一种农田水位监测预警方法及系统与流程

本发明涉及数据处理领域。更具体地，本发明涉及一种农田水位监测预警方法及系统。

背景技术：

1、在现代农业生产中，农田积水监测对保障作物生长和田间管理至关重要。当前部分灌区虽已配套渠道水位监测与降雨量观测设施，但受制于田间耕作扰动频繁、设备维护成本高昂及规模化部署的经济性限制，田块内部通常不作为水位传感器的常规布设点位。

2、由于田块内部缺乏直接的水位感知手段，现有监测预警方法仅依靠降雨量观测进行间接判断。这类方法通常设定固定的雨量阈值，一旦实测降雨量超过该阈值即发出积水预警。然而，土壤入渗能力随干湿交替动态变化、渠系调度导致周边水位波动、局部排水条件差异等因素，均会使相同降雨量对应的田间实际积水深度产生显著差异。因此，仅凭降雨量单一指标难以真实反映田块积水状况，预警结果常出现误报或漏报，无法满足精准农业对灾害响应的实际需求。

技术实现思路

1、为解决上述因田块内部缺乏水位传感器而无法准确感知各田块积水状况的技术问题，本发明在如下的多个方面中提供方案。

2、在第一方面中，一种农田水位监测预警方法，包括：

3、建立目标灌区内测点与田块之间的空间映射关系，确定每个田块所归属的渠道水位测点，并滚动计算前期降雨指数；

4、根据所述前期降雨指数划分产流反演状态区间，产流反演状态区间包括干旱区间、过渡区间和湿润区间，所述干旱区间对应干旱基线反演系数，所述过渡区间对应过渡基线反演系数，所述湿润区间对应湿润基线反演系数；

5、采集渠道水位数据和降雨强度数据，对渠道水位数据进行调度干扰判定，在判定为降雨主导工况时，将渠道水位涨落速率与同步对齐雨强参数计算水位-雨强响应系数；

6、根据所述水位-雨强响应系数修正所述基线反演系数，得到实际采用的产流反演系数；根据所述实际采用的产流反演系数和所述同步对齐雨强参数推算有效产流强度；根据所述前期降雨指数计算时变土壤入渗率，将所述有效产流强度扣除所述时变土壤入渗率并取非负值，得到净积水速率；

7、根据田块与渠道之间的实时水位对比关系，在外排场景下以排水阻尼因子对积水增长进行折减，在侧渗补给场景下增加侧渗补给增量，对所述净积水速率进行迭代累积，得到累积积水量；

8、将所述累积积水量换算为田块积水深度，并根据所述田块积水深度与阈值的比较结果输出分级预警信号。

9、可选地，建立目标灌区内测点与田块之间的空间映射关系包括：

10、斗渠首部测点覆盖其控制范围内全部斗渠汇水区田块，农渠入口测点覆盖与该农渠存在直接水力联系的田块集合；

11、以田间渠道网络和田块边界为空间边界，结合田块地面高程数据划分各测点的汇水区，将田块地面高程低于所属渠道设计控制水位的田块划入该渠道对应测点的汇水区；

12、将位于两个相邻测点汇水区边界附近的田块归属至地面高程较低一侧对应的测点；

13、将未布设水位测点的田块归属至距离最近且存在水力联系的农渠入口测点，若附近无农渠入口测点则归属至斗渠首部测点。

14、可选地，滚动计算前期降雨指数包括：上一雨量采样时刻的前期降雨指数经指数衰变后的剩余值加上上一雨量采样时刻至当前雨量采样时刻之间实测的降雨量，得到当前雨量采样时刻的前期降雨指数。

15、可选地，对渠道水位数据进行调度干扰判定包括：将实时渠道水位数据与历史统计的渠道水位正常波动基线进行比对，当相邻时段水位变幅的绝对值超过预设阈值时判定存在闸泵调度事件，当前水位采样时刻的渠道水位涨落速率不参与产流反演，产流反演系数沿用上一可用水位采样时刻的数值；当相邻时段水位变幅的绝对值未超过所述预设阈值时判定为降雨主导工况。

16、可选地，将渠道水位涨落速率与同步对齐雨强参数计算水位-雨强响应系数之前，还包括时间对齐步骤：对于渠道水位测点的水位采样时刻，取该水位采样时刻前后相邻的两个雨量采样时刻及其对应的实测降雨强度值进行线性插值，得到该水位采样时刻的同步对齐雨强参数。

17、可选地，根据所述水位-雨强响应系数修正所述基线反演系数包括：将所述水位-雨强响应系数映射为修正权重，以所述修正权重为插值系数，在所述基线反演系数与相邻偏湿润区间的基线反演系数之间进行线性插值，得到实际采用的产流反演系数；若当前区间为湿润区间，则直接以所述湿润基线反演系数作为实际采用的产流反演系数。

