一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法与流程

本发明涉及水土保持和数字地形分析领域，具体来说，涉及一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法。

背景技术：

1、淤地坝建设是黄河流域生态保护和高质量发展的重要保障措施之一。在流域尺度上，淤地坝多以坝系的形式规划建设，对于一个大中型流域而言，淤地坝数量众多，可达数百座；多个淤地坝的连接结构和蓄排关系复杂，上下游淤地坝之间相互影响；同时，流域坝系的建设周期较长，系统内新淤地坝建设和已有淤地坝淤满等都会改变已有的坝系连接结构。因此，流域淤地坝拓扑关系的构建面临数量众多、连接关系复杂、淤地坝连接结构动态变化等挑战，因此，如何将所有的淤地坝进行系统梳理，构建各淤地坝之间的动态连接关系是从流域尺度进行淤地坝规划建设的一个难点问题，也将对新形势下流域淤地坝系数字孪生技术的构建提供技术支持。

2、淤地坝系动态拓扑结构的构建是进行水沙过程模拟的基础。目前，数学模型是流域淤地坝系水沙效应的主要方法。有学者采用swat模型的水库模块模拟了皇甫川流域20个大型淤地坝的拦水拦沙效果。sedd模型也是流域产沙输沙模拟的重要方法，通过将淤地坝作为流域泥沙输移比的计算输入，模拟淤地坝拦截的泥沙量。通过考虑到淤地坝排蓄关系，也可以建立复杂连接条件下淤地坝连接方法，可以实现洪水溃坝的模拟。也有学者以sedem模型模拟小流域产流产沙过程，计算了淤地坝系内各淤地坝的泥沙拦截效率。然而，以上研究多数在小流域尺度进行，通过人工判识不同淤地坝的上下游关系，再给出淤地坝的连接关系，这种方法效率偏低，难以满足淤地坝数字孪生建模中的大数据计算需求。若提出一种能够在大流域尺度上生成淤地坝系动态连接的方法，这将为流域尺度淤地坝的动态模拟提供基础，对水土保持及生态修复具有重要意义。

3、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，包括以下步骤：

4、s1、研究区子流域划分；收集流域数字高程模型数据，在进行水文分析的基础上，将流域划分为若干个100平方公里以下的子流域；

5、s2、流域淤地坝编码；基于流域淤地坝统计调查数据，将全部淤地坝划分到s1的子流域内，并按照上下游关系进行编码；

6、s3、任意时间点t可用淤地坝的筛选；在任意给定时间点t，判定所有子流域内各淤地坝的修建和淤积状态，筛选出t时间点流域可用淤地坝；

7、s4、流域坝系的连接结构；基于s2编码和s3的状态判定，给出t时间点各子流域的淤地坝拓扑连接结构，生成流域淤地坝系拓扑结构；

8、s5、流域坝系连接结构的动态生成；通过时间遍历，给出流域淤地坝系拓扑结构的动态变化。

9、作为本发明的进一步方案，所述步骤s1中，第一步，获取研究区域的地形特征数据(dem)；第二步，借助arcswat模型，将获取的地形数据输入模型中进行河网定义、最小汇水单元面积设置、创建河网，之后选择流域出口点即可进行子流域的划分，其中各子流域以水系相连。

10、作为本发明的进一步方案，所述步骤s2中，为实现对每个淤地坝的动态识别，需要对各淤地坝进行人工编码，赋予每座淤地坝唯一的id值，编码方式参考图2，第一步，对arcswat模型所生成的子流域进行编码，每个子流域内的淤地坝构成一个完整坝系；第二步，对子流域x内的淤地坝系进行编码，将与子流域出口直接相连的淤地坝系的级别设置为1级，与级别1淤地坝直接相连的上游淤地坝级别为2级，依次累加，直至完成所有淤地坝的赋值，赋值的最高级别n(末端淤地坝)；以流域出口或中间级别淤地坝为基准，向上游淤地坝逐次增加编码，在基准编码的基础上增加同类淤地坝的顺序号。

11、作为本发明的进一步方案，所述步骤s3中，根据每个淤地坝在特定时间点t的存在状态(建设时间是否晚于t)和淤地坝淤满状态(淤满时间是否早于t)，判定在t计算时间点上所存在的淤地坝数量，并给出各个子流域淤地坝的存在状态。

