本發(fā)明涉及基于網(wǎng)絡(luò)流的平原河網(wǎng)圩區(qū)水環(huán)境調(diào)度方案優(yōu)選方法，屬于生態(tài)環(huán)保智能化。

背景技術(shù)：

1、在平原河網(wǎng)地區(qū)，為了滿足防洪、灌溉、供水等需求，當(dāng)?shù)厝嗣窠ㄔO(shè)了大量的圩區(qū)，圩區(qū)建設(shè)顯著改變了天然河網(wǎng)的物理形態(tài)、水文特征和生態(tài)功能，形成了一個(gè)自然與人工水體共同構(gòu)成的復(fù)合河網(wǎng)系統(tǒng)。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，圩區(qū)內(nèi)部河湖水系的開(kāi)發(fā)改造加劇，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨向于簡(jiǎn)單化和主干化，不僅降低了河網(wǎng)系統(tǒng)的自然調(diào)節(jié)能力，損害了水生生態(tài)環(huán)境，還增加了洪水風(fēng)險(xiǎn)。圩區(qū)邊界建設(shè)泵站和水閘等水利設(shè)施，圩內(nèi)外水系相對(duì)獨(dú)立，圩區(qū)內(nèi)部和外部的水量交換主要依靠人工調(diào)節(jié)，一定程度上限制了圩內(nèi)外水體的自由交換，增加了圩內(nèi)水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)壓力。近年來(lái)，隨著人民群眾對(duì)美好生態(tài)環(huán)境需要日益增長(zhǎng)，對(duì)治水的期盼在保障水安全基礎(chǔ)上，向營(yíng)造水生態(tài)健康和水環(huán)境，建設(shè)幸福河湖轉(zhuǎn)變。定量評(píng)估當(dāng)前圩區(qū)水系連通現(xiàn)狀，優(yōu)化圩區(qū)河湖水系布局，綜合調(diào)度管理現(xiàn)有水利設(shè)施，對(duì)于改善圩區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通，實(shí)現(xiàn)水體有序流動(dòng)，提升圩區(qū)水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

2、近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)河湖水系連通內(nèi)涵、水系連通評(píng)價(jià)及水系連通優(yōu)化等方面進(jìn)行了較多研究，對(duì)于水系連通評(píng)價(jià)及優(yōu)化方法的研究取得了較多進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外河湖水系連通研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)和趨勢(shì)：

3、（1）多學(xué)科交叉趨勢(shì)：河湖水系連通研究呈現(xiàn)多學(xué)科交叉趨勢(shì)，涵蓋水文水動(dòng)力、景觀生態(tài)、河流地貌學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域。例如，水文水動(dòng)力學(xué)提供了對(duì)水流過(guò)程的精確模擬，景觀生態(tài)學(xué)關(guān)注連通性對(duì)生物多樣性的影響，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論則用于分析水系網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)和功能。

4、（2）多樣化的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系：在水系連通評(píng)價(jià)方面，評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系眾多，主要利用圖論法、景觀生態(tài)學(xué)法、水文水動(dòng)力學(xué)法等方法，構(gòu)建綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從水系的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等方面綜合評(píng)價(jià)。具體而言，圖論法通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)和邊的關(guān)系評(píng)估水系連通性，景觀生態(tài)學(xué)法評(píng)估生態(tài)連通性及其對(duì)生物棲息地的影響，而水文水動(dòng)力學(xué)法則模擬水體流動(dòng)和交換過(guò)程。

5、（3）優(yōu)化方法的多目標(biāo)化和模型化：在水系連通優(yōu)化方法研究方面，目前主要利用水文水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬和優(yōu)化，部分學(xué)者還引入了圖模型和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等方法開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化方法不僅關(guān)注水系的連通性，還兼顧了生態(tài)環(huán)境、水資源管理等多個(gè)方面的需求。

