水利信息监测系统的制作方法

本发明涉及水利监测，具体为水利信息监测系统。

背景技术：

1、随着全球气候变化和人类活动的不断增加，水资源管理面临着越来越复杂的挑战。传统的水利信息监测系统在面对突发事件和长期变化时常常显得力不从心，存在许多不足之处。

2、传统监测系统的监测范围有限。多数系统仅关注单一水域或某一特定区域的水文数据，缺乏对整个流域的综合监测。上游、中游和下游的水文数据无法有效联动，导致在水资源调度和风险评估方面存在盲区，无法全面掌握整个流域的水文状况，难以实现科学合理的水资源管理。再次，数据处理和分析能力不足是传统系统的另一大缺陷。即使能够采集到足够的数据，传统系统往往缺乏有效的处理和分析工具，无法从庞杂的数据中提取出有用的信息。特别是在泥沙淤积、水质污染等复杂问题上，泥沙淤积是水利工程中常见的难题之一，尤其是在上游地区，泥沙淤积会导致河床抬高，阻碍水流的顺畅通过。泥沙的积累不仅减少了河道的有效流通能力，还可能导致河道改道或河床抬升，进而影响水流的自然路径，传统系统难以提供精确的风险评估和决策支持，导致管理措施滞后，效果不佳。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了水利信息监测系统，以解决背景技术中提到的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：水利信息监测系统，包括设备搭建单元、区域划分单元、第一数据监测单元、第二数据监测单元、预测单元以及预警管控单元；

3、设备搭建单元用于上游水域、中游水库，以及下游农田周围布设若干组传感器设备，实时捕捉水流相关数据，并通过网络连接到云平台，若干组传感器设备采用太阳能或风能可再生能源供电；

4、区域划分单元用于对捕捉获取的水流相关数据进行区域划分，平均分成若干组网状区域，并建立平面坐标，标定上流水域、中游水库以及下游农田实体所在的网状区域，并做标记；

5、第一数据监测单元用于监测与记录上流水域、中游水库以及下游农田周围的水流相关数据和蒸发渗透数据，生成第一数据组，并通过设置双通道监测机制，通过第二数据监测单元监测上流水域泥沙淤积信息、实时降雨量以及水流污染信息，生成第三数据组；

6、预测单元用于建立水流预测模型，对第一数据组和第二数据组进行预处理后，对第一数据组进行特征提取，以构建调度指数ddzs；若调度指数ddzs低于第一调度阈值a1时，则向外部发送第一预警指令，若调度指数ddzs高于第二风险阈值a2时，则向外部发送第二预警指令；

7、并提取第二数据组中上流水域泥沙淤积信息、实时降雨量以及水流污染信息特征，深度计算分析后获取上游淤泥指数yjz以及上游水质污染指数szwr，拟合计算获取上游区域风险指数zhzs，上游区域风险指数zhzs通过以下公式获取：

8、；

9、式中，及分别上游淤泥指数yjzs以及上游水质污染指数szwr的权重系数，表示为第一修正常数；

10、预警管控单元，用于预设第一风险阈值b1和第二风险阈值b2，并将上游区域风险指数zhzs与第一风险阈值b1和第二风险阈值b2进行对比分析，以获取风险评估结果，并根据风险评估结果结合第一预警指令和第二预警指令，生成相应管控措施。

11、优选的，第一数据组包括但不限于以下数据：上游径流表面积、中游水库表面积、土壤热通量密度g、平均气温t、风速u、水头差、渗透面积、水库水位值、上游径流总流量、中游水库出库流量和下游水位；

12、第二数据组包括：泥沙浓度、沉降速度、沉降面积、泥沙的孔隙率、区域水体表面积、水深、上游径流数量jlsl、上游植被覆盖面积fgl、实时降雨量和污染物浓度信息。

13、优选的，预测单元包括处理模块和第一计算模块；

14、处理模块用于对第一数据组和第二数据组进行预处理，并提取关键特征信息；预处理包括数据清理、数据平滑和数据无量纲处理；

15、第一计算模块用于提取第一数据集中的上流水域、中游水库中的蒸发损失特征，计算上游蒸发损失指数和中游水库蒸发损失指数，上游蒸发损失指数和中游水库蒸发损失指数通过以下公式计算获取；

16、；

17、；

18、式中，表示上游径流表面积，表示蒸发速率；表示第一蒸发时间长度；表示中游水库表面积，表示蒸发速率；表示第二蒸发时间长度；

19、蒸发速率通过修正的潘曼公式考虑气象因素后，通过以下公式计算获取：

20、；

21、；

22、式中，表示饱和水汽压曲线的斜率，表示净辐射，g表示土壤热通量密度，表示心理常数，t表示平均气温，u表示风速，表示饱和水汽压，表示实际水汽压；表示空气的定压比热容，设置取值为1.013×10−3 mj/kg°c；p表示大气压，表示水汽和干空气的分子量比值，设置为0.622；表示水的汽化潜热值。

23、优选的，预测单元还包括第二计算模块和第三计算模块；

24、第二计算模块用于提取第一数据集中的中游水库中的渗透损失特征，计算分析以获取中游水库渗透损失指数，中游水库渗透损失指数通过以下公式计算生成：

25、；

26、式中，表示流量，l表示土柱长度，表示土柱截面积，表示水头差，表示渗透面积，包括水库底部和侧壁的总面积，表示水库水位值，表示第三渗透时间长度。

27、优选的，第三计算模块用于依据第一数据集，并关联上游蒸发损失指数、中游水库蒸发损失指数以及中游水库渗透损失指数，无量纲处理后，通过以下公式计算获取调度指数ddzs：

