植株界限模糊时，设置植被的迎水面孔隙率等于植被层的孔隙率，从而

优选的是，在步骤S1中，利用运动相机进行拍照，运动相机的镜头始终保持水平方向。

优选的是，通过设置支撑架辅助所述运动相机进行拍照，支撑架包括：

底架，其包括水平设置的呈半圆环形的弧形板，弧形板的两端沿切线方向延伸形成相互平行的两个安装部，安装部之间连接有下撑杆，两个安装部上对称开设有安装孔，每个安装孔内固定安装有第一防水电机，第一防水电机的输出轴竖直向上设置且沿竖向连接有滚珠丝杠；

调位架，其包括水平设置的滑轨，滑轨整体呈半圆环形且滑轨的内侧直径与两个滚珠丝杠的间距相等，滑轨上沿长度方向开设有竖向贯通的滑槽，滑轨的两端连接有套管，套管内侧连接有丝杆螺母，每个丝杆螺母分别拧在对应侧的滚珠丝杠上，两个套管的外侧之间连接有上撑杆，上撑杆的中部固定有第二防水电机，第二防水电机的输出轴竖向设置且位于滑轨的圆心处；

滑动架，其包括沿滑轨的径向延伸设置的滑动杆，滑动杆的一端与第二防水电机的输出轴固定连接，滑动杆的另一端沿竖向向下连接有滑柱，滑柱竖直向下穿入至滑槽内且与滑槽之间滑动连接，滑柱的底部伸出至滑槽外并设置有限位圈，限位圈的尺寸大于滑槽的宽度，滑动杆上在靠近滑柱的一侧安装有第三防水电机，第三防水电机的输出轴竖向设置；

拍摄系统，其包括连接杆、所述运动相机，所述运动相机为防水相机，连接杆套设连接在第三防水电机的输出轴上且沿滑动杆的长度方向设置，连接杆的一端延伸至滑动杆上方且与滑动杆的上表面滑动连接，连接杆的另一端向外延伸形成连接部，连接部的外端用于安装所述运动相机；

控制终端，其包括控制芯片、显示终端，控制芯片与显示终端电连接，控制芯片分别与第一防水电机、第二防水电机、第三防水电机、所述运动相机通信连接，所述运动相机还与显示终端通信连接，用于传输图像数据，控制芯片还连接有数据计算模块，数据计算模块用于计算第一防水电机、第二防水电机、第三防水电机的旋转角度，并将旋转角度的数据传输至显示终端；

底架支撑在河道下游并进行调平，使滑轨位于水平面内，然后控制终端启动所述运动相机，通过控制终端向控制芯片发送控制信号，控制芯片控制两个第一防水电机同步旋转，在滚珠丝杠与丝杠螺母的配合作用下调整滑轨及滑动架、所述运动相机在河道内不同深度的位置，控制芯片控制第二防水电机带动滑动杆旋转，从而对所述运动相机的位置进行粗调，之后控制芯片控制第三所述运动相机带动连接杆旋转，对所述运动相机的角度及位置进行细调，直至所述运动相机的拍摄窗口朝向并覆盖所述研究区。

优选的是，所述弧形板的中部设置为竖向贯通的结构，所述安装部的侧向连接有若干个用于辅助支撑的脚板，脚板与所述弧形板位于不同侧。

优选的是，两个所述滚珠丝杠的顶部之间连接设置有限位杆，限位杆的顶部设置有气泡水平仪。

优选的是，所述滑轨上滑动设置有两套所述滑动架，两个所述滑动杆在水平面内夹角为90°，每个所述滑动架上分别安装所述连接杆、所述运动相机，每个所述滑动杆分别与所述第二防水电机的输出轴固定连接，所有所述第三防水电机分别与所述控制芯片通信连接。

优选的是，在水流流速小于或等于0.2m/s时，人工调整所述底架临时插入河道下游处，使所述下支撑杆平行或垂直河道横断面，保持所述连接杆与所述滑动杆的长度方向一致，则通过启动所述第二防水电机旋转，使其中一个所述滑动杆移动至与所述下撑杆平行，此时对应的所述运动相机拍摄面完全平行于河道下游的纵断面，另一个所述滑动杆则垂直于所述下撑杆，此时对应的所述运动相机的拍摄面完全平行于河道下游的横断面，根据需要选择使用所述运动相机进行拍摄；

