本發(fā)明涉及淤地壩選址，具體涉及一種基于水文水動(dòng)力耦合模型的流域淤地壩多目標(biāo)優(yōu)化選址的方法。

背景技術(shù)：

1、淤地壩是黃土高原獨(dú)特的、關(guān)鍵的一項(xiàng)水土保持工程措施，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了顯著作用，包括但不限于水土流失治理、防洪滯洪減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境提升、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等，尤其是在減少黃河下游泥沙淤積方面，淤地壩發(fā)揮了最直接、最有效的作用。在淤地壩的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需要重點(diǎn)考慮其建設(shè)時(shí)的成本和建成后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益兩個(gè)方面，也是淤地壩設(shè)計(jì)報(bào)告中的重點(diǎn)內(nèi)容。早期的淤地壩因?yàn)樵谛钏畷r(shí)存在一定的滲漏潰壩風(fēng)險(xiǎn)，其防洪效益一般不在規(guī)劃初期的考慮范圍內(nèi)，但隨著新型材料的研發(fā)，低成本高性能的筑壩材料發(fā)展，壩體強(qiáng)度得到提升，使得淤地壩能夠在一定程度上允許蓄水，發(fā)揮出一定的攔蓄洪水的作用，在一定程度上能夠減輕下游防洪壓力，甚至是蓄水灌溉等生產(chǎn)效益。

2、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了許多實(shí)用的水文模型和水動(dòng)力模型，通過(guò)數(shù)值模擬的手段能夠計(jì)算得到在不同淤地壩設(shè)計(jì)方案條件下流域各區(qū)域水文水動(dòng)力各項(xiàng)參數(shù)，為淤地壩的效益評(píng)估提供更科學(xué)的依據(jù)。另外，gis、遙感等技術(shù)的發(fā)展，使得在流域淤地壩規(guī)劃的初期階段，可以僅通過(guò)流域的dem便可快速分析出擬建淤地壩的規(guī)模和庫(kù)容等參數(shù)，能夠節(jié)約大量實(shí)地勘測(cè)的時(shí)間?，F(xiàn)階段實(shí)際的淤地壩選址及設(shè)計(jì)過(guò)程中多數(shù)還是采用經(jīng)驗(yàn)法，此方法依賴于專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)設(shè)選址點(diǎn)位，再由專家討論進(jìn)行打分，從而確定最終選址和方案，過(guò)程繁多，而且最終形式設(shè)計(jì)方案對(duì)于目標(biāo)小流域來(lái)說(shuō)可能并不是最優(yōu)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，可以快速得到不同淤地壩建設(shè)方案對(duì)流域洪水演進(jìn)影響、淤地壩建設(shè)方案成本和淤地壩建設(shè)后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益，能夠在流域淤地壩建設(shè)規(guī)劃初期提供可靠且科學(xué)的選址方案。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，包括：

4、s1，基于目標(biāo)流域的dem進(jìn)行地形特征分析，得到目標(biāo)流域的河網(wǎng)、子流域劃分結(jié)果以及擬建淤地壩的壩頂長(zhǎng)度、攔沙庫(kù)容和淤地面積；

5、s2，基于s1的子流域劃分結(jié)果構(gòu)建目標(biāo)流域的水文模型，根據(jù)水文模型計(jì)算得到目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程；

6、s3，以目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程為邊界條件，構(gòu)建目標(biāo)流域的水動(dòng)力模型；

7、s4，在所述目標(biāo)流域的水動(dòng)力模型中，以修改地形的方法概化多種淤地壩建設(shè)方案的淤地壩建設(shè)情況，進(jìn)行流域洪水模擬，計(jì)算得到多種淤地壩建設(shè)方案下目標(biāo)流域出口位置的洪峰，并根據(jù)所述目標(biāo)流域出口位置的洪峰構(gòu)建響應(yīng)面代理模型；

8、s5，構(gòu)建目標(biāo)流域的淤地壩選址及規(guī)模的多目標(biāo)優(yōu)化模型，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型包括投資建設(shè)成本、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益、防洪優(yōu)化效益三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，投資建設(shè)成本、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益根據(jù)淤地壩的壩頂長(zhǎng)度、攔沙庫(kù)容和淤地面積得到，所述防洪優(yōu)化效益根據(jù)所述水動(dòng)力模型和響應(yīng)面代理模型得到，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到淤地壩選址及規(guī)模優(yōu)化結(jié)果。

9、優(yōu)選的，s1具體為：基于目標(biāo)流域的dem，進(jìn)行填洼分析、坡向分析、流量分析，并采用河網(wǎng)密度法提取目標(biāo)流域的最佳河網(wǎng)，根據(jù)最佳河網(wǎng)進(jìn)行子流域劃分，得到子流域劃分結(jié)果；根據(jù)淤地壩距離目標(biāo)流域出口位置的距離s和壩體高度h，采取地形分析方法，提取分析得到地形特征參數(shù)，根據(jù)地形特征參數(shù)構(gòu)建壩頂長(zhǎng)度l、攔沙庫(kù)容v、淤地面積a的數(shù)學(xué)模型。

10、優(yōu)選的，s2具體為：基于s1的子流域劃分結(jié)果，結(jié)合目標(biāo)流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)，確定水文模型下墊面參數(shù)，以次降雨數(shù)據(jù)完成率定，得到水文模型；以設(shè)計(jì)暴雨作為降雨條件，根據(jù)水文模型計(jì)算得到目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

