李 巖，王艷艷，高 攀

(1.寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預警中心，寧夏 銀川 750000；2.山脈科技股份有限公司，陜西 西安 710000)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的水資源問題日益突出，尤其是地下水資源，其作為我國水資源的重要組成部分，對我國的水生態(tài)環(huán)境起著舉足輕重的作用，是我國生活用水和工農(nóng)業(yè)生活用水的重要供水來源[1]。近年來，我國北方地區(qū)隨著地下水開采量不斷增大，部分地區(qū)地下水水位不斷下降，產(chǎn)生了地下水超采、城市水源地水質(zhì)指標變差等問題，嚴重影響我國的水生態(tài)環(huán)境，保護地下水資源已經(jīng)刻不容緩。為加強我國地下水監(jiān)測，2016年國家地下水監(jiān)測工程(水利部分)共建成10 298個地下水自動監(jiān)測站，形成了較為完整、合理的國家級地下水自動監(jiān)測站網(wǎng)，建成了技術領先、功能完善，覆蓋國家、流域、省、地市四級中心的國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了全國監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集傳輸、接收處理、交換共享、分析評價等全業(yè)務流程信息化，目前工程取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析評價成果已在華北地下水超采綜合治理、河湖地下水回補試點、南水北調(diào)工程生態(tài)評價等工作中發(fā)揮了積極作用，取得了顯著的社會效益。2021年水資源管理工作明確提出要“夯實地下水監(jiān)測基礎，強化地下水開發(fā)利用監(jiān)督管理”，及時整合地下水監(jiān)測情況，為信息整合、監(jiān)督管理、績效考核提供基礎[2]。地下水資料整編作為地下水監(jiān)測工作的一項基礎工作，是對地下水監(jiān)測資料去偽存真的數(shù)據(jù)處理過程，能保證地下水資料的完整性和連續(xù)性，是一項長期的基礎性、公益性事業(yè)。為滿足最嚴格水資源管理的需求，及時向水利部門和社會提供及時、準確、可靠的地下水資料的要求，水利部辦公廳發(fā)布《關于做好2018年度全國水文資料整編工作的通知(辦水文[2018]68號)》，要求將水文資料整編的工作方式轉變?yōu)榧磿r整編，并將年度資料整編工作納入年度目標管理和績效考核。本文在分析寧夏地下水整編工作現(xiàn)狀的基礎上，對國家地下水整編軟件主要功能和特點進行了闡述，并對寧夏進行本地化定制研發(fā)，能滿足水文資料時效性要求，大幅提升寧夏地下水整編效率，實現(xiàn)了寧夏地下水整編資料的“日清月結”，能為最嚴格水資源管理制度等考核機制、地下水資源動態(tài)管理與優(yōu)化配置、國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 寧夏地下水整編工作概況

寧夏地下水監(jiān)測資料整編工作經(jīng)歷了人工整編、計算機整編、應用軟件系統(tǒng)整編三個階段。2000年以前寧夏地下水資料處于人工整編階段。2004年，寧夏水文局使用Visual Basic 6.0 開發(fā)了地下水資料整編程序，標志著寧夏地下水資料整編工作由人工整編進入了計算機整編階段，有效提高了整編效率和水平，對于促進寧夏地下水整編規(guī)范化、電算化具有重要意義；截至2017年寧夏水文局使用該程序共整編完成8017站年資料，整編成果為一井四表，即基本情況表、水位成果表(分逐日、五日、十日)、埋深成果表(分逐日、五日、十日)和埋深過程線圖。2018年，為進一步加強地下水整編工作的統(tǒng)一性、全面性和規(guī)范性，結合水利信息化發(fā)展的趨勢，正式啟用國家地下水監(jiān)測工程整編軟件，并對國控地下水監(jiān)測井、省控地下水監(jiān)測井以及人工地下水監(jiān)測井年度原始資料進行初編，整編成果有地下水基本情況考證一覽表(按行政區(qū)統(tǒng)計)、地下水水位成果表(分逐日、五日)、地下水水位年特征值統(tǒng)計表(按行政區(qū)統(tǒng)計)以及地下水水位過程線圖。2019年，在國家地下水監(jiān)測工程整編程序進一步完善的情況下，增加地下水水溫監(jiān)測成果表、地下水埋深監(jiān)測成果表(分逐日、五日)。