在水流流速大于0.2m/s时，通过所述控制芯片启动所述运动相机，所述运动相机的图像拍摄画面实时传输至所述显示终端，通过控制芯片控制两个所述第一防水电机旋转，带动两个所述滚珠丝杠同步旋转，从而使对应的两个所述丝杠螺母沿上下直线运动，带动连接的所述上撑杆上下移动，从而整体改变所述运动相机在河道水流内的深度位置，通过控制芯片向所述第二防水电机发送旋转信号旋转角度a，所述第二防水电机旋转后，根据需要通过所述控制芯片向需要使用的所述运动相机对应所述第三防水电机发送旋转信号，旋转a角度或90°-a的角度，从而使调整位置后的所述运动相机的拍摄面始终与在改变所述滑动杆位置前的朝向一致或垂直。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法相对于传统的淹没植被条件下河道水流结构计算，将植被层视为多孔介质，并基于图像识别技术快速获取植株孔隙率信息，具有经济性、快速性、准确性和简便性，解决了传统方法使用植被拖曳力计算方式求取水流结构，参数多且获取难度大，计算复杂，植被拖曳力相关参数经验公式进行了简单概化，与天然河道植被条件相差较大的问题；本方法建立的孔隙率计算公式简便有效，物理模型更贴近天然植被条件，最终计算获得的流速误差小于5％，准确度很高。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的采用的人工模型草模拟淹没植被区布置的结构示意图；

图2为本发明的步骤S1拍摄得到的代表性区域图片；

图3为本发明的步骤S2自定义剪裁规格的示意图；

图4为本发明的步骤S3-S4对图片进行处理的流程示意图；

图5为本发明的通过ImageJ工具进行孔隙率提取的提取结果；

图6为本发明的淹没植被河道垂线流速分布模型的示意图；

图7为本发明的支撑架的俯视结构图；

图8为本发明的支撑架的侧视结构图。

附图标记说明：1、弧形板，2、第一防水电机，3、滚珠丝杠，4、滑轨，5、套管，6、上撑杆，7、第二防水电机，8、滑动杆，9、滑柱，10、限位圈，11、第三防水电机，12、连接杆，13、运动相机，14、脚板，15、限位杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

具体的，本实施例给出以下案例来说明，采用的人工模型草进行淹没植被水流试验。如图1所示，河道及植株的基本情况为：整段河道由上游单一河道和下游复式漫滩段组成，单一断面长12m、宽1m、深0.2m；复式漫滩段长11m，宽1m，主河道两侧滩地对称布置，单侧滩地宽2.1m,主河道与滩地高差(h)为0.04m，整个河道底坡S0为0.003，滩地上方，铺设有植株较大且密的模型草，植株原始平均高度为10±2cm，铺设埋深为4cm，使得铺设后的植被高度与滩地高度一致，铺设过程中，考虑到草的变形弯曲，最终，模型草高度为4±2cm。本实施例选取了对上游流量Q为0.089m³/s流量下，下游稳定断面处的流速进行验证。

本发明提供一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，结合图1-6所示，包括如下步骤：

步骤S1、对天然河道条件下的正常植株进行采样，选取具有代表性的区域作为研究区进行拍照，获得图片，如图2所示，本实施例中选取了模型草的单位植株，代表性是指可以用该研究区的孔隙分布代表淹没植被冠层的孔隙分布。

步骤S2、图片预处理，如图3所示，自定义最大高度l_max和最大宽度d_max对图片进行裁剪，确保图片始终覆盖研究区，剪裁后得到如图4的图片处理流程中第一步的图片。

步骤S3、对剪裁后的图片进行二值化处理，得到如图4的图片处理流程中第二步的图片。图像二值化是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程，主要目的是方便后续进行研究区的孔隙度提取。二值化的方法较多，可采用不同软件或者算法对照片进行二值化处理，一般采用matlab、ImageJ等工具对照片进行二值化处理并获得二值化后的照片。

步骤S4、如图4的图片处理流程中第三步的图片，对二值化处理后的照片进行孔隙度提取。通过ImageJ进行孔隙率提取得到如图5所示的提取结果，图像面积分数a为66.966％。

