面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统及其方法与流程

技术特征：

1.面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统，其特征在于：包括与控制维护模块分别连接的需水计算模块、实时监测模块、分析对比模块和显示输出模块，所述需水计算模块包括湖区生态需水计算单元、出湖生态需水计算单元和入湖生态需水计算单元，所述实时监测模块包括入湖流量监测单元、出湖流量监测单元和湖区状态监测单元，所述分析对比模块接收来自实时监测模块和需水计算模块的数据并进行分析和比较，所述显示输出模块与分析对比模块连接，显示输出模块将分析对比模块得到的数据呈现出来并提取输出。

2.根据权利要求1所述的面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统，其特征在于：所述入湖流量监测单元为单向流量计，单向流量计设置在每一条入湖河流上距离洪水期的入湖口上游1公里处；所述出湖流量监测单元为双向流量计，双向流量计设置在通江湖泊与江河连通的江湖交汇口处。

3.根据权利要求1所述的面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统，其特征在于：所述湖区状态监测单元，包括若干湖区生态需水满足率监测仪，所述湖区生态需水满足率监测仪包括水准平台(1)，水准平台上固接有仪器箱(2)，仪器箱(2)的顶部中部设置有内凹的圆柱形降水蒸发皿(3)，降水蒸发皿(3)的内侧壁设有水位感应器，降水蒸发皿(3)的边沿设置有高出仪器箱(2)至少2cm的集水沿(4)，集水沿(4)使用时高出水面至少50cm，集水沿(4)为内侧壁竖直设置外侧壁倾斜设置的刀刃形结构，降水蒸发皿(3)的底部中部设置有与降水蒸发皿(3)连通的水管(5)，水管(5)朝向水准平台(1)延伸并穿过水准平台(1)，靠近降水蒸发皿(3)的水管(5)上设置有自动水阀(6)，仪器箱(2)内部的水管(5)上还设置有微型水泵(8)，微型水泵(8)与自动水阀(6)之间的水管(5)上设置有水量计(7)；

仪器箱(2)内部的水准平台(1)上还设置有电源(10)及与电源(10)分别连接的定位仪(11)、微处理器(12)和通讯器(13)，微型水泵(8)与电源(10)连接，仪器箱(2)的侧壁上设置有水位计(9)，水位计(9)上半部分为浮子水位计，用以测量当水面高于水准平台(1)时的湖泊水位，水位计(9)底端为激光水位计，用以测量当水面低于水准平台(1)时的湖泊水位，水准平台(1)的高程作为水位计(9)的零点高程，水准平台(1)的下端固接有能伸缩的伸缩杆(14)，伸缩杆(14)的自由端设置有钻头(15)。

4.根据权利要求1所述的面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统，其特征在于：所述控制模块向需水计算模块、实时监测模块、分析对比模块和显示输出模块发送指令并接受需水计算模块、实时监测模块、分析对比模块和显示输出模块的反馈信息，实现对各模块的控制、调试和维护。

5.一种基于权利要求1所述的面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)需水计算模块的湖区生态需水计算单元、出湖生态需水计算单元和入湖生态需水计算单元分别将计算后的数据传递给分析对比模块，实时监测模块的入湖流量监测单元、出湖流量监测单元和湖区状态监测单元分别将监测的数据传递给分析对比模块；

(2)分析对比模块将接收的实时监测模块和需水计算模块的数据进行分析和比较；

(3)显示输出模块接收对比分析模块的数据，将各时段的湖区最低生态水位、出湖生态需水量、入湖生态需水量和实时的湖泊水位、出湖水量、入湖水量这些数据通过图线的形式显示，将实时的湖区生态需水满足率、出湖生态需水满足率、入湖生态需水满足率通过数字的形式显示，并能够将所有数据以文件的形式导出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述湖区生态需水计算单元，包括湖泊最低生态水位计算模块和湖区最小生态耗水计算模块，其中：

湖泊最低生态水位计算模块通过以下步骤实现其功能：

①将湖泊水位的历史资料数据以旬为时段划分，计算出每个时段的平均水位，得出湖泊水位逐旬的历史资料数据；②将每个时段不同年份的水位数据按照从高到低的顺序排列；③将各时段第95个百分位上的水位值作为此时段的湖泊最低生态水位值H_e；