借助信息化手段，目前，寧夏地下水監(jiān)測資料整編工作主要分為月度整編、年度初編以及審查刊印三大階段。其中月度整編為每月5日前，各地市水文分局于根據(jù)工作安排自行開展上月實時在線數(shù)據(jù)整編工作；年度初編為每年10月中旬，對當年1-9月地下水監(jiān)測資料(含人工)進行資料初編，主要包括過程線合理性分析、異常數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容；各分局于次年1月份完成上一年度的地下水資料整編(主要整編10-12月資料)；審查刊印為次年1月中旬，由自治區(qū)水文中心集中組織召開年度地下水監(jiān)測資料整編情況審查會，并將審查整改后的數(shù)據(jù)進行刊印。

2 地下水整編系統(tǒng)

國家地下水整編系統(tǒng)是按照《地下水監(jiān)測工程技術規(guī)范》(GB/T 51040-2014)[3](以下簡稱《規(guī)范》)、《地下水數(shù)據(jù)庫表結果及標識符標準》(SL 586-2012)[4]和其他相關的標準，利用數(shù)據(jù)庫技術、GIS技術、數(shù)據(jù)交換技術等，實現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的校核、處理、入庫、成果輸出、年鑒刊印、統(tǒng)計分析等，能實現(xiàn)中央、流域、省級、地市各級水文部門之間的數(shù)據(jù)即時共享，解決因測站增加、數(shù)據(jù)大幅提升而導致的整編工作任務重、人員緊張、數(shù)據(jù)上報不及時、數(shù)據(jù)準確率不高等難題。

2.1 地下水整編軟件主要功能

地下水整編系統(tǒng)主要包括GIS展示、基礎信息管理、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、預處理、數(shù)據(jù)同步、合理性分析、成果輸出、年鑒刊印、查詢統(tǒng)計、系統(tǒng)管理等功能，其系統(tǒng)功能結構圖如圖1所示。

GIS展示主要結合GIS技術展示全省站點信息，并依據(jù)用戶權限展示相應的測站信息。基礎信息主要包括監(jiān)測站信息、泉流量站信息、雨量站信息、沿革信息等。監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要指原始數(shù)據(jù)管理，包括人工監(jiān)測、自動監(jiān)測兩部分。預處理是整編軟件的第一個核心功能，其主要是運用數(shù)據(jù)表格和圖形化兩種方式展現(xiàn)地下水相關數(shù)據(jù)及其動態(tài)變化過程。數(shù)據(jù)同步是實現(xiàn)由預處理數(shù)據(jù)到整編數(shù)據(jù)的清洗、計算過程。合理性分析是在預處理功能的基礎上提供更精細化的多種分析方式，比如單站分析、多站分析、綜合分析、時空動態(tài)分析等。在此基礎上，依據(jù)《規(guī)范》要求，統(tǒng)計生成成果表，并根據(jù)《地下水監(jiān)測資料年鑒刊印大綱》的要求，自動生成封面式樣、封脊式樣、單位及人員及目錄樣式。此外，該系統(tǒng)還支持查詢統(tǒng)計、系統(tǒng)管理等功能。

圖1 “國家地下水整編系統(tǒng)”軟件功能結構圖

2.2 地下水整編系統(tǒng)主要特點

2.2.1 原始數(shù)據(jù)同步入庫，出錯率小

國家地下水監(jiān)測工程采用監(jiān)測站采集數(shù)據(jù)后直接發(fā)送至省服務器，由省服務器接收系統(tǒng)直接譯碼后錄入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)一般不修改。在整編時把只需將數(shù)據(jù)同步到整編庫中即可，不用人工錄入，出錯率較小。