步骤S5、计算淹没植被冠层区的图像体积分数根据图像面积分数a得到单株植株的体积分数为a²，则/>其中n为植被密度，表示单位面积的植株数。特别地，当水下植被为条带状交错生长，植株的界限比较模糊时，可认为该植被的迎水面孔隙率即为植被层的孔隙率，换言之，/>

步骤S6、计算淹没植被河道水流垂线流速分布，计算模型基于如图6所示的对流扩散-多孔介质耦合模型理论，将淹没植被区视为多孔介质，即河道分为纯水区和植被等效的多孔介质区，河道纯水区采用传统的对流扩散模型进行计算，针对淹没植被区，定义无量纲参数：

其中，为垂线水深位置，/>为对应水深处的流速，/>为界面流速，H为植被高度，L为植被上方水体深度，K为渗透系数，S₀为河道坡降，κ为卡门常数，q为特征速度尺度，μ_e为流体有效粘度；

则淹没植被河道垂线流速分布为：

其中，U_w、U_v分别为淹没植被区和植被上方纯水区流速，U＝λ^-2+δλ^-1cothλ，/>D＝1/(2nd_max)²。

试验基本参数及上述步骤计算得到的结果如下表1所示，通过公式计算得到冠层高度处流速U_v为0.055m/s，表面流速U_w为0.328m/s，与旋浆测速仪实测值获取的植被冠层处流速为0.058m/s、表面流速0.343m/s相比，误差小于5％。

表1试验基本参数和计算结果

本发明的有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法相对于传统的淹没植被条件下河道水流结构计算，将植被层视为多孔介质，并基于图像识别技术快速获取植株孔隙率信息，具有经济性、快速性、准确性和简便性；传统方法使用植被拖曳力计算方式求取水流结构，参数多且获取难度大，计算复杂，植被拖曳力相关参数经验公式进行了简单概化，与天然河道植被条件相差较大；本方法建立的孔隙率计算公式简便有效，物理模型更贴近天然植被条件，最终计算获得的流速误差小于5％，准确度很高。

在另一种技术方案中，如图7-8所示，通过设置支撑架辅助所述运动相机13进行拍照，支撑架包括：

底架，其包括水平设置的呈半圆环形的弧形板1，弧形板1的两端沿切线方向延伸形成相互平行的两个安装部，安装部之间连接有下撑杆，两个安装部上对称开设有安装孔，每个安装孔内固定安装有第一防水电机2，第一防水电机2的输出轴竖直向上设置且沿竖向连接有滚珠丝杠3；

调位架，其包括水平设置的滑轨4，滑轨4整体呈半圆环形且滑轨4的内侧直径与两个滚珠丝杠3的间距相等，滑轨4上沿长度方向开设有竖向贯通的滑槽，滑轨4的两端连接有套管5，套管5内侧连接有丝杆螺母，每个丝杆螺母分别拧在对应侧的滚珠丝杠3上，两个套管5的外侧之间连接有上撑杆6，上撑杆6的中部固定有第二防水电机7，第二防水电机7的输出轴竖向设置且位于滑轨4的圆心处；

滑动架，其包括沿滑轨4的径向延伸设置的滑动杆8，滑动杆8的一端与第二防水电机7的输出轴固定连接，滑动杆8的另一端沿竖向向下连接有滑柱9，滑柱9竖直向下穿入至滑槽内且与滑槽之间滑动连接，滑柱9的底部伸出至滑槽外并设置有限位圈10，限位圈10的尺寸大于滑槽的宽度，滑动杆8上在靠近滑柱9的一侧安装有第三防水电机11，第三防水电机11的输出轴竖向设置；

拍摄系统，其包括连接杆12、所述运动相机13，所述运动相机13为防水相机，连接杆12套设连接在第三防水电机11的输出轴上且沿滑动杆8的长度方向设置，连接杆12的一端延伸至滑动杆8上方且与滑动杆8的上表面滑动连接，连接杆12的另一端向外延伸形成连接部，连接部的外端用于安装所述运动相机13；

控制终端，其包括控制芯片、显示终端，控制芯片与显示终端电连接，控制芯片分别与第一防水电机2、第二防水电机7、第三防水电机11、所述运动相机13通信连接，所述运动相机13还与显示终端通信连接，用于传输图像数据，控制芯片还连接有数据计算模块，数据计算模块用于计算第一防水电机2、第二防水电机7、第三防水电机11的旋转角度，并将旋转角度的数据传输至显示终端；

