一种小流域沟道坝系的优化布局方法与流程

本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种小流域沟道坝系的优化布局方法。

背景技术：

1、小流域坝系是为了拦蓄沟道洪水和泥沙，改善小流域生态经济环境，提高水土资源开发利用效果，在小流域各级沟道科学布设大(骨干坝)、中、小型淤地坝，形成有机结合、功能协调、具有树形结构的小流域沟道拦沙蓄水工程体系和水土资源开发利用系统。在小流域治理中，沟道坝系的布局对于防洪、拦泥淤地种植等具有重要意义；传统的坝系布局方法往往基于经验和直观判断，缺乏科学性和系统性；近年来，虽然大力发展淤地坝建设，但在坝系布局优化方面仍有待提高。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种小流域沟道坝系的优化布局方法，提高坝系防洪能力、生态优化能力和水资源利用率。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提供一种小流域沟道坝系的优化布局方法，其包括：

4、步骤s1：确定小流域的辐射区域，获取辐射区域内的干流流域和干流流域沿线的支流流域，并在干流流域和支流流域上标记出现有的坝体；

5、步骤s2：根据坝体下游的生态系数s、安全系数f以及效益系数a，构建修建坝体的特征参数与下游收益的关系模型；

6、f(x)＝η1s+η2f+η3a；

7、其中，f(x)为修建坝体的特征函数，x为修建坝体的特征参数，η1,η2,η3分别为关于生态、安全和效益的权重系数；

8、步骤s3：设置干流流域或支流流域内生态系数的标准值s标准、安全系数的标准值f标准以及效益系数的标准值a标准，筛选出干流流域和支流流域上所有的优质坝体，且优质坝体对应下游的生态系数s、安全系数f以及效益系数a均小于标准值s标准、标准值f标准和标准值a标准；

9、步骤s4：根据所有优质坝体的特征函数，以及优质坝体对应的生态系数s、安全系数f以及效益系数a，输入到关系模型中，对权重系数η1,η2,η3进行拟合，并取权重系数η1,η2,η3的平均值，得到拟合完成的关系模型；

10、步骤s5：根据现有辐射区域中除去优质坝体的劣质坝体，将劣质坝体对应的生态系数s、安全系数f以及效益系数a输入到拟合完成的关系模型中，输出劣质坝体需要优化的特征参数，根据优化的特征参数与劣质坝体当前的特征参数进行对比，对劣质坝体进行修缮和优化；

11、根据辐射区域中拟修建坝体的干流流域或支流流域的流域段，计算流域段内所需达到的目标生态系数s1、目标安全系数f1以及目标效益系数a1，将目标生态系数s1、目标安全系数f1以及目标效益系数a1均输入到拟合完成的关系模型中，得到流域段上游修建坝体的特征函数以及对应的特征参数，修建坝体。

12、进一步地，计算坝体下游的生态系数s的方法为：

13、确定坝体下游的生态辐射区域，统计历史年份段内生态辐射区域的年植物生长面积为历史年份段内第n年的植物生长面积，n为历史年份段的年份，计算历史年份段内植物生长面积的波动系数λ；

14、

15、其中，为历史年份段内第i年的植物生长面积，i为年份的编号；

16、在生态辐射区域内取若干植物生长的取样区，在取样区内采集植株样本，计算取样区内植株的生长系数γ；

17、

18、其中，e为取样区内植株样本的数量，e为取样区内植株样本的编号，le为植株样本的根系长度，l′为植株样本的根系长度标准值，re为植株样本的根系扩散半径，r′为植株样本的根系扩散半径的标准值，re为植株样本的树干散布半径，r′为植株样本的树干散布半径的标准值；

19、得到生态辐射区内所有取样区的生长系数(γ1,γ2,…,γm)，γm为第m个取样区的生长系数，m为取样区的总量，计算生态辐射区的生长系数γm为第m个取样区的生长系数，m为取样区的编号；

20、得到历史年份段内每个年份的生长系数后，计算历史年份段内生长系数的波动系数

21、

22、其中，为历史年份段内第i年的生长系数；

23、利用生长系数和波动系数λ计算坝体下游的生态系数s；

24、

25、其中，k1,k2分别为波动系数和波动系数λ对生态系数的影响权重。

26、进一步地，计算坝体下游的安全系数f的方法为：

27、

28、其中，f1为坝体的竖向载荷，f1为坝体基础面上的摩擦系数，l1为坝体的设计长度，c1为坝体基础面上的粘聚力，f2为坝体的横向载荷，u为坝体下游在历史年份段内遭受的洪涝灾害次数，u为洪涝灾害次数的编号，su为第u次洪涝灾害的受灾面积，lu为第u次洪涝灾害的延伸长度，s′为历史年分段内坝体下游洪峰过境的安全侵占面积，l′为历史年分段内坝体下游洪峰过境的安全延伸长度，η4,η5分别为坝体结构安全和洪涝灾害安全对坝体下游安全的影响权重，k1为坝体稳定性的年衰减系数，n为坝体的使用年份，w为坝体的稳定性阈值。

29、进一步地，计算坝体下游的效益系数a的方法为：

30、

31、其中，x为坝体下游年平均蓄水高度到最低预警水位时的供水量，ε坝体下游的农业、工业和居民用水的年需水量。

32、本发明的有益效果为：

33、根据小流域内实际的坝体数据与对应下游的防洪、生态以及效益数据，建立修建坝体的特征参数与下游收益的关系模型，计算坝体下游的防洪、生态以及效益数据的系数，将现有的坝体分成优质坝体和劣质坝体，利用现有的优质坝体对关系模型进行拟合，利用拟合好的关系模型计算劣质坝体需要修缮的特征参数以及新建坝体的特征参数。通过采用本发明的小流域沟道坝系优化布局方法，可以得到更加科学、合理的形成坝系布局方案，能够提高长时间的坝系的防洪能力、生态修复能力和水资源利用率，对于改善小流域生态环境、促进区域经济发展具有重要意义。

技术特征：

1.一种小流域沟道坝系的优化布局方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的小流域沟道坝系的优化布局方法，其特征在于，计算坝体下游的所述生态系数s的方法为：

3.根据权利要求1所述的小流域沟道坝系的优化布局方法，其特征在于，计算坝体下游的所述安全系数f的方法为：

4.根据权利要求1所述的小流域沟道坝系的优化布局方法，其特征在于，计算坝体下游的效益系数a的方法为：

技术总结
本发明公开了一种小流域沟道坝系的优化布局方法，属于水利工程领域，包括：确定小流域的辐射区域，获取辐射区域内的干流流域和干流流域沿线的支流流域，并在干流流域和支流流域上标记出现有的坝体；构建修建坝体的特征参数与下游收益的关系模型；筛选出干流流域和支流流域上所有的优质坝体和劣质坝体；拟合关系模型；输出劣质坝体需要优化的特征参数，对劣质坝体进行修缮和优化；得到流域段上游修建坝体的特征函数以及对应的特征参数，修建坝体。可以得到更加科学、合理的形成坝系布局方案，能够提高长时间的坝系的防洪能力、生态修复能力和水资源利用率，对于改善小流域生态环境、促进区域经济发展具有重要意义。

技术研发人员：刘广全,土小宁,吉梦喆,艾宁,刘鎏,张彦军,李玉玺,岳志春,樊爱丽
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10