國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）信息化成果

劉 杰 ，朱靜蘋 ，沈 強 ，王 鋒 ，張 寧

（1. 北京金水信息技術發(fā)展有限公司，北京 100053；2. 江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；3. 天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061；4. 水利部機關服務局，北京 100053；5. 中國康復研究中心，北京 100083）

0 引言

近年來，隨著我國經濟社會的快速發(fā)展、地下水的長期不合理開發(fā)利用及人類活動對自然環(huán)境影響的加劇，引發(fā)了地下水位下降、河道斷流趨勢加重、湖泊濕地萎縮、泉水干涸、海水入侵、水質污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題。但是，我國目前的地下水監(jiān)測工作仍比較落后，不能滿足經濟社會發(fā)展及實行最嚴格的水資源管理制度對地下水信息的基本需求。為此，開展國家地下水監(jiān)測工程建設，完善地下水監(jiān)測站網，將國內外先進的監(jiān)測技術與儀器設備用于地下水監(jiān)測工作，有效提高地下水信息的自動采集能力、共享服務能力及信息采集傳輸的時效性，不僅必要，而且十分迫切。

為貫徹落實黨和國家重要治水思路，實施最嚴格的水資源管理制度，2014 年 7 月，國家發(fā)展和改革委員會批復了由水利部和國土資源部共同完成的《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報告》，要求國家地下水監(jiān)測工程按照“聯(lián)合規(guī)劃、統(tǒng)一布局、分工協(xié)作、避免重復、信息共享”的原則，由水利部和國土資源部聯(lián)合實施[1]。其中，水利部分建設任務為建設 1 個國家地下水監(jiān)測中心（與國土資源部共同購置）、7 個流域監(jiān)測中心、32 個省級（含新疆生產建設兵團）監(jiān)測中心、280 個地市級分中心，新建改建 10 298 個地下水監(jiān)測站、相應配套地下水水位信息自動采集傳輸處理設備等[2-3]。

1 信息化建設目標

國家地下水監(jiān)測工程項目（水利部分）信息化建設的總體建設目標是：“制定一套信息化標準指導建設，構建四級交換共享體系匯集數據，建設統(tǒng)一信息化應用平臺支撐業(yè)務”[4]，具體內容如圖 1所示。

1.1 制定一套標準規(guī)范體系

國家地下水監(jiān)測工程項目涉及中央、流域、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、地市 4 個建設層級，涉及的內容包括信息采集與傳輸、計算機網絡、數據匯集和管理、應用支撐平臺、業(yè)務應用系統(tǒng)、地下水監(jiān)測中心和信息安全體系等多個部分。項目層次和結構復雜，信息采集點眾多，數據量大，規(guī)范性和安全性要求很高，各級系統(tǒng)之間存在大量的數據交換。統(tǒng)一的標準規(guī)范建設，是項目能順利實施和運行的重要基礎，是保障中央、流域、省、地市等各級信息平臺之間互聯(lián)互通和信息共享的重要基礎。本工程以國家和行業(yè)標準為基礎，基于本工程的實際情況和要求，制定了 5 類標準規(guī)范，涵蓋采集傳輸、交換共享、數據存儲、技術管理、成果管理等方面。

圖 1 平臺總體集成框架

1.2 構建四級交換共享體系

四級數據交換共享是指數據在地市、省、流域、水利部 4 個層級之間傳輸交換的過程。各級節(jié)點之間貫通交互的流程包括省-流域、省-水利部、水利部-流域、省-地市及水利部分與自然資源部分的交互流程。

各級節(jié)點之間地下水數據的傳輸主要依托水利政務外網。其中，結構化的監(jiān)測類、基礎類及業(yè)務類的數據通過地下水交換適配器，結合水利統(tǒng)一數據交換軟件提供的數據傳輸交換實現(xiàn)。四級貫通集成內容主要包括：1）監(jiān)測類數據四級交換。完成地下水水位、水溫、水量及水質等數據在四級之間的交換。2）基礎類數據。完成基本類、分區(qū)類及用戶類等信息在四級之間的交換。3）業(yè)務類數據四級交換是指整編類、試驗類和分析評價類等業(yè)務應用數據的上報與下發(fā)，實現(xiàn)四級之間地下水監(jiān)測業(yè)務成果數據的交換。

