一种断流河段生态补水水头演进监测系统及方法与流程

本发明涉及河道水文监测，尤其涉及一种断流河段生态补水水头演进监测系统及方法。

背景技术：

1、河流生态补水是恢复断流河段水文连通、改善河流生态环境和回补沿岸地下水的重要措施。在断流河段实施生态补水时，补水水头通常沿干涸河槽中的主导过水路径逐步向下游推进。由于河床长期裸露后可能出现冲淤变形、植被侵占、局部洼地发育和主槽位置改变，加之河床入渗、蒸发、糙率及沿程取用水等因素的共同影响，补水初期的水流往往具有水层较浅、推进速度变化明显、局部滞蓄以及间歇性通过等特征。因此，生态补水调度不仅需要掌握补水起点的下泄流量和固定断面的水位、流量，还需要及时获取补水水头在各河段的初次到达时刻、通过状态、沿程演进次序及最远有效到达范围，以判断河道是否形成预期的过水过程，并为后续补水调度和河段水量传输分析提供依据。

2、现有河流水文监测主要依托水文站、遥测站或临时监测断面，通过水位计、雷达或超声波水位计、流速仪、流量计及视频监测设备采集水位、流速、流量等水文要素。上述技术适用于已有稳定水面和相对明确水位—流量关系的河道断面，但在断流河段补水水头初至阶段，水流常以极浅水层沿局部低槽推进，尚未形成稳定断面水位和连续过流条件，常规水位或流量监测设备可能无法及时获得有效测值。采用水浸开关、电导探头或其他水体存在传感器虽然可以判断监测位置附近是否出现水体，但单一有水信号只能反映局部位置由无水状态转变为有水状态，难以区分该信号是由补水水头顺向通过、局部洼地积水、下游回水、侧向来水还是降雨形成的局地湿润所引起。对于沿河道布设的多个监测点，若仅以各点的有水状态或最下游有水点判断补水水头位置，也可能将彼此孤立的有水记录错误地解释为补水水头连续向下游演进。

3、如公开号为cn111695530a的中国发明专利，公开了一种基于高分遥感的河流补水效果智能化监测评估方法，该方法能够从较大空间尺度获得河流水面范围变化，适于补水效果的宏观监测和阶段性评估。但是，该方法依赖满足云量、冰雪、降雨及成像质量要求的多时相遥感影像，其观测时刻受卫星成像和可用影像获取条件限制，主要反映成像时刻的水面空间分布，难以连续记录补水水头在相邻监测位置之间的短时推进过程，也不能直接确定某一现场监测位置处的水体是否按照河道顺水流方向完成到达和通过。因此，该技术尚不能满足断流河段生态补水过程中对水头节点级到达时刻和沿程演进次序进行现场连续监测的需求。

4、如公开号为cn211148692u的中国实用新型专利，公开了一种水流速度检测装置，该方案表明，导流通道和前后两个检测位置可以用于获得物体随水流运动的时序信息。然而，该装置的检测对象是人工投放的标识物，使用前提是待测区域已经存在能够带动标识物运动的水流，其技术目的在于通过标识物的移动速度估算水流速度，并非直接检测由无水状态向有水状态转变的补水水头到达过程。同时，该装置也未涉及多个沿程监测节点的到达记录校核以及补水水头最远有效到达河段的确定，因而不能直接用于断流河段生态补水水头演进监测。

5、综上，现有技术分别能够实现固定断面水位流量监测、河流水面范围遥感识别以及已有水流条件下的流速测量，但对于断流河段生态补水水头的现场演进过程，仍缺少一种与浅层水头推进特征相适应的监测手段。因此现有技术尚难以在不依赖多时相遥感影像或人工投放示踪物的情况下，将监测位置处补水水头的顺向到达和通过过程转换为可核验的时序记录，并根据多个沿程监测节点的空间次序和到达时刻确定补水水头的最远有效到达河段，同时降低局部积水、反向来水和孤立湿润对水头演进判断造成的干扰。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种断流河段生态补水水头演进监测系统及方法，旨在解决断流河段生态补水水头演进监测中存在的以下技术问题：

2、现有单点水体检测方式难以区分补水水头顺向通过与局部积水、下游回水、侧向来水等引起的局地有水现象，容易造成水头到达误判。

3、断流河段补水初期水层浅、过水不稳定，常规水位、流量监测设备难以及时、有效地记录补水水头在监测位置处的初到和通过过程。

4、现有多点监测结果缺乏基于河道沿程位置和到达时序的连续性校核，难以可靠确定补水水头的最远有效到达节点及其所在监测河段。

5、为解决上述技术问题，本发明提供了一种断流河段生态补水水头演进监测系统，包括：

6、设置于生态补水起点的源端出流检测单元，用于检测所述生态补水起点的实际过水状态，并在检测到实际出流时生成本次生态补水过程的事件标识和源端出流记录；

7、沿断流河段的预设主要过水路径并按顺水流方向依次布设的多个监测节点，每个监测节点均包括过水时序检测组件和节点控制器；

8、所述过水时序检测组件具有仅在顺水流方向的上游端和下游端分别设置上游进水口和下游出水口的过水检测通道，且其内沿上游进水口至下游出水口的方向依次间隔设置第一水体检测单元和第二水体检测单元；

