CN116384826A - 一种南方河网地区河道重要性评价方法 - Google Patents

一种南方河网地区河道重要性评价方法 Download PDF

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葛恒军
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Abstract

本发明公开了一种南方河网地区河道重要性评价方法，包括以下步骤：(1)搜集需要进行重要性评价河道的节点流量Qi；(2)建立河网图模型G＝(V,E)；(3)构建河网赋权邻接矩阵A，计算赋权邻接矩阵的特征值m；(4)逐一删除各个节点，计算删除节点过后的赋权邻接矩阵Ai的特征值mi；(5)通过计算各节点特征值的变化幅度Δi，得到整条河道的变化幅度μM；(6)试算河网河道分支比Rb，得到河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω；(7)结合河道累计变化幅度μM和河道分级结果，完成重要性评价。该发明能够全面对于南方河网地区河道进行重要性评价，易于在各种河道管理中推广使用。

Description

一种南方河网地区河道重要性评价方法
技术领域
本发明涉及一种南方河网地区河道重要性评价方法，属于河道管理领域。
背景技术
随着我国经济和社会的高速发展，南方河网地区的部分河道遭到侵占，河网连通度大幅下降，由此引发的河道环境问题愈发频繁。针对区域河道开展的工程治理需要对于河网中的河道进行重要性评价，由此分类制定工程治理措施。在目前的研究中，并没有一种可以针对南方河网地区河道的重要性评价方法。同时对于一些规模相对较小的河道，由于其河道规模相近，仅仅考虑河道断面参数对其进行重要性评价是相对困难的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有问题，提供一种南方河网地区河道重要性评价方法，易于在南方河网地区工程治理中推广。
本发明的目的是这样实现的，为解决上述技术问题，本发明的基于改进图论法的南方河网地区河道重要性评价方法，包括以下步骤：
(1)搜集或测量需要进行重要性评价河道的节点流量Qi；
(2)提取河网，构建河网概化图，建立河网图模型G＝(V,E)；
(3)根据图模型中节点之间的连接关系，构建河网赋权邻接矩阵A，计算赋权邻接矩阵的特征值m；
(4)通过逐一删除各个节点，计算删除节点过后的赋权邻接矩阵Ai的特征值mi；
(5)计算各节点特征值的变化幅度Δi，两相邻节点之间河段变化幅度λm取两节点的变化幅度之和，整条河道的变化幅度μM取各河段变化幅度之和；
(6)通过试算河网河道分支比Rb，得到河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω；
(7)对于各河道特征值变化幅度μM进行排序，按照试算所得河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω对河网河道进行重要性评价。
作为优选，步骤(1)具体包括以下步骤：
a.对于河道节点流量Qi，选择在典型降雨最大降雨强度所在时间后1小时的节点流量作为河道节点流量Qi，其中i为各节点的编号；
b.对于城市区域典型降雨选择20年一遇的标准，对于农村区域典型降雨选择10年一遇的标准；
c.对于一些缺乏水文数据地区，可以通过采集河道断面数据和地区典型降雨曲线，进行地区水动力模拟，得到所需的河道节点流量Qi。
作为优选，步骤(2)具体包括以下步骤：
a.对于河网河网进行抽象概化，把地区河网概化成为一张简单图，图中包含河道节点v1,v2,v3,…,vn和河段e1,e2,e3,…,em；
b.构建河网河网无向图模型G＝(V,E)，其中非空合集V＝{v1,v2,v3,…,vn}为G的顶点集，V中的元素为G的顶点，其元素个数为河道节点数；集合E＝{e1,e2,e3,…,em}为G的边集，E中的元素为G的边，其元素个数为河段数。
作为优选，步骤(3)具体包括以下步骤：
a.根据河网河网所构建的无向赋权图模型G＝(V,E)中点集合V与边集合E的邻接关系可以构建赋权邻接矩阵A，其中：
Figure BDA0004162849490000021
b.计算赋权邻接矩阵A的特征值，取其最大特征值作为赋权邻接矩阵A的特征值m。
作为优选，步骤(4)具体包括以下步骤：
a.删去河网河网中的一个节点i，重复步骤(3)，构建由n-1个节点所构成的新无向赋权图模型Gi＝(Vi,Ei)；
b.计算新无向赋权图模型Gi＝(Vi,Ei)的赋权邻接矩阵Ai的特征值，取其最大特征值作为赋权邻接矩阵Ai的特征值mi
