本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于連通性指數(shù)和圖論的河網(wǎng)連通性量化方法，還涉及基于該連通性量化方法的閘壩系統(tǒng)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

河網(wǎng)連通性分析是河網(wǎng)水系演變研究與水系修復(fù)中的一項(xiàng)重要工作。目前多見(jiàn)從水系格局角度出發(fā)，將河網(wǎng)概化為無(wú)向圖，采用邊連通度KL和點(diǎn)連通度Kv表征河網(wǎng)的連通程度。在此基礎(chǔ)上，將河網(wǎng)圖模型用于水利工程對(duì)河網(wǎng)連通性影響的研究，多采用樹狀水系連通性指數(shù)DCI進(jìn)行評(píng)價(jià)。如Cote,D等(A new measure of longitudinal connectivity for stream network[J].Landscape econology.2009,24(1):101-113.DOI:10.1007/s10980-008-9283-y)基于生物體能夠在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)隨機(jī)點(diǎn)之間自由移動(dòng)的期望概率，開(kāi)發(fā)了河網(wǎng)縱向連通性指數(shù)，量化河流網(wǎng)絡(luò)連接障礙的位置對(duì)樹狀水系連通性影響。孫鵬(閘壩對(duì)河流棲息地連通性的影響研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2016,No.400 02:53-56)等利用樹狀水系連通性指數(shù)的方法，對(duì)濰河流域諸城段的連通性進(jìn)行了研究；利用可通過(guò)能力對(duì)連通性的影響，計(jì)算拆除每個(gè)閘壩后整個(gè)水系連通性的增量，確定閘壩拆除的優(yōu)先次序。羅賢等(水利工程對(duì)河網(wǎng)連通性的影響研究——以太湖西苕溪流域?yàn)槔齕J].水利水電技術(shù),2012,v.43；No.467 09:12-15.)利用空間分析、連續(xù)性指標(biāo)以及樹狀河網(wǎng)連通性指數(shù)等方法,深入探討了閘壩對(duì)河網(wǎng)連通性的影響。Grill,G等(Development of new indicators to evaluate river fragmentation and flow regulation at large scales:A case study for the Mekong River Basin.[J]Ecological Indicators.2014,45:148–159)基于網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)(DCI)，引入了包含河流種類和河流遷徙連通性在內(nèi)的新的河網(wǎng)連通性指數(shù)(RCI)和河流監(jiān)管指數(shù)(RRI)，作為樹狀水系連通性和河流調(diào)節(jié)能力的衡量工具。Joshuah S.Perkina等(Simulating fish dispersal in stream networks fragmented by multiple road crossings[J].Ecological Modelling,2013,257(24):44–56)采用樹狀水系連通性指數(shù)DCI評(píng)估河網(wǎng)棲息地頂點(diǎn)變化情況。而上述研究?jī)H適用于樹狀水系，對(duì)于水利工程繁多、人工渠系交織、復(fù)雜的網(wǎng)狀河流系統(tǒng)則具有局限性。

現(xiàn)有研究中多將河網(wǎng)概化為無(wú)向圖，雖在一定程度上可以表征河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，但對(duì)于河流的有向性未能做到真實(shí)的表達(dá)。水利工程的修建多與局部調(diào)水、發(fā)電和防洪等人類需求密切相關(guān)，而對(duì)于包含城市河網(wǎng)的流域，在整體上呈現(xiàn)出河道人工化、水系網(wǎng)絡(luò)化、河流碎片化、閘壩密集而利用率不高的現(xiàn)象。將河網(wǎng)圖模型用于水利工程對(duì)河網(wǎng)連通性影響的研究，可從流域?qū)用鎸?duì)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行全局優(yōu)化，但現(xiàn)有研究中多采用樹狀水系連通性指數(shù)DCI進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于網(wǎng)狀水系則具有局限性，無(wú)法應(yīng)用于網(wǎng)狀水系的河網(wǎng)連通性評(píng)估和閘壩系統(tǒng)分析，且不夠準(zhǔn)確可靠的連通性評(píng)估結(jié)果大大影響了水利工程的優(yōu)化工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于連通性指數(shù)和圖論的河網(wǎng)連通性量化方法，將網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)和圖論思想結(jié)合，解決樹狀水系連通性指數(shù)不適用于網(wǎng)狀水系連通性評(píng)價(jià)的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基于上述連通性量化方法的閘壩系統(tǒng)優(yōu)化方法，解決了現(xiàn)有連通性量化方法難以應(yīng)用于復(fù)雜的網(wǎng)狀水系優(yōu)化的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于連通性指數(shù)和圖論的河網(wǎng)連通性量化方法，包括以下步驟：

步驟1，將河網(wǎng)概化為以河段為頂點(diǎn)、以閘壩為邊的有向河網(wǎng)圖模型。

步驟2，首先將概化后的河網(wǎng)圖模型用鄰接矩陣表示，計(jì)算鄰接矩陣任意兩河段之間的最短距離路徑，得到多個(gè)易達(dá)路徑；然后計(jì)算多個(gè)易達(dá)路徑的連通性的總和，得到河網(wǎng)網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)RCI。