9、所述节点控制器用于记录第一水体检测单元和第二水体检测单元的状态变化时刻并生成对应监测节点的水头到达记录，所述水头到达记录至少包括事件标识、节点编号、河道沿程位置、水头初到时刻和通过确认时刻；

10、以及，分别与所述源端出流检测单元和各监测节点通信连接的数据处理终端；

11、所述数据处理终端用于以源端出流记录作为一次生态补水过程的起始记录，根据各监测节点的河道沿程位置和水头初到时刻，确定自生态补水起点起按顺水流方向连续排列、且下游监测节点的水头初到时刻不早于其上游相邻监测节点水头初到时刻的有效到达序列；

12、所述数据处理终端还用于将有效到达序列中的最下游监测节点确定为本次生态补水过程的最远有效到达节点，并在其下游相邻监测节点工作状态正常但尚未形成水头到达记录时，将最远有效到达节点与其下游相邻监测节点之间的河段确定为生态补水水头的最远有效到达监测河段。

13、进一步地，所述过水时序检测组件用于监测其所在预设主要过水路径的局部过水状态，所述过水时序检测组件包括固定于河床上的底板、分别设置于所述底板两侧的第一侧壁和第二侧壁，以及覆盖于所述第一侧壁和第二侧壁上方的盖板，所述底板、第一侧壁、第二侧壁和盖板共同围成过水检测通道；

14、所述过水检测通道的纵向轴线与对应监测节点位置处的预设主导过水方向一致。

15、进一步地，所述上游进水口的下缘与过水检测通道的内底面相接，并在安装状态下不高于所述上游进水口邻接位置的河床表面；

16、所述内底面沿上游进水口至下游出水口的方向不形成阻碍排水的反坡；

17、所述下游出水口的下缘与内底面的最低部位连通，以便在外部水位回落后使过水检测通道内的水体由下游出水口排出。

18、进一步地，所述第一水体检测单元靠近上游进水口设置，所述第二水体检测单元位于第一水体检测单元的下游侧，进入所述过水检测通道的水体在正常顺向流动条件下依次经过第一水体检测单元和第二水体检测单元后由下游出水口排出；

19、所述第一水体检测单元和第二水体检测单元均采用交流阻抗式水体检测单元，且包括相互间隔设置的第一检测电极和第二检测电极；

20、所述第一检测电极和第二检测电极分别设置于过水检测通道内相对的第一侧壁和第二侧壁上，并与过水检测通道的内底面间隔设置。

21、进一步地，所述节点控制器向同一水体检测单元的第一检测电极和第二检测电极施加双极性交替的检测信号，并根据对应监测节点在无水状态和补水水样作用状态下分别标定得到的状态判别边界，确定第一水体检测单元和第二水体检测单元的有水状态、无水状态或状态不确定，表达式为：

22、

23、式中，表示第个监测节点对应水体检测单元在时刻的水体出流状态；为监测节点的节点编号；，分别表示第一水体检测单元和第二水体检测单元；为检测信号；为无水特征域；为有水特征域；0、1、分别表示无水状态、有水状态和状态不确定。

24、进一步地，所述节点控制器分别记录第一水体检测单元由无水状态转换为有水状态的第一状态变化时刻，以及第二水体检测单元由无水状态转换为有水状态的第二状态变化时刻；

25、将第一状态变化时刻与第二状态变化时刻分别确定为水头初到时刻和通过确认时刻；

26、所述节点控制器按照水头到达判定关系进行监测节点内的过水时序判定：

27、当第一水体检测单元先由无水状态转换为有水状态，并且在第一水体检测单元保持有水状态期间，第二水体检测单元在由无水状态转换为有水状态时，将该次状态变化确定为顺向通过事件，生成对应监测节点的水头到达记录；

28、第个监测节点在第次生态补水过程中的水头到达判定关系表示为：

29、

30、式中，，表示第个监测节点在第次生态补水过程中形成水头到达记录，表示不形成水头到达记录；、分别表示第个监测节点中第一、第二水体检测单元在第次生态补水过程中校正后的状态变化时刻；表示第个监测节点对应第一水体检测单元在时刻的水体出流状态。