28、；

29、式中，表示上游径流总流量，表示中游水库出库流量，表示下游水位，表示下游需求流量阈值，上游蒸发损失指数，表示中游水库蒸发损失指数，表示中游水库渗透损失指数。

30、优选的，预测单元还包括第一预警模块，第一预警模块用于将若调度指数ddzs与第一调度阈值a1和第二风险阈值a2进行对比评估，获得第一判断结果，包括：

31、当调度指数ddzs＜第一调度阈值a1时，表示上游水流和中游水库有干旱风险，则向外部发送第一预警指令；

32、第一调度阈值a1≤调度指数ddzs≤第二风险阈值a2时，表示上游水流和中游水库满足下游区域水流需求，正常开闸；

33、调度指数ddzs＞第二风险阈值a2时，表示上游水流和中游水库开闸有洪水风险，则向外部发送第二预警指令。

34、优选的，上游淤泥指数yjzs通过以下公式计算获取：

35、；

36、式中，表示泥沙浓度，表示沉降速度，表示沉降面积，表示泥沙的孔隙率，表示上游径流表面积，t表示时间，表示水深，dt表示时间微分元，jlsl表示上游径流数量，表示上游植被覆盖面积，表示实时降雨量，和表示权重系数。

37、优选的，上游水质污染指数szwr通过以下公式计算获取：

38、；

39、式中，表示区域第i种污染物的权重，表示区域第i种污染物的实际浓度，表示区域第i种污染物的标准限值，n表示污染物种类数量。

40、优选的，预警管控单元包括评估模块和策略模块；

41、评估模块用于预设第一风险阈值b1和第二风险阈值b2，并将上游区域风险指数zhzs与第一风险阈值b1和第二风险阈值b2进行对比分析，以获取风险评估结果，包括：

42、当上游区域风险指数zhzs＜第一风险阈值b1时，表示上游水质和淤泥堵塞水流情况正常，维持现有水流管理状态，持续进行监测；

43、当第一风险阈值b1≤上游区域风险指数zhzs≤第二风险阈值b2时，表示上游水质和淤泥堵塞水流情况异常，生成第一等级风险标签；

44、当上游区域风险指数zhzs＞第二风险阈值b2时，表示上游水质和淤泥堵塞水流情况异常，生成第二等级风险标签，第二等级风险标签比第一等级风险标签严重。

45、优选的，策略模块用于根据风险评估结果结合第一预警指令和第二预警指令，生成相应管控措施，包括：

46、当获取第一预警指令时，生成第一管控措施，包括：通知相关部门上游和中游区域存在干旱风险，并开启备用水源，调整中游水库的放水计划，增加日常平均30%放水量以补充下游水流，在下游区域实施节约用水措施；

47、当获取第二预警指令时，生成第二管控措施，包括：通知相关部门上游和中游区域存在洪水风险，启动应急预案，调整中游水库的30%泄洪计划，将水流引入备用水库或者滞洪区，并加强下游河道疏通工作；

48、当获取第一等级风险标签时，生成第三管控措施，包括：实施局部疏浚工程，清理30%-40%淤泥，并增加3-5台水质净化设备，对上游水质进行实时净化；

49、当获取第二等级风险标签时，生成第四管控措施，包括：实施全面疏浚工程，清理50%-60%淤泥，并增加6-8台水质净化设备，对上游水质进行实时净化，并全面排查上游区域的污染源。

50、本发明提供了水利信息监测系统。具备以下有益效果：

51、（1）该水利信息监测系统，系统通过在上游水域、中游水库以及下游农田周围布设若干组传感器设备，实时捕捉和记录水流相关数据。这些传感器采用太阳能或风能等可再生能源供电，保证了系统的可持续运行。区域划分单元将获取的水流相关数据进行区域划分，平均分成若干组网状区域，并建立平面坐标，标定上游水域、中游水库以及下游农田所在的网状区域，并做标记，实现了对整个流域的全面监测。数据监测单元不仅记录传统的水流数据和蒸发渗透数据，还通过双通道监测机制监测上流水域泥沙淤积信息、实时降雨量以及水流污染信息。生成的第一数据组和第二数据组被用于深度分析。预测单元建立水流预测模型，对预处理后的数据组进行特征提取，构建调度指数ddzs，并根据ddzs值与预设第一调度阈值a1和第二风险阈值a2进行对比，生成相应的预警指令，系统能够发出干旱和洪水的预警指令，有效应对极端天气条件。通过对第二数据组中泥沙淤积信息、实时降雨量以及水流污染信息的特征提取和深度计算分析，系统生成上游淤泥指数yjz和上游水质污染指数szwr，并通过拟合计算获取上游区域风险指数zhzs。预警管控单元对上游区域风险指数zhzs进行评估，根据风险评估结果，结合第一预警指令和第二预警指令生成相应的管控措施，如调整水库放水计划、启动备用水源、实施疏浚工程等。这些措施能够针对上游淤泥堵塞、水质污染等问题采取具体的管理行动，改善了传统系统在复杂情况下的响应能力。

52、（2）通过计算上游蒸发损失指数和中游水库蒸发损失指数，系统能够提供精准的蒸发损失评估。帮助制定有效的水资源调度策略，优化水资源使用。处理模块中的数据清理、平滑和无量纲处理步骤提升了数据的质量，使得预测结果更加可靠。第一计算模块通过修正的潘曼公式综合考虑了多种气象因素，计算出的蒸发速率更加精确，有助于精确评估蒸发损失。

53、（3）通过中游水库渗透损失指数评估中游水库的渗透损失，帮助理解水库的渗透损失特征，系统可以提供关于水库损失的详细数据，辅助决策者优化水资源调度，减少水资源的浪费，提升水库的整体使用效率。通过计算调度指数ddzs，系统能够提供准确的流域水资源调度信息，帮助制定科学合理的水资源管理方案，确保水资源在不同区域和时间的有效分配。