基于河势演变图谱的河道治理方案生成方法及系统与流程

本发明涉及计算机辅助设计与仿真分析，尤其是涉及基于河势演变图谱的河道治理方案生成方法及系统。

背景技术：

1、河道治理指为维持河道行洪能力、稳定岸线与航道而对河势演变进行干预的工程活动。河势指河道平面形态、河槽断面与主流位置随水流与泥沙作用发生的整体变化状态，其演变具有沿水流方向逐段传导的特点，一处河段的变化往往牵动上下游关联河段的响应。随着遥感观测、水下地形测量与计算机建模技术的发展，运用计算机对河道观测数据进行处理并辅助设计治理方案已成为水利工程规划的重要手段。

2、现有的计算机辅助河道治理方案设计，多采用水动力与泥沙数学模型对给定工况进行正向数值模拟，通过设定边界条件求解水流与泥沙输移方程得到河床冲淤分布，再由设计人员依据模拟结果人工比选治理措施；另一类方案借助历史观测数据的统计回归或趋势外推，对特定断面的岸线或河床变化进行预测，据此判断是否需要采取护岸、丁坝或疏浚等措施。

3、上述做法把河道各断面或各工况相对孤立地处理，难以表达河势变化沿河段之间的因果传导关系，对治理目标与关联河段之间的相互冲突缺乏统一的结构化表达；正向数值模拟需要对每种备选措施分别重新设定工况并反复求解，计算耗费大，多种措施同时实施时的相互影响难以在设计阶段量化评估；统计外推则依赖既有变化趋势的延续，对工程干预引起的演变改变缺乏推演能力，且工程实施后的实际响应难以反馈回原有模型用于持续校正。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了基于河势演变图谱的河道治理方案生成方法及系统，通过把多期河道观测数据构建为带因果传递边的河势演变图谱并在图谱上映射治理目标与工程约束以提取矛盾子图、嵌入候选治理单元进行反事实推演与组合评估、再依据实施后监测数据修正图谱，能够统一表达河势沿河段的因果传导关系、量化评估多种治理动作的协同与抵触效果并使治理方案随实际响应持续迭代优化。

2、上述目标可以通过如下方案实现：

3、基于河势演变图谱的河道治理方案生成方法，包括获取目标河道的多期河道观测数据，对所述多期河道观测数据进行位置配准和时间排序，生成河势状态序列；识别所述河势状态序列中具有连续空间范围和一致演变方向的河势变化单元，连接具有先后响应关系的所述河势变化单元，生成河势演变图谱；获取目标河道的治理目标和工程约束，将所述治理目标和所述工程约束映射至所述河势演变图谱进行矛盾提取，生成矛盾子图；基于所述矛盾子图中河势变化单元传递方向或传递程度构建候选治理单元，将所述候选治理单元逐一嵌入所述矛盾子图并比较嵌入前后的图谱变化，生成反事实响应路径；组合具有空间衔接关系和时序衔接关系的所述反事实响应路径，识别组合后发生的作用汇合、作用抵消和作用放大，生成组合响应结构；利用所述工程约束裁剪所述组合响应结构中不可共同实施的候选治理单元及对应连接关系，生成可实施方案图；解析所述可实施方案图中候选治理单元的作用传导顺序和施工依赖顺序，生成河道治理方案。

4、可选地，所述获取目标河道的多期河道观测数据，对所述多期河道观测数据进行位置配准和时间排序，生成河势状态序列包括：获取目标河道的多期河道观测数据，提取所述多期河道观测数据中的岸线位置数据、河槽高程数据、洲滩边界数据和主流位置数据，生成分期河道状态数据；校正所述分期河道状态数据之间的位置偏差和观测尺度差异，生成同尺度河道状态数据；划分所述同尺度河道状态数据中的连续河段并为各连续河段建立时间索引，生成分段时序状态数据；连接所述分段时序状态数据中属于同一连续河段的相邻时相状态，生成河势状态序列。

5、可选地，所述识别所述河势状态序列中具有连续空间范围和一致演变方向的河势变化单元，连接具有先后响应关系的所述河势变化单元，生成河势演变图谱包括：比较所述河势状态序列中相邻时相状态的空间差异和变化方向，生成河势变化片段；归并所述河势变化片段中空间相连、变化方向一致且持续阶段相接的变化片段，生成河势变化单元；追踪所述河势变化单元在水流连通方向上的出现次序和响应方向，生成候选传递关系；剔除所述候选传递关系中缺少连续时相响应或演变方向相互排斥的关系，生成因果传递边；连接所述河势变化单元与所述因果传递边，生成河势演变图谱。

6、可选地，所述获取目标河道的治理目标和工程约束，将所述治理目标和所述工程约束映射至所述河势演变图谱进行矛盾提取，生成矛盾子图包括：转换所述治理目标为河势变化单元的目标演变方向，生成目标状态标记；转换所述工程约束为限制河势变化单元改变范围和改变方式的约束标记，生成图谱约束边界；利用所述目标状态标记从所述河势演变图谱中反向追踪因果传递边，生成目标作用链；利用所述图谱约束边界识别所述目标作用链向关联河段继续传递时形成的相反演变方向，生成矛盾作用对；截取连接所述矛盾作用对且不含无关分支的河势变化单元和因果传递边，生成矛盾子图。

7、可选地，所述基于所述矛盾子图中河势变化单元传递方向或传递程度构建候选治理单元，将所述候选治理单元逐一嵌入所述矛盾子图并比较嵌入前后的图谱变化，生成反事实响应路径包括：识别所述矛盾子图中能够分离所述矛盾作用对的空间位置或演变阶段，生成作用分离位置；匹配能够在所述作用分离位置改变水流引导、岸线约束、河槽过流或洲滩演变状态的治理动作，生成候选治理单元；将所述候选治理单元嵌入所述作用分离位置并改变与对应作用分离位置相连的因果传递边，生成干预图谱分支；比较所述干预图谱分支与所述矛盾子图中对应节点的传递方向和传递程度，生成响应差异链；截取所述响应差异链中从所述候选治理单元延伸至目标改善状态或关联河段不利状态的连续部分，生成反事实响应路径。

