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        天津市地下水位數(shù)據(jù)過濾方案分析比較

        2021-10-27 02:40:48郭建琴
        海河水利 2021年5期

        吳 遜,郭建琴

        (天津市水文水資源管理中心,天津 300061)

        目前采用的地下水信息接收處理系統(tǒng)在處理地下水位數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生大量誤報和漏報。筆者通過討論天津市地下水動態(tài)變化影響因素,對其方案(以下簡稱原方案)存在的問題進行分析,并以站點特性為基礎建立數(shù)據(jù)過濾方案(以下簡稱新方案)。最后,選取多個典型站點數(shù)據(jù)系列,對比2 個方案在數(shù)據(jù)誤報、漏報等方面的差異,并分析其產(chǎn)生原因。

        1 地下水位動態(tài)變化影響因素

        天津市地下水位動態(tài)變化主要受氣象、水文、地形地質、生態(tài)和人類活動等因素綜合影響[1]。其中,淺層地下水與降雨蒸發(fā)關系密切,一般通過降雨入滲、渠系滲漏、田間灌溉等方式補給;地下水主要通過潛水蒸發(fā)、越流排泄和人工開采等方式排泄。深層地下水與人工開采關系密切,主要補給量包括側向補給量、越流補給量,排泄量主要是人工開采量。

        2 原方案數(shù)據(jù)過濾方式的分析

        2.1 原方案數(shù)據(jù)過濾策略

        原方案以前一個正常水位Z0和變幅閾值ΔZ為依據(jù),檢查當前水位Z1是否正確。如果Z1在水位上限(Z0+ΔZ)與下限(Z0—ΔZ)之間,那么認為Z1是正常水位,與ΔZ一同作為新的依據(jù)檢查下一數(shù)據(jù);否則,認為Z1是異常水位,將其過濾。

        2.2 存在問題及原因分析

        假設某站點的正常水位是10 m,在動態(tài)過程中存在異常。采用原方案對數(shù)據(jù)進行過濾,變幅閾值ΔZ設為3 m,過濾結果如圖1所示。

        圖1 原方案對某站點異常數(shù)據(jù)的過濾結果

        從圖1可以看出以下情況:①第7天的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,水位達到20 m 超過上限被過濾;第13 天水位為12.9 m,處于上下限之間被保留。此處的判斷是正確的。②第25 天的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。水位從15 m開始緩慢上升,且始終保持在上下限之間。原方案認為這些數(shù)據(jù)是正常的,因此沒有進行過濾,隨后在第31 天將水位上下限分別拉升到23 m 和17 m。此處的判斷是錯誤的。③第31天水位變?yōu)?0 m,恢復到正常范圍。原方案認為此時水位低于下限17 m并將它及之后的數(shù)據(jù)全部過濾掉。此處的判斷是錯誤的。

        在原方案中,為避免遇到②中發(fā)生的錯誤,需要將變幅閾值ΔZ設置的盡量??;當變幅閾值ΔZ太小時,會發(fā)生③中的錯誤;若設置的變幅閾值ΔZ過大,則無法過濾①中的異常數(shù)據(jù)。因此,原方案存在的不足是無法同時攔截這幾類異常數(shù)據(jù)。

        3 數(shù)據(jù)過濾新方案的建立

        3.1 方案目標

        為克服原方案的不足,新方案需要從站點特性的角度進行考慮,提取站點特性參數(shù),以此建立閾值進行數(shù)據(jù)過濾,實現(xiàn)自動處理。

        3.2 站點特性分類

        站點特性可分為閾值參數(shù)和參照參數(shù)2 類。其中,閾值參數(shù)主要包括相對均值差、振幅、速率等,可參與數(shù)據(jù)過濾流程;參照參數(shù)主要包括相近站點、波動周期、降水、抽水灌溉情況等,可在人工復核階段提供輔助參考。

        3.3 新方案過濾規(guī)則

        3.3.1 閾值參數(shù)選取

        為實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理,新方案主要選取閾值參數(shù)建立過濾規(guī)則,從而實現(xiàn)范圍控制。閾值參數(shù)主要包括相對均值差、波動振幅和速率。

        (1)相對均值差。考察實時水位數(shù)據(jù)與某一時間長度滑動平均值之間的偏差程度。這一偏差的合理區(qū)間范圍計算如下式所示:

        式中:n為天數(shù)(d);N為數(shù)據(jù)系列的總天數(shù)(d);Z為實時水位(m);Zi為某一時間點的水位埋深(m)為水位埋深年均值(m)。

        (2)波動振幅與速率。這2個參數(shù)是臨近2個數(shù)據(jù)間的變化特性,考慮到歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)間隔一般是1~5 d,實時數(shù)據(jù)間隔小于1 d。為統(tǒng)一處理,將時間計算單位統(tǒng)一整合為1 d。