2.2.2 自動檢查數(shù)據(jù)完整性及異常數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)校核中的預處理功能，可檢查資料的完整性和進行異常數(shù)據(jù)初步篩選，并對缺失資料進行插補，對異常數(shù)據(jù)進行標黃。異常數(shù)據(jù)修正是資料整編工作的常用功能，也是比較復雜的功能，根據(jù)業(yè)務可以分為三種類型：第一類是通過現(xiàn)場運維記錄、抽水記錄、現(xiàn)場比測記錄、水質(zhì)采樣記錄發(fā)現(xiàn)問題的數(shù)據(jù)修正處理；第二類是根據(jù)閾值條件篩選出超閾值范圍的數(shù)據(jù)修正處理；第三類是整編人員通過觀察長系列數(shù)據(jù)、過程線及工況信息發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常。針對這三類情況，系統(tǒng)提供偏移量修正、加減常量、前數(shù)替補、過程線拖動等數(shù)據(jù)修正功能。

2.2.3 對比分析方便快捷

通過資料整編中水位過程線可看出數(shù)據(jù)是否異?；蚝侠?，異常數(shù)據(jù)可直接在表中修改或拖動過程線來修改。數(shù)據(jù)合理性主要通過程序提供的單站分析(單個測站不同時段數(shù)據(jù)對比)、多站分析(相鄰測站相同時段數(shù)據(jù)對比)、綜合分析(相鄰雨量站和水位站在相同時段的數(shù)據(jù)對比)、時空動態(tài)分析(區(qū)域內(nèi)時段內(nèi)埋深、水位等信息對比變化的過程)等功能進行判讀。此外，還可以根據(jù)疊加過程線對比的結果，完成數(shù)據(jù)分析校核工作。

3 地下水整編系統(tǒng)在寧夏的應用及成效

3.1 寧夏地下水整編軟件優(yōu)化

寧夏地下水整編軟件是在國家地下水資料整編系統(tǒng)基礎上進行優(yōu)化與升級，采用B/S架構，在寧夏自治區(qū)部署，各分局調(diào)用統(tǒng)一地址進行訪問，通過地下水統(tǒng)一用戶身份認證進行登錄。系統(tǒng)構建統(tǒng)一的業(yè)務中心，將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計、業(yè)務分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理等業(yè)務以Rest的方式進行業(yè)務接口發(fā)布，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、展示提供業(yè)務支撐。該系統(tǒng)不僅具備水利部國家地下水監(jiān)測工程整編的所有功能，能生成符合國家規(guī)范的地下水整編資料成果，還具有監(jiān)測站沿革信息、區(qū)域平均值計算、整編進度統(tǒng)計等新功能。

其中，監(jiān)測站沿革信息主要包括地面高程、固定點高程、現(xiàn)井深、絕對基面名稱、凍結基面名稱、井臺高、絕對基面與凍結基面高差等。監(jiān)測站在運行過程中不可避免地會產(chǎn)生變更記錄，系統(tǒng)支持權限控制以顯示沿革信息，并記錄沿革信息，使修改記錄有據(jù)可查，并支持按時間軸倒序展示。在計算水位數(shù)據(jù)時，可依據(jù)當時地面高程的沿革記錄進行計算，能保留水位數(shù)據(jù)的連續(xù)性。2020年寧夏水文水資源監(jiān)測預警中心對全區(qū)169眼省控地下水監(jiān)測站進行了高程校測，隨后通過監(jiān)測站沿革信息功能完成了省控地下水監(jiān)測站地面高程、固定點高程更新工作，有效的保障了歷史水位數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀水位數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

區(qū)域平均值統(tǒng)計功能主要提供按區(qū)域、時間段、測站等多種查詢條件，對符合要求的整編數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，完成時段內(nèi)區(qū)域平均值的計算，能及時動態(tài)掌握各區(qū)域地下水埋深動態(tài)變化情況，節(jié)省了人工計算時間，提高了工作效率，為區(qū)域地下水水位埋深月度管控奠定了堅實的基礎。

整編進度統(tǒng)計功能主要是按市縣、時段及測站統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫成果的完整性，有助于及時控制整編的質(zhì)量，保障成果的準確性以及便于省級水文部門對全區(qū)各地市監(jiān)測站“日清月結”工作情況進行管理。