8、可选地，所述组合具有空间衔接关系和时序衔接关系的所述反事实响应路径，识别组合后发生的作用汇合、作用抵消和作用放大，生成组合响应结构包括：排列所述反事实响应路径到达同一河势变化单元的先后次序，生成路径时序关系；结合所述路径时序关系比较到达同一河势变化单元的演变方向，生成路径相互作用关系；识别所述路径相互作用关系中演变方向相同且传递程度增加的路径组合、演变方向相反且传递程度减小的路径组合以及在同一节点结束传递的路径组合，生成放大关系、抵消关系和汇合关系；连接具有所述放大关系、所述抵消关系或所述汇合关系的候选治理单元，并保留对应的路径时序关系，生成组合响应结构。

9、可选地，所述利用所述工程约束裁剪所述组合响应结构中不可共同实施的候选治理单元及对应连接关系，生成可实施方案图包括：将所述工程约束映射至所述组合响应结构中的候选治理单元和路径时序关系，生成治理单元约束关系；判断所述治理单元约束关系是否存在空间占用冲突、实施时序冲突或作用放大后越过图谱约束边界的情况，生成冲突治理组合；移除所述冲突治理组合中导致关联河段不利状态继续传递且不能被其他反事实响应路径抵消的候选治理单元，生成约束满足结构；连接所述约束满足结构中共同消减所述矛盾作用对且保持空间衔接关系的候选治理单元，生成协同治理组合；保留所述协同治理组合及对应的作用传导顺序和施工依赖顺序，生成可实施方案图。

10、可选地，所述解析所述可实施方案图中候选治理单元的作用传导顺序和施工依赖顺序，生成河道治理方案包括：读取所述可实施方案图中的作用传导顺序，生成治理单元作用序列；结合所述施工依赖顺序调整所述治理单元作用序列中不能按作用先后直接实施的候选治理单元，生成可施工治理序列；提取所述可施工治理序列中各候选治理单元对应的作用分离位置、改变方式和衔接对象，生成治理单元实施信息；组合所述治理单元实施信息与所述可施工治理序列，生成河道治理方案。

11、可选地，所述方法还包括：获取按照所述河道治理方案实施后形成的河道监测数据，生成实施后的河势状态序列；比较实施后的河势状态序列与所述反事实响应路径对应的河势变化单元，生成路径响应差异；定位所述路径响应差异在所述河势演变图谱中首次出现的因果传递边，生成偏差传递位置；依据所述偏差传递位置修正对应因果传递边的传递方向或传递程度，生成修正后的河势演变图谱；利用修正后的河势演变图谱修正所述河道治理方案。

12、基于相同的发明构思，本发明还提供了基于河势演变图谱的河道治理方案生成系统，所述系统包括：状态序列生成模块，用于获取目标河道的多期河道观测数据，对所述多期河道观测数据进行位置配准和时间排序，生成河势状态序列；演变图谱生成模块，用于识别所述河势状态序列中具有连续空间范围和一致演变方向的河势变化单元，连接具有先后响应关系的所述河势变化单元，生成河势演变图谱；矛盾定位模块，用于获取目标河道的治理目标和工程约束，将所述治理目标和所述工程约束映射至所述河势演变图谱进行矛盾提取，生成矛盾子图；反事实处理模块，用于基于所述矛盾子图中河势变化单元传递方向或传递程度构建候选治理单元，将所述候选治理单元逐一嵌入所述矛盾子图并比较嵌入前后的图谱变化，生成反事实响应路径；组合响应生成模块，用于组合具有空间衔接关系和时序衔接关系的所述反事实响应路径，识别组合后发生的作用汇合、作用抵消和作用放大，生成组合响应结构；方案图生成模块，用于利用所述工程约束裁剪所述组合响应结构中不可共同实施的候选治理单元及对应连接关系，生成可实施方案图；方案输出模块，用于解析所述可实施方案图中候选治理单元的作用传导顺序和施工依赖顺序，生成河道治理方案。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

14、本发明把多期河道观测数据转换为带因果传递关系的河势演变图谱，将原本分散的岸线、河槽、洲滩、主流观测记录统一到同一空间坐标和时间轴上按连续河段组织，使河道形态随时间的演变过程能够以可计算的结构化形式表达，从而让本领域技术人员能够对复杂河势变化进行系统建模与量化分析。

15、本发明通过在图谱上映射治理目标与工程约束并反向追踪因果传递边提取矛盾子图，把治理目标与自然演变之间、以及本河段与关联河段之间的相互冲突集中呈现，避免了对整条河道全域反复试算，使治理需求与河势演变规律之间的矛盾能够被定位，减少了方案设计所需的计算范围与人工研判工作量。

16、本发明借助把候选治理单元逐一嵌入矛盾子图并比较嵌入前后图谱变化的反事实推演机制，在工程实际投放之前即可预测每种治理动作沿河段传导后的响应效果，并进一步识别多动作同时实施时的汇合、抵消与放大关系，使治理动作之间的协同与抵触在设计阶段得到量化评估，提升了治理方案的科学性与可实施性。

17、本发明利用实施后监测数据与反事实响应路径的对比来定位偏差传递位置并修正因果传递边，使河势演变图谱能够依据实际工程响应持续校正，方案随之迭代更新，从而让治理方案在长期运行中不断逼近真实河势响应，增强了方法对不同河道条件的适应能力。