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(jì)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(jí)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(cè)行業(yè)中，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法已不能滿足我國(guó)當(dāng)下的用水需求，向信息化、自動(dòng)化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。

2 地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 我國(guó)水資源的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，很多國(guó)家都面臨著水資源嚴(yán)重缺乏的危機(jī)，給各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)民生都帶來(lái)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(zhǎng)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(guó)水資源也面臨著同樣的嚴(yán)峻形勢(shì)，存在極度匱乏問(wèn)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(wèn)題不僅限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)和GDP增長(zhǎng)的速度，同時(shí)也對(duì)部分居民的生活造成了嚴(yán)重影響。

2.2 地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

隨著我國(guó)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(duì)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(shí)，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(dòng)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(cè)，避免水資源不受到破壞。

我國(guó)在地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面起步較晚。地下水監(jiān)測(cè)最重要的部分是水位檢測(cè)，目前還有很大一部分地區(qū)需要相關(guān)工作人員手動(dòng)操作進(jìn)行觀測(cè)，只有少數(shù)地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)水位。同樣，地下水水質(zhì)的檢測(cè)工作也是以人工采樣分析為主，自動(dòng)分析檢測(cè)為輔。國(guó)際上很多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)普及應(yīng)用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，尤其是德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家，已經(jīng)可以完成水位、水質(zhì)、水溫等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集分析以及自動(dòng)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得和對(duì)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(guó)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(kù)工具無(wú)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(gè)大型數(shù)據(jù)集的容量一般不會(huì)超過(guò)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(gè)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(guò)了PB級(jí)別。

2）索引數(shù)據(jù)的類型越來(lái)越多，數(shù)據(jù)的來(lái)源也在逐漸增長(zhǎng)。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(shí)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(duì)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(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測(cè)和結(jié)果呈現(xiàn)等[2]。

4 地下水監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)獲取

4.1 地下水地理位置信息監(jiān)測(cè)

使用計(jì)算機(jī)軟硬件作為基礎(chǔ)平臺(tái)，可以對(duì)地下水的分布信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、收集、分析與管理，并可以將實(shí)時(shí)地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)收集分析并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)的地理信息和戶外觀測(cè)數(shù)據(jù)、通過(guò)傳感器獲取并數(shù)字化處理的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)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(gè)最重要的部分，它被用來(lái)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(duì)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(gè)不同圖層特征進(jìn)行疊加形成新的空間特征，同時(shí)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(huì)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(gè)地下水區(qū)塊多邊形來(lái)計(jì)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(cè)搭建了展示平臺(tái)。

4.2 地下水污染監(jiān)測(cè)

地下水的流動(dòng)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(huì)對(duì)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(chǔ)和計(jì)算能力，將其應(yīng)用于地下水污染監(jiān)測(cè)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(duì)策略分析。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)部署在各個(gè)水源的探測(cè)器實(shí)時(shí)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后通過(guò)云計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)計(jì)算和分析后，把各種污染成分的濃度和污染等級(jí)反饋給相關(guān)部門以做應(yīng)對(duì)。這種方式取代了傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，通過(guò)海量數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算極大地提升了地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性。

大數(shù)據(jù)水污染監(jiān)測(cè)主要有以下幾點(diǎn)：

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

2）對(duì)地下水中的微生物種類和數(shù)量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)有害微生物及時(shí)記錄并報(bào)告；

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

4）對(duì)地下水進(jìn)行重金屬物質(zhì)測(cè)定，如果重金屬含量過(guò)高，不能當(dāng)作生活水源使用，會(huì)對(duì)人體生命安全產(chǎn)生危害；

5）對(duì)物理化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，這種成分具有快速擴(kuò)散的特征，如果不及時(shí)控制會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速污染周邊地下水源。當(dāng)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)污染發(fā)生且已擴(kuò)散到一定范圍時(shí)，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊會(huì)第一時(shí)間給監(jiān)測(cè)部門發(fā)送預(yù)警通知，同時(shí)會(huì)控制探測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)分析污染物成分、含量等信息來(lái)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(shí)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(cè)