此外，系統(tǒng)還結合寧夏實際情況，通過調(diào)查監(jiān)測站周邊實際用水情況、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、抽水試驗數(shù)據(jù)等，并進行多因素綜合分析，對每個監(jiān)測站分別設置不同的水位變化閾值。針對年水位變化幅度不大的監(jiān)測站，以枯水年份可靠的人工觀測水位數(shù)據(jù)為基礎，選擇靜水位期任意兩個4 h間隔的最大變幅作為閾值；針對新建監(jiān)測站，可以通過監(jiān)測站運行數(shù)據(jù)，并結合水位等值線圖大致判斷閾值的取值范圍；針對使用頻繁的生產(chǎn)井，由于開采抽水對其水位影響較大，可以結合不同季度的地下水開采情況，設置不同的埋深閾值，以動態(tài)反映地下水埋深的變化情況。

3.2 地下水整編系統(tǒng)在寧夏的成效

3.2.1 提高了數(shù)據(jù)的準確性、時效性和完整性

異常數(shù)據(jù)識別和修正是地下水資料整編的關鍵。國家地下水整編系統(tǒng)支持對數(shù)據(jù)的異常性、合理性、完整性進行甄別，能自動過濾異常數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性和時效性。當監(jiān)測站存在跨多個時段的連續(xù)抽水時，會造成水位下降跨越多個時段，使傳感器懸空或超出量程，這種情況監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯錯誤，采用上個時段數(shù)據(jù)沒有意義，故可將該異常數(shù)據(jù)直接剔除，保留為空白，標記為動水位。此外，寧夏還定期對監(jiān)測站的閾值進行人工校核，以確保異常數(shù)據(jù)的及時識別、插補和修正，保證數(shù)據(jù)的完整性。

3.2.2 大幅提升寧夏地下水整編效率

地下水整編系統(tǒng)能通過閾值設置等方法自動識別異常值，依據(jù)地下水整編技術規(guī)范的相關要求，提供內(nèi)插法、趨勢法、相關法等多種數(shù)據(jù)插補方法，加減常量、偏移修正、人工輸入、前數(shù)替補等多種數(shù)據(jù)修正方法對數(shù)據(jù)進行預處理，并提供參考的改正和插補數(shù)據(jù)，能夠自動添加和修正相應數(shù)據(jù)及標識。同時，結合人工值班值守，能夠及時對異常值進行審核，大幅減少人力資源的投入，大大提升地下水資料整編效率，同時提高資料整編的質(zhì)量，以2020年資料整編工作為例，此前寧夏地下水年度資料整編審查刊印工作一般歷時5～7 d。2020年寧夏年度資料整編審查刊印工作于2021年1月11日開始，采用新整編軟件開展工作，于13日結束，共歷時3 d，較之前工作效率提升了一倍，同時寧夏也是全國第一個完成2020年年度地下水監(jiān)測資料整編成果審查的省區(qū)。

3.2.3 便于及時開展異常數(shù)據(jù)調(diào)查分析

較之前的整編軟件，在無法開展監(jiān)測資料“日清月結”的情況下，年底資料整編工作時發(fā)現(xiàn)異常情況只能通過推測來判斷異常情況原因，而采用新整編軟件，通過開展監(jiān)測資料“日清月結”，能夠及時開展異常情況外業(yè)調(diào)查，為地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性、可靠性提供了保障。

4 結語

國家地下水整編軟件能對地下水原始數(shù)據(jù)進行預處理，并通過數(shù)據(jù)同步、合理性分析，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、合理性，進而生成水位、埋深、水溫、泉流量等多種成果表。寧夏在國家地下水整編軟件的基礎上進行優(yōu)化，添加了監(jiān)測站沿革信息、區(qū)域平均值統(tǒng)計、整編進度統(tǒng)計等功能，并對監(jiān)測站閾值設置進行了分析，進一步保障了寧夏地下水整編數(shù)據(jù)的準確性、時效性和完整性，通過實現(xiàn)地下水整編資料的“日清月結”，大幅提升寧夏地下水整編效率。