CN115375198A - 区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法及系统，该方法包括采集研究区域的基础数据，构建基础数据集，基于所述河湖水系连通格局数据，构建研究区域分块的拓扑有向图；构建区域河湖水量水质模型并求解，得到水量水质数据；建水质安全保障情景集并进行模拟，获得各情境下的工程模拟数据；构建河湖水系连通工程群联合调度的多属性决策函数和约束条件，求解多属性决策函数，获得各个控制工程的相对最佳运行参数；基于已构建的水质安全保障情景集，运用多属性决策函数，综合考虑各个目标，确定区域水质安全保障方案集合。本发明能够针对不同场景快速给出各个场景下的安全保障参数，形成截、导、滞、净、控的方案参数集合。

Description

区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法及系统

技术领域

本发明涉及水利领域的联合调度仿真计算决策方法以及水质安全保障方法，尤其是区域河湖水系连通的联合调度和水质安全保障方法及系统。

背景技术

由于水资源时空分配不均的问题，利用水利工程进行水资源联合调控是实现水资源优化配置、保障水资源安全的重要途径。但闸坝等水利工程在抵御水旱灾害发挥巨大作用的同时，也对水环境产生了负面影响。闸坝的存在减少了河道径流，减缓了水流速度，削弱了水体自净能力，加剧了水体污染。此外，大多数闸坝在枯水期关闸蓄水，使得闸坝上游经常蓄积大量的工业废水和生活污水，易形成高浓度污水团。当汛期首次开闸泄洪时，污水团下泄极易造成突发污染事故。

在一些区域，例如山区，河流一般坡降较大，河道断面相对狭窄，河水暴涨暴落，水位水量随季节变化显著。所以往往在山区型河流上游修建水库，以起到防洪兴利的作用。但由于汛期洪水入河流量大、流速快、水量集中，河道污染物浓度相对较低；非汛期河道内流量小，水位低，水体污染物浓度相对较高，容易造成水环境污染问题。

因此如何通过水利工程群的水量水质联合优化调度，在保证防洪、抗旱前提下，改善河流水质成为流域河流环境保护的研究热点和难点。

发明内容

发明目的：一方面，提供一种区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，以解决现有技术存在的上述问题。另一方面，提供一种基于上述方法的系统。

技术方案：区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，包括如下步骤：

步骤S1、采集研究区域的基础数据，构建基础数据集，所述基础数据包括河湖水系连通格局数据、跨年度的水量水质数据，以及区域水利工程数据；

步骤S2、基于所述河湖水系连通格局数据，构建研究区域分块的拓扑有向图；

步骤S3、构建区域河湖水量水质模型，以及区域水质改善联合调度方法，以基础数据作为输入值求解所述区域河湖水量水质模型，得到水量水质数据；

步骤S4、构建水质安全保障情景集并进行模拟，获得各情境下的工程模拟数据；

步骤S5、构建河湖水系连通工程群联合调度的多属性决策函数和约束条件，以水量水质目标、防洪目标和供水目标为寻优目标求解多属性决策函数，获得各个控制工程的相对最佳运行参数；

步骤S6、基于已构建的水质安全保障情景集，运用多属性决策函数，综合考虑各个目标，确定区域水质安全保障方案集合。

根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：

步骤S11、获取研究区域的河湖水系连通格局数据，获得河湖的基础参数，基础参数包括河流湖泊的汇流关系，河流的长度和流域面积；

步骤S12、获取研究区域的跨年度的水量水质数据，所述水量水质数据包括：年平均降雨量、汛期降雨量、丰水年降雨量、枯水年降雨量、年均蒸发量和年均径流量，以及研究区域内各个河湖节点处的水质数据；

步骤S13、获取区域水利工程数据，包括水库位置和库容量、水质净化工程和处理量、截污导流工程的连通关系、污水处理工程和处理量。

根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：

步骤S21、读取研究区域的GIS地图，获取河湖水系连通格局数据，并渲染于GIS地图中；

步骤S22、基于水系分界线，采用图像分割方法，将研究区域划分为若干个子区域，针对每一子区域，构建河湖水系的拓扑有向图；

步骤S23、建立不同子区域的拓扑有向图的连接关系，形成区域整体拓扑有向图，形成拓扑有向图矩阵；

步骤S24、针对每一河流，构建河流的权重矩阵。

根据本申请的一个方面，所述步骤S22进一步为：

步骤S22a、读取研究区域的GIS地图，构建n×n的高程检测窗口并在所述GIS地图上滑动，查找窗口中每一像素与周围像素的高程差，并建立相邻高程检测窗口高程差的方向矢量图，若高程差大于阈值且相邻两个高程检测窗口中的高程差方向相反，则标注为分水线像素，并放入分水线像素集合；

步骤22b、读取分水线像素集合中的各个分水线像素，按照坐标生成分水线矢量图，添加标志性颜色，并渲染于GIS地图中；

步骤22c、以分水线作为分割线，将研究区域分成预定个集水区域，每个集水区域与至少一个河流建立关联关系。

根据本申请的一个方面，所述步骤S24进一步为：

步骤S24a、查找河流的交汇点，建立河流交汇点邻接矩阵集合；

步骤S24b、基于交汇点将每一河流划分为若干河段，判断相邻河流之间是否存在分水线，若存在，则基于分水线和交汇点划分相邻河段的集水区域；若不存在，以河流的交汇点、两个河段的起点为端点，构建相邻河流集水区域，并计算相邻两个河段的欧式中线，以欧式中线为分水线，划分集水区；

