南寧市 2018 年取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

董建凡 ，陳錦云

（1. 廣西壯族自治區(qū)水資源管理服務(wù)中心，廣西 南寧 530023；2. 廣西水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室，廣西 南寧 530023）

0 引言

2012 年水利部、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案》，全面啟動(dòng)國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，明確項(xiàng)目“三年基本建成，五年基本完善”[1-3]。國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)廣西項(xiàng)目總體進(jìn)展順利，截至 2018 年底，取用水監(jiān)控體系建設(shè)已基本完成并投入使用。依托國控項(xiàng)目的建設(shè)，南寧市已基本實(shí)現(xiàn)全市規(guī)模以上工業(yè)及公共供水取用水戶，大中型灌區(qū)等農(nóng)業(yè)用水戶的監(jiān)測(cè)，通過水利電子政務(wù)外網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 220 戶（對(duì)應(yīng) 230 套取水許可證）442 個(gè)取用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的小時(shí)及日水量的在線上報(bào)。取用水監(jiān)控體系是考核用水總量和效率控制的重要信息來源，用于最嚴(yán)格水資源管理考核[4-5]的數(shù)據(jù)應(yīng)力求全面、準(zhǔn)確、及時(shí)。然而，水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受監(jiān)測(cè)手段、人員素質(zhì)及利益博弈等方面的限制，難免會(huì)產(chǎn)生一些偏差甚至錯(cuò)誤[6]。水資源管理部門面對(duì)海量數(shù)據(jù)要進(jìn)行分析，因此，開展數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，為取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供理論依據(jù)是十分迫切和必要的。

取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，本質(zhì)上屬于監(jiān)測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)分布是否與實(shí)際用水規(guī)律相匹配的問題。近年來，諸多學(xué)者從不同角度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了研究，部分學(xué)者考慮數(shù)據(jù)非線性、非平穩(wěn)性，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行了小波分析、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型與仿真研究[7-9]；部分學(xué)者從水資源監(jiān)測(cè)站的物理設(shè)備，如流量計(jì)、水位計(jì)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性方面進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[10]；文獻(xiàn) [8] 針對(duì)國家水資源管理系統(tǒng)中抓取的單個(gè)取水戶日水量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，以期盡量與實(shí)際取水量接近。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)南寧市 2018 年取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的全方位評(píng)價(jià)，運(yùn)用對(duì)比分析法，對(duì) 220 個(gè)監(jiān)測(cè)取水戶 2018 年實(shí)際監(jiān)測(cè)水量與 2017 年水資源公報(bào)年報(bào)統(tǒng)計(jì)用水?dāng)?shù)據(jù)不一致情況進(jìn)行判斷和定性分析，并對(duì)不同行業(yè)典型單個(gè)取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取與整理

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)水資源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)庫，選取南寧市 442 個(gè)取用水監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 2018 年全年日水量數(shù)據(jù)，以及存在數(shù)據(jù)異常問題的監(jiān)測(cè)站原始報(bào)文數(shù)據(jù)。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理與復(fù)核

取水戶名稱、行業(yè)類別、辦證狀態(tài)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)水源類型、用水類型、取水特征類型、日最高取水閾值及相應(yīng)的取水許可基礎(chǔ)信息，由縣（區(qū)）水利部門負(fù)責(zé)水資源管理業(yè)務(wù)的工作人員在廣西水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室的指導(dǎo)下復(fù)核確認(rèn)。

1.3 實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的來源

用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《2017 年南寧市水資源公報(bào)》[11]《2017 年廣西壯族自治區(qū)水資源公報(bào)》《廣西壯族自治區(qū) 2017 年水資源管理年報(bào)》[12]。水資源公報(bào)的用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是水行政主管部門發(fā)布的權(quán)威性數(shù)據(jù)，用水?dāng)?shù)據(jù)主要以各縣級(jí)水行政主管部門填報(bào)的“水資源管理年報(bào)系統(tǒng)”中相關(guān)表格為基礎(chǔ)，在校驗(yàn)、合理性分析基礎(chǔ)上修正匯總而成。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)對(duì)比法

比較分析法是研究發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律的最基本的方法之一，指對(duì) 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的事物或?qū)ο蠹右詫?duì)比，找出它們之間的相似性與差異性的一種分析方法[13]。這種方法簡單、直觀，是認(rèn)識(shí)事物的基礎(chǔ)。

通過分行政區(qū)、時(shí)段、用途對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以定性判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的大小或異常的分布，大致掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，為下一步的原因分析及數(shù)據(jù)修正提供基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)異常識(shí)別模型