6、盡管研究取得了進(jìn)展，但仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：國(guó)內(nèi)外以往研究主要還是針對(duì)大江大河以及區(qū)域骨干水系，對(duì)平原河網(wǎng)圩區(qū)等小尺度區(qū)域的水系連通性研究相對(duì)較少。當(dāng)前圩區(qū)水系規(guī)劃設(shè)計(jì)更多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)決策，缺乏足夠的理論支撐，且部分優(yōu)化方案可能只考慮了局部的連通性，沒(méi)有充分考慮到對(duì)整個(gè)水系的潛在影響。水文水動(dòng)力模型是優(yōu)化水系功能連通的常用有效工具，但其數(shù)據(jù)需求高，模型構(gòu)建復(fù)雜，使用成本較高；平原河網(wǎng)地區(qū)，水體流速小，水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，通常難以很好滿足水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建需求；采用水動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化河湖水系結(jié)構(gòu)和水利工程調(diào)度方案在平原河網(wǎng)圩區(qū)大面積推廣應(yīng)用受到限制。

7、因此，亟待研究出圩區(qū)閘泵調(diào)度方案優(yōu)選方法，從而改善圩區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通、實(shí)現(xiàn)圩區(qū)水體有序流動(dòng)，提升圩區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是：克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供基于網(wǎng)絡(luò)流的平原河網(wǎng)圩區(qū)水環(huán)境調(diào)度方案優(yōu)選方法，能夠得出不同預(yù)設(shè)指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的優(yōu)選水利工程設(shè)施調(diào)度方案，利于以智能化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)圩區(qū)水系的改善。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

3、基于網(wǎng)絡(luò)流的平原河網(wǎng)圩區(qū)水環(huán)境調(diào)度方案優(yōu)選方法，其特征是，包括以下步驟：

4、第一步、將目標(biāo)圩區(qū)水系進(jìn)行概化獲得網(wǎng)絡(luò)流模型；

5、第二步、將目標(biāo)圩區(qū)水系內(nèi)的水利工程設(shè)施根據(jù)預(yù)設(shè)過(guò)程進(jìn)行處理并形成水利工程設(shè)施調(diào)度方案優(yōu)選集；

6、第三步、根據(jù)水利工程設(shè)施調(diào)度方案優(yōu)選集，按照預(yù)設(shè)指標(biāo)進(jìn)行篩選，該預(yù)設(shè)指標(biāo)為死水河段占比、河段流量通過(guò)率或特定河段活水；最終獲得各預(yù)設(shè)指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的優(yōu)選水利工程設(shè)施調(diào)度方案。

7、該方法從網(wǎng)絡(luò)流理論出發(fā)，立足平原河網(wǎng)圩區(qū)的復(fù)雜水系特征，通過(guò)對(duì)水系連通優(yōu)化，得出不同預(yù)設(shè)指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的優(yōu)選水利工程設(shè)施調(diào)度方案，對(duì)于以智能化技術(shù)手段提高圩區(qū)水資源利用效率，改善圩區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通、實(shí)現(xiàn)圩區(qū)水體有序流動(dòng)，提升圩區(qū)水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

8、本發(fā)明進(jìn)一步完善的技術(shù)方案如下：

9、優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)流模型包括節(jié)點(diǎn)、邊、邊的方向以及邊的容量；

10、節(jié)點(diǎn)至少包括水系交匯點(diǎn)、孤立點(diǎn)、懸掛點(diǎn)、源點(diǎn)以及匯點(diǎn)之一，其中，孤立點(diǎn)由獨(dú)立的水域概化而來(lái)，懸掛點(diǎn)由僅與一條水道相連的小型水域概化而來(lái)，源點(diǎn)由圩區(qū)進(jìn)水口概化而來(lái)，匯點(diǎn)由圩區(qū)內(nèi)水流交匯點(diǎn)或圩區(qū)出水口概化而來(lái)；

