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。