底架支撑在河道下游并进行调平，使滑轨4位于水平面内，然后控制终端启动所述运动相机13，通过控制终端向控制芯片发送控制信号，控制芯片控制两个第一防水电机2同步旋转，在滚珠丝杠3与丝杠螺母的配合作用下调整滑轨4及滑动架、所述运动相机13在河道内不同深度的位置，控制芯片控制第二防水电机7带动滑动杆8旋转，从而对所述运动相机13的位置进行粗调，之后控制芯片控制第三所述运动相机13带动连接杆12旋转，对所述运动相机13的角度及位置进行细调，直至所述运动相机13的拍摄窗口朝向并覆盖所述研究区。

支撑架通过底架的弧形板1、下撑板支撑在河道内，通过在底架的弧形板1及滑轨4设置成半圆环形结构，配合具有一定长度的连接杆12伸出滑轨4外侧，使运动相机13始终位于整个装置的较前侧，减少支撑架本身结构对水流的影响，设置的滑轨4也为半圆环形状，滑动杆8通过滑柱9沿滑槽的延伸方向滑动，并与底部的限位圈10共同对滑柱9的上下两侧进行限位，使滑柱9只沿滑轨4绕第二防水电机7发生水平方向上的移动，不改变运动相机13的水平朝向，配合第三防水电机11驱动连接杆12旋转，改变运动相机13在水平面内的位置，第一防水电机2转动，滚珠丝杠3旋转，丝杠螺母沿滚珠丝杠3移动，改变运动相机13的上下位置，从而能在一定范围内很方便的调整运动相机13的位置，以找到适合作为研究区且及具备较好视角的位置，对运动相机13位置的调整通过简单的部件就实现了全方位的灵活调整，调整后运动相机13的位置在各个结构的限制下也不会轻易移动，提高抗水流扰动的能力。

在另一种技术方案中，如图7-8所示，所述弧形板1的中部设置为竖向贯通的结构，所述安装部的侧向连接有若干个用于辅助支撑的脚板14，脚板14与所述弧形板1位于不同侧。

通过将弧形板1设置为竖向贯通的结构，一方面减少弧形板1与河道内侧底面的接触面积，以更好的适应不同的河道底面不平的情况，另一方面减少对水流的影响，通过设置脚板14，增加底架支撑的稳定性。

在另一种技术方案中，如图7-8所示，两个所述滚珠丝杠3的顶部之间连接设置有限位杆15，限位杆15的顶部设置有气泡水平仪。通过设置气泡水平仪，便于调整底架滚珠丝杠3的竖直度，从而保证滑轨4等结构的水平度，从而保证运动相机13的拍摄方向水平。

在另一种技术方案中，如图7-8所示，所述滑轨4上滑动设置有两套所述滑动架，两个所述滑动杆8在水平面内夹角为90°，每个所述滑动架上分别安装所述连接杆12、所述运动相机13，每个所述滑动杆8分别与所述第二防水电机7的输出轴固定连接，所有所述第三防水电机11分别与所述控制芯片通信连接。

通过设置两套相互垂直的运动相机13及其连接支撑系统，即两个滑动杆8分别沿滑槽同步转动，互成90度，对两个运动相机13的位置及角度调整可共同涵盖180度的大范围角度变化，每个运动相机13及对应的第三防水电机11与控制终端连接，共同通过控制终端进行在线监测及控制运动，使得对运动相机13的控制更加智能化、人性化。

在另一种技术方案中，如图7-8所示，在水流流速小于或等于0.2m/s时，人工调整所述底架临时插入河道下游处，使下支撑杆平行或垂直河道横断面，保持所述连接杆12与所述滑动杆8的长度方向一致，则通过启动所述第二防水电机7旋转，使其中一个所述滑动杆8移动至与所述下撑杆平行，此时对应的所述运动相机13拍摄面完全平行于河道下游的纵断面，另一个所述滑动杆8则垂直于所述下撑杆，此时对应的所述运动相机13的拍摄面完全平行于河道下游的横断面，根据需要选择使用所述运动相机13进行拍摄。

