CN106447105A - 基于连通性指数和图论的河网连通性量化及闸坝优化方法 - Google Patents

基于连通性指数和图论的河网连通性量化及闸坝优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于连通性指数和图论的河网连通性量化方法，将河网概化为以河段为顶点、以闸坝为边的有向河网图模型；再用邻接矩阵表示出来，计算邻接矩阵任意两河段之间的最短距离路径，得到多个易达路径；再计算河网网状水系连通性指数RCI。利用该方法进行闸坝系统优化的方法为，依次去掉河网内的其中任意一个闸坝，并重新计算RCI，将得到的多个RCI指数由大到小排列，排列顺序即为优先拆除顺序，根据该优先拆除次序对河网闸坝系统进行优化。本发明的连通性量化方法打破了树状水系连通性指数应用范围的局限性，可用于河网水系连通性变化评估，且可适用于水利工程繁多、人工渠系交织、复杂的网状河流系统的优化。

Description

基于连通性指数和图论的河网连通性量化及闸坝优化方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种基于连通性指数和图论的河网连通性量化方法，还涉及基于该连通性量化方法的闸坝系统优化方法。
背景技术
河网连通性分析是河网水系演变研究与水系修复中的一项重要工作。目前多见从水系格局角度出发，将河网概化为无向图，采用边连通度KL和点连通度Kv表征河网的连通程度。在此基础上，将河网图模型用于水利工程对河网连通性影响的研究，多采用树状水系连通性指数DCI进行评价。如Cote,D等(A new measure of longitudinal connectivityfor stream network[J].Landscape econology.2009,24(1):101-113.DOI:10.1007/s10980-008-9283-y)基于生物体能够在网络的两个随机点之间自由移动的期望概率，开发了河网纵向连通性指数，量化河流网络连接障碍的位置对树状水系连通性影响。孙鹏(闸坝对河流栖息地连通性的影响研究[J].中国农村水利水电,2016,No.400 02:53-56)等利用树状水系连通性指数的方法，对潍河流域诸城段的连通性进行了研究；利用可通过能力对连通性的影响，计算拆除每个闸坝后整个水系连通性的增量，确定闸坝拆除的优先次序。罗贤等(水利工程对河网连通性的影响研究——以太湖西苕溪流域为例[J].水利水电技术,2012,v.43；No.467 09:12-15.)利用空间分析、连续性指标以及树状河网连通性指数等方法,深入探讨了闸坝对河网连通性的影响。Grill,G等(Development of new indicatorsto evaluate river fragmentation and flow regulation at large scales:A casestudy for the Mekong River Basin.[J]Ecological Indicators.2014,45:148–159)基于网状水系连通性指数(DCI)，引入了包含河流种类和河流迁徙连通性在内的新的河网连通性指数(RCI)和河流监管指数(RRI)，作为树状水系连通性和河流调节能力的衡量工具。Joshuah S.Perkina等(Simulating fish dispersal in stream networks fragmentedby multiple road crossings[J].Ecological Modelling,2013,257(24):44–56)采用树状水系连通性指数DCI评估河网栖息地顶点变化情况。而上述研究仅适用于树状水系，对于水利工程繁多、人工渠系交织、复杂的网状河流系统则具有局限性。
现有研究中多将河网概化为无向图，虽在一定程度上可以表征河网结构的拓扑关系，但对于河流的有向性未能做到真实的表达。水利工程的修建多与局部调水、发电和防洪等人类需求密切相关，而对于包含城市河网的流域，在整体上呈现出河道人工化、水系网络化、河流碎片化、闸坝密集而利用率不高的现象。将河网图模型用于水利工程对河网连通性影响的研究，可从流域层面对闸坝系统进行全局优化，但现有研究中多采用树状水系连通性指数DCI进行评价，对于网状水系则具有局限性，无法应用于网状水系的河网连通性评估和闸坝系统分析，且不够准确可靠的连通性评估结果大大影响了水利工程的优化工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于连通性指数和图论的河网连通性量化方法，将网状水系连通性指数和图论思想结合，解决树状水系连通性指数不适用于网状水系连通性评价的问题。
本发明的另一目的是提供一种基于上述连通性量化方法的闸坝系统优化方法，解决了现有连通性量化方法难以应用于复杂的网状水系优化的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于连通性指数和图论的河网连通性量化方法，包括以下步骤：
步骤1，将河网概化为以河段为顶点、以闸坝为边的有向河网图模型。
步骤2，首先将概化后的河网图模型用邻接矩阵表示，计算邻接矩阵任意两河段之间的最短距离路径，得到多个易达路径；然后计算多个易达路径的连通性的总和，得到河网网状水系连通性指数RCI。
其中，步骤2的最短距离路径的计算方法采用最短路径法。
步骤2所述的网状水系连通性指数RCI的计算公式如下：
式中：n为河段的数量；si与sj分别表示河段i与河段j的水域面积；S为河网水域的总面积；cij为河段i与河段j间易达路径的连通性，表示生物体从下游至上游通过易达路径的中第m个闸坝的能力；表示生物体从上游至下游通过易达路径的中第m个闸坝的能力。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种基于上述连通性量化方法的闸坝系统优化方法，具体为：