12、作为本发明的进一步方案，所述步骤s4中，以每个淤地坝的id编码为基础，按照高级别淤地坝排水汇入低级别淤地坝的方式，判断各子流域内所有单一淤地坝的连接关系，生成t时间点的子流域淤地坝连接结构，并将各子流域并行连接，生成时间点t流域尺度的淤地坝连接结构。

13、作为本发明的进一步方案，所述步骤s5中，在设定淤地坝连接结构生成时段的基础上，通过时间遍历，以年为尺度，生成所有时间点的流域尺度淤地坝连接结构。

14、本发明的有益效果为：本发明针对流域内各淤地坝赋予特定编码信息，结合淤地坝的位置信息和建设年代，通过计算机能够快速地实现流域内淤地坝系拓扑结构的动态生成，该方法自动化的程度更高，在淤地坝信息编码方面，只需要结合高分卫星影像数据、地形地貌与河网信息和淤地坝建成时间等基础数据库，因此该方法成本也较低，更适合在大流域尺度的淤地坝数字孪生和水文过程模拟，由于淤地坝控制面积相对有限，就能保证在建立拓扑结构时，淤地坝控制区域位于单一子流域内，使得整个流域淤地坝的层级和连接结构也相对稳定。

技术特征：

1.一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于：所述步骤s1中，第一步，获取研究区域的地形特征数据(dem)；第二步，借助arcswat模型，将获取的地形数据输入模型中进行河网定义、最小汇水单元面积设置、创建河网，之后选择流域出口点即可进行子流域的划分，其中各子流域以水系相连。

3.根据权利要求1所述的一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于：所述步骤s2中，为实现对每个淤地坝的动态识别，需要对各淤地坝进行人工编码，赋予每座淤地坝唯一的id值，编码方式参考图2，第一步，对arcswat模型所生成的子流域进行编码，每个子流域内的淤地坝构成一个完整坝系；第二步，对子流域x内的淤地坝系进行编码，将与子流域出口直接相连的淤地坝系的级别设置为1级，与级别1淤地坝直接相连的上游淤地坝级别为2级，依次累加，直至完成所有淤地坝的赋值，赋值的最高级别n(末端淤地坝)；以流域出口或中间级别淤地坝为基准，向上游淤地坝逐次增加编码，在基准编码的基础上增加同类淤地坝的顺序号。

4.根据权利要求1所述的一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于：所述步骤s3中，根据每个淤地坝在特定时间点t的存在状态(建设时间是否晚于t)和淤地坝淤满状态(淤满时间是否早于t)，判定在t计算时间点上所存在的淤地坝数量，并给出各个子流域淤地坝的存在状态。

5.根据权利要求1所述的一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于：所述步骤s4中，以每个淤地坝的id编码为基础，按照高级别淤地坝排水汇入低级别淤地坝的方式，判断各子流域内所有单一淤地坝的连接关系，生成t时间点的子流域淤地坝连接结构，并将各子流域并行连接，生成时间点t流域尺度的淤地坝连接结构。

6.根据权利要求1所述的一种流域淤地坝系拓扑结构动态生成方法，其特征在于：所述步骤s5中，在设定淤地坝连接结构生成时段的基础上，通过时间遍历，以年为尺度，生成所有时间点的流域尺度淤地坝连接结构。

技术总结
本发明公开了一种流域淤地坝系拓扑结构的动态生成方法，包括一下步骤；S1、研究区子流域划分，S2、流域淤地坝编码，S3、任意时间点t可用淤地坝的筛选，S4、流域坝系的连接结构，S5、流域坝系连接结构的动态生成，在以子流域为边界对全流域淤地坝进行划分的基础上，基于调查统计数据进行淤地坝编码，并筛选不同时间点流域可用淤地坝并生成相应的拓扑连接结构，进而通过时间遍历，给出流域淤地坝的动态拓扑结构。本发明提出的新方法能在大流域尺度上生成淤地坝系动态连接，为流域淤地坝的科学管理和规划建设提供了重要支撑，也为淤地坝作用下流域数字孪生技术的构建提供了一种基础方法。

技术研发人员：孙彭成,吴一平,肖培青,潘雅文,焦鹏,李云,张志坚,张德全,孙维营,董飞飞,李霁航,刘杨
受保护的技术使用者：黄河水利委员会黄河水利科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13