在水流流速大于0.2m/s时，通过所述控制芯片启动所述运动相机13，所述运动相机13的图像拍摄画面实时传输至所述显示终端，通过控制芯片控制两个所述第一防水电机2旋转，带动两个所述滚珠丝杠3同步旋转，从而使对应的两个所述丝杠螺母沿上下直线运动，带动连接的所述上撑杆6上下移动，从而整体改变所述运动相机13在河道水流内的深度位置，通过控制芯片向所述第二防水电机7发送旋转信号旋转角度a，所述第二防水电机7旋转后，根据需要通过所述控制芯片向需要使用的所述运动相机13对应所述第三防水电机11发送旋转信号，旋转a角度或90°-a的角度，从而使调整位置后的所述运动相机13的拍摄面始终与在改变所述滑动杆8位置前的朝向一致或垂直。

河流流速较低，河流流道较浅时，河流的视野相对较好，对人工操作的难度较小，也可全程人工配合支撑架的初始安装，确定设备的初始朝向，之后在线、控制各第一防水电机2、第二防水电机7、第三防水电机11对运动相机13位置及角度的调整即可；而对于河流流速较大或水深较大时，可针对性设置较长、弧形板1及下撑杆相对较粗较长的结构以较为稳定的支撑在河道内，在底架的底部可向下设置多个尖头部，以利于扎进河道底部中，由于在此种条件下人工操作困难，也存在安全风险，将支撑架人工或设备吊装入准备测量处的河道内，通过控制终端启动各个第一防水电机2、第二防水电机7、第三防水电机11对运动相机13位置及角度的调整，且通过对两个滑动杆8呈90度互余的设计，计算简单，只需调整同样的角度a或90°-a的角度，就能使其中一个运动相机13的拍摄方向保持相同，同时，运动相机13的位置又进行了调整，角度运算简单，对第二防水电机7、第三防水电机11的操作也便捷，在保证了运动相机13的拍摄质量的同时，提高了拍摄效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、对天然河道条件下的正常植株进行采样，选取研究区进行拍照，获得图片；

步骤S2、图片预处理，自定义最大高度l_max和最大宽度d_max对图片进行裁剪，确保图片始终覆盖研究区；

步骤S3、对剪裁后的图片进行二值化处理；

步骤S4、对二值化处理后的照片进行孔隙度提取，得到图像面积分数a；

步骤S5、计算淹没植被冠层区的图像体积分数根据图像面积分数a得到单株植株的体积分数为a²，则/>其中n为植被密度，表示单位面积的植株数；

步骤S6、计算淹没植被河道水流垂线流速分布，计算模型基于对流扩散-多孔介质耦合模型理论，将淹没植被区视为多孔介质，定义无量纲参数：

q＝(ρgS₀H²)/μ_e，/>

其中，为垂线水深位置，/>为对应水深处的流速，/>为界面流速，H为植被高度，L为植被上方水体深度，K为渗透系数，S₀为河道坡降，κ为卡门常数，q为特征速度尺度，μ_e为流体有效粘度；

则淹没植被河道垂线流速分布为：

其中，U_w、U_v分别为淹没植被区和植被上方纯水区流速，U＝λ^-2+δλ^{- 1}cothλ，/>D＝1/(2nd_max)²。

2.如权利要求1所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，在步骤S4中采用像素统计法或盒子计数法对二值化的植株照片进行孔隙度提取，得到图像面积分数a。

3.如权利要求2所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，当水下植被为条带状交错生长、植株界限模糊时，设置植被的迎水面孔隙率等于植被层的孔隙率，从而

4.如权利要求1所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，在步骤S1中，利用运动相机进行拍照，运动相机的镜头始终保持水平方向。

5.如权利要求4所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，通过设置支撑架辅助所述运动相机进行拍照，支撑架包括：

底架，其包括水平设置的呈半圆环形的弧形板，弧形板的两端沿切线方向延伸形成相互平行的两个安装部，安装部之间连接有下撑杆，两个安装部上对称开设有安装孔，每个安装孔内固定安装有第一防水电机，第一防水电机的输出轴竖直向上设置且沿竖向连接有滚珠丝杠；

调位架，其包括水平设置的滑轨，滑轨整体呈半圆环形且滑轨的内侧直径与两个滚珠丝杠的间距相等，滑轨上沿长度方向开设有竖向贯通的滑槽，滑轨的两端连接有套管，套管内侧连接有丝杆螺母，每个丝杆螺母分别拧在对应侧的滚珠丝杠上，两个套管的外侧之间连接有上撑杆，上撑杆的中部固定有第二防水电机，第二防水电机的输出轴竖向设置且位于滑轨的圆心处；