步骤S24c、采集各个集水区包括降雨量以及径流量在内数据，构建综合权重指数，并归一化，基于归一化的综合权重指数构建河流的权重矩阵。

根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：

步骤S31、构建河网一维水文水动力模型，包括构建水动力模块、水工建筑物模块、溃坝模块、降雨径流模块、对流扩散模块、水质生态模块、非粘性泥沙输运模块和数据同化模块；

步骤S32、采集各个河段的断面参数、水利工程参数和河宽数据，对各个河段进行概化，构建研究区域的降雨径流率定模块并对研究区域进行率定，获得率定参数；

步骤S33、建立降雨径流模块与水动力模块之间的耦合关系，并结合水工建筑物模块对对流扩散模块进行计算，获得污染物的时空演变过程数据；

步骤S34、构建区域水质改善联合调度方法，形成调度方法集合，依序选取各个调度方法并基于所述基础数据，通过所述水量水质模型对研究区域的水量和水质进行模拟；获得对应各个调度方法的水量水质数据。

根据本申请的一个方面，所述步骤S3还包括：

步骤S35、构建水系连通和水质安全需求分析评价方法，针对已经划分的集水区域，采用所述河湖水量水质模型，结合不同雨情场景，计算出现有工程条件下，各个典型年中天然来水量与入河污染负荷；

步骤S36、通过水量平衡和污染负荷平衡方程，计算各个集水区域中各个控制单元工程滞蓄参数和水质净化参数，获得区域不同控制单元水系连通和水质安全需求数据并基于水质安全数据构建水质安全在空间和时间上的分布；

针对每一控制单元，其水量平衡方程为：

∆V_t=R_t-W_t-U_t；∆V_t为控制单元在t时刻无法拦蓄的水量；R_t为控制单元在t时刻的天然来水量；W_t为控制单元在t时刻现状工程剩余拦蓄水量；U_t为控制单元在t时刻的人类活动取用水量；∆V_t大于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力不足；小于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力充足；

针对每一控制单元，其污染负荷平衡方程为：

∆P_t=C_t×Q_t-C_k×Q_t；∆P_t为控制单元在t时刻污染负荷超标量，C_t为控制单元在t时刻断面污染物浓度；C_k为控制单元在t时刻断面目标水质限值浓度；Q_t为控制单元在t时刻断面来水量，∆P_t大于0，则说明控制单元在t时刻污染负荷超标，净化能力不足；小于0则说明控制单元在t时刻污染负荷达标。

根据本申请的一个方面，所述步骤S4进一步为：

步骤S41、获取研究区域的河湖水系连通格局数据和水质安全需求数据，针对每一控制单元，基于工程滞蓄能力数据、水质净化数据和水量水质联合调度数据，构建水质安全保障情景集；

步骤S42、采用水质保障联合调度优选方法优选河湖水系连通格局与工程联合调度方案，形成各情境下河湖水系连通水质保障方案；

步骤S43、针对每一情境下河湖水系连通水质保障方案进行模拟，获得工程模拟参数。

根据本申请的一个方面，所述步骤S5中，

所述多属性决策函数为：maxW（x）=[F1(x)，F2(x)，F3（x），…]，其中，W（x）为多属性决策函数，F1(x)为生态环境目标函数，F2(x)为社会效益目标函数，F3（x）为经济效益目标函数，x为自变量；针对每一单元，所述约束条件为：

水量平衡约束，S_t+1=S_t+(W_t-Q_t)×∆t-I_t；水位约束，Z_t,min≤Z_t≤Z_t,max ；流量约束，Q_t,min≤Q_t≤Q_t,max；流速约束，V_t,min≤V_t≤V_t,max；水质约束，q_t≤q_t,max；S_t为该控制单元t时段末的蓄水量，Z_t为该控制单元t时段的水位；Q_t该控制单元t时段允许的最小流量，V_t为该控制单元t时段允许的最小流速；I_t为该控制单元t时段最低水质目标，max和min分别表示数据的最大值和最小值。

根据本申请的一个方面，所述步骤S6进一步为：

步骤S61、获取已构建的水质安全保证情景集；

步骤S62、构建可拓物元方案优选集，包括确定经典域和节域，确定待测样本物元和关联函数值，确定权重系数，确定待测样本对各类的关联度，对待测样本所属类别的判定，以及对每类进行样本优选；

其中确定权重系数的过程包括：将各个元素分成若干层，每层具有若干组，形成不同层次的元素指标，比较两两指标，得出单个指标的相对重要性，构造判断矩阵；进行权重的确定及一致性检验；

步骤S63、构建决策变量指标体系权重分配方案，为各个决策变量指标赋予权重，求解函数，获得水质保障参数，形成区域水质安全保障方案集合。

根据本申请的一个方面，所述步骤S22还包括：

步骤S22d、读取河湖水系连通格局数据，解析其中的具有可调参数的工程节点，构建每一可调参数的状态空间，并基于状态空间构建动态河湖水系连通格局，形成动态拓扑有向图。

