國家地下水監(jiān)測綜合成果分析應用系統(tǒng)建設成果

劉 杰 ，孫 龍 ，楊春生 ，沈 強 ，楊桂蓮

（1. 北京金水信息技術發(fā)展有限公司，北京 100053；2. 水利部信息中心，北京 100053；3. 天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

1 建設背景

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是保障國家經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性資源。地下水是水資源的重要組成部分，是北方地區(qū)和許多城市重要的供水水源，其作用無可替代。為解決我國地下水監(jiān)測站網(wǎng)布設不足、信息采集與傳輸技術手段落后、信息服務能力低等突出問題，2015 年6 月，國家發(fā)改委批復了國家地下水監(jiān)測工程初步設計概算，水利部、自然資源部（原國土資源部）聯(lián)合批復了工程初步設計報告。工程總投資約為22 億元，其中水利部門投資約為 11 億元。

依托國家地下水監(jiān)測工程，水利部信息中心組織開發(fā)了地下水監(jiān)測綜合成果分析應用系統(tǒng)，在工程初步設計的基礎上，充分考慮地下水日常工作的管理分析需要，實現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)深加工、地下水分析評價產(chǎn)品自動化生成及地下水超采區(qū)水位滾動預警等功能，為提升地下水監(jiān)控水平，加強地下水壓采、限采管理提供決策依據(jù)。

2 設計與實現(xiàn)

國家地下水監(jiān)測綜合成果分析應用系統(tǒng)的總體設計思想是：開發(fā)綜合分析系統(tǒng)，將水文、氣象、水資源等相關數(shù)據(jù)與地下水自動分析成果進行融合，在公里網(wǎng)格尺度內(nèi)進行疊加分析。從以下幾個方面客觀分析采補變化原因，輔助地下水資源管理決策[1]：

1）測站。地下水監(jiān)測站網(wǎng)的分析，包括站網(wǎng)分布和密度分析，實現(xiàn)對地下水站網(wǎng)分布的全面掌握，為后期站網(wǎng)規(guī)劃提供科學依據(jù)[2]。

2）補給。降雨、河道來水、水庫蓄水等多種地下水補給來源分析，實現(xiàn)對年地下水來水、補給情況進行監(jiān)控。

4）排泄。地下水開采利用分析，實現(xiàn)對多年地下水開采利用情況進行分析，輔助判別超采主體。

5）水質(zhì)。地下水水質(zhì)分析，實現(xiàn)對全國地下水水質(zhì)情況進行監(jiān)控和評價。

6）工況。地下水自動監(jiān)測站的工況分析，實現(xiàn)對影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡條件、平臺運行情況、測站運行工況等信息的監(jiān)控和分析。

3 主要應用場景

國家地下水監(jiān)測綜合成果分析應用系統(tǒng)主要由水利部國家地下水監(jiān)測工程項目建設辦公室組織建設，是國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）信息系統(tǒng)的重要組成部分。

系統(tǒng)為國家地下水監(jiān)測中心、7 個流域分中心、32 個省級分中心和 280 個地市級分中心的地下水業(yè)務，技術，管理等人員提供支撐[3]。

主要適用場景包括：實時地下水動態(tài)分析評價，河湖地下水回補計算、南水北調(diào)工程生態(tài)評估。嚴格地下水資源管理，華北地下水超采區(qū)治理、抗旱減災，地下水飲水安全保障等。

4 解決的關鍵問題

系統(tǒng)解決的關鍵問題及解決方法具體如下：

1.2.2 樣品的制備與測定。參考行業(yè)標準方法《YC/T 380—2010 煙草及煙草制品鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法》[12]進行分析測試。準確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%雙氧水，旋緊密封后進行微波消解。消解程序如表1所示。冷卻至室溫后，將消解罐內(nèi)的試樣溶液用超純水沖洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超純水定容至50 mL，混合搖勻。用同樣的方法制備試劑空白溶液。

1）地下水水位、埋深分析成果自動繪制，拼接，形成全國主要平原區(qū)實時地下水監(jiān)測分析產(chǎn)品一張圖。

問題描述：人工監(jiān)測時代，地下水埋深等值線面圖由業(yè)務人員通過 GIS 或其他專業(yè)應用軟件手工繪制，每月繪制 1 次。自動監(jiān)測站建設以后，數(shù)據(jù)的量和應用需求劇增，人工繪制顯然不滿足需求，有必要加快地下水埋深等值線面圖的繪制頻率。

解決方法：系統(tǒng)每日自動對收到的數(shù)據(jù)進行簡單質(zhì)控后，自動繪制全國主要平原區(qū)的地下水埋深等值線（面）分析圖，并以動畫播放的方式方便管理人員快速瀏覽分析成果。正在繪制的產(chǎn)品包括：水位/埋深等值線（面）分析成果（日、月、年尺度），水位/埋深變幅等值線（面）分析成果（與昨日、上月、去年、年初對比）等。

2）以地下水資源管理業(yè)務為主線，構建地下水主題數(shù)據(jù)倉庫，融合展示氣象、水文、水資源等多源異構數(shù)據(jù)[4]。

問題描述：地下水監(jiān)測只能反映地下水資源的分布情況，需了解降雨、河道等水體對地下水的補給作用，以及地下水開采利用情況需要接入氣象、水情、水資源利用等外部數(shù)據(jù)。

