地下水監(jiān)測中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用策略

蓋燕如，馮平，丁素媛

（濟(jì)南市水文局，濟(jì)南250000）

1 引言

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，互聯(lián)網(wǎng)+、云計算、大數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用。新基建的提出為各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供了有利的政策支持，科技創(chuàng)新成為行業(yè)發(fā)展的有力推手。在地下水監(jiān)測行業(yè)中，傳統(tǒng)監(jiān)測方法已不能滿足我國當(dāng)下的用水需求，向信息化、自動化發(fā)展成為必然趨勢。

2 地下水監(jiān)測技術(shù)

2.1 我國水資源的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，很多國家都面臨著水資源嚴(yán)重缺乏的危機(jī)，給各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會民生都帶來了極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前，全球總體水資源保有量大約在1.4×109km3，其中，工業(yè)用水占比24%，農(nóng)業(yè)用水占比70%。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球整體水資源保有量已經(jīng)減少了25%[1]。

我國水資源也面臨著同樣的嚴(yán)峻形勢，存在極度匱乏問題，僅城市用水每年就有6×109m3的缺口，直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失約2 000億元人民幣。嚴(yán)重的缺水與水污染等問題不僅限制了我國經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)和GDP增長的速度，同時也對部分居民的生活造成了嚴(yán)重影響。

2.2 地下水監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

隨著我國水資源利用和開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，很多地區(qū)在對地下水資源進(jìn)行大量超采后，出現(xiàn)了永久性的漏斗塌陷區(qū)，同時，淺層地下水資源的污染范圍也開始逐漸擴(kuò)大。地表水與地下水在流動性和地質(zhì)條件上有根本性的差異，這就導(dǎo)致地下水資源一旦被污染很難恢復(fù)，所以，要加強(qiáng)地下水資源的監(jiān)測，避免水資源不受到破壞。

我國在地下水自動監(jiān)測技術(shù)方面起步較晚。地下水監(jiān)測最重要的部分是水位檢測，目前還有很大一部分地區(qū)需要相關(guān)工作人員手動操作進(jìn)行觀測，只有少數(shù)地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)自動觀測水位。同樣，地下水水質(zhì)的檢測工作也是以人工采樣分析為主，自動分析檢測為輔。國際上很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及應(yīng)用自動檢測設(shè)備，尤其是德國、美國、日本等國家，已經(jīng)可以完成水位、水質(zhì)、水溫等數(shù)據(jù)的自動采集分析以及自動化的數(shù)據(jù)存儲和傳輸，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得和對大數(shù)據(jù)的分析管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)概述

英國的維克多·邁爾·舍恩伯格（Victor Mayer Schonberg）教授在20世紀(jì)80年代最早提出大數(shù)據(jù)這一概念。大數(shù)據(jù)是指體積非常大、數(shù)據(jù)類別非常多、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫工具無法捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集。

1）大數(shù)據(jù)的容量很大。一個大型數(shù)據(jù)集的容量一般不會超過10 TB，但這并不能滿足人類生產(chǎn)生活日益提高的需求，很多企業(yè)用戶不得不將多個數(shù)據(jù)集組合在一起進(jìn)行使用，這就使組合后的數(shù)據(jù)集容量超過了PB級別。

2）索引數(shù)據(jù)的類型越來越多，數(shù)據(jù)的來源也在逐漸增長。數(shù)據(jù)的類型和格式變得復(fù)雜多樣，已經(jīng)超越了以前有限的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類別，主要包括半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)處理的速度非?？?。在數(shù)據(jù)量非常大的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)處理。

4）大數(shù)據(jù)能保持很高的數(shù)據(jù)真實(shí)性，在社交、企業(yè)管理、金融交易這些對數(shù)據(jù)集中度較為依賴的領(lǐng)域，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式急需改進(jìn)，政府和企業(yè)更需要確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性。大數(shù)據(jù)技術(shù)主要包含：數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存取、基礎(chǔ)架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測和結(jié)果呈現(xiàn)等[2]。