        3.3.2 新方案的建立

        新方案過濾的主要流程是根據(jù)站點特性建立過濾閾值,實時對數(shù)據(jù)進行比對分析,并對閾值進行調整。過濾時,先對多年相對極值進行判斷,再對波動振幅和速率進行判斷。

        4 新方案與原方案過濾效果的評價分析

        4.1 典型站點選取與方案應用

        為對比分析2種方案的過濾效果,選取4處典型地下水代表站,即寶坻張會莊(站1)、河西物資倉庫(站2)、東麗胡張莊(站3)、濱海新區(qū)南拋村(站4)。其中,站1和站2為淺層地下水站;站3和站4為深層地下水站。4 處站點均包含典型數(shù)據(jù)與非典型數(shù)據(jù)。在對比分析前,所有數(shù)據(jù)將在2 個方案中分別應用產(chǎn)生2組篩選結果。

        一般而言,地下水位比較穩(wěn)定,為更好表現(xiàn)2個方案在數(shù)據(jù)處理中的差異,對極值差進行分析。極值差是近1 個月內水位數(shù)據(jù)的極大值與極小值之間差距的最大值。其計算公式為:

        式中:A為水位極值差(m);n為天數(shù)(d);Z為地下水位埋深(m)。

        4.2 基本統(tǒng)計評價

        將2 組方案處理后數(shù)據(jù)的過濾量及統(tǒng)計參數(shù)進行對比,結果詳見表1。

        表1 兩方案過濾后統(tǒng)計參數(shù)對比

        從表1 可以看出以下情況:①過濾量。新方案比原方案過濾的數(shù)據(jù)少,分別為20.6%(站1)、21.56%(站2)、37.02%(站3)、26.66%(站4)。②均值。兩方案的均值與原始數(shù)據(jù)都比較接近,相對差距分別為-0.05 m(站1)、0.13 m(站2)、-0.1 m(站3)、0.2 m(站4)。③標準差σ。新方案的標準差比原方案更接近原始數(shù)據(jù),分別為0.41 m(站1)、0.14 m(站2)、0.07 m(站4)。站3的數(shù)據(jù)經(jīng)原方案處理后,標準差增加了0.38 m,數(shù)據(jù)發(fā)生離散;經(jīng)新方案處理后,標準差接近1 m,數(shù)據(jù)沒有發(fā)生離散,表現(xiàn)更好。④極值差。新方案比原方案更加接近原始數(shù)據(jù),分別為1.36 m(站1)、0.04 m(站2)、0.00 m(站4)。站3數(shù)據(jù)被原方案過濾近半,所得極值差代表性較差。

        因此,新方案比原方案保留了更多的原始數(shù)據(jù)特性,與原始水位的動態(tài)過程更接近。

        4.3 錯誤統(tǒng)計評價

        在2 個方案處理數(shù)據(jù)時,遺漏錯誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的漏報越少,方案的可靠性越高;攔截正確數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤報越少,方案的精確性越高。在人工復核后,兩方案誤報漏報的情況詳見表2。

        表2 兩方案誤報漏報統(tǒng)計

        從表2 可以看出,新方案的漏報率和誤報率均比原方案低。將站3 的原始數(shù)據(jù)(見圖2)、原方案過濾結果(見圖3)、新方案過濾結果(見圖4)進行對比。

        圖2 站點3原始數(shù)據(jù)系列及錯誤數(shù)據(jù)位置標記

        圖3 站點3原方案過濾結果及數(shù)據(jù)漏報誤報情況標記

        圖4 站點3新方案過濾結果及正確識別情況標記

        由圖2—4可以看到,在原始數(shù)據(jù)中,2016年8月的地下水位埋深大于49 m,為錯誤數(shù)據(jù)。原方案沒有過濾這些錯誤數(shù)據(jù),而新方案可以正確識別錯誤并過濾。2018年4月水位出現(xiàn)波動后恢復到正常水平,原方案將正常數(shù)據(jù)全部過濾,產(chǎn)生大量誤報;新方案及時對正確數(shù)據(jù)進行了響應,有效地減少了誤報。

        因此,新方案可以準確判斷數(shù)據(jù)是否正確,更快地響應數(shù)據(jù)變化,從而及時避免誤判,相比原方案在可靠性和精確性兩方面都表現(xiàn)更優(yōu)。

        5 結語

        筆者首先分析了原方案數(shù)據(jù)過濾方式、錯誤產(chǎn)生原因,之后基于站點特性建立數(shù)據(jù)過濾新方案,最后從基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、錯誤統(tǒng)計分析2個角度對原方案和新方案的過濾結果進行比較,最終得出以下結論:新方案采取站點特性作為閾值參數(shù)比原方案保留了更多原始數(shù)據(jù)特性,提升了過濾的準確性和響應速度,實現(xiàn)了更低的漏報率和誤報率,整體可靠性更高。

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