王海寧，薛惠鋒，蔣云鐘，萬　毅

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，100048，北京；3.水利部水資源管理中心，100053，北京）

運用系統(tǒng)思維推進水資源數(shù)據(jù)管理

王海寧1，2，薛惠鋒2，蔣云鐘1，萬毅3

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，100048，北京；3.水利部水資源管理中心，100053，北京）

國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目實施積累了海量數(shù)據(jù)。如何利用這些數(shù)據(jù)為最嚴(yán)格水資源管理、考核與決策提供數(shù)據(jù)支撐是一項迫切的研究任務(wù)。介紹了我國水資源數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀，對存在的數(shù)據(jù)完備性、準(zhǔn)確性和功效性不足等現(xiàn)實問題的成因進行了分析，闡述了運用系統(tǒng)思維進行水資源數(shù)據(jù)管理的頂層設(shè)計思路，提出引入信息、計算機、系統(tǒng)工程等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)方法對數(shù)據(jù)進行深度挖掘、融合處理與綜合提升，從而推動水資源數(shù)據(jù)問題的解決，助推水資源管理工作邁向新高度。

水資源數(shù)據(jù)管理；系統(tǒng)思維；頂層設(shè)計；綜合提升

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。黨中央、國務(wù)院高度重視水資源管理工作，先后出臺一系列重要文件要求加強水資源管理。科學(xué)的管理決策必須以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展，與經(jīng)濟社會快速融合，數(shù)據(jù)已經(jīng)從簡單的處理對象轉(zhuǎn)變成支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全的重要資源，并逐步擴展至國民經(jīng)濟社會的各個領(lǐng)域，驅(qū)動管理思維的變革。用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新，已經(jīng)成為未來發(fā)展的大趨勢。國家通過開展防汛抗旱指揮系統(tǒng)、水資源監(jiān)控能力建設(shè)等項目積累了海量數(shù)據(jù)，尤其是國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目的深入開展為水資源數(shù)據(jù)提供了持續(xù)更新能力。如何利用數(shù)據(jù)為最嚴(yán)格水資源管理、考核與決策提供支撐是當(dāng)前一項迫切的研究任務(wù)。

一、我國水資源數(shù)據(jù)管理基本情況

自20世紀(jì)80年代以來，國家水行政主管部門就開始研究和探索水資源數(shù)據(jù)管理，積累了水文、水資源、水利工程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。受當(dāng)時技術(shù)條件、經(jīng)費投入和有關(guān)政策等因素的制約，數(shù)據(jù)庫建設(shè)進展緩慢，數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、管理不規(guī)范，多數(shù)業(yè)務(wù)應(yīng)用積累的數(shù)據(jù)獨立、分散且缺少專人管理，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。到2000年之后，防汛抗旱、水資源水環(huán)境、供水、排水、節(jié)水、水利工程、農(nóng)水、水保與公眾服務(wù)等主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)快速發(fā)展，功能不斷完善，積累的水資源數(shù)據(jù)量逐年增多。

2012年國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目啟動，歷時3年多，數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、存儲與管理等基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，基本建立了水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等五大類數(shù)據(jù)庫。水行政主管部門首次具備了對全國取用水戶、水功能區(qū)等基層水資源管理對象實時監(jiān)控的能力，首次掌握了30多萬份取水許可臺賬等具體的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，首次實現(xiàn)了中央、流域、省乃至市縣層面的水資源業(yè)務(wù)同步。隨著國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目逐步投入運行，水資源數(shù)據(jù)量還將逐年增多。水資源數(shù)據(jù)管理從最初的零散、獨立管理發(fā)展到現(xiàn)今的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的集中與分散相結(jié)合的管理，為我國水資源管理工作奠定了良好基礎(chǔ)。

二、我國水資源數(shù)據(jù)管理面臨的問題及成因

雖然水資源數(shù)據(jù)管理工作取得了有效成果，但現(xiàn)階段我國水資源管理工作仍然面臨一些突出的數(shù)據(jù)問題，尚不能完全滿足國家管理、科學(xué)研究和社會需求。

1.數(shù)據(jù)完備性不足，難以有效支撐管理決策

水資源監(jiān)測涉及取水、供水、用水、耗水、排水等多個環(huán)節(jié)，由于監(jiān)測技術(shù)受限和監(jiān)控點布置不夠等原因，導(dǎo)致全面獲取各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的難度很大，數(shù)據(jù)完備性不足，相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)需要通過數(shù)據(jù)加工、分析、處理等手段獲取。據(jù)國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目辦公室公布的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有國家水資源監(jiān)控能力僅能實時監(jiān)測全國約36%的實際取用水量，64%用水量數(shù)據(jù)需根據(jù)傳統(tǒng)計量、行業(yè)用水定額和分析推算等途徑得到。

2.數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，難以真實反映管理現(xiàn)狀

我國現(xiàn)階段對水資源數(shù)據(jù)的管理情況是：水利、統(tǒng)計、城建和環(huán)保等部門均按各自需求，獨立開展取水、供水、用水、耗水、退水和排水等統(tǒng)計工作，統(tǒng)計口徑、方法和范圍不一致，數(shù)據(jù)更新不及時，導(dǎo)致部門之間的數(shù)據(jù)存在較大差距?，F(xiàn)有水資源數(shù)據(jù)管理工作缺乏對基層上報數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性核查的有效手段，難以保障水資源數(shù)據(jù)的真實性。