c.重复上述流程，每次都选取不重复的节点进行去除，计算可得n个新的特征值。
作为优选，步骤(5)具体包括以下步骤：
a.计算各节点特征值的变化幅度Δi，其中：
Figure BDA0004162849490000022
b.两相邻节点之间河段变化幅度λm取两节点的变化幅度之和，其中：
λm＝Δa+Δb a,b为相邻的两个节点的序号
c.整条河道的累计变化幅度μM取各河段变化幅度之和，其中：
μM＝λp+λq+…+λs p,q,…,s为同一河道上不同河段的序号
作为优选，步骤(6)具体包括以下步骤：
a.统计河网河流总数N，拟定河网河流最高级数Ω；
b.通过公式：
Figure BDA0004162849490000031
进行试算，计算河道河网分支比Rb,使河道河网分支比Rb在2～5之间；
c.由此得到河网的河道河网分支比Rb，河网分级数目Ω和各级河道数目Nω。
本发明方法先进科学，通过本发明，公开了一种南方河网地区河道重要性评价方法，包括以下步骤：(1)搜集需要进行重要性评价河道的节点流量Qi；(2)建立河网图模型G＝(V,E)；(3)构建河网赋权邻接矩阵A，计算赋权邻接矩阵的特征值m；(4)逐一删除各个节点，计算删除节点过后的赋权邻接矩阵Ai的特征值mi；(5)通过计算各节点特征值的变化幅度Δi，得到整条河道的变化幅度μM；(6)试算河网河道分支比Rb，得到河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω；(7)结合河道累计变化幅度μM和河道分级结果，完成重要性评价。该发明能够全面对于南方河网地区河道进行重要性评价，易于在各种河道管理中推广使用。
有益效果：本发明通过改进景观生态学中的图论方法，克服了仅考虑结构连通性的问题，引入了河道节点流量，将水文信息引入到河道重要性评价中，提出了一种基于改进图论法的南方河网地区河道重要性评价方法。该方法能够全面对于南方河网地区河道进行重要性评价，易于在各种河道管理中推广使用。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为南方某河网地区河网概化图；
图3为南方某河网地区河网图模型。
具体实施方式
下面结合附图和我国南方某河网地区的实测数据对本发明内容作进一步说明：
(1)搜集需要进行重要性评价河道的节点流量Qi，累计搜集数据17条。
(2)提取需要进行重要性评价河网，共有河道7条，构建了河网概化图，如图2所示；同时建立河网图模型G＝(V,E)，如图3所示。
(3)根据步骤(2)中所构建的图模型中节点之间的连通关系，构建河网赋权邻接矩阵A，该矩阵为17*17的方阵，具体如下所示：
Figure BDA0004162849490000041
通过计算得到矩阵A的特征值m为277.97。
(4)步骤(4)分为多个步骤：
a.删除节点1，得到新的赋权邻接矩阵A1，该矩阵为16*16的方阵，具体如下所示：
Figure BDA0004162849490000051
通过计算得到矩阵A1的特征值m1为277.96。
b.依次删除节点2、3、…、17，得到赋权邻接矩阵A2、A3、…、A17，分别计算其对应特征值m2、m3、…、m17为277.96、277.88、…、213.15。
(5)步骤(5)分为多个步骤：
a.该河网中共有节点17个，按照计算公式分别计算各节点特征值的变化幅度Δ1、Δ2、…、Δ17为0.003％、0.003％、…、23.319％。
b.该河网中共有河段20个，按照计算公式分别计算各河段的变化幅度λ1、λ2、…、λ20为0.065％、0.065％、…、37.231％。
c.该河网中共有河道7条，按照计算公式分别计算各河道的累计变化幅度μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6、μ7为6.471％、58.549％、95.427％、0.065％、11.325％、10.454％、55.320％。
(6)步骤(6)分为多个步骤：
a.该河网中的河流总数N为7，现拟定河网河流最高级数为3。
b.代入公式中得：
Figure BDA0004162849490000061
计算河道河网分支比Rb为2，满足初定要求。
c.由此得到该河网的河网分支比Rb为2，河网分级数目Ω为3，一级河道数目N1为4，二级河道数目N2为2，三级河道数目N3为1。
(7)对步骤(5)中各河道累计变化幅度μM进行排序，并结合步骤(6)中河道分级结果，得到重要性评价结果：一级河道：h-1、s-1、h-2、h-3，二级河道h-4、s-2，三级河道s-3。
以上所示仅为本发明的优化实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搜集或测量需要进行重要性评价河道的节点流量Qi；