解決方法：按照補給、徑流、排泄的關系，系統(tǒng)整合 7 類數(shù)據(jù)資源，包括氣象、水情、地下水開采量、水利一張圖、夜間亮光、土地利用影像、植被覆蓋影像等信息，為深入分析地下水動態(tài)變化原因、監(jiān)控地下水超采區(qū)形成和發(fā)展過程，提供支撐。

3）為地下水超采區(qū)發(fā)展形勢評估提供手段，實現(xiàn)滾動預警。

問題描述：實現(xiàn)對地下水超采區(qū)當前發(fā)展形勢進行在線評估，解決由于地下水超采區(qū)評價周期長，無法及時了解超采區(qū)現(xiàn)狀的問題。

評估方法：用實時超采區(qū)的站點水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù) GB/T 34968—2017《地下水超采區(qū)評價導則》對嚴重超采區(qū)的分級判斷原則，以 2015 年劃定的超采區(qū)邊界為評價基礎，判斷當前超采區(qū)是一般還是嚴重超采區(qū)。如果原來是嚴重超采區(qū)，當前是一般超采區(qū)，即認為向好。如果原來是一般超采區(qū)，當前是嚴重超采區(qū)，即認為惡化。

5 建設特點

系統(tǒng)以國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）項目收集的基礎和監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史分析成果為基礎，以“嚴格水資源管理，加強華北地區(qū)超采區(qū)治理”為落腳點，充分利用水利部信息中心的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，挖掘數(shù)據(jù)價值，為地下水管理者提供決策支撐。主要特點如下：

1）圍繞地下水業(yè)務，從昨天、今天和明天 3 個時間維度分析和展示地下水資源動態(tài)變化過程。

a. 昨天。系統(tǒng)收集整理了北方 17 個省份 2000—2016 年地下水埋深等值線面分析成果 6 000 余幅，按照統(tǒng)一的分級標準進行拼接，首次將 20 a 黃淮海和松遼等主要平原區(qū) 240 幅逐月等值線面入庫動態(tài)展示，為摸清華北地區(qū)地下水超采區(qū)形成原因提供分析基礎。

b. 今天。系統(tǒng)接入了國家地下水監(jiān)測工程建設的 20 269 個自動監(jiān)測站的實時地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)（其中水利部建設 10 298 個測站，自然資源部建設10 171 個測站[5]），監(jiān)測內(nèi)容覆蓋水位、埋深、水溫、泉流量、水質(zhì)等多項指標，為實時分析和監(jiān)控全國主要平原區(qū)地下水動態(tài)變化情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

c. 明天。系統(tǒng)采用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù) GB/T 34968—2017《地下水超采區(qū)評價導則》對嚴重超采區(qū)的分級定義，對全國主要地下水超采區(qū)的分級進行實時評估，為華北地區(qū)地下水超采區(qū)的監(jiān)控和發(fā)展形勢評估提供技術支撐[6]。

2）從點、線、面 3 個空間維度對地下水動態(tài)變化，超采區(qū)形成和發(fā)展等過程進行全方位刻畫。

a. 點。系統(tǒng)依托國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）建設了 10 298 個監(jiān)測井，收集整理了每個監(jiān)測井的基本、巖性、鉆孔、抽水試驗、篩分試驗等基礎信息，并提供“六采一發(fā)”監(jiān)測的水位、埋深、水溫、水質(zhì)等信息的地圖，圖表，過程線等多維度展示方式。

b. 線。以河段為單元，可自定義查詢 21 條生態(tài)河湖和南水北調(diào)沿線等重點區(qū)域的地下水資源分布、地下水動態(tài)變化情況，以及可按照河段進行沿程回補評價等。

c. 面。系統(tǒng)以全國主要平原區(qū)、主要超采區(qū)、南水北調(diào)受水區(qū)為研究對象，實現(xiàn)逐日全國地下水一張圖展示，突破南方空白；實現(xiàn)對超采區(qū)的實時監(jiān)控；實現(xiàn)任意區(qū)域、觀測井等值線面距平分析。

6 結語

本系統(tǒng)的實施充分利用現(xiàn)代化的信息技術，極大地減少了地下水工作人員的工作量，可按照業(yè)務需要自動或人工在線制作各類地下水分析專題圖。制作時效短，產(chǎn)品豐富，要素全，適用多場景，可為全國及各級管理人員地下水動態(tài)監(jiān)測評估、資源開采利用、超采區(qū)的監(jiān)管和治理等業(yè)務提供支撐。

系統(tǒng)目前上線 1 a 多除了水利部信息中心、國家地下水監(jiān)測工程項目辦公室等業(yè)主單位外，用戶遍及水利部機關相關司局及直屬事業(yè)單位，注冊用戶數(shù)達 100 多人，在水利部水文司“華北地下水超采綜合治理評估”“水利部地下水河湖補水試點”“西遼河量水而行”等工作中廣泛應用，在省份及流域地下水管理工作中也有較好的應用。軟件自上線以來，受到行業(yè)內(nèi)多位專家的好評。