一种河湖水系动力重构方法、系统、设备及计算机存储介质技术方案

本发明专利技术涉及一种河湖水系动力重构方法、系统、设备及计算机存储介质，方法包括获取预定水域的动力特性，以该动力特性对该预定水域内的所有河流进行聚类、得到各个类；对动力特性不同的各个类分别进行空间分布格局分析；在空间分布格局分析完成的基础之上，构建动力匹配多目标优化模型和布局优化模型，并分别对其求解。本发明专利技术用于定量描述河湖水系水安全适配程度，通过对河流进行系统聚类，得到动力特性不同的多个类，各个类包含动力特性相似的若干条河。以类为单位描述河流动力的空间差异性，对动力特性不同的各个类分别进行空间分布格局分析，然后基于其空间分布格局总结概括空间分布的位置规律。布的位置规律。布的位置规律。

【技术实现步骤摘要】
一种河湖水系动力重构方法、系统、设备及计算机存储介质


[0001]本专利技术涉及一种河湖水系动力重构方法、系统、设备及计算机存储介质，涉及水系动力领域。

技术介绍

[0002]河湖水系连通是一个复杂的水网系统，由多种要素构成。河湖水系的动力需求指标体系主要包括结构连通性、水力连通性和地貌特性。结构连通性指标分析区域内的河频数、水面率和水系连通度；水力连通性指标分析区域内河流长度、水体的流动能力、河道输出能力等；地貌特性指标是对河流的纵向连续性、侧向连通性、河道稳定性等方面进行分析。结构连通性是提高河湖水系水资源统筹调配能力、改善水生态环境状况的基础，而水力连通性则体现水系水旱灾害防御能力，对河湖水系连通的实践有较强的指导意义。
[0003]传统用于重构河湖水系的方法通常没有将河湖水系动力需求集与动力重构措施集进行恰当的匹配，导致构建的模型具有较大的不确定性和不稳定性。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：提出一种河湖水系动力重构方法、系统、设备及计算机存储介质，以解决现有技术存在的上述问题。
[0005]技术方案：第一方面，提供了一种河湖水系动力重构方法，该方法包括以下步骤：
[0006]获取预定水域的动力特性，以该动力特性对该预定水域内的所有河流进行聚类、得到各个类；选取第i条河与第j条河之间的距离d
ij
作为聚类的标准，以该动力特性分析实现水安全保障对水动力的需求。
[0007]在多种距离计算方法中，选用最易于理解的欧氏距离。距离d
ij
满足以下三条性质：
[0008]1)非负性且
[0009]2)对称性
[0010]3)三角形性质
[0011]因此，距离d
ij
可以作为一种度量数据对象间相似程度的聚类标准，d
ij
越小，数据对象越相似。将各河流中有关动力的特性作为指标，定量计算各河流之间的距离，进而找到相似的河流，完成河流样品的聚类。
[0012]对动力特性不同的各个类分别进行空间分布格局分析：对河流进行系统聚类后，得到了动力特性不同的多个类，各个类包含动力特性相似的若干条河。以类为单位描述河流动力的空间差异性，对动力特性不同的各个类分别进行空间分布格局分析，然后基于其空间分布格局总结概括空间分布的位置规律。
[0013]建立动力需求集与动力措施集，构建动力优化匹配模型，对其求解。
[0014]在空间分布格局分析完成的基础之上，构建动力匹配多目标优化模型和布局优化模型，并分别对其求解。
[0015]在第一方面的一些可实现方式中，对预定水域内的所有河流进行聚类的过程进一步包括：
[0016]定义共有n个样品，每个样品具有p个指标，则第i个样品表示为X
i
＝(x
i1
,x
i2
,
…
,x
ip
)；选取第i条河与第j条河之间的距离d
ij
作为聚类的标准；
[0017]选用类平均法，由若干条河流组成的类Y
a
与类Y
b
之间的距离D
ab
按照下式进行计算：
[0018]D
ab
＝average(d
ij
)X
i
∈Y
a
，X
j
∈Y
b
[0019]式中：X
i
与X
j
分别表示第i、第j条河，它们分别属于类Y
a
与类Y
b
；d
ij
表示X
i
与X
j
之间的距离；
[0020]将距离最小的两类合并为一个新类，判断类的个数是否为1；在类的个数不为1时，返回计算当前各类之间的距离；在类的个数为1时，绘制各条河的系统聚类图，并根据图形结构确定最终结果中类的个数，统计各个类所包含河流的最终结果，完成系统聚类。
[0021]在第一方面的一些可实现方式中，空间分布格局分析的过程如下：
[0022]提出L(d)函数，表达形式如下：
[0023][0024]其中，
[0025]式中，n为研究区域内点事件的数量，A表示研究区域的面积，d表示距离尺度，d
ij
表示两个点事件之间的距离，i、j分别表示第i条河、第j条河，其余各符号含义同上；
[0026]根据L(d)函数的值判断点事件在距离尺度d下的空间分布类型：当L(d)＞0时，为聚集分布；当L(d)＝0时，为随机分布；当L(d)＜0时，为均匀分布；
[0027]将随机分布的L(d)函数曲线与实际的L(d)函数曲线绘制在同一坐标系中，通过曲线之间的位置关系来判断点事件的空间分布类型，如下：
[0028]在研究区域范围内随机生成m组点事件，每组包含n个点；
[0029]对每一组随机点事件，求解在不同距离尺度d下的L(d)函数值；
[0030]把每个距离尺度d下的m个L(d)函数值由小到大进行排序，分别保留最大值和最小值；
[0031]根据各距离尺度d下的L(d)函数最大值绘制随机分布的上包迹线，根据各距离尺度d下的L(d)函数最小值绘制随机分布的下包迹线；
