【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水資源管理和環境工程，特別涉及一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率估算模式。
技術介紹
1、平原河網地區農業發達，水系豐富。在自然地形地貌與人類耕作共同影響下，農田與排水溝塘系統交錯存在。農田周圍排水溝塘系統既是農業退水的通道，同時作為濕地系統，其能夠去除排水中的污染物負荷，繼而改善農田小流域的出口水質。因此，排水溝塘濕地系統具有排水環境生態等多種服務功能。為了更合理地開發與保護溝塘濕地系統，需要開發更合理的辦法來量化最小濕地水面面積。
2、傳統上排水系統設計主要以排水最優為主，近年來逐漸開始注重排水溝塘系統的生態環境功能。除此之外，作為一個復雜網絡系統，如何量化其特性是研究的重點與難點之一?，F有中主要將溝塘濕地系統作為一個整體來考慮，將溝塘濕地的分布特性納入濕地水面率估算的研究較少。所以提出一種估算最小濕地水面面積，對于保護溝塘系統并量化其特性具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術針對如何量化排水溝塘系統特性，將溝塘濕地的分布特性納入濕地水面率估算，提出一種估算最小濕地水面面積，對于保護溝塘系統并量化其特性具有重要意義。
2、本專利技術的目的是這樣實現的：一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，包括以下步驟：
3、步驟1)調查分布式溝塘系統并形成溝塘拓撲結構；
4、步驟2)基于所述溝塘拓撲結構建立分布式溝塘濕地的圖論模型，并生成其鄰接矩陣；
5、步驟3)基于溝塘網絡的產匯流關系構建鄰接矩陣的流量權重
6、步驟4)基于污染物的分布式一階動力學過程來量化鄰接矩陣的污染物削減權重；
7、步驟5)根據溝塘網絡的圖論模型及其流量與污染物削減權重，以小流域出流水質達標排放為目標，迭代溝塘面積水面率來搜索滿足水質達標排放要求的最小溝塘系統水面面積，并估算溝塘濕地水面率。
8、進一步的，步驟2)具體包括：基于所獲取的溝塘拓撲結構數據，將溝塘濕地系統水流網絡進行概化，構建為有向圖模型，該模型中，節點作為各個溝塘的代表，邊用于表征溝塘之間的連通關系與水流路徑，通過運用圖論中的矩陣表示方法，生成鄰接矩陣，從而以數學形式精確地描述溝塘網絡的連接關系、水流方向以及潛在的循環路徑。
9、進一步的，步驟3)具體包括：考慮到溝塘網絡的產匯流關系，將農田產流量賦予鄰接矩陣中的對應邊，作為流量權重qi,j，精確反映溝塘之間的水流量大小、方向的變化特征，計算過程如下：
10、
11、式中，qi,j為第i個溝塘濕地單元流向第j個溝塘單元的流量，m3/day；qi,j,m為第i個溝塘濕地單元流向第j個溝塘單元過程中，第m個農田產流區域貢獻的流量，m3/day；qi,n為第i個溝塘濕地單元的上游第n個溝塘單元的流量，m3/day；m和n分別為第i個溝塘單元的匯流農田總數與上游單元總數；其中m＝0即該單元沒有農田入流，n＝0即該單元沒有上游入流單元；
12、其中，農田產流量qi,j,m由農田面積估算與農田排水通量的乘積來估算，計算過程如下：
13、qi,j,m＝αi,jh0*ai,m
14、式中，h0為農田產流通量，由田間實測年產流量來近似估計，m3/day；ai,j,m為第i個溝塘濕地單元內第m個農田產流區域面積，m2；αi,j為第i個溝塘濕地單元流向第j個溝塘單元過程中，農田產流的分配系數；當溝塘單元i只有一個下游單元j時，分配系數為1。
15、進一步的，步驟4)具體包括：基于污染物在溝塘濕地中的分布式一階動力學過程，考慮污染物的輸入濃度、溝塘的水力停留時間、污染物的降解系數和沉積速率等因素，建立污染物濃度變化的數學模型，計算各溝塘對特定污染物的削減系數，將其賦予鄰接矩陣中的對應邊，作為污染物削減權重ωi,j，定量描述溝塘濕地對污染物的削減能力，計算過程如下：
16、
17、式中，ct,i,j為第i個溝塘濕地單元流向第j個溝塘濕地單元的時段末污染物濃度，mg?l-1；計算過程如下：
18、
19、式中，k為污染物一階消減系數，day-1；th,i為第i個溝塘濕地單元流向第j個溝塘濕地單元的水力停留時間，day；
20、c0,i為第i個溝塘濕地單元的時段初污染物濃度，mg?l-1；計算過程如下：
21、
22、式中，式中ca為農田模型預測的田間污染物輸出濃度，mg?l-1；ct,i,n為第i個溝塘濕地單元的上游第n個溝塘單元的時段末污染物濃度，mg?l-1；
23、污染物的最終輸出濃度是剩余污染物負荷與總流量的比值ct，計算過程如下：
24、
25、式中，ct為溝塘網絡的總出流濃度，mg/l；m0為進入溝塘網絡的初始負荷，kg；δm為溝塘網絡削減的污染物負荷，kg；l為溝塘網絡單元的總數。
26、進一步的，步驟5)具體包括：以小流域出流水質達標排放為目標，建立約束條件，采用試算迭代法，對溝塘面積水面率進行調整和優化；在每次迭代中，利用建立的圖論模型、流量權重和污染物削減權重，計算污染物在溝塘網絡中的傳輸和削減過程，預測小流域出流水質；根據計算結果，判斷出流水質是否滿足預定的水質標準，若不滿足，則根據優化算法調整溝塘水面率，進入下一次迭代；
27、進一步的，其中：水質達標排放需要的溝塘濕地水面率ε，計算過程如下：
28、
29、式中ε為濕地水面率，％；μ為溝塘面積調整系數。
30、一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率估算系統，用以實現上述計算方法，包括：