湖区最小生态耗水计算模块采用的公式为：

$W_{ce}={\∫}_0^t{A}_e\left(t\right)E_e\left(t\right)dt-{\∫}_0^t{A}_e\left(t\right)P_e\left(t\right)dt$

其中，W_ce为湖区最小生态耗水量；A_e(t)、E_e(t)、P_e(t)为t时刻湖泊的面积、蒸发率、降雨率，为历史资料中湖泊面积、湖区单位时间蒸发量、湖区单位时间降雨量在相应时段内各自的平均值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述出湖生态需水计算单元，采用下述公式计算出湖生态需水：

$W_{oute}={\∫}_0^t{Q}_{oute}\left(t\right)dt$

其中，W_oute为出湖生态需水量；Q_oute(t)为t时刻湖泊出口河道所需的出湖流量，一般是指江湖交汇口处所需的出湖流量，由历史资料统计得出。

8.根据权利要求5所述的面向通江湖泊生态需水的水情监测与分析方法，其特征在于：所述入湖生态需水计算单元，采用下述公式计算入湖生态需水：

$W_{ine}={\∫}_0^t{Q}_{ine}\left(t\right)dt$

其中，W_ine为入湖生态需水量；Q_ine(t)为t时刻湖泊入湖河道所需的总入湖流量，由历史资料统计得出。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述对比分析模块接收需水计算模块传输的各时段湖泊最低生态水位值H_e、出湖生态需水量W_oute、入湖生态需水量W_ine，以及实时监测模块传输的实时入湖流量Q_in(t)、t时刻的湖泊水位H(t)、t时刻的湖区蒸发率E(t)、t时刻的湖区降雨率P(t)、出湖流量Q_out(t)，然后利用以下公式计算出通江湖泊的湖区生态需水满足率、出湖生态需水满足率和入湖生态需水满足率：

①当Q_out(t)≥0时，

${\mathrm{EWR}}_l=\frac{f\left(H\left(t\right)\right)}{f\left(H_e\left(t\right)\right)}\×100\%$

$W_{out}={\∫}_0^t{Q}_{out}\left(t\right)dt$

${\mathrm{EWR}}_{out}=\frac{W_{out}}{W_{oute}}\×100\%$

$W_c={\∫}_0^{t}g\left(H\left(t\right)\right)E\left(t\right)dt-{\∫}_0^{t}g\left(H\left(t\right)\right)P\left(t\right)dt$

$W_{in}={\∫}_0^t{Q}_{in}\left(t\right)dt$

${\mathrm{EWR}}_{in}=\frac{W_{in}}{W_c+W_{oute}}\×100\%$

②当Q_out(t)＜0时，

${\mathrm{EWR}}_l=\frac{f\left(H\left(t\right)\right)}{f\left(H_e\left(t\right)\right)}\×100\%$

EWR_out＝0

$W_c={\∫}_0^{t}g\left(H\left(t\right)\right)E\left(t\right)dt-{\∫}_0^{t}g\left(H\left(t\right)\right)P\left(t\right)dt$

$W_{in}={\∫}_0^t{Q}_{in}\left(t\right)dt+{\∫}_0^t\[-Q_{out}\left(t\right)\]dt$

${\mathrm{EWR}}_{in}=\frac{W_{in}}{W_c+W_{oute}}\×100\%$

其中，EWR_l，EWR_out，EWR_in分别为湖区生态需水满足率、出湖生态需水满足率、入湖生态需水满足率；f为湖泊的蓄水量-水位关系函数，f(H(t))表示湖泊水位是H(t)时所对应的湖泊蓄水量；W_out为出湖水量；W_c为湖区耗水量；g为湖泊的水面面积-水位关系函数，g(H(t))表示湖泊水位是H(t)时所对应的湖泊水面面积；W_in为入湖水量。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(1)-(3)实施的过程中，控制模块通过向需水计算模块、实时监测模块、分析对比模块和显示输出模块发送指令和接收需水计算模块、实时监测模块、分析对比模块和显示输出模块的反馈信息，实现对各模块的控制、调试和维护。