其中，步驟2的最短距離路徑的計(jì)算方法采用最短路徑法。

步驟2所述的網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)RCI的計(jì)算公式如下：

式中：n為河段的數(shù)量；s_i與s_j分別表示河段i與河段j的水域面積；S為河網(wǎng)水域的總面積；c_ij為河段i與河段j間易達(dá)路徑的連通性，表示生物體從下游至上游通過(guò)易達(dá)路徑的中第m個(gè)閘壩的能力；表示生物體從上游至下游通過(guò)易達(dá)路徑的中第m個(gè)閘壩的能力。

本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是，一種基于上述連通性量化方法的閘壩系統(tǒng)優(yōu)化方法，具體為：

依次去掉河網(wǎng)內(nèi)的其中任意一個(gè)閘壩，并按照上述河網(wǎng)連通性量化方法計(jì)算網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)RCI，將得到的多個(gè)RCI指數(shù)由大到小排列，排列順序即為單一閘壩的優(yōu)先拆除順序，根據(jù)該優(yōu)先拆除次序?qū)泳W(wǎng)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

進(jìn)一步，在得到單一閘壩的優(yōu)先拆除順序后，同時(shí)去掉河網(wǎng)內(nèi)的任意若干個(gè)排列靠前的閘壩，按照上述河網(wǎng)連通性量化方法再次計(jì)算RCI，將得到的多個(gè)RCI指數(shù)由大到小排列，排列順序即為多個(gè)閘壩一起拆除時(shí)的優(yōu)先拆除次序，根據(jù)該優(yōu)先拆除次序?qū)泳W(wǎng)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明網(wǎng)狀水系連通性量化方法的將河網(wǎng)概化為以河段為頂點(diǎn)、以閘壩為邊的河網(wǎng)有向圖模型，借鑒樹狀水系連通性指數(shù)，并結(jié)合最短路思想，計(jì)算網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)，評(píng)估河網(wǎng)連通性和單一閘壩的重要性，打破了樹狀水系連通性指數(shù)應(yīng)用范圍的局限性，可用于河網(wǎng)水系連通性變化評(píng)估、改善水系連通土程設(shè)計(jì)、不同閘壩運(yùn)行調(diào)度方案的優(yōu)化等領(lǐng)域?；谠摼W(wǎng)狀水系連通性量化方法的閘壩系統(tǒng)優(yōu)化方法對(duì)于龐大復(fù)雜的閘壩系統(tǒng)，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，易于操作的優(yōu)點(diǎn)，可適用于水利工程繁多、人工渠系交織、復(fù)雜的網(wǎng)狀河流系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明河網(wǎng)具體概化方式的示意圖；其中A、B、C、D、E為不同河道情況的概化方式，每種概化方式中左側(cè)為實(shí)際流域河網(wǎng)及閘壩分布圖，右側(cè)為概化后模型；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的流域河網(wǎng)及閘壩分布圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例經(jīng)概化后的河網(wǎng)圖模型；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例去掉單一閘壩后的網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。

本發(fā)明的河網(wǎng)連通性量化方法是將網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)和圖論思想結(jié)合，該方法以及將該方法應(yīng)用于閘壩系統(tǒng)優(yōu)化的具體步驟為：

步驟1，基于圖論的思想，將河網(wǎng)概化為以河段為頂點(diǎn)、以閘壩為邊的有向河網(wǎng)圖模型，河網(wǎng)具體概化方式參照?qǐng)D1，圖中并列的概化方式左側(cè)為原有概化方式，右側(cè)為本發(fā)明概化方式，原有概化方式圖中圓圈表示普通節(jié)點(diǎn)，方框表示閘壩節(jié)點(diǎn)，線段表示河段，1、2…表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)，1、2表示河段編號(hào)，>表示水流方向；本發(fā)明概化方式圖中圓圈表示河段，線段表示閘壩，1’、2’…表示河段編號(hào)，1、2…表示閘壩編號(hào)，>表示水流方向。圖中公式形如x’＝y(tǒng)+z，代表將原有概化方式圖中的河段y和河段z，合并概化為本發(fā)明概化方式圖中的河段x’。

針對(duì)不同的流域情況，各概化方式如下：

(1)如圖1中A所示，沿水流方向，若河流a始于河源1，經(jīng)過(guò)閘2，終于河口3，節(jié)點(diǎn)將河流分為河段1和河段2，則概化為河段1’經(jīng)過(guò)閘2，流至河段2’。

(2)如圖1中B所示，沿水流方向，若河流a與河流b分別經(jīng)過(guò)閘1和閘2后，交匯于閘3處并合并為河流c；則概化為河流d經(jīng)過(guò)閘1和閘3，河流e經(jīng)過(guò)閘2和閘3，之后兩河流交匯為河流5’。

(3)如圖1中C所示，沿水流方向，若河流a經(jīng)閘1后分流為河流b與河流c，之后河流b與河流c分別經(jīng)閘2和閘3下泄；則概化為河流d經(jīng)過(guò)閘1和閘2下泄，河流e經(jīng)過(guò)閘1和閘3下泄。