31、數據采集模塊，用于調查并獲取分布式溝塘濕地系統的拓撲結構及其水力聯系數據；
32、圖論模型構建模塊，用于根據數據采集模塊獲取的信息構建溝塘濕地系統的圖論模型；
33、鄰接矩陣構建模塊，用于生成描述溝塘濕地系統流量權重和污染物削減權重的鄰接矩陣；
34、迭代優化模塊，用于通過迭代算法搜索滿足水質達標要求的最優溝塘濕地系統水面面積。
35、一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其中：所述處理器執行所述計算機程序時實現所述計算方法。
36、一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現所述計算方法。
37、與現有技術相比，本專利技術的有益效果在于：
38、傳統的溝塘濕地研究往往將其視為整體，忽略了各自的特性。本專利技術通過綜合考慮南方平原河網地區農田與排水溝塘系統的復雜交互作用，并結合圖論概化與迭代調整分析，提出了一種估算模式，能夠全面考慮平原河網與排水溝塘之間復雜的關系，更為合理地估算最小濕地面積。此外，本專利技術提出的溝塘濕地水面率估算對于應對高標準農田建設具有重要意義，塘濕地水面面積對于灌區農業生產和生態環境服務功能的發揮具有重要的參考價值。
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1.一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟2)具體包括：基于所獲取的溝塘拓撲結構數據，將溝塘濕地系統水流網絡進行概化，構建為有向圖模型，該模型中，節點作為各個溝塘的代表，邊用于表征溝塘之間的連通關系與水流路徑，通過運用圖論中的矩陣表示方法，生成鄰接矩陣，從而以數學形式精確地描述溝塘網絡的連接關系、水流方向以及潛在的循環路徑。
3.根據權利要求2所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟3)具體包括：考慮到溝塘網絡的產匯流關系，將農田產流量賦予鄰接矩陣中的對應邊，作為流量權重qi,j，精確反映溝塘之間的水流量大小、方向的變化特征，計算過程如下：
4.根據權利要求3所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟4)具體包括：基于污染物在溝塘濕地中的分布式一階動力學過程，考慮污染物的輸入濃度、溝塘的水力停留時間、污染物的降解系數和沉積速率等因素，建立污染物濃度變化的數學模型，計算各溝塘對特定
5.根據權利要求4所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟5)具體包括：以小流域出流水質達標排放為目標，建立約束條件，采用試算迭代法，對溝塘面積水面率進行調整和優化；在每次迭代中，利用建立的圖論模型、流量權重和污染物削減權重，計算污染物在溝塘網絡中的傳輸和削減過程，預測小流域出流水質；根據計算結果，判斷出流水質是否滿足預定的水質標準，若不滿足，則根據優化算法調整溝塘水面率，進入下一次迭代。
6.根據權利要求5所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，其中：水質達標排放需要的溝塘濕地水面率ε，計算過程如下：
7.一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率估算系統，用以實現權利要求1-6中任一項所述計算方法，其特征在于，包括：
8.一種計算機設備，包括存儲器和處理器，其特征在于，所述存儲器存儲有計算機程序，其中：所述處理器執行所述計算機程序時實現權利要求1-6中任一項所述計算方法。
9.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現權利要求1-6中任一項所述計算方法。
...【技術特征摘要】
1.一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟2)具體包括：基于所獲取的溝塘拓撲結構數據，將溝塘濕地系統水流網絡進行概化，構建為有向圖模型，該模型中，節點作為各個溝塘的代表，邊用于表征溝塘之間的連通關系與水流路徑，通過運用圖論中的矩陣表示方法，生成鄰接矩陣，從而以數學形式精確地描述溝塘網絡的連接關系、水流方向以及潛在的循環路徑。
3.根據權利要求2所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟3)具體包括：考慮到溝塘網絡的產匯流關系，將農田產流量賦予鄰接矩陣中的對應邊，作為流量權重qi,j，精確反映溝塘之間的水流量大小、方向的變化特征，計算過程如下：
4.根據權利要求3所述的一種基于圖論的分布式溝塘濕地水面率計算方法，其特征在于，步驟4)具體包括：基于污染物在溝塘濕地中的分布式一階動力學過程，考慮污染物的輸入濃度、溝塘的水力停留時間、污染物的降解系數和沉積速率等因素，建立污染物濃度變化的數學模型，計算各溝塘對特定污染物的削減系數，將其賦予鄰接矩陣中的對應邊，作為污染物削減權重ωi,j，定...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉文龍，喬佳慧，羅紈，賈忠華，吳慧，彭佳雯，陳雅雯，吳宇軒，
申請(專利權)人：揚州大學，
類型：發明
國別省市：
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