3.數(shù)據(jù)功效性不足，數(shù)據(jù)成果潛能發(fā)揮受限

水資源數(shù)據(jù)之間邏輯關(guān)系復(fù)雜，缺乏必要的關(guān)聯(lián)分析手段，數(shù)據(jù)規(guī)律性研究尚未深入開展，導(dǎo)致數(shù)據(jù)應(yīng)用效率較低，提供決策信息有限，對水行政主管部門在取水、供水、用水、退水、耗水和排水等各個環(huán)節(jié)的管理和決策支持作用亟待提高。

分析上述問題的產(chǎn)生原因，主要是客觀上存在數(shù)據(jù)采樣率過低、數(shù)據(jù)采集技術(shù)較為落后、數(shù)據(jù)采集手段有限，主觀上存在數(shù)據(jù)采集主體信度不高、數(shù)據(jù)采集程序監(jiān)管缺失、數(shù)據(jù)共享機制不健全等問題。國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目已經(jīng)初步建立了水資源監(jiān)控總體框架和格局，迫切需要充分利用已有的建設(shè)成果和數(shù)據(jù)成果，進行數(shù)據(jù)的合理利用與優(yōu)化配置，充分發(fā)揮水資源數(shù)據(jù)對管理業(yè)務(wù)的支撐作用。

三、技術(shù)推動水資源數(shù)據(jù)問題解決的突破點

20世紀(jì)80年代初期，錢學(xué)森在我國航天大型工程實踐基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出從定性到定量綜合集成的系統(tǒng)工程方法，應(yīng)用于改革開放和現(xiàn)代化建設(shè)中出現(xiàn)的重大決策問題研究方面取得了突出成就。我國水資源管理工作可以借鑒這些成功案例，以數(shù)據(jù)為切入點，對水資源數(shù)據(jù)進行合理利用，助推水資源管理水平實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

1.要做好水資源數(shù)據(jù)管理的頂層設(shè)計

水資源數(shù)據(jù)不是由哪一個部門單獨管理，而是分散在發(fā)改、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、國土資源、林業(yè)、交通、工信、民政、衛(wèi)生、水利、氣象、統(tǒng)計等各部門；不僅涉及水資源，還涉及生態(tài)、環(huán)境、人口、經(jīng)濟、社會等方方面面。因此，水資源數(shù)據(jù)管理需要有全局性的系統(tǒng)思維。

首先，要充分認(rèn)識水資源數(shù)據(jù)的價值。國家水行政主管部門應(yīng)當(dāng)站在支撐國家水安全與發(fā)展的層面，充分認(rèn)識水資源數(shù)據(jù)的重要性，將水資源數(shù)據(jù)提升到保障國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)地位，對水資源數(shù)據(jù)進行科學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化配置、合理使用和有效管理。

其次，通過立法保障水資源數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和使用。國家立法機關(guān)應(yīng)當(dāng)及時推進數(shù)據(jù)立法工作，在信息安全領(lǐng)域填補立法空白。出臺支持?jǐn)?shù)據(jù)開放的政策文件，建立數(shù)據(jù)開放標(biāo)準(zhǔn)、界定數(shù)據(jù)開放邊界，切實有效地建立數(shù)據(jù)開放的法制基礎(chǔ)。同時國家立法機關(guān)還應(yīng)當(dāng)將數(shù)據(jù)利用和依法有效的監(jiān)督結(jié)合起來。

再次，要重點在制度建設(shè)上下功夫。建立長期、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)共享運行機制和數(shù)據(jù)發(fā)布機制。建立全國性的數(shù)據(jù)資源管理中心，搭建數(shù)據(jù)開放共享平臺，打破數(shù)據(jù)事權(quán)限制，向科研院所、企事業(yè)單位和社會公眾提供防汛抗旱、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等涉水信息服務(wù)。

2.要進行關(guān)鍵技術(shù)的研究和提升

傳統(tǒng)水資源管理以水文水資源領(lǐng)域?qū)I(yè)人員為主，水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)通過傳統(tǒng)采樣方法采集和管理。現(xiàn)代科技發(fā)展已經(jīng)突破了傳統(tǒng)水文水資源領(lǐng)域的范疇，水資源數(shù)據(jù)逐漸呈現(xiàn)出海量、多元、異構(gòu)、價值稀疏等大數(shù)據(jù)的基本特征。海量水資源數(shù)據(jù)要發(fā)揮潛能支撐管理決策，需要進行數(shù)據(jù)規(guī)律的推演和數(shù)據(jù)價值的挖掘，這就需要在關(guān)鍵技術(shù)方法上尋找突破口。