(4)如圖1中D所示，沿水流方向，若河流a與河流b分別經(jīng)閘1和閘2后交匯于一點(diǎn)，形成河流c后經(jīng)閘4下泄；則需將交匯點(diǎn)前的兩河段分別與交匯后的河段進(jìn)行合并，形成兩個(gè)新的河段。

(5)如圖1中E所示，沿水流方向，若河流a經(jīng)閘1后于一點(diǎn)分流為河流b與河流c，之后河流b與河流c分別經(jīng)閘3和閘4下泄；則需將交匯點(diǎn)前的河段與交匯后的兩河段分別進(jìn)行合并，形成兩個(gè)新的河段。

步驟2，將上述概化后的河網(wǎng)圖模型采用鄰接矩陣表示，鄰接矩陣中用0元素表示相鄰河段上無(wú)閘壩，用1元素表示相鄰河段上有閘壩。采用最短路徑算法，計(jì)算鄰接矩陣的最短距離路徑，即求得任意兩河段之間閘壩數(shù)量最少的一條通路，稱之為易達(dá)路徑。確定易達(dá)路徑的閘壩的數(shù)量。

然后計(jì)算網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)。網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)(Reticulate Connectivity Index)，取決于河網(wǎng)中任意兩點(diǎn)之間易達(dá)路徑的閘壩的數(shù)量、可通過(guò)能力以及河段長(zhǎng)度，整個(gè)河網(wǎng)水系的連通性RCI可視為任意兩河段間的易達(dá)路徑的連通性的總和。網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：n為河段的數(shù)量；s_i與s_j分別表示河段i與河段j的水域面積；S為河網(wǎng)水域的總面積，采用水域面積代替樹狀水系連通性指數(shù)中的河網(wǎng)長(zhǎng)度，可將面狀水域的影響納入考慮，適用于包括湖泊和濕地的流域連通性評(píng)估；指數(shù)乘以100是為了將RCI的值調(diào)整為0～100之間，其值越高，表明連通狀況越好；c_ij為河段i與河段j間易達(dá)路徑的連通性。c_ij取決于河段i與河段j之間易達(dá)路徑的閘壩的數(shù)量以及可通過(guò)能力，表示生物體從下游至上游通過(guò)易達(dá)路徑的中第m個(gè)閘壩的能力；表示生物體從上游至下游通過(guò)易達(dá)路徑的中第m個(gè)閘壩的能力。

步驟3，在步驟2的基礎(chǔ)上，依次去掉河網(wǎng)內(nèi)的其中任意一個(gè)閘壩，并重新計(jì)算新的RCI，假設(shè)河段i與河段j之間有M個(gè)閘壩，則共得到M個(gè)新的RCI指數(shù)。將M個(gè)新的RCI指數(shù)由大到小排列，排列越靠前的說(shuō)明該閘壩的拆除對(duì)水系連通性的提高貢獻(xiàn)越大，由此得知單一閘壩的優(yōu)先拆除次序，根據(jù)該優(yōu)先拆除次序即可對(duì)河網(wǎng)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

在上述步驟的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步通過(guò)分析閘壩之間的互相影響獲得更加優(yōu)化的方法。在步驟3的基礎(chǔ)上，同時(shí)去掉河網(wǎng)內(nèi)的任意若干個(gè)排列靠前的優(yōu)先拆除閘壩，按照同樣的方式重新計(jì)算新的RCI，并按大小排列，排列越靠前的說(shuō)明該組合方式下的若干個(gè)閘壩的拆除對(duì)水系連通性的提高貢獻(xiàn)越大，由此得知多個(gè)閘壩一起拆除時(shí)的優(yōu)先拆除次序，根據(jù)該優(yōu)先拆除次序即可對(duì)河網(wǎng)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，獲得拆除效果最好的優(yōu)化方案。

本發(fā)明的這種計(jì)算方法，對(duì)于龐大復(fù)雜的閘壩系統(tǒng)，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。

以下為一個(gè)具體實(shí)施例。某流域河網(wǎng)及閘壩分布如圖2所示。采用步驟1中的概化方法，可將圖1中的流域河網(wǎng)轉(zhuǎn)化為圖3中的河網(wǎng)圖模型。然后采用步驟2中的方法確定易達(dá)路徑，并計(jì)算該網(wǎng)狀水系連通性指數(shù)RCI＝1.88。最后采用步驟3中的方法，逐一去掉河網(wǎng)中的任何一個(gè)閘壩，計(jì)算得到相應(yīng)的RCI指數(shù)，由圖4可知RCI指數(shù)的大小，由此得知閘壩的拆除對(duì)該河網(wǎng)水系連通性的提高貢獻(xiàn)大小，即單一閘壩的優(yōu)先拆除次序，為8、31、29、41、46、……。根據(jù)該優(yōu)先拆除次序即可對(duì)河網(wǎng)閘壩系統(tǒng)進(jìn)行拆除等優(yōu)化工作，以獲得更加有利的河網(wǎng)工程。