11、邊代表水流的路徑，由圩區(qū)水系中的自然河段、人造水道或水利工程設(shè)施概化而來(lái)，其中，人造水道包括渠道、涵管，水利工程設(shè)施包括水閘、泵站、閘站；

12、邊的方向代表此邊的水流方向性及其穩(wěn)定性，至少包括單向、時(shí)期性單向、雙向之一；其中，邊的方向?yàn)閱蜗騽t表示此邊的水流流向長(zhǎng)期保持恒定；邊的方向?yàn)闀r(shí)期性單向則表示此邊受外界因素影響下在預(yù)設(shè)研究時(shí)期內(nèi)水流流向確定；邊的方向?yàn)殡p向則表示此邊因地形平緩、水情復(fù)雜且受人類(lèi)活動(dòng)影響而水流流向不定；

13、邊的容量代表此邊在非汛期的過(guò)流能力，并且由圩區(qū)控制水位對(duì)應(yīng)的最大過(guò)流能力確定。

14、更優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)流模型中，邊的約束條件包括：容量約束、流量守恒約束、非負(fù)流量約束；

15、容量約束為：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流模型中的每一條邊，其流量不能超過(guò)容量，即：

16、；

17、上式中，為邊的流量，為邊的容量，邊的兩個(gè)端點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)，為邊的集合；

18、流量守恒約束為：除源點(diǎn)和匯點(diǎn)外，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)流總量等于出流總量，即：

19、；

20、非負(fù)流量約束為：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流模型中的每一條邊，其流量必須是非負(fù)值，即：

21、。

22、所述網(wǎng)絡(luò)流模型中，邊的容量采用河段平均河寬對(duì)應(yīng)的過(guò)流能力作為近似代替，計(jì)算公式及其涉及到的水力學(xué)參數(shù)如下：

23、；

24、；

25、；

26、；

27、以上各式中，為河段平均河寬；為圩內(nèi)最高控制水位與圩內(nèi)最低控制水位的差值；為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；為濕周；為水力半徑；為邊坡系數(shù)；為水力坡度；為河道糙率；為謝才系數(shù)。

28、更優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)流模型中還設(shè)有輔助源點(diǎn)和輔助匯點(diǎn)，輔助源點(diǎn)作為唯一水源入口，輔助匯點(diǎn)作為水流的唯一出口；將輔助源點(diǎn)通過(guò)具有預(yù)設(shè)容量的邊分別連接到各個(gè)原先的源點(diǎn)，這些邊的預(yù)設(shè)容量代表從輔助源點(diǎn)到各個(gè)原先的源點(diǎn)間水流的最大可能流量；將各個(gè)原先的匯點(diǎn)分別通過(guò)具有預(yù)設(shè)容量的邊連接到輔助匯點(diǎn)，這些邊的預(yù)設(shè)容量代表水從各個(gè)原先的匯點(diǎn)流向輔助匯點(diǎn)的能力。這樣，原有的多源多匯的網(wǎng)絡(luò)被轉(zhuǎn)換成了一個(gè)從單一源點(diǎn)到單一匯點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這種轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，使其更易于使用最大流算法進(jìn)行分析和求解。

29、更優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)流模型采用以ford-fulkerson算法為核心的最大流算法，該最大流算法包括以下步驟：

30、s1、將網(wǎng)絡(luò)中每條邊的流量初始化為0；其中，邊為，且邊的流量為；

31、s2、根據(jù)當(dāng)前流量，構(gòu)建剩余網(wǎng)絡(luò)；該剩余網(wǎng)絡(luò)中的每條邊的容量是原網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)邊的容量之差，即；對(duì)于每條邊，在剩余網(wǎng)絡(luò)中還包括一條反向邊，其容量為；

32、s3、在剩余網(wǎng)絡(luò)中尋找從輔助源點(diǎn)到輔助匯點(diǎn)的路徑，即增廣路徑；尋找時(shí)采用深度優(yōu)先搜索dfs算法、或廣度優(yōu)先搜索bfs算法。