根据本申请的另一方面，提供一种区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障系统，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项实施例所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法。

有益效果：本申请可以提高联合优化调度的效率，通过构建研究区域的水系动态拓扑有向图，能够提高调度的决策空间，通过构建水质安全保障方案集合，能够针对不同场景给出快速各个场景下的安全保障参数，形成截、导、滞、净、控的方案参数集合。

附图说明

图1是本申请的整体流程图。

图2是本申请步骤S1的流程图。

图3是本申请步骤S2的流程图。

图4是本申请步骤S22的流程图。

图5是本申请步骤S24的流程图。

图6是本申请一个实施例的步骤S3的流程图。

图7是本申请另一实施例的步骤S3的局部流程图。

图8是本申请步骤S4的流程图。

图9是本申请步骤S6的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的上述问题，申请人进行了深入地研究，在现有技术中，有的采用最小引水量方法，有的采用SWAT水文模型。现有技术的研究目标由传统的单目标优化调度发展成兼顾防洪、兴利、生态等多项指标的多目标优化调度；在研究对象的空间规模上，由最初的灌区、水库等工程控制单元水量的优化配置研究，拓展到不同规模的区域、流域和跨流域水量优化配置研究，上述方法解决了部分问题，但是目前仍然存在一些技术难题。

在本申请的场景下，在山区地区，存在一定的坡度，且河湖连通区域的一些河道中存在污染物聚集，因此在汛期，很容易导致污染物外泄。如何通过水利工程的联合调度，解决污染物外泄的问题，是目前需要解决的问题。由于河湖连通构成的水利工程系统，是一个较为复杂的拓扑网络，某些节点的改变，导致网络参数的改变，对其他控制参数造成影响。因此，需要新的技术方案来解决上述问题。

如图1所示，提供一种区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，包括如下步骤：

步骤S1、采集研究区域的基础数据，构建基础数据集，所述基础数据包括河湖水系连通格局数据、跨年度的水量水质数据，以及区域水利工程数据。

在选定研究区域后，首先对研究区域的基础数据进行采集和预处理。主要包括区域河湖水系连通格局、闸坝工程、水质净化工程，以及历史上各年份的水质水量数据，分析研究区域河湖多年与不同季节水量水质特征。基于上述数据分析工程调度、滞蓄与净化能力等基本情况。

步骤S2、基于所述河湖水系连通格局数据，构建研究区域分块的拓扑有向图。

由于本申请要解决山区等流域的问题，所以河湖水系连通格局是非常重要的，需要进行详细分析。换句话说，在山前的冲积扇区域，河流等交汇较多，水利工程调度可以改变水的流向，从而改变区域水系的拓扑结构，比如一个河流在上流有一个河段，在某个节点分成两个向下流动的河段，在节点处设置有闸坝工程，因此可以通过闸坝调整上游来水的流向，可能朝着一个河段流动，也可能朝两个河段流动。在这种情况下，河流的拓扑关系是不同的。如果存在多个节点出现可能导致拓扑发生变化的情况，则从系统上看，拓扑结构可能发生了非常大的变化。另外在山前的扇形区域，平原部分和扇形部分的高程是不同的。换句话说，山前扇形区域中有类似斜坡一样的扇形区域，也有较为平缓的区域，两者在工程控制上存在明显的差别。因此需要对研究区域进行分块，然后分别构建拓扑有向图。

步骤S3、构建区域河湖水量水质模型，以及区域水质改善联合调度方法，以基础数据作为输入值求解所述区域河湖水量水质模型，得到水量水质数据。

为了获得当前研究区域的相关参数，需要对现有工程条件下的水量和水质数据进行采集和模拟，因此需要先构建区域河湖水量水质模型以及调度方法，然后以当前的数据作为输入，获取水量水质数据，再与实际检测到的数据进行比较，如果符合预期的范围，则说明模型及模型的相关参数是准确的。在获得水量水质数据后，可以跟研究区域的指标需求进行比较，以判断是否能够达到预期。从研究来看，现有工程在数据上很难达到要求，因此需要通过对拓扑结构的改造，比如新增新的水利工程或调整工程的控制方式。

步骤S4、构建水质安全保障情景集并进行模拟，获得各情境下的工程模拟数据。

在获得上述参数后，针对研究区域可能发生的场景，建立不同场景，即不同水质安全保障情景集并进行模拟。获得不同水质安全保障情景集中各个情景下的工程参数，然后结合水量水质模型中获取的参数，在后续的步骤中就可以依据上述参数进行模拟寻优。在水质安全保障情景集中，可以根据场景下的具体情况设计新的水利工程装置和调整拓扑结构，进行仿真模拟。

步骤S5、构建河湖水系连通工程群联合调度的多属性决策函数和约束条件，以水量水质目标、防洪目标和供水目标为寻优目标求解多属性决策函数，获得各个控制工程的相对最佳运行参数。