18、可选地，根据所述前期降雨指数计算时变土壤入渗率，所述时变土壤入渗率与所述前期降雨指数之间呈负相关关系，所述时变土壤入渗率的下限值为土壤饱和时的入渗率，上限值为土壤干燥时的入渗率。

19、可选地，根据田块与渠道之间的实时水位对比关系对所述净积水速率进行迭代累积包括：当田块积水深度不低于渠道水位时判定为外排场景，以排水阻尼因子对净积水速率进行折减后累积；当渠道水位高于田块积水深度且不低于田块最低地面高程时判定为侧渗补给场景，在净积水速率基础上增加侧渗补给增量后累积。

20、可选地，将所述累积积水量换算为田块积水深度包括：根据田块面积和该田块的高程-容积曲线，将所述累积积水量换算为该田块的积水深度。

21、第二方面，一种农田水位监测预警系统，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现任一项所述的农田水位监测预警方法。

22、本发明具有以下效果：

23、1、本发明针对田块内部无法大规模布设水位传感器的现实制约，以灌区既有渠道水位监测与降雨观测设施为基础，通过测点-田块空间映射实现监测信号向全部田块的覆盖归位，在此基础上依次完成调度干扰与降雨响应的信号分离、产流反演系数随渠道实测响应的自适应修正、土壤入渗能力随干湿状态的动态衰减，以及外排与侧渗双向交换的分场景建模，形成从原始监测信号到田块积水深度输出的完整推算链路，在不增设田间硬件的条件下实现了对灌区全部田块积水状况的逐时感知与分级预警，以轻量化部署成本达成了精准农业对灾害响应的实际需求。

24、2、本发明通过对渠道水位数据进行调度干扰判定，有效剥离闸泵启闭等人为调度因素对水位信号的扰动，使产流反演系数仅响应真实降雨过程，避免了调度事件被误判为强产流导致的预警虚警。

25、3、本发明构建随前期降雨指数动态衰减的时变土壤入渗率，使产流扣除入渗的净积水过程随土壤干湿状态自适应调整，有效克服了固定入渗率在干旱后首场降雨和饱和后持续降雨两种极端场景下的估算偏差。

26、4、本发明根据田块与渠道之间的实时水位对比关系，对外排和侧渗补给两种方向相反的水力学交换过程分别建模，使积水累积过程中外排抑制发散、侧渗补给弥补漏报，积水深度推算更贴近真实物理过程。

1.一种农田水位监测预警方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，建立目标灌区内测点与田块之间的空间映射关系包括：

3.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，滚动计算前期降雨指数包括：上一雨量采样时刻的前期降雨指数经指数衰变后的剩余值加上上一雨量采样时刻至当前雨量采样时刻之间实测的降雨量，得到当前雨量采样时刻的前期降雨指数。

4.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，对渠道水位数据进行调度干扰判定包括：将实时渠道水位数据与历史统计的渠道水位正常波动基线进行比对，当相邻时段水位变幅的绝对值超过预设阈值时判定存在闸泵调度事件，当前水位采样时刻的渠道水位涨落速率不参与产流反演，产流反演系数沿用上一可用水位采样时刻的数值；当相邻时段水位变幅的绝对值未超过所述预设阈值时判定为降雨主导工况。

5.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，将渠道水位涨落速率与同步对齐雨强参数计算水位-雨强响应系数之前，还包括时间对齐步骤：对于渠道水位测点的水位采样时刻，取该水位采样时刻前后相邻的两个雨量采样时刻及其对应的实测降雨强度值进行线性插值，得到该水位采样时刻的同步对齐雨强参数。

6.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，根据所述水位-雨强响应系数修正所述基线反演系数包括：将所述水位-雨强响应系数映射为修正权重，以所述修正权重为插值系数，在所述基线反演系数与相邻偏湿润区间的基线反演系数之间进行线性插值，得到实际采用的产流反演系数；若当前区间为湿润区间，则直接以所述湿润基线反演系数作为实际采用的产流反演系数。

7.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，根据所述前期降雨指数计算时变土壤入渗率，所述时变土壤入渗率与所述前期降雨指数之间呈负相关关系，所述时变土壤入渗率的下限值为土壤饱和时的入渗率，上限值为土壤干燥时的入渗率。

8.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，根据田块与渠道之间的实时水位对比关系对所述净积水速率进行迭代累积包括：当田块积水深度不低于渠道水位时判定为外排场景，以排水阻尼因子对净积水速率进行折减后累积；当渠道水位高于田块积水深度且不低于田块最低地面高程时判定为侧渗补给场景，在净积水速率基础上增加侧渗补给增量后累积。

9.根据权利要求1所述的一种农田水位监测预警方法，其特征在于，将所述累积积水量换算为田块积水深度包括：根据田块面积和该田块的高程-容积曲线，将所述累积积水量换算为该田块的积水深度。

10.一种农田水位监测预警系统，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现根据权利要求1-9任一项所述的农田水位监测预警方法。