滑动架，其包括沿滑轨的径向延伸设置的滑动杆，滑动杆的一端与第二防水电机的输出轴固定连接，滑动杆的另一端沿竖向向下连接有滑柱，滑柱竖直向下穿入至滑槽内且与滑槽之间滑动连接，滑柱的底部伸出至滑槽外并设置有限位圈，限位圈的尺寸大于滑槽的宽度，滑动杆上在靠近滑柱的一侧安装有第三防水电机，第三防水电机的输出轴竖向设置；

拍摄系统，其包括连接杆、所述运动相机，所述运动相机为防水相机，连接杆套设连接在第三防水电机的输出轴上且沿滑动杆的长度方向设置，连接杆的一端延伸至滑动杆上方且与滑动杆的上表面滑动连接，连接杆的另一端向外延伸形成连接部，连接部的外端用于安装所述运动相机；

控制终端，其包括控制芯片、显示终端，控制芯片与显示终端电连接，控制芯片分别与第一防水电机、第二防水电机、第三防水电机、所述运动相机通信连接，所述运动相机还与显示终端通信连接，用于传输图像数据，控制芯片还连接有数据计算模块，数据计算模块用于计算第一防水电机、第二防水电机、第三防水电机的旋转角度，并将旋转角度的数据传输至显示终端；

底架支撑在河道下游并进行调平，使滑轨位于水平面内，然后控制终端启动所述运动相机，通过控制终端向控制芯片发送控制信号，控制芯片控制两个第一防水电机同步旋转，在滚珠丝杠与丝杠螺母的配合作用下调整滑轨及滑动架、所述运动相机在河道内不同深度的位置，控制芯片控制第二防水电机带动滑动杆旋转，从而对所述运动相机的位置进行粗调，之后控制芯片控制第三所述运动相机带动连接杆旋转，对所述运动相机的角度及位置进行细调，直至所述运动相机的拍摄窗口朝向并覆盖所述研究区。

6.如权利要求5所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，所述弧形板的中部设置为竖向贯通的结构，所述安装部的侧向连接有若干个用于辅助支撑的脚板，脚板与所述弧形板位于不同侧。

7.如权利要求5所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，两个所述滚珠丝杠的顶部之间连接设置有限位杆，限位杆的顶部设置有气泡水平仪。

8.如权利要求5所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，所述滑轨上滑动设置有两套所述滑动架，两个所述滑动杆在水平面内夹角为90°，每个所述滑动架上分别安装所述连接杆、所述运动相机，每个所述滑动杆分别与所述第二防水电机的输出轴固定连接，所有所述第三防水电机分别与所述控制芯片通信连接。

9.如权利要求8所述的一种有淹没植被河道垂线流速分布快速计算方法，其特征在于，在水流流速小于或等于0.2m/s时，人工调整所述底架临时插入河道下游处，使所述下支撑杆平行或垂直河道横断面，保持所述连接杆与所述滑动杆的长度方向一致，则通过启动所述第二防水电机旋转，使其中一个所述滑动杆移动至与所述下撑杆平行，此时对应的所述运动相机拍摄面完全平行于河道下游的纵断面，另一个所述滑动杆则垂直于所述下撑杆，此时对应的所述运动相机的拍摄面完全平行于河道下游的横断面，根据需要选择使用所述运动相机进行拍摄；

在水流流速大于0.2m/s时，通过所述控制芯片启动所述运动相机，所述运动相机的图像拍摄画面实时传输至所述显示终端，通过控制芯片控制两个所述第一防水电机旋转，带动两个所述滚珠丝杠同步旋转，从而使对应的两个所述丝杠螺母沿上下直线运动，带动连接的所述上撑杆上下移动，从而整体改变所述运动相机在河道水流内的深度位置，通过控制芯片向所述第二防水电机发送旋转信号旋转角度a，所述第二防水电机旋转后，根据需要通过所述控制芯片向需要使用的所述运动相机对应所述第三防水电机发送旋转信号，旋转a角度或90°-a的角度，从而使调整位置后的所述运动相机的拍摄面始终与在改变所述滑动杆位置前的朝向一致或垂直。