一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法，属于水资源优化配置技术领域。包括：S1.将河段交点、河网边界、污水处理厂和闸门概化为节点，河段概化为边，建立有向河网图模型。S2.基于河网的自然结构，建立河网水量自然分配关系式；S3.纳入污水处理厂污水汇入，纳入闸门调节作用，建立人工调节下的河网水量分配关系；S4.建立污染物在河网中的迁移转化公式；S5.选取一种代表性污染物，构建优化模型。本发明专利技术依据图论方法原理在传统图模型的基础上嵌入支流、闸门、排污口等边界条件，在定量描述河网连接点与河段的水量平衡关系的基础上分析水系功能连通格局，相比传统图论法在水系连通研究的应用范围上有所扩大。水系连通研究的应用范围上有所扩大。水系连通研究的应用范围上有所扩大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法


[0001]本专利技术属于水资源优化配置
，涉及基于图论理论的水系功能连通格局优化方法。

技术介绍

[0002]城市的健康发展依赖城市水系统良性循环状态下蓄水供水、污染净化和防洪排涝等功能的实现。而河网水系的连通状况对区域水资源配置、水旱灾害防御、水体自净能力提高、水生生境维护以及水体物质能量传递等都有着重要的影响。但随着社会发展和城市扩张，许多天然河网受到高强度的人类活动干扰，河网水系结构单一化和主干化的趋势越来越明显、水系连通性受到影响，并由此造成洪水宣泄不畅、生态环境恶化等次生环境问题频频出现。基于此，水利部推出了一系列相关政策来推进水系连通工作。图论法是一种水系连通研究的常用方法，但多应用于连通性评价，本专利技术结合图论的相关理论对水系连通格局进行优化，是图论法应用和水系连通研究的一次新的尝试。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于结合图论思想理论和优化方法，提供一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法。
[0004]本专利技术提供的技术方案是，一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法，包括以下步骤：S1.将河段交点、河网边界、污水处理厂和闸门概化为节点，河段概化为边，建立有向河网图模型。本方法中的闸门指的是设在河网交汇处用水分配水量的分水闸，因此将闸门节点和河段交点合并为一个节点处理。基于图论基本原理构造河网图模型的邻接矩阵A，以及以河宽为权重构造加权邻接矩阵W；S2.摒除污水处理厂污水汇入和闸门调节作用，基于河网的自然结构，结合邻接矩阵和加权邻接矩阵分析河网节点流量矩阵Q和河段流量矩阵Q
edge
的定量关系，建立河网水量自然分配关系式；S3.纳入污水处理厂污水汇入，重置河网节点流量矩阵，纳入闸门调节作用，重置加权邻接矩阵，建立人工调节下的河网水量分配关系；S4.基于人工调节下的河网水量分配关系，分析污染物随水流在河网中的迁移过程，基于水质模型，分析污染物在河网中浓度变化，建立污染物在河网中的迁移转化公式；S5.选取一种代表性污染，以其输出河网的浓度最小为优化目标，结合水量水质约束，构建优化模型。
[0005]作为本专利技术一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法的进一步优化方案，所述的S1步骤包括：S1.1.将河段交点、河网边界、污水处理厂和闸门用点集V表示(若某一河段上下游断面变化较大，可加一节点，作为区分)，将河段用边集E表示，V＝{v
i
}，i＝1，
…
，N；E＝{e
i
}，i＝1，
…
， M。N为河网调节图模型的节点数，M为河网调节图模型河段数。每个e
i
对应一个<
u，v>，u,v ∈V；<u，v>表示方向为u到v，连接两节点的边。并将河网节点分为自然输入节点(河网输入边界)，污水输入节点(污水处理厂节点)，人工调节分流节点(河网交汇闸门节点)，自然分流节点(河网交汇无闸门节点)，汇流节点(上游多支节点)，过渡节点(河段上下游区分节点)，输出节点(河网输出边界)等。
[0006]S1.2.定义邻接矩阵A＝{a
ij
}，a
ij
表示v
i
与v
j
邻接，a
ij
＝1，表示水体可以从v
i
流向v
j
，否则a
ij
＝0；加权邻接矩阵W＝{w
ij
}，w
ij
表示v
i
到v
j
的流量所占v
i
总流量的比例，其值由v
i
下游各河段宽的比例确定，设v
i
到v
j
的河段宽为b
ij
,v
i
下游所有河段河宽总和为b，则w
ij
＝b
ij
/b，当v
i
到v
j
不存在河段时，w
ij
＝0。
[0007]作为本专利技术一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法的进一步优化方案，所述的 S2步骤包括：S2.1.节点水量分配关系式；S2.2.河网水量自然分配关系式。
[0008]进一步的，S2.1对河网任一节点上下游水量分配关系进行分析，有：Q