基于國控項(xiàng)目技術(shù)評(píng)估相關(guān)要求及實(shí)際用水特征，建立數(shù)據(jù)異常識(shí)別模型，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)異常性定性判別。

2.2.1 數(shù)據(jù)異常識(shí)別判斷規(guī)則

2.2.1.1 數(shù)據(jù)上報(bào)率達(dá)標(biāo)規(guī)則

取用水上報(bào)率反映逐日數(shù)據(jù)上報(bào)情況，指 1 個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，有上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與應(yīng)報(bào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)目標(biāo)量的比值。目前非農(nóng)取用水?dāng)?shù)據(jù)上報(bào)率要求達(dá)到 95%，農(nóng)業(yè)取用水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息要求在灌溉引水期內(nèi)有連續(xù)日（不少于 7 d）取水量數(shù)據(jù)上報(bào)。對(duì)于單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，取用水上報(bào)率直接影響上報(bào)水量的大小。

2.2.1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正確性規(guī)則

主要反映上報(bào)數(shù)據(jù)是否正確合理。水量（水位）數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同，根據(jù)測(cè)站管道（渠道）設(shè)計(jì)流量（水位）、水泵額定流量（按銘牌標(biāo)示）、取水許可標(biāo)的等，綜合確定合理值范圍，通過配置子系統(tǒng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行配置，配置項(xiàng)主要包括正常值、時(shí)間等的范圍。通常出現(xiàn)的異常情況主要包括以下 5 個(gè)方面：1）時(shí)段或日水量數(shù)據(jù)缺失。2）水量數(shù)據(jù)過大，超過通常時(shí)段或日水量數(shù)倍，或超過日最高取水閾值；年取水量超許可水量。3）水量數(shù)據(jù)很小，遠(yuǎn)小于通常時(shí)段或日水量數(shù)據(jù)，或長時(shí)間段內(nèi)水量為 0 m3；取水戶年取水量不足許可水量的 20%。4）以同種類型或行業(yè)的用水戶對(duì)應(yīng)的正常取用水量數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，數(shù)據(jù)與正常取用水量不符合。5）與取水特征類型不相符合。

2.2.2 數(shù)據(jù)異常定性識(shí)別與修正

在對(duì)取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)初步分析的異常區(qū)域、行業(yè)，或異常時(shí)段的典型取水戶進(jìn)行典型異常定性識(shí)別。

分別對(duì)典型取水戶的數(shù)據(jù)上報(bào)率、逐日水量過程線、年取水量等進(jìn)行分析，定性判斷其異常性，分析異常原因，給出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正建議。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與 2017 年水資源公報(bào)年報(bào)統(tǒng)計(jì)的分縣（區(qū)）供用水量數(shù)據(jù)，取用水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與取水許可業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)比，初步判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量情況。

3.1.1 全年各縣區(qū)監(jiān)測(cè)水量總體情況

南寧市 2018 年取用水監(jiān)測(cè)總水量為 19.73 億 m3，占 2017 年統(tǒng)計(jì)水量 40.93 億 m3 的比值，即南寧市監(jiān)測(cè)水量覆蓋率達(dá)到 48.20%，取用水監(jiān)測(cè)情況如表 1 所示。從表 1 可以看出，各縣級(jí)行政區(qū)監(jiān)測(cè)水量與實(shí)際水量的占比有差異。市區(qū)、武鳴區(qū)、賓陽縣、上林縣監(jiān)測(cè)覆蓋率均超過45.00%；馬山縣監(jiān)測(cè)覆蓋率超過了100%，反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能存在異常極大值；橫縣、隆安縣監(jiān)測(cè)覆蓋率較低，約為25.00%，隆安縣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映項(xiàng)目建設(shè)中取用水監(jiān)控能力低于南寧市平均水平，橫縣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較多 0 值及異常偏小或數(shù)據(jù)上報(bào)率不達(dá)標(biāo)的質(zhì)量問題。

3.1.2 取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與取水許可業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

截至 2018 年 12 月底，南寧市 220 個(gè)取用水監(jiān)測(cè)戶中，已有 179 個(gè)關(guān)聯(lián)匹配上取水許可證，總比例為 81.36%，取水監(jiān)測(cè)戶與臺(tái)賬信息匹配情況如表 2所示。其中上林縣、隆安縣匹配率高，監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)情況較好；市區(qū)、橫縣、賓陽縣匹配率較低，其中部分原因是這些設(shè)區(qū)市建設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，一些屬于暫無取水許可的農(nóng)業(yè)灌排站、水庫管理部門、小型人飲工程等，還有部分原因是取水許可換證和臺(tái)賬更新不及時(shí)等。