[0032]如果点事件的实际L(d)函数值位于上包迹线的上方，则在此距离尺度d下点事件为聚集分布；如果点事件的实际L(d)函数值位于上下包迹线之间，则在此距离尺度d下点事件为随机分布；如果点事件的实际L(d)函数值位于下包迹线的下方，则在此距离尺度d下点事件为均匀分布。
[0033]在第一方面的一些可实现方式中，河湖水系动力重构需求定量分析方法采用试算法的思路，首先对研究区域进行片区划分，设定片区动力重构需求目标(水质、排洪量、资源调配能力等)；然后通过调整河湖水系动力条件(流量、水位)通过水量
‑
水质模型模拟计算，直到达到目标，获得动力需求。下文从水生态环境安全保障、防洪安全保障、供水安全保障
(资源调配能力)方面对河湖水系动力重构需求定量分析方法进行详细阐述。从静态和动态两个方面计算典型研究区的污染负荷：静态方面，基于资料较完备的水质监测断面观测数据，采用单因子评价法进行评价，确定研究区域水质的本底值；动态方面，提出了包括工业废水、生活污水、农业面源等来源的污染物入河量、入河浓度、入河方式计算方法。
[0034](1)静态评价
[0035]基于研究区内资料较完备的水质监测断面观测数据，采用单因子评价法对水生态环境现状进行静态评价：即用水体各监测项目的监测结果对照该项目的分类标准，确定该项目的水质类别，在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为水体的水质类别。
[0036]以单因子指数法对流域水环境质量现状进行评价，该方法的计算公式如下：
[0037][0038]式中：I
i
为该项污染物的污染本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
式中，N
城
为城镇人口数；α2为城镇生活排污系数；农田入河污染物量：W
农
＝W
农p
×
β4式中，W
农
为农田污染物入河量；W
农p
为农田污染物排放量；β4为农田污染物入河系数；W
农p
＝M
×
α3式中，M为耕地面积；α3为农田排污系数；畜禽养殖污染物入河量：W
畜禽
＝W
畜禽p
×
β5式中，W
畜禽
为畜禽养殖污染物入河量；W
畜禽p
为禽养殖污染物排放量；β5为畜禽养殖污染物入河系数；W
畜禽p
＝N
畜禽
×
α4式中，N
畜禽
为折换成猪后的养殖头数；α4为畜禽排污系数。5.根据权利要求1所述的一种河湖水系动力重构方法，其特征在于，构建得到的动力匹配多目标优化模型如下：配多目标优化模型如下：配多目标优化模型如下：式中，α
i,j
表示动力需求对重构措施的满意度，β
i,j
表示重构措施对动力重构的满意度，γ
i,j
表示重构措施成本线性归一化后的值；其中，动力需求对重构措施的满意度重构措施对动力重构的满意度重构措施成本线性归一化后的值式中，n表示动力需求量，m表示重构措施量，c
i,j
表示动力需求实施重构技术的成本，(c
i,j
)
max
表示动力需求实施重构技术的最大成本；对多目标优化模型求解的过程进一步为，将动力匹配多目标优化模型转化为单目标优化模型求解：式中，ω1、ω2、ω3为各分目标的权重系数，其余各符号含义同上。6.根据权利要求1所述的一种河湖水系动力重构方法，其特征在于，构建布局优化模型的过程进一步为：
以整个研究区域河湖水系所选的动力需求指标满足程度最大为目标函数，表达式为：式中，M为整个研究区域河湖水系所选的动力需求指标的总满足程度；RN为系统中的河流数目；IN为所选河湖水系动力需求指标数目；T为研究期时段数；为第g条河、第h个动力需求指标、第t时段的值；为第g条河、第h个动力需求指标、第t时段的最优值；Δt为计算时段t的时长；构建水量平衡约束、措施作用位置约束、水位上下限约束、流量上下限约束、水位变幅约束、以及流量变幅约束：水量平衡约束：V
g,t
＝V
g,t
‑1+(I
g,t
‑
O
g,t
)
·
Δt式中，V
g,t
为第g条河、第t时段的蓄量；V
g,t
‑1为第g条河、第t
‑
1时段的蓄量；I
g,t
为第g条河、第t时段的入流量；O
g,t
为第g条河、第t时段的出流量；措施作用位置约束：动力重构措施布局优化模型选择措施在河流上的作用点为决策变量，以该位置距河流起点的距离标识，记第g条河的措施作用位置为l
g
；ls
g
≤l
g
≤le
g
式中，ls
g
、le
g
分别为第g条河的起始位置和终止位置；上限、下限水位约束：式中，Z
g,t
为第g条河、第x断面、第t时刻的计算水位；Z
g,t
为允许的下限水位；为允许的上限水位；最大、最小流量约束：q
g,x,min
≤q
g,x,t
≤q
g,x,max
式中，q
g,x,t
为第g条河、第x断面、第t时刻的计算流量；q
g,x,min
为允许的最小流量；q
g,x,max
允许的最大流量；水位变幅约束：|Z
g,x,t+1
‑
Z
g,x,t
|≤ΔZ
g,x
式中，Z
g,x,t+1
为第g条河、第x断面、第t+1时刻的计算水位；为ΔZ
g,x
为第g条河、第x断面允许的最大水位变幅；流量变幅约束：|q
g,x,t+1
‑
q
g,x,t
|≤Δq
g,x
式中，q

【专利技术属性】
技术研发人员：吴时强，吴修锋，张宇，戴江玉，王小东，顾芳芳，薛万云，王芳芳，杨倩倩，高昂，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：