【模型工具】基于图论算法的水力控制器设置

andycao1860

原文信息

题目：Hydrograph peak-shaving using a graph-theoretic algorithm for placement of hydraulic control structures

作者：Matthew Bartos, Branko Kerkez

作者单位：

Department of Civil and Environmental Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA期刊：Advances in Water Resources

时间：2019

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2019.03.016

文章亮点

1. 在排水管网中放置水力控制结构的新算法。

2. 通过对支流流动进行错峰来降低峰值时的下游水位线。

3. 算法速度快，只需要数字高程数据。

背景与目的

削减水文峰值流量的需求是雨水和防洪系统设计的核心。然而，对于优化水力控制结构的选址以便最大限度地实现系统规模效益的研究仍然较少。本研究提出了一种新的图论算法，旨在通过在流域网络的关键设置控制器来稳定流域的水文响应。

研究方法

研究采用图论的方法来对水文过程进行概化，使用邻接矩阵来描述汇流关系、宽度函数来描述两个上下游节点之间的流行时间分布、加权函数来描述节点对出流口的影响程度。当控制器放置时，会对邻接矩阵和权重产生影响。研究基于此设计了一个控制器的设置算法，该算法识别出在水文图峰值占主导地位的子集水区，然后找到排水网络中的“切口”，最大限度地使用控制器隔离这些子集水区，从而使水文响应趋于平坦。使用该算法与随机放置控制器以及无控制器的情景进行基于流体动力学的仿真对比对该算法进行理论验证。

研究结果

与随机对照试验相比，控制器放置算法产生的流量始终更平坦。算法预测的最佳控制器放置实现的峰值流量排放约为不受控制情况的29%，而随机仿真的平均峰值排放约为不受控制情况的61%。在考虑的所有控制器数量中，与随机放置策略相比，控制器放置算法的方差平均降低约 20%，峰值排放平均降低 15%。

编者点评

本研究中提出的控制器放置算法为设计雨水控制系统提供了一种工具，通过减少峰值排放，优化雨水控制结构的放置有助于减轻山洪暴发的影响。

关键图表

图1 基于邻接矩阵的河网流域图表示



图2 一年一遇降雨下的峰值捕获结果



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