31、进一步地，所述节点控制器还用于确定监测节点包括反向过水事件、时序不确定事件和未完成通过事件的水头到达判定关系，即：

32、当第二水体检测单元先于第一水体检测单元由无水状态转换为有水状态时，将该次状态变化确定为反向过水事件；

33、当第一水体检测单元与第二水体检测单元的状态变化先后关系不能由节点控制器的计时分辨率区分时，将该次状态变化确定为时序不确定事件；

34、当第一水体检测单元在第二水体检测单元转换为有水状态之前已恢复为无水状态时，将该次状态变化确定为未完成通过事件；

35、所述节点控制器还记录第一水体检测单元与第二水体检测单元之间的通过确认时差，所述通过确认时差用于表征水体在过水检测通道内两个检测位置之间的状态传播历时。

36、进一步地，所述有效到达序列根据各监测节点的工作状态、水头到达判定结果、河道沿程位置和水头初到时刻递推形成，即：

37、

38、

39、式中，表示第个监测节点属于自生态补水起点开始形成的有效到达序列；，表示第个监测节点在对应监测时段内的工作状态正常，表示其工作状态异常；表示第个监测节点在第次生态补水过程中形成水头到达记录；为示性函数；表示第个监测节点在第次生态补水过程的水头初到时刻；表示第个监测节点中第一水体检测单元在第次生态补水过程中校正后的状态变化时刻。

40、进一步地，所述最远有效到达监测河段的确定包括：

41、第次生态补水过程的最远有效到达节点表示为：

42、

43、式中，表示第次生态补水过程的最远有效到达节点；，表示第个监测节点属于自生态补水起点开始形成的有效到达序列；

44、当最远有效到达节点，且第个最远有效到达节点的工作状态正常但尚未形成水头到达记录时，最远有效到达监测河段表示为：

45、

46、式中，表示第次生态补水过程的最远有效到达监测河段；表示第次生态补水过程中，最远有效到达节点所对应的河道沿程位置；为监测节点数量。

47、本发明还提供了一种断流河段生态补水水头演进监测方法，包括以下步骤：

48、s1、在断流河段的预设主要过水路径上，沿顺水流方向依次设置多个配置过水检测通道的监测节点，在过水检测通道内设置第一水体检测单元和第二水体检测单元并建立对应的无水特征域和有水特征域；

49、s2、检测生态补水起点的实际出流状态，在生态补水起点由无出流状态转换为实际出流状态时，生成本次生态补水过程的事件标识和源端出流记录；

50、s3、在过水检测通道对进入监测节点水体的约束下，各监测节点独立采集第一水体检测单元和第二水体检测单元的检测信号，按照各自的无水特征域和有水特征域确定对应的有水状态、无水状态或者状态不确定，并记录状态变化时刻；

51、s4、对第一水体检测单元和第二水体检测单元的状态变化时刻进行校正，在第一水体检测单元先由无水状态转换为有水状态，并在第一水体检测单元保持有水状态期间，第二水体检测单元再由无水状态转换为有水状态时，生成对应监测节点的水头到达记录；

52、s5、根据各监测节点的河道沿程位置，从生态补水起点开始依次选取沿顺水流方向连续排列且下游监测节点的水头初到时刻不早于其上游相邻监测节点水头初到时刻的水头到达记录，形成有效到达序列，且所述有效到达序列不跨越未形成水头到达记录的中间监测节点；

53、s6、将有效到达序列中的最下游监测节点确定为生态补水水头的最远有效到达节点，并在其下游相邻监测节点的工作状态正常但尚未形成水头到达记录时，将最远有效到达节点与其下游相邻监测节点之间的河段确定为生态补水水头的最远有效到达监测河段。

54、借由上述技术方案，本发明提供了一种断流河段生态补水水头演进监测系统及方法，至少具备以下有益效果：

55、1、本发明通过过水检测通道约束水体的进入和通过路径，并利用沿过水方向依次设置的第一水体检测单元和第二水体检测单元记录状态变化顺序，将补水水头顺向到达并通过监测位置的过程转换为可核验的时序记录，有利于区分顺向过水与反向来水、局部积水及未完成通过等情况，降低仅凭单一有水信号判断水头到达所产生的误判。

56、2、本发明根据监测节点的沿程位置和初到时刻，对各节点的水头到达记录进行连续性和时序性校核，形成自生态补水起点向下游延伸的有效到达序列，能够避免将下游孤立过水记录误认为补水水头连续推进，并据此确定补水水头的最远有效到达节点及所在监测河段。

57、3、本发明以水体检测单元的有水、无水状态变化及其发生时刻作为监测依据，无需以稳定断面水位、流速或水位—流量关系为前提，适用于断流河段生态补水初期水层较浅、过水过程尚不稳定的监测场景，可为补水水头到达历时及分段演进过程的记录提供基础数据。