1.3 建設統(tǒng)一的信息化應用平臺

國家地下水監(jiān)測工程項目（水利部分）按照統(tǒng)一的標準建設了國家地下水信息化應用平臺，并在國家、流域、省、地市分中心等約 300 個節(jié)點進行部署實施，具體包含如下內容：

1）統(tǒng)一的基礎環(huán)境資源。整個項目的基礎環(huán)境由項目組統(tǒng)一購置。主要包括以下 2 個部分：a.基礎軟件。主要包括：J2EE 應用服務器，數據庫管理，消息中間件、GIS 等軟件。b. 基礎硬件。主要包括：數據采集工作站、核心應用服務器、核心數據庫服務器等。地下水項目基于已建成的水利部防汛抗旱指揮系統(tǒng)骨干網，以及本地節(jié)點的網絡、服務器、安全管理等外部網絡及硬件環(huán)境，根據地下水業(yè)務應用的需要，按照統(tǒng)一的標準搭建了各節(jié)點地下水業(yè)務應用運行的軟硬件環(huán)境。

2）統(tǒng)一的數據資源庫。國家地下水監(jiān)測工程新建改建了 20 469 個地下水監(jiān)測井，其中水利部分建設 10 298 個自動監(jiān)測站，自然資源部建設 10 171 個自動監(jiān)測站。按照兩部共享交換辦法，目前已實現(xiàn)基本和整編成果信息共享。

其中，水利部建設成果基于項目收集整理了全套基礎信息，包括地下水監(jiān)測井、抽水試驗、土壤篩分試驗、綜合成井圖等信息。實時監(jiān)測數據（水位、埋深、水溫、泉流量、水質等）通過統(tǒng)一開發(fā)的接收處理軟件及地下水四級交換體系按照“六采一發(fā)”（每天采集 6 次，分別是 12：00，16：00，20：00，0：00，4：00，次日早 8：00；每天 8：00 發(fā)送此 6 組數據）的模式，于次日早晨 8：00 上報至中央。長系列地下水位人工監(jiān)測資料主要包括2000 年以來各省人工監(jiān)測的歷史地下水埋深等值面分析成果。

3）統(tǒng)一的應用軟件。國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）共開發(fā) 14 套業(yè)務應用軟件。

按照業(yè)務類別可分為以下 4 類：a. 業(yè)務應用軟件。地下水監(jiān)測信息接收處理、信息交換與共享、資源業(yè)務應用、水質分析、監(jiān)測資料整編、信息查詢與維護、資源信息發(fā)布、移動客戶端軟件。b. 典型示范應用軟件。主要包括關中平原典型區(qū)地下水資源模型、海河流域典型平原區(qū)地下水模擬與應用平臺。c. 綜合分析類軟件，包括綜合成果分析應用、運維及績效考核保障等軟件。d. 政務應用類軟件，包括資產和檔案管理軟件。

2 主要建設成果

目前，國家地下水監(jiān)測項目整體工程已完成全部建設任務，建成了功能完善，覆蓋國家、流域、省、地市四級中心的國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了全國監(jiān)測數據自動采集傳輸、接收處理、交換共享、分析評價等全業(yè)務流程信息化。系統(tǒng)自上線運行以來，取得的監(jiān)測數據和分析評價成果已在華北地下水超采綜合治理、河湖地下水回補試點、南水北調工程生態(tài)評價、西遼河流域“量水而行”水文監(jiān)測分析評價、三江平原地下水壓采方案制定等工作中發(fā)揮了積極作用，取得了顯著的社會效益，將為我國水資源合理開發(fā)利用與優(yōu)化配置、農業(yè)結構調整、工業(yè)發(fā)展布局、城市發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護等提供重要支撐和服務。

2.1 建成國家級地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)