依次去掉河网内的其中任意一个闸坝，并按照上述河网连通性量化方法计算网状水系连通性指数RCI，将得到的多个RCI指数由大到小排列，排列顺序即为单一闸坝的优先拆除顺序，根据该优先拆除次序对河网闸坝系统进行优化。
进一步，在得到单一闸坝的优先拆除顺序后，同时去掉河网内的任意若干个排列靠前的闸坝，按照上述河网连通性量化方法再次计算RCI，将得到的多个RCI指数由大到小排列，排列顺序即为多个闸坝一起拆除时的优先拆除次序，根据该优先拆除次序对河网闸坝系统进行优化。
本发明的有益效果是，本发明网状水系连通性量化方法的将河网概化为以河段为顶点、以闸坝为边的河网有向图模型，借鉴树状水系连通性指数，并结合最短路思想，计算网状水系连通性指数，评估河网连通性和单一闸坝的重要性，打破了树状水系连通性指数应用范围的局限性，可用于河网水系连通性变化评估、改善水系连通土程设计、不同闸坝运行调度方案的优化等领域。基于该网状水系连通性量化方法的闸坝系统优化方法对于庞大复杂的闸坝系统，具有计算简单，易于操作的优点，可适用于水利工程繁多、人工渠系交织、复杂的网状河流系统。
附图说明
图1是本发明河网具体概化方式的示意图；其中A、B、C、D、E为不同河道情况的概化方式，每种概化方式中左侧为实际流域河网及闸坝分布图，右侧为概化后模型；
图2是本发明实施例的流域河网及闸坝分布图；
图3是本发明实施例经概化后的河网图模型；
图4是本发明实施例去掉单一闸坝后的网状水系连通性指数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明的河网连通性量化方法是将网状水系连通性指数和图论思想结合，该方法以及将该方法应用于闸坝系统优化的具体步骤为：
步骤1，基于图论的思想，将河网概化为以河段为顶点、以闸坝为边的有向河网图模型，河网具体概化方式参照图1，图中并列的概化方式左侧为原有概化方式，右侧为本发明概化方式，原有概化方式图中圆圈表示普通节点，方框表示闸坝节点，线段表示河段，1、2…表示节点编号，1、2表示河段编号，>表示水流方向；本发明概化方式图中圆圈表示河段，线段表示闸坝，1’、2’…表示河段编号，1、2…表示闸坝编号，>表示水流方向。图中公式形如x’＝y+z，代表将原有概化方式图中的河段y和河段z，合并概化为本发明概化方式图中的河段x’。
针对不同的流域情况，各概化方式如下：
(1)如图1中A所示，沿水流方向，若河流a始于河源1，经过闸2，终于河口3，节点将河流分为河段1和河段2，则概化为河段1’经过闸2，流至河段2’。
(2)如图1中B所示，沿水流方向，若河流a与河流b分别经过闸1和闸2后，交汇于闸3处并合并为河流c；则概化为河流d经过闸1和闸3，河流e经过闸2和闸3，之后两河流交汇为河流5’。
(3)如图1中C所示，沿水流方向，若河流a经闸1后分流为河流b与河流c，之后河流b与河流c分别经闸2和闸3下泄；则概化为河流d经过闸1和闸2下泄，河流e经过闸1和闸3下泄。
(4)如图1中D所示，沿水流方向，若河流a与河流b分别经闸1和闸2后交汇于一点，形成河流c后经闸4下泄；则需将交汇点前的两河段分别与交汇后的河段进行合并，形成两个新的河段。
(5)如图1中E所示，沿水流方向，若河流a经闸1后于一点分流为河流b与河流c，之后河流b与河流c分别经闸3和闸4下泄；则需将交汇点前的河段与交汇后的两河段分别进行合并，形成两个新的河段。
步骤2，将上述概化后的河网图模型采用邻接矩阵表示，邻接矩阵中用0元素表示相邻河段上无闸坝，用1元素表示相邻河段上有闸坝。采用最短路径算法，计算邻接矩阵的最短距离路径，即求得任意两河段之间闸坝数量最少的一条通路，称之为易达路径。确定易达路径的闸坝的数量。
然后计算网状水系连通性指数。网状水系连通性指数(Reticulate ConnectivityIndex)，取决于河网中任意两点之间易达路径的闸坝的数量、可通过能力以及河段长度，整个河网水系的连通性RCI可视为任意两河段间的易达路径的连通性的总和。网状水系连通性指数计算公式如下：
式中：n为河段的数量；si与sj分别表示河段i与河段j的水域面积；S为河网水域的总面积，采用水域面积代替树状水系连通性指数中的河网长度，可将面状水域的影响纳入考虑，适用于包括湖泊和湿地的流域连通性评估；指数乘以100是为了将RCI的值调整为0～100之间，其值越高，表明连通状况越好；cij为河段i与河段j间易达路径的连通性。cij取决于河段i与河段j之间易达路径的闸坝的数量以及可通过能力，表示生物体从下游至上游通过易达路径的中第m个闸坝的能力；表示生物体从上游至下游通过易达路径的中第m个闸坝的能力。
步骤3，在步骤2的基础上，依次去掉河网内的其中任意一个闸坝，并重新计算新的RCI，假设河段i与河段j之间有M个闸坝，则共得到M个新的RCI指数。将M个新的RCI指数由大到小排列，排列越靠前的说明该闸坝的拆除对水系连通性的提高贡献越大，由此得知单一闸坝的优先拆除次序，根据该优先拆除次序即可对河网闸坝系统进行优化。
在上述步骤的基础上，可以进一步通过分析闸坝之间的互相影响获得更加优化的方法。在步骤3的基础上，同时去掉河网内的任意若干个排列靠前的优先拆除闸坝，按照同样的方式重新计算新的RCI，并按大小排列，排列越靠前的说明该组合方式下的若干个闸坝的拆除对水系连通性的提高贡献越大，由此得知多个闸坝一起拆除时的优先拆除次序，根据该优先拆除次序即可对河网闸坝系统进行优化，获得拆除效果最好的优化方案。
本发明的这种计算方法，对于庞大复杂的闸坝系统，具有计算简单，易于操作的优点。
以下为一个具体实施例。某流域河网及闸坝分布如图2所示。采用步骤1中的概化方法，可将图1中的流域河网转化为图3中的河网图模型。然后采用步骤2中的方法确定易达路径，并计算该网状水系连通性指数RCI＝1.88。最后采用步骤3中的方法，逐一去掉河网中的任何一个闸坝，计算得到相应的RCI指数，由图4可知RCI指数的大小，由此得知闸坝的拆除对该河网水系连通性的提高贡献大小，即单一闸坝的优先拆除次序，为8、31、29、41、46、……。根据该优先拆除次序即可对河网闸坝系统进行拆除等优化工作，以获得更加有利的河网工程。