步骤S6、基于已构建的水质安全保障情景集，运用多属性决策函数，综合考虑各个目标，确定区域水质安全保障方案集合。

在上述过程中，已经获得了相关参数，因此可以构建多属性决策函数和约束条件，并设定各个目标以及目标的权重，给出相对最佳的运行参数，随后综合考量各个目标的合理性，然后就可以将该目标对应的相对优良的方案集作为控制方案集。在后续出现类似的或相同的情况时，可以根据方案集的控制参数对各个工程进行调控调度，从而实现河湖水系连通的联合调度，解决防洪发电的各种问题，同时达到保障水质安全的目标。

需要注意的是，在上述方案中，对河湖水系连通的格局，即从拓扑层面上进行了改进，一方面是进行了分区构建拓扑有向图，从而将有高程差的倾斜的扇形区域与平原区域进行分区。另一方面，通过新建、改造或调控工程节点的方式，改变河湖水系连通的拓扑结构。上述方法在现有技术中是不存在的，解决了本领域一直存在的技术难题。具体的优势将在下文进行更加详细的描述。

如图2所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：

步骤S11、获取研究区域的河湖水系连通格局数据，获得河湖的基础参数，基础参数包括河流湖泊的汇流关系，河流的长度和流域面积。

步骤S12、获取研究区域的跨年度的水量水质数据，所述水量水质数据包括：年平均降雨量、汛期降雨量、丰水年降雨量、枯水年降雨量、年均蒸发量和年均径流量，以及研究区域内各个河湖节点处的水质数据。

步骤S13、获取区域水利工程数据，包括水库位置和库容量、水质净化工程和处理量、截污导流工程的连通关系、污水处理工程和处理量。

在步骤S1中，主要是需要对研究区域的最基础的数据进行梳理，尤其是涉及河湖水系连通格局的数据，储备后续仿真过程中所需的拓扑图中各个节点的数据。在数据处理上，除了河湖水系连通的拓扑数据外，还需要获得研究区域的时域的数据，比如水质水量数据，这些数据随着时间具有一定周期性变化，也是计算仿真的难点所在，因此需要根据实际情况进行采集和预处理。在处理河流湖泊的汇流关系时，需要采集交汇点的位置和断面数据，为后续建立精确的拓扑有向图提供精确数据。

水利工程数据与河湖水系连通格局密切相关，新建、改造或调控水利工程节点的控制数据，不仅可以改变自身的参数，还可以改变河湖拓扑有向图的结构。

在实际处理时，处理采集研究区域的河流水系、地质地貌、水利工程、水质净化工程和水文气象数据外，还需要对各个数据进行分层分区域的预处理。其中，水文气象数据包括温度、降水、蒸发、径流量和风情等数据。风情是指每个月的平均风速和最大风速等数据。

如图3所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：

步骤S21、读取研究区域的GIS地图，获取河湖水系连通格局数据，并渲染于GIS地图中；

步骤S22、基于水系分界线，采用图像分割方法，将研究区域划分为若干个子区域，针对每一子区域，构建河湖水系的拓扑有向图；

步骤S23、建立不同子区域的拓扑有向图的连接关系，形成区域整体拓扑有向图，形成拓扑有向图矩阵；

步骤S24、针对每一河流，构建河流的权重矩阵。

在本实施例中对步骤S2给出具体的描述。为了实现对区域河湖水系连通联合调度，河湖水系连通的基本结构，尤其是拓扑层面的信息，是非常重要的。因此在本实施例中，首先获取区域的GIS地图和河湖水系连通的数据，然后进行融合，在融合后，每条河流，尤其是每条河流的河段所对应的集水区，是需要将其与河段建立隶属关系的。因此从GIS地图上获取每个像素点的高程数据，然后采用图像分割的方法，将研究区域划分为子区域，在每个区域上，建立河段与河段之间的拓扑关系。然后将各个子区域关联起来，获得研究区域整体的用于体现河湖水系连通关系的拓扑有向图。并且，针对每个河流，建立分段的权重矩阵。通过分区域，还有一个优势在于，由于山区中，在扇形冲积平原中，有的存在一定的坡度，有的是相对较为平坦的，他们的汇流关系和水流速度均存在一定的差异，如果不加以区分，则会造成模型参数的失真，无法准确反应真实的物理过程和物理参数，因此通过进行分区划分，分别建立拓扑有向图。针对每一段给出参数，而不是针对河流整体给出参数，因此仿真度更高，结果更加准确。

如图4所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S22进一步为：

步骤S22a、读取研究区域的GIS地图，构建n×n的高程检测窗口并在所述GIS地图上滑动，查找窗口中每一像素与周围像素的高程差，并建立相邻高程检测窗口高程差的方向矢量图，若高程差大于阈值且相邻两个高程检测窗口中的高程差方向相反，则标注为分水线像素，并放入分水线像素集合，n为自然数。