首先，針對水資源數(shù)據(jù)完備性不足的問題，可以引入信息學(xué)科的技術(shù)進行探索研究。比如，信息學(xué)中的一比特采樣具有高速數(shù)據(jù)實時快速傳輸?shù)膬?yōu)勢，可以探索該技術(shù)應(yīng)用于防止重要取水口、入河排污口等視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)在實時傳輸過程中產(chǎn)生的信息丟失問題；大江大河斷面的水文監(jiān)測站監(jiān)測頻率低，相應(yīng)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)量較少，水文規(guī)律難以準(zhǔn)確掌握。次奈奎斯特采樣可以以低于香農(nóng)采樣定理規(guī)定的頻率，根據(jù)較少量的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的算法推導(dǎo)出完備的數(shù)據(jù)，可以探索該技術(shù)應(yīng)用于采樣率低導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不完備問題，提升水文數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確度；低秩矩陣恢復(fù)技術(shù)能夠把干擾數(shù)據(jù)進行剔除，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確把握，可以探索此方法解決自然和人為破壞等因素干擾造成的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)不完備問題；現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測手段只能是在某時某地監(jiān)測某數(shù)據(jù)，且水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)有上百項指標(biāo)要求，往往存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，不能反映出流域的整體水質(zhì)情況。而多元張量結(jié)構(gòu)分解技術(shù)可以將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過結(jié)構(gòu)展開、特征值分解、關(guān)聯(lián)性分析、魯棒張量填充等方法恢復(fù)出完整的數(shù)據(jù)集，可以探索應(yīng)用于此類數(shù)據(jù)不完備問題，把數(shù)據(jù)通過合理的算法填充到整條河流、整個時域，更好地為決策提供支撐。

其次，針對水資源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足的問題，可以引入計算機領(lǐng)域的數(shù)據(jù)挖掘與融合處理等技術(shù)進行探索研究。比如，因數(shù)據(jù)來源多、數(shù)據(jù)管理者失職亂報等問題造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題，可以采用聚類融合、機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘方法進行研究；對于多個監(jiān)測儀器在不同時段、不同地點監(jiān)測到的同一個指標(biāo)，其數(shù)據(jù)真?zhèn)涡缘蔫b定可以探索采用協(xié)方差交叉算法進行精確融合；對于異常數(shù)據(jù)問題，可以嘗試采用支持向量機與證據(jù)理論等方法進行解決；對于不同部門監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存在差異，數(shù)據(jù)之間存在較強關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)，可以探索采用基于矩陣分解的異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法，通過對不同部門、不同時間、不同指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效融合，還原出真實的數(shù)據(jù)值。在數(shù)據(jù)分析的全過程中，還需要結(jié)合水文水資源專家的知識經(jīng)驗。通過水資源、計算機、信息化等學(xué)科的交叉融合，發(fā)掘水資源數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，甄別數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性，得到能夠客觀反映水資源特點的數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)支撐水資源管理決策。

再次，針對水資源數(shù)據(jù)功效性不足的問題，可以借鑒從定性到定量綜合集成再到綜合提升的系統(tǒng)工程方法進行研究。水資源數(shù)據(jù)經(jīng)過完備性構(gòu)建和準(zhǔn)確性鑒定之后，面臨的重要任務(wù)是發(fā)揮數(shù)據(jù)的功能和價值，支撐最嚴(yán)格水資源管理決策。鑒于最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”的各項考核指標(biāo)是精確的，建議從模型、方法、專家體系進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)從微觀數(shù)據(jù)—模型構(gòu)建—方法體系—宏觀決策的整體優(yōu)化。建立國家水資源管理系統(tǒng)，結(jié)合“三條紅線”的要求建立預(yù)警模型，采用綜合集成研討廳的方式對國家水資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行高效處理和優(yōu)化，研究每一類數(shù)據(jù)融合和建模的最優(yōu)方法，整合水利部門與其他部門數(shù)據(jù)構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)集成體系，將國家水資源管理系統(tǒng)的應(yīng)用功能和水平提升到支撐科學(xué)決策的層面，進而實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的綜合提升。

［1］李國杰.大數(shù)據(jù)研究的科學(xué)價值［J］.中國科學(xué)院院刊，2012（8）.

［2］蔣云鐘，萬毅.國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)功能需求及實施策略［J］.中國水利，2012（7）.

［3］黨骙，馬林華，等.改進的一比特壓縮感知重建算法［J］.電訊技術(shù)，2014（11）.

責(zé)任編輯 車小磊

Advancing data management of water resources by applying system thinking

Wang Haining，Xue Huifeng，Jiang Yunzhong，Wan Yi

Massive data have been accumulated with the implementation of National Project for Capacity Building of Water Resources Monitoring.It is urgent to make studies on ways of using data to support implementation of the most stringent management system，conduct performance evaluation and make decision.The current situation of data management for water resources in China is introduced.Analysis is made on the completeness，accuracy and efficacy of existed data.Top level design for data management by employment of system thinking is presented.It is proposed to introduce key technologies such as information system，computer，system engineering，to find and integrate data for comprehensive promotion，so that water governance will be great improved.

management of water resources data；system thinking；top level design；comprehensive promotion

TV213.4

B

1000-1123（2016）03-0034-03

2015-11-24

王海寧，博士后。