4 地下水監(jiān)測的大數(shù)據(jù)獲取

4.1 地下水地理位置信息監(jiān)測

使用計算機(jī)軟硬件作為基礎(chǔ)平臺，可以對地下水的分布信息進(jìn)行監(jiān)測、收集、分析與管理，并可以將實(shí)時地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過收集分析并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的地理信息和戶外觀測數(shù)據(jù)、通過傳感器獲取并數(shù)字化處理的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時進(jìn)行模擬和以圖表形式輸出。為了實(shí)現(xiàn)以上要求，需要采集大量多樣化的數(shù)據(jù)，使用DQ數(shù)據(jù)處理技術(shù)不僅可以使整體數(shù)據(jù)更加規(guī)范化和統(tǒng)一化，還可以保證地下水地理位置信息的準(zhǔn)確性并且得到精準(zhǔn)的可視化表格。

這一技術(shù)主要組成部分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)重組、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、空間信息分析和查詢。其中，空間信息查詢模塊是DQ數(shù)據(jù)處理的一個最重要的部分，它被用來確定地理信息要素之間的空間關(guān)系以及更多復(fù)雜環(huán)境下的空間信息處理[3]。

1）空間信息查詢：DQ數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要用于查詢空間信息，它支持對已知地區(qū)和地理信息及各種特殊情況下地區(qū)的空間信息查詢。

2）拓展查詢：拓展查詢可將單一地區(qū)內(nèi)的多個不同圖層特征進(jìn)行疊加形成新的空間特征，同時將得到的屬性進(jìn)行組合，這樣地下水地圖表更新和其他信息的查詢會更為快捷。

3）緩沖網(wǎng)絡(luò)查詢：使用空間信息中點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，智能化模擬一個地下水區(qū)塊多邊形來計算其附近的地理信息要素和空間接近程度。

4）數(shù)字地形分析：使用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以很方便地得到地下水及其周邊地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)，包括地表屬性、坡度、日照強(qiáng)度、地層剖析圖等數(shù)字化信息，這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以進(jìn)行地形整體分析，為地下水位置信息監(jiān)測搭建了展示平臺。

4.2 地下水污染監(jiān)測

地下水的流動性大大低于地表水，因此，如果某一區(qū)域的地下水受到污染，會對周邊區(qū)域的地下水造成大范圍地下水資源污染，導(dǎo)致水量短缺。大數(shù)據(jù)技術(shù)擁有極強(qiáng)的云端存儲和計算能力，將其應(yīng)用于地下水污染監(jiān)測領(lǐng)域，可以將繁雜龐大的數(shù)據(jù)統(tǒng)一整理分析并做出圖標(biāo)，以幫助應(yīng)對策略分析。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過部署在各個水源的探測器實(shí)時收集地下水污染物的含量、種類、濃度等數(shù)據(jù)，并分類存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后通過云計算對數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)計算和分析后，把各種污染成分的濃度和污染等級反饋給相關(guān)部門以做應(yīng)對。這種方式取代了傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，通過海量數(shù)據(jù)和實(shí)時計算極大地提升了地下水水質(zhì)評價的客觀性和準(zhǔn)確性。

大數(shù)據(jù)水污染監(jiān)測主要有以下幾點(diǎn)：

1）對地下水中的化學(xué)成分進(jìn)行辨別及含量測定，并對可能造成的污染進(jìn)行分析；

2）對地下水中的微生物種類和數(shù)量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)有害微生物及時記錄并報告；