步骤22b、读取分水线像素集合中的各个分水线像素，按照坐标生成分水线矢量图，添加标志性颜色，并渲染于GIS地图中。

步骤22c、以分水线作为分割线，将研究区域分成预定个集水区域，每个集水区域与至少一个河流建立关联关系。

在构建河湖水系连通拓扑图的时候，对于集水区的划分是非常重要的，因此给予详细描述。集水区的划分，首要的是分水线的划分，现有的模型中，一般不涉及分水线的划分，相关数据是从现有数据库中直接读取的，这些分水线的划分相对较为不准确，主要是为了区分降雨区域和汇流区域，因此需要给出更为精确的分水线数据，为后续的仿真提供更为准确的计算参数。在本实施例中，通过图像识别的方法，对分水线进行精确划分，换句话说，如果在检测窗口中，如果高程差的方向是一致的，则说明属于集水区的一侧或平原区域，例如左侧像素的高程比右侧的高，或者上侧的像素的高程比下方的高。而如果出现中间的像素的高程比两边的高，则说明可能存在分水线。因此可以通过图像检索算法将分水线的各个区域检测处理。在这里需要注意的是，如果某个集水区的局部出现较高的区域，则可能会出现不连续的假分水线。在后续渲染的时候，可以明确看出来。同时，即使出现这一情况，也不影响分水线的识别，以及集水区的划分。在后续实施例给出更为明确的说明。

如图5所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S24进一步为：

步骤S24a、查找河流的交汇点，建立河流交汇点邻接矩阵集合；

步骤S24b、基于交汇点将每一河流划分为若干河段，判断相邻河流之间是否存在分水线，若存在，则基于分水线和交汇点划分相邻河段的集水区域；若不存在，以河流的交汇点、两个河段的起点为端点，构建相邻河流集水区域，并计算相邻两个河段的欧式中线，以欧式中线为分水线，划分集水区；

步骤S24c、采集各个集水区包括降雨量以及径流量在内数据，构建综合权重指数，并归一化，基于归一化的综合权重指数构建河流的权重矩阵。

步骤S22d、读取河湖水系连通格局数据，解析其中的具有可调参数的工程节点，构建每一可调参数的状态空间，并基于状态空间构建动态河湖水系连通格局，形成动态拓扑有向图。

上文已经描述了，如果将河流作为一个整体，其各段的参数汇总成一个总的参数，那么必然是相对不准确的，因此需要对河流就行分段，然后将集水区划分给各个河段。本实施例给出了一种实现方式。

首先，根据河流的交汇点作为集水区的一个端点，然后根据相邻河流之间欧式中线或分水线给各个河段划分。在实际计算过程中，首先判断是否存在分水线，如果河流之间存在分水线，则以分水线为分界线划分，一个集水区属于边上的一条河流，另外一个集水区属于另一个边上的河流。如果不存在，则通过欧式中线，即欧式距离的中线作为集水区的划界线。首先在每条河流上分别对应取几个点，然后连接各个点，获得线段，连接各个线段的中点，即为欧式中线。通过欧式中线进行划界。在划界后，可以根据河流自身的参数，以及对应集水区的参数，为该河流的各个河段赋予权重，构建权重参数集合。如果采用神经网络进行赋权，可以初始化参数矩阵，然后在后续拟合的时候，能够给出逼近值。

需要说明的是，新增水利工程，比如分流渠、新设橡胶坝或者改变水利工程的控制方式，对导致河湖连通格局，及拓扑关系的改变，因此在步骤S22d中，通过构建节点的状态空间，通过状态空间对河湖水系连通进行模拟，不仅在物理层面更加准确，也能够提供更多的调控方式，解集空间更大。

为了获取研究区域各个物理过程的参数，构建水量水质模型，给出如下实施例。

如图6所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：

步骤S31、构建河网一维水文水动力模型，包括构建水动力模块、水工建筑物模块、溃坝模块、降雨径流模块、对流扩散模块、水质生态模块、非粘性泥沙输运模块和数据同化模块。

其中水动力模块通过一维非恒流圣维南方程组来模拟河流水体或河口的水流情况。水工建筑物模块用于对堰、桥梁或用户自定义等水工建筑物设定运行和调度规则，通过时间、蓄水量、水位差等多种判断要求控制其运行。溃坝模块通过能量方程模拟河系中一处或者多处溃坝。降雨径流模块用于模拟流域内的降雨产汇流过程。对流扩散模块用于计算污染物的较大浓度梯度过程；还可用于模拟粘性泥沙的侵蚀和沉积过程。水质生态模块用于对水生态环境进行模拟，包括水质、重金属、富营养化及生态状况等情景。

非粘性泥沙输运模块用于模拟水库淤积、瞬间侵蚀和逐步侵蚀等过程。数据同化模块用于实时校正水位、流量、污染物浓度、温度和盐度，提高模拟结果的精度，主要用于水质预报。

步骤S32、采集各个河段的断面参数、水利工程参数和河宽数据，对各个河段进行概化，构建研究区域的降雨径流率定模块并对研究区域进行率定，获得率定参数。

在这个实施例中，由于是对研究区域的参数进行率定，可以采用概化模型。在这一步骤中，将整个流域作为一个模拟单元，各参数或变量代表整个流域的平均取值。因此，大部分参数的最终取值需要通过水文监测数据进行率定。需要率定的参数包括：地表储水区最大含水量、根区储水区最大含水量、地表径流系数、壤中流时间常数、生成坡面流的根区湿度临界值、生成壤中流的根区湿度临界值、生成地下水补给的根区湿度临界值、地表径流和壤中流汇流时间常数、基流时间常数。