33、s4、對(duì)于找到的增廣路徑，計(jì)算該路徑上所有邊的最小剩余容量，記為；之后沿著增廣路徑更新流量；

34、更新流量的具體過(guò)程為：對(duì)于增廣路徑上的每條正向邊，增加流量；對(duì)于路徑上的每條反向邊，減少流量；

35、s5、根據(jù)新的流量分布，更新剩余網(wǎng)絡(luò)；

36、s6、重復(fù)s3至s5，直至在剩余網(wǎng)絡(luò)中找不到從輔助源點(diǎn)到輔助匯點(diǎn)的增廣路徑為止；當(dāng)找不到增廣路徑時(shí)，算法終止，此時(shí)從輔助源點(diǎn)到輔助匯點(diǎn)的流量即為最大流。

37、采用以上優(yōu)選方案，可進(jìn)一步優(yōu)化第一步的具體技術(shù)特征。

38、優(yōu)選地，第二步的預(yù)設(shè)過(guò)程為：

39、t1、將各水利工程設(shè)施的最大過(guò)流量作為其對(duì)應(yīng)邊的容量約束；其中，泵站的最大過(guò)流量由其泵機(jī)的過(guò)流能力確定；閘站和水閘的閘門(mén)開(kāi)度根據(jù)目標(biāo)圩區(qū)水位的實(shí)際情況設(shè)定為預(yù)設(shè)值；水閘的最大過(guò)流量由閘門(mén)的過(guò)流能力決定；對(duì)于閘站，排水時(shí)閘站的最大過(guò)流量由泵機(jī)的過(guò)流能力決定，引水時(shí)閘站的最大過(guò)流量由閘門(mén)的過(guò)流能力決定；

40、t2、假定水流方向隨著水利工程設(shè)施調(diào)度的改變而改變，將水閘作為引水設(shè)施，將泵站作為排水設(shè)施，將閘站按需作為引水設(shè)施或排水設(shè)施；按照開(kāi)啟引水設(shè)施時(shí)要配備開(kāi)啟排水設(shè)施以維持水流平衡的原則，將引水設(shè)施與排水設(shè)施進(jìn)行組合，從而列出一組水利工程設(shè)施調(diào)度方案，形成初始方案集；

41、t3、在初始方案集中，按以下過(guò)程對(duì)水利工程設(shè)施調(diào)度方案進(jìn)行篩選：

42、i、對(duì)于包含閘泵一體型閘站的水利工程設(shè)施調(diào)度方案，若該方案將閘泵一體型閘站既作為引水設(shè)施同時(shí)又作為排水設(shè)施，則去除該方案；

43、ii、針對(duì)各水利工程設(shè)施調(diào)度方案，列出從引水設(shè)施到排水設(shè)施的所有引水路徑，其中若有引水路徑的長(zhǎng)度小于預(yù)設(shè)值，則去除該方案；

44、iii、對(duì)于引水設(shè)施只有一個(gè)且排水設(shè)施只有一個(gè)、也即屬于單引單排的水利工程設(shè)施調(diào)度方案，若該方案的引水流量低于預(yù)設(shè)值，則去除該方案；

45、篩選后所得水利工程設(shè)施調(diào)度方案，形成水利工程設(shè)施調(diào)度方案優(yōu)選集。

46、采用以上優(yōu)選方案，可進(jìn)一步優(yōu)化第二步的具體技術(shù)特征。

47、優(yōu)選地，第三步中，死水河段占比記作，其含義為：在某個(gè)水利工程設(shè)施調(diào)度方案下，圩區(qū)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大流時(shí)，流量為0的河段總長(zhǎng)度占總河段長(zhǎng)度的比例；具體計(jì)算公式如下：