1）1 套國家級地下水自動監(jiān)測站網。按照“區(qū)域控制和重點布設相結合”的原則建成 10 298 個國家級自動監(jiān)測站，地下水水位（埋深）、水溫等信息采集頻率為 “六采一發(fā)”。10 298 個監(jiān)測站建站資料通過信息源建設進行了電子化入庫，包括測站基本情況、綜合成井、物探鉆孔、設備安裝調試、抽水試驗、土樣篩分試驗、水質分析等信息共計 139 萬 余條。

2）1 套國家級地下水數據交換體系。按照“橫向共享，縱向交換”的原則，基于水利統(tǒng)一交換平臺，建設了國家-流域-省-地市四級地下水共享交換體系。

3）14 套業(yè)務應用軟件。按照“統(tǒng)一開發(fā)、分級部署”的原則，開發(fā)了 14 套業(yè)務應用軟件，涵蓋數據接收處理、傳輸交換、管理查詢、分析應用、數據整編、信息發(fā)布等日常監(jiān)測分析管理。

2.2 反演主要平原區(qū)長系列地下水動態(tài)過程

1）繪制北方 17 省 2000 年以來歷史地下水埋深分析成果。項目收集了北方 17 個省份 2000 年以來地下水人工監(jiān)測歷史整編資料 2 000 余萬條，采用克里金插值方法，繪制了 6 000 余幅省級歷史地下水月平均埋深等值線分析圖。

2）基于網格實現(xiàn)主要平原區(qū)歷史地下水埋深制作與反演。以各省歷史等值線（面）分析成果為基礎，繪制了黃淮海、松遼平原區(qū)歷史地下水月平均埋深等值線（面）204 幅。按照網格距離最近的方法，實現(xiàn)了黃淮海、松遼平原區(qū)歷史資料與 10 298 個自動監(jiān)測站的融合，反演形成了國家地下水長系列的動態(tài)分析成果。

2.3 建成全國主要平原區(qū)地下水分析評價參數空間數據庫

項目收集了主要平原區(qū)地下水給水度、降雨入滲、蒸發(fā)分區(qū)及參數，并將參數展布在 1 km×1 km網格內，為全國主要平原區(qū)地下水分析評價提供數據支撐。

3 結語

目前，國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）基本可以支撐 20 469 個測站日常的采集、監(jiān)測、傳輸、分析等業(yè)務。實現(xiàn)了對以全國主要平原區(qū)、盆地、巖溶山區(qū)、重要水源地和超采區(qū)為重點地區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測。但是隨著系統(tǒng)上線使用，用戶對系統(tǒng)的依賴也逐漸增加，所以還需要進一步持續(xù)投入，逐步細化管理業(yè)務，提升系統(tǒng)對業(yè)務的支撐能力，具體如下：

1）進一步完善數據交換體系的建設。a. 通過加強對數據交換各環(huán)節(jié)的統(tǒng)計，形成更加精準的數據交換監(jiān)控，為數據交換的運維提供依據。例如，針對到報率，原來只是粗略地統(tǒng)計測站到中央的到報情況，隨著管理的精細化，需要將到報率區(qū)分為測站到省里的到報率和測站從省里交換到中央的交換率，并實現(xiàn)按照政區(qū)、廠家、設備的多角度評估和深層次的問題挖掘。b. 優(yōu)化數據交換流程，縮短上報周期。例如，本項目中的四級交換體系，每一級都有 1 個中間庫，是設備廠商與平臺廠商之間工作的邊界。當項目建設完成后，達到穩(wěn)定運行后，可以考慮將該中間庫環(huán)節(jié)刪減，以縮短數據上報周期。

2）進一步加強各級系統(tǒng)的運行維護。國家地下水監(jiān)測項目目前已經進入運行維護階段。為保障整套系統(tǒng)能夠持續(xù)發(fā)揮效益，做出以下努力：a. 積極申請全額運行維護費用，確保運維工作的資金支持；b. 加強對運行維護效果的監(jiān)管和考核，確保運維工作落到實處，見到效益；c. 定期舉辦對系統(tǒng)的操作使用培訓，讓更多的人能夠借助系統(tǒng)提升工作效能，也讓整套系統(tǒng)能在真實、復雜的應用場景中進一步深化、發(fā)展。