步骤S33、建立降雨径流模块与水动力模块之间的耦合关系，并结合水工建筑物模块对对流扩散模块进行计算，获得污染物的时空演变过程数据。

在这一步骤中，通过将降雨径流和水动力模块耦合起来，能够对污染物的时空演变过程进行模拟，从而给出不同降雨条件下，不同河湖水系连通条件下，污染的扩散过程。为后续的情景方案集合的设计给出参考。

步骤S34、构建区域水质改善联合调度方法，形成调度方法集合，依序选取各个调度方法并基于所述基础数据，通过所述水量水质模型对研究区域的水量和水质进行模拟；获得对应各个调度方法的水量水质数据。

其中，水质参数主要是对表示稀释作用的扩散系数和表示自净作用的衰减系数进行率定。扩散系数D与河流河床及水文条件有关，如水深、流速、河宽、坡降等因素。D=au^b，a为扩散系数常数，b为扩散系数指数，u为流速。

衰减系数与河流的水文条件有关，如水深、流量、流速、水温等因素。衰减系数一般采用COD衰减系数或NH₃-N衰减系数，对于不同的场景，一般为恒定范围。

如图7所示，步骤S35、构建水系连通和水质安全需求分析评价方法，针对已经划分的集水区域，采用所述河湖水量水质模型，结合不同雨情场景，计算出现有工程条件下，各个典型年中天然来水量与入河污染负荷。

步骤S36、通过水量平衡和污染负荷平衡方程，计算各个集水区域中各个控制单元工程滞蓄参数和水质净化参数，获得区域不同控制单元水系连通和水质安全需求数据并基于水质安全数据构建水质安全在空间和时间上的分布；

针对每一控制单元，其水量平衡方程为：

∆V_t=R_t-W_t-U_t；∆V_t为控制单元在t时刻无法拦蓄的水量；R_t为控制单元在t时刻的天然来水量；W_t为控制单元在t时刻现状工程剩余拦蓄水量；U_t为控制单元在t时刻的人类活动取用水量；∆V_t大于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力不足；小于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力充足；

针对每一控制单元，其污染负荷平衡方程为：

∆P_t=C_t×Q_t-C_k×Q_t；∆P_t为控制单元在t时刻污染负荷超标量，C_t为控制单元在t时刻断面污染物浓度；C_k为控制单元在t时刻断面目标水质限值浓度；Q_t为控制单元在t时刻断面来水量，∆P_t大于0，则说明控制单元在t时刻污染负荷超标，净化能力不足；小于0则说明控制单元在t时刻污染负荷达标。

在本步骤中，利用水系与水文特性及水质保障目标对研究区域进行控制单元划分，通过水量平衡及污染负荷平衡原理，核算在现有工程格局下各控制单元内水量与污染负荷，评价区域内工程滞蓄能力与水质净化能力。

如图8所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S4进一步为：

步骤S41、获取研究区域的河湖水系连通格局数据和水质安全需求数据，针对每一控制单元，基于工程滞蓄能力数据、水质净化数据和水量水质联合调度数据，构建水质安全保障情景集；

步骤S42、采用水质保障联合调度优选方法优选河湖水系连通格局与工程联合调度方案，形成各情境下河湖水系连通水质保障方案；

步骤S43、针对每一情境下河湖水系连通水质保障方案进行模拟，获得工程模拟参数。

在本实施例中，结合上文所分析的区域水系连通及水质安全需求，对不同控制单元从工程滞蓄能力、水质净化能力、水量水质联合调度三方面入手，针对性的制定具体不同情景下区域河湖连通格局与工程群联合调度情景集，运用河湖水系连通工程群水质保障联合调度优选方法，优选河湖连通格局与工程联合调度方案，形成多情景下区域“截-导-滞-净-控”河湖水系连通水质保障技术方案。

换句话说，在获得相应的参数后，可以根据当前的河湖连通拓扑或降水条件等情况，对设计的各个情景集进行仿真模拟，给出不同河湖连通格局和工程调度情况下的模拟数据，从而为决策提供参考。

在具体实施过程中，以不同典型年下雨水情，结合水库闸坝等现状工情，按照现有实际调度规则，模拟出的工程滞蓄能力与水质净化能力需求，确定为现状情景。然后，基于现状情景下区域工程滞蓄能力及水质净化能力需求，结合流域水资源利用及保护规划和水安全保障整体规划中的工程实际能力，从水量、水质、水量水质联合调度三方面，拟定新建水利工程及水质净化工程等措施方案，构建水质安全保障情景集。

根据本申请的一个方面，所述步骤S5中，

所述多属性决策函数为：maxW（x）=[F1(x)，F2(x)，F3（x），…]，其中F1(x)为生态环境目标函数，F2(x)为社会效益目标函数，F3（x）为经济效益目标函数，x为自变量；针对每一单元，所述约束条件为：

水量平衡约束，S_t+1=S_t+(W_t-Q_t)×∆t-I_t；水位约束，Z_t,min≤Z_t≤Z_t,max ；流量约束，Q_t,min≤Q_t≤Q_t,max；流速约束，V_t,min≤V_t≤V_t,max；水质约束，q_t≤q_t,max；S_t为该控制单元t时段末的蓄水量，Z_t为该控制单元t时段的水位；Q_t该控制单元t时段允许的最小流量，V_t为该控制单元t时段允许的最小流速；q_t为该控制单元t时段最低水质目标，max和min分别表示数据的最大值和最小值。