表 1 南寧市 2018 年取用水監(jiān)測(cè)情況表

表 2 取水監(jiān)測(cè)戶與許可臺(tái)賬信息匹配情況表

從表 2 可以看出，在監(jiān)控許可水量占比方面，南寧市已安裝在線監(jiān)控的 179 戶許可水量監(jiān)控占比達(dá) 85.23%，其中市區(qū)、橫縣、上林縣監(jiān)控占比較高，均在 90.00% 以上；賓陽縣、馬山縣、隆安縣已建監(jiān)測(cè)站監(jiān)控許可水量占比較低，約為 50.00%，經(jīng)核查發(fā)現(xiàn)，個(gè)別許可水量較大的灌區(qū)取水尚未納入監(jiān)控系統(tǒng)。

以單戶監(jiān)測(cè)水量與許可水量比值為考察對(duì)象，在南寧市 220 個(gè)監(jiān)測(cè)戶中，比值在 20%～100% 區(qū)間內(nèi)視為基本合理，全市共 104 戶；剩余監(jiān)測(cè)戶中，有 54 戶存在監(jiān)測(cè)水量超取水許可量的情況（其中管道型監(jiān)測(cè)站 39 戶，渠道型監(jiān)測(cè)站 15 戶），62 戶存在監(jiān)測(cè)水量偏低的情況。

分析原因，對(duì)于超許可取水的情況，管道型監(jiān)測(cè)站部分超許可水量 5 萬 m3以內(nèi)，可能確實(shí)發(fā)生超許可取水的情況；而超許可水量 5 萬 m3以上的監(jiān)測(cè)站，可能存在異常極大值的問題，客觀上并未超許可取水。渠道型監(jiān)測(cè)站，超許可水量較大，可能存在如下問題：1）監(jiān)測(cè)設(shè)備損壞，報(bào)送異常極大值；2）水庫在汛期泄洪，存在大量棄水，監(jiān)測(cè)水量并非純粹灌溉用水量，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)水量偏大；3）使用水位井進(jìn)行水量測(cè)量的站點(diǎn)，建成后未及時(shí)校準(zhǔn)，水尺存在 0 點(diǎn)標(biāo)定或率定錯(cuò)誤，浮子位移，導(dǎo)致水量偏大或偏小。對(duì)于監(jiān)測(cè)水量 ＜ 20% 的情況，可能由企業(yè)關(guān)停，取水途徑改變，對(duì)取水未實(shí)現(xiàn)完全監(jiān)控等實(shí)際反映取水特征的原因造成，也可能存在監(jiān)測(cè)設(shè)備損壞或數(shù)據(jù)傳輸通道故障導(dǎo)致上報(bào)率偏低等問題。

3.1.3 本級(jí)及下級(jí)河道外分用途取用水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況

2018 年南寧市本級(jí)及下級(jí)（不含上級(jí)的珠江水利委員會(huì)和自治區(qū)發(fā)證取水戶）實(shí)施取水許可管理的河道外用水取水戶，監(jiān)測(cè)取水總量為 135 059.89 萬 m3，2017 年年報(bào)統(tǒng)計(jì)實(shí)際取水量為 154 517.00 萬 m3，監(jiān)測(cè)水量占比 87.41%。各用途監(jiān)測(cè)取水量與實(shí)際取水總量對(duì)比情況如表 3 所示。

由表 3 中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，公共供水年內(nèi)分配比較均勻，基本符合實(shí)際用水規(guī)律；灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水 1—3，7—9 月監(jiān)測(cè)水量極高，與實(shí)際用水規(guī)律符合性較差；自備水源用水方面，1—3 月用水異常偏高，可能存在異常極大值；其他用水符合實(shí)際用水規(guī)律。

表 3 分用途用水監(jiān)測(cè)情況

3.2 典型取水戶異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別與分析

3.2.1 典型公共供水取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

南寧市武鳴區(qū)鑼圩自來水廠許可水量為40.00 萬 m3，最高取水閾值為 1 800 m3/d，2018 年監(jiān)測(cè)水量為 150.79 萬 m3，占許可水量的 377.00%，初步判斷監(jiān)測(cè)水量異常偏大。