48、；

49、該式中，為流量為0的河段總長(zhǎng)度；為總河段的長(zhǎng)度；

50、河段流量通過(guò)率記作，其含義為：在某個(gè)水利工程設(shè)施調(diào)度方案下，圩區(qū)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大流時(shí)，各河段的流量與容量比值的加權(quán)平均值，且其權(quán)重按各河段長(zhǎng)度占總河段長(zhǎng)度的比例計(jì)算；具體計(jì)算公式如下：

51、；

52、該式中，為第條河段的流量；為第條河段的容量；為第條河段的長(zhǎng)度；為總河段的長(zhǎng)度。

53、更優(yōu)選地，當(dāng)預(yù)設(shè)指標(biāo)為死水河段占比時(shí)，計(jì)算各水利工程設(shè)施調(diào)度方案的死水河段占比，通過(guò)比較得出死水河段占比最低的水利工程設(shè)施調(diào)度方案，這代表該方案在改善圩區(qū)水系連通性方面表現(xiàn)最佳，有助于提升圩區(qū)整體水環(huán)境質(zhì)量，增強(qiáng)水體自?xún)裟芰?；以此方案作為以死水河段占比為指?biāo)的優(yōu)選結(jié)果。

54、具體實(shí)踐表明，并非所有最大化水流的方案都能有效改善圩區(qū)內(nèi)的水動(dòng)力條件，部分方案雖然能實(shí)現(xiàn)較大的過(guò)流量，但這種流量的分配可能并不有利于整個(gè)圩區(qū)的水動(dòng)力活性，水流可能僅集中在少數(shù)河道中，而不是廣泛分布于整個(gè)圩區(qū)。因此，在以圩區(qū)死水范圍最小為調(diào)度目標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將預(yù)設(shè)指標(biāo)設(shè)為死水河段占比，從而篩選出在改善水系連通性方面表現(xiàn)最佳的方案。

55、更優(yōu)選地，當(dāng)預(yù)設(shè)指標(biāo)為河段流量通過(guò)率時(shí)，計(jì)算各水利工程設(shè)施調(diào)度方案的河段流量通過(guò)率，通過(guò)比較得出河段流量通過(guò)率最高的水利工程設(shè)施調(diào)度方案，這代表該方案在圩區(qū)河道整體流動(dòng)性方面表現(xiàn)最佳，有助于保證圩區(qū)河道水流以較大流量通過(guò)，水流速度增加、河道過(guò)流面積增大，河道水流速度增加，水力停留時(shí)間短，水體自?xún)裟芰υ酱?，河道過(guò)流斷面面積越大，濕周越大，水生生物生存空間越大；以此方案作為以河段流量通過(guò)率為指標(biāo)的優(yōu)選結(jié)果。

56、更優(yōu)選地，當(dāng)預(yù)設(shè)指標(biāo)為特定河段活水時(shí)，從各水利工程設(shè)施調(diào)度方案中篩選出在圩區(qū)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大流時(shí)該特定河段實(shí)現(xiàn)活水的方案；若所得方案有兩個(gè)以上，則從這些方案中篩選出死水河段占比最低或河段流量通過(guò)率最高的水利工程設(shè)施調(diào)度方案；以此方案作為以特定河段活水為指標(biāo)的優(yōu)選結(jié)果。

57、采用以上優(yōu)選方案，可進(jìn)一步優(yōu)化第三步的具體技術(shù)特征。

58、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明從網(wǎng)絡(luò)流理論出發(fā)，立足平原河網(wǎng)圩區(qū)的復(fù)雜水系特征，構(gòu)建了具有普適性的水系連通優(yōu)化技術(shù)方案，經(jīng)驗(yàn)證具備有效性和實(shí)用性，能夠得出不同預(yù)設(shè)指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的優(yōu)選水利工程設(shè)施調(diào)度方案，對(duì)于提高圩區(qū)水資源利用效率，改善圩區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通、實(shí)現(xiàn)圩區(qū)水體有序流動(dòng)，提升圩區(qū)水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。