在本实施例中，分别从防洪安全领域、供水安全领域、水质安全领域以及经济成本领域四个方面选取决策变量指标，使得联合调度的方案能满足项目涉及地区水量、水质综合调度需求。

如图9所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S6进一步为：

步骤S61、获取已构建的水质安全保证情景集；

步骤S62、构建可拓物元方案优选集，包括确定经典域和节域，确定待测样本物元和关联函数值，确定权重系数，确定待测样本对各类的关联度，对待测样本所属类别的判定，以及对每类进行样本优选；

其中确定权重系数的过程包括：将各个元素分成若干层，每层具有若干组，形成不同层次的元素指标，比较两两指标，得出单个指标的相对重要性，构造判断矩阵；进行权重的确定及一致性检验；

步骤S63、构建决策变量指标体系权重分配方案，为各个决策变量指标赋予权重，求解函数，获得水质保障参数，形成区域水质安全保障方案集合。

在本实施例中，目标间的不可公度性和矛盾性是水资源适应性调度问题的主要特点。为平衡和协调不同目标之间的关系，采用权重法解决上述问题。权重法是对不同的目标给予相应的权重，把各目标函数加权和作为总目标函数，通过改变权重值，生成多目标问题的非劣解集；约束法是从全体目标函数中选择一个作为主目标，并将其它目标函数转化为约束条件，通过变换约束水平，生成多目标的非劣解集。

根据本申请的另一方面，提供一种区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障系统，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项实施例所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法。

由于存储器和处理器等相关知识为现有技术，本领域的技术人员可以根据实际情况选用相关装置来实现，因此在本部分略写。本领域的技术人员知晓凡是能够解决上述技术问题，获得相应技术效果的各种处理器和存储器均可以使用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、采集研究区域的基础数据，构建基础数据集，所述基础数据包括河湖水系连通格局数据、跨年度的水量水质数据，以及区域水利工程数据；

步骤S2、基于所述河湖水系连通格局数据，构建研究区域分块的拓扑有向图；

步骤S3、构建区域河湖水量水质模型，以及区域水质改善联合调度方法，以基础数据作为输入值求解所述区域河湖水量水质模型，得到水量水质数据；

步骤S4、构建水质安全保障情景集并进行模拟，获得各情境下的工程模拟数据；

步骤S5、构建河湖水系连通工程群联合调度的多属性决策函数和约束条件，以水量水质目标、防洪目标和供水目标为寻优目标求解多属性决策函数，获得各个控制工程的相对最佳运行参数；

步骤S6、基于已构建的水质安全保障情景集，运用多属性决策函数，综合考虑各个目标，确定区域水质安全保障方案集合。

2.如权利要求1所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：

步骤S11、获取研究区域的河湖水系连通格局数据，获得河湖的基础参数，基础参数包括河流湖泊的汇流关系，河流的长度和流域面积；

步骤S12、获取研究区域的跨年度的水量水质数据，所述水量水质数据包括：年平均降雨量、汛期降雨量、丰水年降雨量、枯水年降雨量、年均蒸发量和年均径流量，以及研究区域内各个河湖节点处的水质数据；

步骤S13、获取区域水利工程数据，包括水库位置和库容量、水质净化工程和处理量、截污导流工程的连通关系、污水处理工程和处理量。

3.如权利要求1所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：

步骤S21、读取研究区域的GIS地图，获取河湖水系连通格局数据，并渲染于GIS地图中；

步骤S22、基于水系分界线，采用图像分割方法，将研究区域划分为若干个子区域，针对每一子区域，构建河湖水系的拓扑有向图；

步骤S23、建立不同子区域的拓扑有向图的连接关系，形成区域整体拓扑有向图，形成拓扑有向图矩阵；

步骤S24、针对每一河流，构建河流的权重矩阵。

4.如权利要求3所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S22进一步为：

步骤S22a、读取研究区域的GIS地图，构建n×n的高程检测窗口并在所述GIS地图上滑动，查找窗口中每一像素与周围像素的高程差，并建立相邻高程检测窗口高程差的方向矢量图，若高程差大于阈值且相邻两个高程检测窗口中的高程差方向相反，则标注为分水线像素，并放入分水线像素集合，n为自然数；

步骤S22b、读取分水线像素集合中的各个分水线像素，按照坐标生成分水线矢量图，添加标志性颜色，并渲染于GIS地图中；

步骤S22c、以分水线作为分割线，将研究区域分成预定个集水区域，每个集水区域与至少一个河流建立关联关系。

5.如权利要求4所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S24进一步为：

步骤S24a、查找河流的交汇点，建立河流交汇点邻接矩阵集合；

步骤S24b、基于交汇点将每一河流划分为若干河段，判断相邻河流之间是否存在分水线，若存在，则基于分水线和交汇点划分相邻河段的集水区域；若不存在，以河流的交汇点、两个河段的起点为端点，构建相邻河流集水区域，并计算相邻两个河段的欧式中线，以欧式中线为分水线，划分集水区；

