蓋燕如,馮平,丁素媛
(濟南市水文局,濟南250000)
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。
目前,很多國家都面臨著水資源嚴重缺乏的危機,給各國經(jīng)濟發(fā)展、社會民生都帶來了極其嚴峻的考驗。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)濟損失約2 000億元人民幣。嚴重的缺水與水污染等問題不僅限制了我國經(jīng)濟現(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重影響。
隨著我國水資源利用和開發(fā)規(guī)模的不斷擴大,很多地區(qū)在對地下水資源進行大量超采后,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行觀測,只有少數(shù)地區(qū)可以實現(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實的基礎(chǔ)。
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??臁T跀?shù)據(jù)量非常大的情況下,也可以實現(xiàn)實時數(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,政府和企業(yè)更需要確保數(shù)據(jù)的真實性和安全性。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]。
使用計算機軟硬件作為基礎(chǔ)平臺,可以對地下水的分布信息進行監(jiān)測、收集、分析與管理,并可以將實時地理信息數(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)也可以實時進行模擬和以圖表形式輸出。為了實現(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行疊加形成新的空間特征,同時將得到的屬性進行組合,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、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。
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:
1)對地下水中的化學(xué)成分進行辨別及含量測定,并對可能造成的污染進行分析;
2)對地下水中的微生物種類和數(shù)量進行測定,發(fā)現(xiàn)有害微生物及時記錄并報告;
3)對地下水進行放射性測定,如果發(fā)現(xiàn)含有放射性物質(zhì),立即進行含量測量并記錄;
4)對地下水進行重金屬物質(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)成分進行測定,這種成分具有快速擴散的特征,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時監(jiān)測污染擴散方向,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,盡可能縮小污染擴散范圍和程度,保護水資源。
地下水位監(jiān)測必須具有適用性、及時性、靈活性、擴展性、兼容性和經(jīng)濟性。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)備外箱進行防護即可。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位,把測點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)可以實時查看各監(jiān)測點實時水位數(shù)據(jù)。
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,可以不間斷地把實時流量數(shù)據(jù)傳回大數(shù)據(jù)中心。
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)的詳細信息數(shù)據(jù)主要通過自動化傳感設(shè)備實時取得,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)進行多元化采集來保證其完整性,最后根據(jù)信息情況進行歸納分類并做標(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)特點和風(fēng)險等進行評估。
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)平臺能夠遠程獲取水質(zhì)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行動態(tài)化分析并及時捕獲異常,同時以此為基礎(chǔ)進行分析計算,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?;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。
大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢是可以對大量數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析。通過監(jiān)測設(shè)備得到地下水的實時數(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。
地下水的監(jiān)測難度遠高于地表水監(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)進行快速處理,因此,必須使用自動化設(shè)備不間斷地進行地下水監(jiān)測,實時監(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)進行挖掘分析,及時掌握其變化,快速做出處理。
綜上所述,大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展在極大程度上促進了我國當(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)信息進行分類運算,并對其發(fā)展情況進行分析判斷,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,進一步為經(jīng)濟社會的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。