一种高寒地区水文监测数据质量评估方法及系统与流程

本发明涉及水文监测数据处理，特别是涉及一种高寒地区水文监测数据质量评估方法及系统。

背景技术：

1、高寒地区（如高山、高纬度地区及青藏高原等区域）是众多江河的发源地和重要的水源涵养区，其水文监测数据对水资源管理、洪水与凌汛预警、生态保护及气候变化研究具有重要意义。由于气候寒冷，高寒地区的水体和土壤在年内经历显著的冻结—消融循环，河道存在结冰、封冻、开河等特有的水文过程，使得水位、流量、土壤含水量等要素呈现出与温带、暖区截然不同的变化规律。

2、现有的水文监测数据质量控制方法多针对畅流条件设计，通常采用固定的阈值范围检查、变化率检查和持续性检查等通用规则，未考虑冻融状态对水文要素正常变化规律的影响。将此类通用方法直接应用于高寒地区时，大量“貌似异常、实则正常”的冻融相关现象会被误判为异常或传感器故障，主要包括：封冻期水位长时间恒定，河道封冻后自由水面被冰层固定，水位可在很长时间内保持不变，而通用持续性检查会将其误判为传感器卡死。地温过结冰点后土壤液态含水量骤降，当地温降至0℃以下时，土壤孔隙水发生相变结冰，液态含水量在短时间内急剧下降，而通用变化率检查会将这一正常的相变响应误判为异常。冰盖下流量突变，河道形成冰盖后，过流断面的水力条件改变，实测流量相对畅流期的水位-流量率定曲线出现明显偏离，而通用方法会将其误判为异常。上述误判一方面产生大量虚假报警、显著增加人工复核工作量，另一方面也可能掩盖封冻期真实发生的传感器故障而导致漏报。

3、因此，亟需一种能够辨识监测点冻融状态、并据此自适应调整质控规则的高寒地区水文监测数据质量评估方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高寒地区水文监测数据质量评估方法及系统，以解决现有通用质控方法在高寒地区将冻融相关的正常水文现象误判为异常、同时易漏报封冻期真实故障的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种高寒地区水文监测数据质量评估方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，在高寒地区水文监测点采集气温、水温、地温以及待评估的水文监测数据；

4、步骤s2，根据所述气温、水温、地温计算表征监测点热状态的综合温度，并根据所述综合温度及其随时间的变化率，构建表征监测点当前冻融或结冰程度的冻融状态指数；

5、步骤s3，根据所述冻融状态指数将监测点当前所处的冻融状态判别为融化态、冻结过渡态、封冻冰盖态或消融过渡态；

6、步骤s4，按判别出的冻融状态，从预先建立的分状态质控规则库中调用与所述冻融状态相对应的质控规则及判定阈值；

7、步骤s5，采用调用的质控规则及判定阈值，对所述水文监测数据进行异常检测与合理性判定，将该冻融状态下符合物理规律的水文现象识别为正常现象，否则判定为传感器故障；

8、步骤s6，输出所述水文监测数据的质量标签，并对识别为传感器故障的数据进行预警。

9、进一步的，所述待评估的水文监测数据包括水位、流量和土壤液态含水量；所述气温、水温、地温由布设于监测点的相应传感器以相同的采样间隔同步采集，采样间隔不大于1小时。

10、进一步的，所述综合温度取气温、水温、地温的算术平均值；所述冻融状态指数按构建，其中为特征温度尺度且取5℃；所述变化率取综合温度在一个采样间隔内的差商。

11、进一步的，所述冻融状态指数取值范围为[1，1]，设定第一状态阈值和第二状态阈值；指数不大于判为融化态，介于二者之间且变化率小于0判为冻结过渡态，介于二者之间且变化率不小于0判为消融过渡态，不小于判为封冻冰盖态。

12、进一步的，所述判定阈值包括用于异常检测的动态阈值，其中、为当前状态下历史残差的均值和标准差，阈值系数在融化态取3、封冻冰盖态取4、冻结过渡态和消融过渡态取5。

13、进一步的，所述质控规则包括状态相关的持续性检查规则：水位在1厘米以内保持不变的持续时长超过当前状态的恒定容许时长时判为疑似传感器卡死，其中融化态取24小时、封冻冰盖态取240小时。