步骤S24c、采集各个集水区包括降雨量以及径流量在内数据，构建综合权重指数，并归一化，基于归一化的综合权重指数构建河流的权重矩阵。

6.如权利要求5所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，

所述步骤S3进一步为：

步骤S31、构建河网一维水文水动力模型，包括构建水动力模块、水工建筑物模块、溃坝模块、降雨径流模块、对流扩散模块、水质生态模块、非粘性泥沙输运模块和数据同化模块；

步骤S32、采集各个河段的断面参数、水利工程参数和河宽数据，对各个河段进行概化，构建研究区域的降雨径流率定模块并对研究区域进行率定，获得率定参数；

步骤S33、建立降雨径流模块与水动力模块之间的耦合关系，并结合水工建筑物模块对对流扩散模块进行计算，获得污染物的时空演变过程数据；

步骤S34、构建区域水质改善联合调度方法，形成调度方法集合，依序选取各个调度方法并基于所述基础数据，通过所述水量水质模型对研究区域的水量和水质进行模拟；获得对应各个调度方法的水量水质数据。

7.如权利要求6所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

步骤S35、构建水系连通和水质安全需求分析评价方法，针对已经划分的集水区域，采用所述河湖水量水质模型，结合不同雨情场景，计算出现有工程条件下，各个典型年中天然来水量与入河污染负荷；

步骤S36、通过水量平衡和污染负荷平衡方程，计算各个集水区域中各个控制单元工程滞蓄参数和水质净化参数，获得区域不同控制单元水系连通和水质安全需求数据并基于水质安全数据构建水质安全在空间和时间上的分布；

针对每一控制单元，其水量平衡方程为：

∆V_t=R_t-W_t-U_t；∆V_t为控制单元在t时刻无法拦蓄的水量；R_t为控制单元在t时刻的天然来水量；W_t为控制单元在t时刻现状工程剩余拦蓄水量；U_t为控制单元在t时刻的人类活动取用水量；∆V_t大于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力不足；小于0表示控制单元在t时刻拦蓄能力充足；

针对每一控制单元，其污染负荷平衡方程为：

∆P_t=C_t×Q_t-C_k×Q_t；∆P_t为控制单元在t时刻污染负荷超标量，C_t为控制单元在t时刻断面污染物浓度；C_k为控制单元在t时刻断面目标水质限值浓度；Q_t为控制单元在t时刻断面来水量，∆P_t大于0，则说明控制单元在t时刻污染负荷超标，净化能力不足；小于0则说明控制单元在t时刻污染负荷达标。

8.如权利要求7所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S4进一步为：

步骤S41、获取研究区域的河湖水系连通格局数据和水质安全需求数据，针对每一控制单元，基于工程滞蓄能力数据、水质净化数据和水量水质联合调度数据，构建水质安全保障情景集；

步骤S42、采用水质保障联合调度优选方法优选河湖水系连通格局与工程联合调度方案，形成各情境下河湖水系连通水质保障方案；

步骤S43、针对每一情境下河湖水系连通水质保障方案进行模拟，获得工程模拟参数。

9.如权利要求8所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S5中，

所述多属性决策函数为：maxW（x）=[F1(x)，F2(x)，F3（x），…]，其中，W（x）为多属性决策函数，F1(x)为生态环境目标函数，F2(x)为社会效益目标函数，F3（x）为经济效益目标函数，x为自变量；针对每一单元，所述约束条件为：

水量平衡约束，S_t+1=S_t+(W_t-Q_t)×∆t-I_t；水位约束，Z_t,min≤Z_t≤Z_t,max ；流量约束，Q_t,min≤Q_t≤Q_t,max；流速约束，V_t,min≤V_t≤V_t,max；水质约束，q_t≤q_t,max；S_t为该控制单元t时段末的蓄水量，Z_t为该控制单元t时段的水位；Q_t该控制单元t时段允许的最小流量，V_t为该控制单元t时段允许的最小流速；I_t为该控制单元t时段最低水质目标，max和min分别表示数据的最大值和最小值。

10.如权利要求9所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S6进一步为：

步骤S61、获取已构建的水质安全保证情景集；

步骤S62、构建可拓物元方案优选集，包括确定经典域和节域，确定待测样本物元和关联函数值，确定权重系数，确定待测样本对各类的关联度，对待测样本所属类别的判定，以及对每类进行样本优选；

其中确定权重系数的过程包括：将各个元素分成若干层，每层具有若干组，形成不同层次的元素指标，比较两两指标，得出单个指标的相对重要性，构造判断矩阵；进行权重的确定及一致性检验；

步骤S63、构建决策变量指标体系权重分配方案，为各个决策变量指标赋予权重，求解函数，获得水质保障参数，形成区域水质安全保障方案集合。

11.如权利要求3所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法，其特征在于，所述步骤S22还包括：

步骤S22d、读取河湖水系连通格局数据，解析其中的具有可调参数的工程节点，构建每一可调参数的状态空间，并基于状态空间构建动态河湖水系连通格局，形成动态拓扑有向图。

12.区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-11任一项所述的区域河湖水系连通联合调度和水质安全保障方法。

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