3）對地下水進(jìn)行放射性測定，如果發(fā)現(xiàn)含有放射性物質(zhì)，立即進(jìn)行含量測量并記錄；

4）對地下水進(jìn)行重金屬物質(zhì)測定，如果重金屬含量過高，不能當(dāng)作生活水源使用，會對人體生命安全產(chǎn)生危害；

5）對物理化學(xué)成分進(jìn)行測定，這種成分具有快速擴(kuò)散的特征，如果不及時控制會在短時間內(nèi)迅速污染周邊地下水源。當(dāng)探測器發(fā)現(xiàn)污染發(fā)生且已擴(kuò)散到一定范圍時，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測模塊會第一時間給監(jiān)測部門發(fā)送預(yù)警通知，同時會控制探測傳感器實(shí)時監(jiān)測污染擴(kuò)散方向，防止污染周邊地下水資源。

大數(shù)據(jù)技術(shù)還可以通過分析污染物成分、含量等信息來推斷出污染源，為相關(guān)部門污染治理提出指導(dǎo)策略和源頭分析，以便在污染發(fā)生的早期及時得到控制，盡可能縮小污染擴(kuò)散范圍和程度，保護(hù)水資源。

4.3 地下水水位監(jiān)測

地下水位監(jiān)測必須具有適用性、及時性、靈活性、擴(kuò)展性、兼容性和經(jīng)濟(jì)性。此系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控設(shè)備和中心控制平臺構(gòu)成。前端設(shè)備與中心平臺之間的數(shù)據(jù)通信通過GSM/GPRS/3G/4G無線傳輸?shù)街醒霗C(jī)房的因特網(wǎng)完成。集成式的水位計內(nèi)置鋰電池供電，體積小，質(zhì)量輕，在野外方便使用，不需要建站房，只需要將其放入監(jiān)測井中，由監(jiān)測井上方設(shè)立的設(shè)備外箱進(jìn)行防護(hù)即可。水位計測量是根據(jù)水壓與水深成正比的靜水壓力原理，采用水壓敏感集成電路制造核心水位計部件。將水壓測量傳感器固定在井中觀測點(diǎn)位，把測點(diǎn)上方的壓力高度與傳感器所在位置的標(biāo)高累加，就可以測得當(dāng)前地下水水位標(biāo)高值。通過大數(shù)據(jù)可以實(shí)時查看各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時水位數(shù)據(jù)。

4.4 地下水水流量監(jiān)測

地下水水流監(jiān)測是基于超聲波回彈技術(shù)原理開發(fā)的，它使用超聲波發(fā)射和返回發(fā)射點(diǎn)之前的時間差值來測量水流速度，精準(zhǔn)度高、便于部署、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以不間斷地把實(shí)時流量數(shù)據(jù)傳回大數(shù)據(jù)中心。

5 大數(shù)據(jù)技術(shù)對地下水監(jiān)測技術(shù)具有重要意義

5.1 大數(shù)據(jù)地下水水質(zhì)監(jiān)測平臺的構(gòu)建

構(gòu)建大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測平臺需要以大數(shù)據(jù)技術(shù)作為主要支柱，大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)，高速通信技術(shù)作為媒介。在搭建平臺的整個過程中，需要注意以下幾個問題。

5.1.1 要保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性

在整個監(jiān)測過程中，水質(zhì)的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)主要通過自動化傳感設(shè)備實(shí)時取得，用過人工輔助獲得周邊水源地貌、水域地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)。在整合數(shù)據(jù)庫時，需要對水質(zhì)信息進(jìn)行動態(tài)化的監(jiān)測，同時還需要對周邊地貌特征、地質(zhì)情況、污染情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行多元化采集來保證其完整性，最后根據(jù)信息情況進(jìn)行歸納分類并做標(biāo)準(zhǔn)化存儲。

5.1.2 制定水質(zhì)的等級規(guī)范

依據(jù)水質(zhì)特征情況對不同區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行等級標(biāo)準(zhǔn)劃分。在劃分時利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行量化的統(tǒng)一分析，使用規(guī)范形式對所有數(shù)據(jù)做分布式存儲，使用特定算法對水質(zhì)特點(diǎn)和風(fēng)險等進(jìn)行評估。

