[发明专利]考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括：(1)将流域整体划分成多个地块并构建地块树；(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，通过空间相互作用规则确定个体中每一地块对应的BMP；(3)根据泥沙削减率和成本进行非支配排序，排序后两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；(4)通过不断进行遗传进化，以得到流域整体的BMP最优解。本发明充分利用流域管理单元(即地块)的上下游关系及BMP的空间相互作用的知识进行种群初始化，与随机法生成初始解的传统方法相比，本发明可提高解的质量，有助于算法收敛，快速找到较优的解。

技术领域

本发明属于农业非点源污染模拟技术和最佳管理措施优化技术领域，具体涉及一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法。

背景技术

最佳管理措施(Beneficial management practices，BMP)是为了控制和削减非点源污染，防止水土流失、保护土壤资源，改善水质及流域生态环境而采取的一系列措施。在实际流域中进行BMP选择和优化配置时，通常上游管理单元措施的选择一定程度上由其下游单元措施的选择决定，例如下游管理单元实施了草地过滤带措施，则上游管理单元就不用实施等高耕作或者免耕措施，因此，BMP优化应该考虑管理单元的上下游关系。

现有的BMP优化方法有两种，一种是根据专家经验和关键源区识别，在一定程度上考虑了管理单元上下游关系来设计BMP方案，然后通过流域模型模拟评价进行择优选择，但是该方案评价时大多采用半分布式流域模型，无法模拟方案中管理单元的空间相互作用(如上游排污对下游的影响)；另一种是基于智能优化算法对流域BMP空间配置方案进行优化，但是由于优化算法以随机法生成初始种群(初始解)，根据模型评价结果来引导产生新种群(新解)进行BMP配置优化，而使用的模型在现有研究中多是采用半分布式流域模型，采用的随机法也忽略了管理单元的上下游关系。综上所述，现有的两种BMP优化方法没有充分考虑管理单元的上下游关系及其空间相互作用。

基于优化算法在流域中进行BMP空间优化配置时，如果考虑管理单元的上下游关系及管理措施空间相互作用的先验知识进行优化，并且采用能够体现空间单元之间物质交互作用的全分布式流域模型作为BMP评价模型，那么不仅可提高优化算法的收敛速度，而且可以提高最优解的质量。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，其将现有的流域最佳管理措施空间相互作用知识应用于优化算法初始，以提高算法搜索的起点。

一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括如下步骤：

(1)将流域整体划分成具有上下游关系的多个独立管理的地块，并构建地块树，所述的地块具有单一的土地利用类型和明确的上下游关系；

(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，种群中的每一个体为一套潜在的流域整体管理方案，即对应一棵地块树且其中每一地块通过空间相互作用规则确定了对应的BMP；

(3)根据泥沙削减率和成本利用快速非支配排序法对种群中的个体进行排序，按次序使个体两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；

(4)根据步骤(3)不断进行遗传进化，直至达到设定的迭代终止条件，最终获得的新一代种群即为精英集，进而根据流域治理的环境目标以及预算从精英集中选取出一个个体作为流域整体的最优管理方案。

所述步骤(1)的具体过程如下：

1.1利用DEM(数字高程模型)建立流域整体的流向图；

1.2根据流向关系将流向图中的所有栅格对应作为节点组建成树形结构；

1.3根据土地利用图使树形结构中具有相同土地利用类型以及直接流向关系的节点进行合并，合并后的树形结构即为所述的地块树且其中的每一节点即对应所述的地块。