Claims (5)

1.一种基于连通性指数和图论的河网连通性量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将河网概化为以河段为顶点、以闸坝为边的有向河网图模型；
步骤2，首先将概化后的河网图模型用邻接矩阵表示，计算邻接矩阵任意两河段之间的最短距离路径，得到多个易达路径；然后计算多个易达路径的连通性的总和，得到河网网状水系连通性指数RCI。
2.根据权利要求1所述的河网连通性量化方法，其特征在于，步骤2所述的最短距离路径的计算方法采用最短路径法。
3.根据权利要求1所述的河网连通性量化方法，其特征在于，步骤2所述的网状水系连通性指数RCI的计算公式如下：
R C I = Σ i = 1 n Σ j = 1 n c i j s i S s j S × 100
c i j = Π m = 1 M min p m u p m d
式中：n为河段的数量；si与sj分别表示河段i与河段j的水域面积；S为河网水域的总面积；cij为河段i与河段j间易达路径的连通性，表示生物体从下游至上游通过易达路径的中第m个闸坝的能力；表示生物体从上游至下游通过易达路径的中第m个闸坝的能力。
4.一种基于如权利要求1所述河网连通性量化方法的闸坝系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
依次去掉河网内的其中任意一个闸坝，并按照权利要求1所述的网状水系连通性量化方法计算网状水系连通性指数RCI，将得到的多个RCI指数由大到小排列，排列顺序即为单一闸坝的优先拆除顺序，根据该优先拆除次序对河网闸坝系统进行优化。
5.根据权利要求4所述的闸坝系统优化方法，其特征在于，在得到单一闸坝的优先拆除顺序后，同时去掉河网内的任意若干个排列靠前的闸坝，按照权利要求1所述的河网连通性量化方法再次计算RCI，将得到的多个RCI指数由大到小排列，排列顺序即为多个闸坝一起拆除时的优先拆除次序，根据该优先拆除次序对河网闸坝系统进行优化。
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