鑼圩自來水廠 2018 年全年取用水上報(bào)率為79.18%，日水量缺報(bào) 76 d，直接導(dǎo)致監(jiān)測(cè)水量偏小。根據(jù)該水廠逐日水量，1 月 29 日出現(xiàn)異常極大值，日水量達(dá) 116.37 萬 m3，去掉該異常極大值并將當(dāng)日水量作歸零處理后繪制的日水量過程線如圖 1所示（圖中紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期即出現(xiàn)異常極大值日期）。已報(bào)日水量中約 20% 出現(xiàn)超日最高取水閾值的問題，去異常極大值后年監(jiān)測(cè)水量為 34.52 萬 m3，因此，認(rèn)定鑼圩自來水廠到報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本正常。由于取水許可證即將到期，建議該戶重新論證許可水量，可參考到報(bào)日水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查補(bǔ)延長缺報(bào)日水量對(duì)全年實(shí)際用水予以修正。

圖 1 鑼圩自來水廠 2018 年日水量過程線

3.2.2 典型灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

六朝水庫灌區(qū)許可水量為 1 026.00 萬 m3，最高取水閾值為 40 000 m3/d，2018 年監(jiān)測(cè)水量為15 825.00 萬 m3，占許可水量的 1 542.00%，初步判斷監(jiān)測(cè)水量異常極大。

六朝水庫灌區(qū)監(jiān)控 3 條干渠，2018 年全年上報(bào)率為 80.55%，日水量缺報(bào) 31 d，缺報(bào)時(shí)段在渠道冬修期，基本不影響實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)。該灌區(qū)逐日水量如圖 2 所示（將虛線框內(nèi)部分逐日水量通過調(diào)整縱軸邊界放大，繪制小圖，附于圖 2 右上角），極大值出現(xiàn) 155 d，日水量達(dá) 14 888.00 萬 m3，異常極大值集中出現(xiàn)在 6—10 月（圖中紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期為異常極大值出現(xiàn)日期 6 月 12 日，結(jié)束日期 9 月 11 日，日水量均超最高取水閾值），與水庫在汛期泄洪有直接關(guān)系。因此，認(rèn)定六朝水庫灌區(qū)到報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常極大。

圖 2 六朝水庫灌區(qū) 2018 年日水量過程線

3.2.3 典型制糖類取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

南圩糖廠許可水量為 36.00 萬 m3，最高取水閾值為 2 400.00 m3/d，2018 年監(jiān)測(cè)水量為 15.38 萬 m3，占許可水量的 42.70%，初步判斷監(jiān)測(cè)水量基本合理。

南圩糖廠有 2 根取水管道（記為 1 管和 2 管），2018 年全年上報(bào)率為 94.38%，日水量缺報(bào) 6 d，且分布在非榨季，基本不會(huì)影響監(jiān)測(cè)水量。南圩糖廠逐日水量過程線如圖 3 所示，未出現(xiàn)超日最高取水閾值的問題，取水過程符合季節(jié)性取水特征，其中1 管取水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無異常，但 2 管自 2 月 18 日（圖3 中紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期，當(dāng)日水量為 0 m3）后取水量持續(xù)為 0 m3，不符合實(shí)際用水過程。因此，認(rèn)定南圩糖廠監(jiān)測(cè)取水量偏小，應(yīng)核實(shí) 2 管用水情況，檢查水表是否正常工作，在用水統(tǒng)計(jì)中，可根據(jù) 2 管歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插補(bǔ) 2—12 月數(shù)據(jù)修正 2018 年實(shí)際用水。

圖 3 南圩糖廠 2018 年日水量過程線

4 結(jié)語

通過對(duì)南寧市 2018 年取用水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送情況與實(shí)際用水過程進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別，研究表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際用水量的差異是客觀存在的，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素包括數(shù)據(jù)缺報(bào)程度和監(jiān)測(cè)設(shè)備異常問題。在前人對(duì)單個(gè)取水戶監(jiān)測(cè)日水量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行“去噪”和仿真模擬研究的基礎(chǔ)上，將研究范圍擴(kuò)展到有供用水情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的整個(gè)行政區(qū)域，可結(jié)合實(shí)際用水特征和歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的水量修正，為取水許可管理、用水量統(tǒng)計(jì)、水資源費(fèi)核算等業(yè)務(wù)提供一定參考。

本研究僅嘗試進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量定性分析，今后還需更深入、定量地研究，為年取水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整編確定質(zhì)量控制規(guī)則，以使國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目更好地為落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理服務(wù)。