ij
＝Q
i
w
ij i,j＝1
…
N(N为节点个数)
ꢀꢀꢀ
(1)式(1)(2)中，Q
i
表示进入节点v
i
的总流量值，Q
si
为流经其上游任一河段<v
s
,v
i
>的流量值， Q
ij
为流经其下游任一河段<v
i
,v
j
>的流量值，a
si
为矩阵A的元素，w
ij
为矩阵W的元素。式(1)和式(2)可以表示河网中任一节点的流量分配关系，也即任一节点的水量分配关系。
[0009]S2.2在基于S2.1分析的基础上，考虑河网整体情况，基于节点流量矩阵Q，河段流量矩阵 Q
edge
，邻接矩阵A和加权邻接矩阵W建立河网流量自然分配关系式也即河网水量自然分配关系式：Q
edge
＝QW
ꢀꢀꢀ
(3)Q
join
＝diag(diag(A
T
Q
edge
))
ꢀꢀꢀ
(4)Q＝Q
join
+Q
in
ꢀꢀꢀ
(5)式中，Q
in
，Q
join
和Q为N阶对角矩阵，对角线元素分别表示自然输入节点的流量值，上游河段汇集在节点处的流量值以及汇入节点的流量值三种性质的有序数据系列，数据位置与河网节点一一对应，Q
in
为河网输入流量矩阵，Q
join
为节点汇流矩阵。Q
edge
＝{Q
ij
}
N
×
N
为河段流量矩阵，矩阵元素表示河网相应河段流量。函数diag用于构造一个对角矩阵，或者以向量的形式返回一个矩阵上对角线元素。式(3)表示河网分流过程，式(4)表示河网汇流过程，式(5)表示节点流量矩阵得计算方法。
[0010]作为本专利技术一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法的进一步优化方案，所述的 S3步骤包括：S3.1.纳入污水处理厂排水，重置河网节点流量矩阵；S3.2.纳入闸门调节，重置加权邻接矩阵；S3.3.构建人工调节的河网水量分配关系。
[0011]S3.1.纳入污水处理厂排水即污水输入节点有水源汇入，建立污水流量矩阵Q<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图论理论的水系功能连通格局优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将河段交点、河网边界、污水处理厂和闸门概化为节点，河段概化为边，建立有向河网图模型。基于图论基本原理构造河网图模型的邻接矩阵A，以及以河宽为权重构造加权邻接矩阵W；S2.摒除污水处理厂污水汇入和闸门调节作用，基于河网的自然结构，结合邻接矩阵和加权邻接矩阵分析河网节点流量矩阵Q和河段流量矩阵Q
edge
的定量关系，建立河网水量自然分配关系式；S3.纳入污水处理厂污水汇入，重置河网节点流量矩阵，纳入闸门调节作用，重置加权邻接矩阵，建立人工调节下的河网水量分配关系；S4.基于河网水量分配关系，分析污染物随水流在河网中的迁移过程，基于水质模型，分析污染物在河网中浓度变化，建立污染物在河网中的迁移转化公式；S5.选取一种代表性污染物，以其输出河网的浓度最小为优化目标，结合水量水质约束，构建优化模型。2.根据权利要求1所述的基于图论理论的水系功能连通格局优化方法，其特征在于，所述的S2步骤中构建河网水量自然分配关系，关系式包括：Q
edge
＝QW
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)Q
join
＝diag(diag(A
T
Q
edge
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)Q＝Q
join
+Q
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，Q
in
，Q
join
和Q为N阶对角矩阵，对角线元素分别表示自然输入节点的流量值，上游河段汇集在节点处的流量值以及汇入节点的流量值三种性质的有序数据系列，数据位置与河网节点一一对应，Q
in
为河网输入流量矩阵，Q
join
为节点汇流矩阵；Q
edge
＝{Q
ij
}
N
×
N
为河段流量矩阵，矩阵元素表示河网相应河段流量。3.根据权利要求1所述的基于图论的水系功能连通格局优化方法，其特征在于，所述的S3步骤中构建的人工调节的河网水量分配关系，关系式包括：式(4)中，Q
sew
为污水流量矩阵，W
new
为考虑闸门调度时对应闸门调度方案下新的加权邻接矩阵。4.根据权利要求1所述的基于图论理论的水系功能连通格局优化方法，其特征在于，所述的S4步骤中构建的构建污染物迁移转化公式包括：式中，K＝{K
ij
}为污染物河段消减系数矩阵，C为河网节点污染物浓度矩阵，C
edge
为河段
末端污染物浓度矩阵，矩阵C和矩阵C
edge
的形式分别与Q和Q
edge
一致。式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦明，石亚欣，于璐，靳梦，李桂秋，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：