11、優(yōu)選的，s3中，所述水動(dòng)力模型為一維水動(dòng)力模型或二維水動(dòng)力模型。

12、優(yōu)選的，當(dāng)所述水動(dòng)力模型為二維水動(dòng)力模型時(shí)，s3具體為：以目標(biāo)流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定不同土地利用類型的各區(qū)域糙率值，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定最優(yōu)計(jì)算網(wǎng)格尺寸，以水文模型計(jì)算得到的目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程為邊界條件，構(gòu)建得到目標(biāo)流域的水動(dòng)力模型。

13、優(yōu)選的，s3中，還包括對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行水量平衡分析，以驗(yàn)證水動(dòng)力模型的可行性和適用性。

14、優(yōu)選的，s5中，所述目標(biāo)流域的淤地壩選址及規(guī)模分別為淤地壩距離目標(biāo)流域出口位置的距離s和壩體高度h。

15、優(yōu)選的，s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型為：

16、

17、其中，c表示淤地壩投資建設(shè)成本；

18、qr表示防洪優(yōu)化效益，即目標(biāo)流域配置淤地壩后的目標(biāo)流域出口處的洪峰削減程度；

19、r表示淤地壩在建成后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益。

20、進(jìn)一步的，防洪優(yōu)化效益具體為：

21、

22、式中：

23、q0表示未布設(shè)淤地壩時(shí)，水動(dòng)力模型計(jì)算的目標(biāo)流域出口洪峰，m3/s；

24、qi表示某一淤地壩布設(shè)工況下響應(yīng)面代理模型得到的目標(biāo)流域出口洪峰，m3/s，由淤地壩距離目標(biāo)流域出口位置的距離s與壩體高度h通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示：

25、優(yōu)選的，采用nsga-ii算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

27、本發(fā)明綜合了多項(xiàng)前沿的科學(xué)技術(shù)，包括地理信息系統(tǒng)、水文模型、水動(dòng)力模型、代理模型和多目標(biāo)優(yōu)化算法，擬定了一套適用于黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)選址的方法流程，可在流域淤地壩規(guī)劃的初期節(jié)省大量工作人員實(shí)地勘測(cè)的各類成本，且可以對(duì)淤地壩建設(shè)的成本進(jìn)行一定的估算?；谒乃畡?dòng)力耦合模型，以修改地形的方法概化淤地壩在流域中的選址建設(shè)情況，可快速模擬出淤地壩建設(shè)后對(duì)流域洪水演進(jìn)的影響、淤地壩建設(shè)方案成本和淤地壩建設(shè)后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益，可為決策者提供一個(gè)較為科學(xué)的擬建方案效益，并以此作為方案是否可行的參考。

技術(shù)特征：

1.一種基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s1具體為：基于目標(biāo)流域的dem，進(jìn)行填洼分析、坡向分析、流量分析，并采用河網(wǎng)密度法提取目標(biāo)流域的最佳河網(wǎng)，根據(jù)最佳河網(wǎng)進(jìn)行子流域劃分，得到子流域劃分結(jié)果；根據(jù)淤地壩距離目標(biāo)流域出口位置的距離s和壩體高度h，采取地形分析方法，提取分析得到地形特征參數(shù)，根據(jù)地形特征參數(shù)構(gòu)建壩頂長(zhǎng)度l、攔沙庫(kù)容v、淤地面積a的數(shù)學(xué)模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s2具體為：基于s1的子流域劃分結(jié)果，結(jié)合目標(biāo)流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)，確定水文模型下墊面參數(shù)，以次降雨數(shù)據(jù)完成率定，得到水文模型；以設(shè)計(jì)暴雨作為降雨條件，根據(jù)水文模型計(jì)算得到目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s3中，所述水動(dòng)力模型為一維水動(dòng)力模型或二維水動(dòng)力模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，當(dāng)所述水動(dòng)力模型為二維水動(dòng)力模型時(shí)，s3具體為：以目標(biāo)流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定不同土地利用類型的各區(qū)域糙率值，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定最優(yōu)計(jì)算網(wǎng)格尺寸，以水文模型計(jì)算得到的目標(biāo)流域的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程為邊界條件，構(gòu)建得到目標(biāo)流域的水動(dòng)力模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s3中，還包括對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行水量平衡分析，以驗(yàn)證水動(dòng)力模型的可行性和適用性。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s5中，所述目標(biāo)流域的淤地壩選址及規(guī)模分別為淤地壩距離目標(biāo)流域出口位置的距離s和壩體高度h。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，防洪優(yōu)化效益具體為：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，其特征在于，采用nsga-ii算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于水文水動(dòng)力耦合模型的淤地壩選址方法，綜合了多項(xiàng)前沿的科學(xué)技術(shù)，包括地理信息系統(tǒng)、水文模型、水動(dòng)力模型、代理模型和多目標(biāo)優(yōu)化算法，擬定了一套適用于黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)選址的方法流程，可在流域淤地壩規(guī)劃的初期節(jié)省大量工作人員實(shí)地勘測(cè)的各類成本，且可以對(duì)淤地壩建設(shè)的成本進(jìn)行一定的估算?；谒乃畡?dòng)力耦合模型，以修改地形的方法概化淤地壩在流域中的選址建設(shè)情況，可快速模擬出淤地壩建設(shè)后對(duì)流域洪水演進(jìn)的影響、淤地壩建設(shè)方案成本和淤地壩建設(shè)后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益，可為決策者提供一個(gè)較為科學(xué)的擬建方案效益，并以此作為方案是否可行的參考。

技術(shù)研發(fā)人員：王雯,鄧明昊,沈榮建,管木紅,李占斌,李鵬,杜新春,張勇,史良,張乃暢,夏朝輝,寧勇華,楊思炯,姜純偉,王赟先,趙佳敏,陳文夫,劉洋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10