14、进一步的，所述质控规则包括冻结过渡态下的方向豁免规则：当地温由高于结冰点降至低于结冰点时，对土壤液态含水量的下降方向变化予以豁免、不触发变化率报警。

15、进一步的，所述质控规则包括封冻冰盖态下的冰盖流量关系规则：将流量的期望值取为畅流期率定流量与冰盖折减系数的乘积，所述冰盖折减系数取0.7。

16、进一步的，步骤s5中将疑似异常的变化方向和幅值与当前冻融状态所预期的物理行为进行比对以判定合理性，步骤s6中所述质量标签按正确、可疑、错误、缺测四级进行标注。

17、第二方面，基于同一发明构思，本发明提供一种高寒地区水文监测数据质量评估系统，用于实现上述方法，包括数据采集模块、冻融状态判别模块、质控规则切换模块、数据质量检测模块和质量评估输出模块。

18、进一步的，所述数据采集模块用于同步采集气温、水温、地温以及水位、流量和土壤液态含水量；所述冻融状态判别模块用于计算综合温度、构建冻融状态指数并判别冻融状态；所述质控规则切换模块内置分状态质控规则库并按状态调用相应规则及阈值；所述数据质量检测模块用于进行异常检测与合理性判定；所述质量评估输出模块用于输出质量标签并对传感器故障预警。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、本发明通过气温、水温、地温构建冻融状态指数并判别监测点所处的冻融状态，进而按状态调用相应的质控规则和判定阈值，使封冻期水位恒定、地温过结冰点后土壤液态含水量骤降、冰盖下流量突变等冻融相关的正常水文现象不再被误判为异常，大幅降低虚假报警率和人工复核工作量；同时通过状态相关的动态阈值与合理性判定，在放宽正常冻融现象判定的同时仍能有效检出封冻期真实发生的传感器故障，避免漏报，从而整体提升高寒地区水文监测数据质量评估的准确性和可靠性，本发明的系统参数少、物理意义明确、便于跨站点推广应用。

1.一种高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，所述待评估的水文监测数据包括水位、流量和土壤液态含水量；

3.根据权利要求2所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，步骤s2中，所述综合温度取气温、水温、地温的算术平均值，即；所述冻融状态指数，其中为特征温度尺度，取5℃；所述变化率取综合温度在一个采样间隔内的差商，即，其中为采样间隔。

4.根据权利要求3所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，步骤s3中，所述冻融状态指数的取值范围为[1，1]，设定第一状态阈值和第二状态阈值；

5.根据权利要求5所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，所述采用调用的质控规则及判定阈值，对所述水文监测数据进行异常检测与合理性判定，所述判定阈值为动态阈值，所述动态阈值按确定，其中和分别为当前冻融状态下历史残差样本的均值和标准差；

6.根据权利要求5所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，所述质控规则包括：当水位在1厘米的恒定判定阈值以内保持不变的持续时长超过当前冻融状态对应的恒定容许时长时，判定为疑似传感器卡死；

7.根据权利要求6所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，所述质控规则包括：当地温由高于结冰点降至低于结冰点时，对土壤液态含水量的下降方向变化予以豁免、不触发变化率报警，使地温过结冰点后土壤液态含水量骤降不被判定为传感器故障。

8.根据权利要求7所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，所述质控规则包括：将流量的期望值取为畅流期水位-流量率定曲线所得流量与冰盖折减系数的乘积，所述冰盖折减系数取0.7；使冰盖下流量相对畅流期率定曲线的突降按所述冰盖流量关系判定，不被判定为传感器故障。

9.根据权利要求8所述的高寒地区水文监测数据质量评估方法，其特征在于，步骤s5中所述合理性判定包括：将疑似异常的变化方向和幅值与当前冻融状态所预期的物理行为进行比对，一致时识别为该冻融状态下的正常水文现象并抑制预警，不一致时识别为传感器故障。

10.一种高寒地区水文监测数据质量评估系统，用于实现权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：数据采集模块、冻融状态判别模块、质控规则切换模块、数据质量检测模块和质量评估输出模块；