(2)提取河网，构建河网概化图，建立河网图模型G＝(V,E)；
(3)根据图模型中节点之间的连接关系，构建河网赋权邻接矩阵A，计算赋权邻接矩阵的特征值m；
(4)通过逐一删除各个节点，计算删除节点过后的赋权邻接矩阵Ai的特征值mi；
(5)计算各节点特征值的变化幅度Δi，两相邻节点之间河段变化幅度λm取两节点的变化幅度之和，整条河道的变化幅度μM取各河段变化幅度之和；
(6)通过试算河网河道分支比Rb，得到河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω；
(7)对于各河道特征值变化幅度μM进行排序，按照试算所得河网分级数目Ω以及各级河道数目Nω对河网河道进行重要性评价。
2.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(1)，具体包括以下步骤：
a.对于河道节点流量Qi，选择在典型降雨最大降雨强度所在时间后1小时的节点流量作为河道节点流量Qi，其中i为各节点的编号；
b.对于城市区域典型降雨选择20年一遇的标准，对于农村区域典型降雨选择10年一遇的标准；
c.对于一些缺乏水文数据地区，可以通过采集河道断面数据和地区典型降雨曲线，进行地区水动力模拟，得到所需的河道节点流量Qi。
3.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(2)，具体包括以下步骤：
a.对于河网河网进行抽象概化，把地区河网概化成为一张简单图，图中包含河道节点v1,v2,v3,…,vn和河段e1,e2,e3,…,em；
b.构建河网河网无向图模型G＝(V,E)，其中非空合集V＝{v1,v2,v3,…,vn}为G的顶点集，V中的元素为G的顶点，其元素个数为河道节点数；集合E＝{e1,e2,e3,…,em}为G的边集，E中的元素为G的边，其元素个数为河段数。
4.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(3)，具体包括以下步骤：
a.根据河网河网所构建的无向赋权图模型G＝(V,E)中点集合V与边集合E的邻接关系可以构建赋权邻接矩阵A，其中：
Figure FDA0004162849480000021
b.计算赋权邻接矩阵A的特征值，取其最大特征值作为赋权邻接矩阵A的特征值m。
5.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(4)，具体包括以下步骤：
a.删去河网河网中的一个节点i，重复步骤(3)，构建由n-1个节点所构成的新无向赋权图模型Gi＝(Vi,Ei)；
b.计算新无向赋权图模型Gi＝(Vi,Ei)的赋权邻接矩阵Ai的特征值，取其最大特征值作为赋权邻接矩阵Ai的特征值mi
c.重复上述流程，每次都选取不重复的节点进行去除，计算可得n个新的特征值。
6.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括以下步骤：
a.计算各节点特征值的变化幅度Δi，其中：
Figure FDA0004162849480000022
b.两相邻节点之间河段变化幅度λm取两节点的变化幅度之和，其中：
λm＝Δa+Δb a,b为相邻的两个节点的序号
c.整条河道的累计变化幅度μM取各河段变化幅度之和，其中：
μM＝λp+λq+…+λs p,q,…,s为同一河道上不同河段的序号。
7.根据权利要求1所述的一种南方河网地区河道重要性评价方法，其特征在于：所述步骤(6)具体包括以下步骤：
a.统计河网河流总数N，拟定河网河流最高级数Ω；
b.通过公式：
Figure FDA0004162849480000023
进行试算，计算河道河网分支比Rb,使河道河网分支比Rb在2～5之间；
c.由此得到河网的河道河网分支比Rb，河网分级数目Ω和各级河道数目Nω。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116822911A (zh) * 2023-08-29 2023-09-29 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 平原城市河网有序流动调控关键节点识别方法及系统
CN116822911B (zh) * 2023-08-29 2023-12-05 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 平原城市河网有序流动调控关键节点识别方法

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