5.1.3 制定水質(zhì)監(jiān)測的評價模型

應(yīng)用模型發(fā)揮其預(yù)警功能是評價水質(zhì)并對其進(jìn)行預(yù)測評估的基礎(chǔ)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷發(fā)展，地下水監(jiān)測和信息技術(shù)可以快速結(jié)合并建立符合監(jiān)測需要的數(shù)學(xué)應(yīng)用模型。在地下水體系復(fù)雜多元的情況下，可以建立符合水質(zhì)特性的數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)應(yīng)用模型并用其對水質(zhì)的風(fēng)險進(jìn)行模糊性的評價。在整個地下水質(zhì)監(jiān)測過程中，更多的應(yīng)用可以使水質(zhì)及周邊環(huán)境綜合評價預(yù)警模型不斷完善和發(fā)展。

5.1.4 監(jiān)測和捕捉異常水質(zhì)數(shù)據(jù)

在水質(zhì)監(jiān)測平臺建設(shè)時,需要保證數(shù)據(jù)平臺能夠遠(yuǎn)程獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)化分析并及時捕獲異常，同時以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計算，使用預(yù)警系統(tǒng)向有關(guān)部門發(fā)送異常警報，為及時恰當(dāng)?shù)奶幚韱栴}提供決策分析基礎(chǔ)。

5.1.5 基于大數(shù)據(jù)建立可靠的水質(zhì)監(jiān)測程序

程序設(shè)計包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、分析水質(zhì)狀態(tài)等部分，使用圖表等可視化方式展現(xiàn)大數(shù)據(jù)監(jiān)測成果，展示地下水真實(shí)狀態(tài)。在設(shè)計大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測程序時，要合理安排基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層和中間層順序。基礎(chǔ)層的主要內(nèi)容包括基本數(shù)據(jù)信息、信息傳感器、探測器等基本采集設(shè)備；數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)庫；中間層主要包括數(shù)據(jù)信息挖掘、數(shù)據(jù)管理等，利用統(tǒng)計、管理、監(jiān)控、計算等方式分析數(shù)據(jù)的價值和意義；表現(xiàn)層主要以地圖、圖表等形式展示和顯示水質(zhì)的基本信息和現(xiàn)狀。

5.2 對數(shù)據(jù)快速專業(yè)化的分析和挖掘

大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢是可以對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析。通過監(jiān)測設(shè)備得到地下水的實(shí)時數(shù)據(jù)，目的是經(jīng)過挖掘和分析取得其中有價值的信息。數(shù)據(jù)的分析結(jié)果需要通過可視化的方式呈現(xiàn)給最終的使用者，讓使用者可以直觀地獲得大數(shù)據(jù)特點(diǎn)并使人們?nèi)菀捉邮?。專業(yè)人員基于可視化數(shù)據(jù)，加上自身經(jīng)驗(yàn)和知識，可以迅速地從大量繁雜數(shù)據(jù)中找到有用的信息。

5.3 對大量不同類型、復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速處理

地下水的監(jiān)測難度遠(yuǎn)高于地表水監(jiān)測，地下水各種參數(shù)的變動和其引發(fā)的環(huán)境變化是在地下不能被直接觀測到的。同時，過度開采所引發(fā)的地質(zhì)變動速度都極其緩慢，雖不容易被發(fā)現(xiàn)，但一旦發(fā)展到一定程度就會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢就是可以對超量的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，因此，必須使用自動化設(shè)備不間斷地進(jìn)行地下水監(jiān)測，實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)變化，并且借助大數(shù)據(jù)對長期儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，及時掌握其變化，快速做出處理。

6 結(jié)語

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展在極大程度上促進(jìn)了我國當(dāng)前地下水監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)的支持下，通過對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類運(yùn)算，并對其發(fā)展情況進(jìn)行分析判斷，可以有效提高監(jiān)測效率，并提前預(yù)警各類災(zāi)害，從根本上解決地下水監(jiān)測中出現(xiàn)的問題，使水資源得到更加有效的管理和利用，進(jìn)一步為經(jīng)濟(jì)社會的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。