地下水位監(jiān)測(cè)必須具有適用性、及時(shí)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(tái)構(gòu)成。前端設(shè)備與中心平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)GSM/GPRS/3G/4G無(wú)線傳輸?shù)街醒霗C(jī)房的因特網(wǎng)完成。集成式的水位計(jì)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(cè)井中，由監(jiān)測(cè)井上方設(shè)立的設(shè)備外箱進(jìn)行防護(hù)即可。水位計(jì)測(cè)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(jì)部件。將水壓測(cè)量傳感器固定在井中觀測(cè)點(diǎn)位，把測(cè)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(cè)得當(dāng)前地下水水位標(biāo)高值。通過(guò)大數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)。

4.4 地下水水流量監(jiān)測(cè)

地下水水流監(jiān)測(cè)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(shí)間差值來(lái)測(cè)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(shí)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(duì)地下水監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái)的構(gòu)建

構(gòu)建大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(kù)作為基礎(chǔ)，高速通信技術(shù)作為媒介。在搭建平臺(tái)的整個(gè)過(guò)程中，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)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(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，水質(zhì)的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)主要通過(guò)自動(dòng)化傳感設(shè)備實(shí)時(shí)取得，用過(guò)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(kù)時(shí)，需要對(duì)水質(zhì)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還需要對(duì)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(lái)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(chǔ)。

5.1.2 制定水質(zhì)的等級(jí)規(guī)范

依據(jù)水質(zhì)特征情況對(duì)不同區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分。在劃分時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化的統(tǒng)一分析，使用規(guī)范形式對(duì)所有數(shù)據(jù)做分布式存儲(chǔ)，使用特定算法對(duì)水質(zhì)特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行評(píng)估。

5.1.3 制定水質(zhì)監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)模型

應(yīng)用模型發(fā)揮其預(yù)警功能是評(píng)價(jià)水質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)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(cè)和信息技術(shù)可以快速結(jié)合并建立符合監(jiān)測(cè)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(duì)水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊性的評(píng)價(jià)。在整個(gè)地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，更多的應(yīng)用可以使水質(zhì)及周邊環(huán)境綜合評(píng)價(jià)預(yù)警模型不斷完善和發(fā)展。

5.1.4 監(jiān)測(cè)和捕捉異常水質(zhì)數(shù)據(jù)

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)時(shí),需要保證數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠遠(yuǎn)程獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化分析并及時(shí)捕獲異常，同時(shí)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算，使用預(yù)警系統(tǒng)向有關(guān)部門發(fā)送異常警報(bào)，為及時(shí)恰當(dāng)?shù)奶幚韱?wèn)題提供決策分析基礎(chǔ)。

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

程序設(shè)計(jì)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(cè)成果，展示地下水真實(shí)狀態(tài)。在設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)程序時(shí)，要合理安排基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層和中間層順序?；A(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(cè)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(kù)；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(jì)、管理、監(jiān)控、計(jì)算等方式分析數(shù)據(jù)的價(jià)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(duì)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(shì)是可以對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析。通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備得到地下水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，目的是經(jīng)過(guò)挖掘和分析取得其中有價(jià)值的信息。數(shù)據(jù)的分析結(jié)果需要通過(guò)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)菀捉邮堋I(yè)人員基于可視化數(shù)據(jù)，加上自身經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，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(duì)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(cè)難度遠(yuǎn)高于地表水監(jiān)測(cè)，地下水各種參數(shù)的變動(dòng)和其引發(fā)的環(huán)境變化是在地下不能被直接觀測(cè)到的。同時(shí)，過(guò)度開采所引發(fā)的地質(zhì)變動(dòng)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢(shì)就是可以對(duì)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(dòng)化設(shè)備不間斷地進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，并且借助大數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，及時(shí)掌握其變化，快速做出處理。

6 結(jié)語(yǔ)

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(guó)當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)的支持下，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類運(yùn)算，并對(duì)其發(fā)展情況進(jìn)行分析判斷，可以有效提高監(jiān)測(cè)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(cè)中出現(xiàn)的問(wèn)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(huì)的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。