国家地下水整编系统在宁夏的应用

李 岩，王艳艳，高 攀

(1.宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏 银川 750000；2.山脉科技股份有限公司，陕西 西安 710000)

随着我国社会经济的快速发展，我国的水资源问题日益突出，尤其是地下水资源，其作为我国水资源的重要组成部分，对我国的水生态环境起着举足轻重的作用，是我国生活用水和工农业生活用水的重要供水来源[1]。近年来，我国北方地区随着地下水开采量不断增大，部分地区地下水水位不断下降，产生了地下水超采、城市水源地水质指标变差等问题，严重影响我国的水生态环境，保护地下水资源已经刻不容缓。为加强我国地下水监测，2016年国家地下水监测工程(水利部分)共建成10 298个地下水自动监测站，形成了较为完整、合理的国家级地下水自动监测站网，建成了技术领先、功能完善，覆盖国家、流域、省、地市四级中心的国家地下水监测系统，实现了全国监测数据自动采集传输、接收处理、交换共享、分析评价等全业务流程信息化，目前工程取得的监测数据和分析评价成果已在华北地下水超采综合治理、河湖地下水回补试点、南水北调工程生态评价等工作中发挥了积极作用，取得了显著的社会效益。2021年水资源管理工作明确提出要“夯实地下水监测基础，强化地下水开发利用监督管理”，及时整合地下水监测情况，为信息整合、监督管理、绩效考核提供基础[2]。地下水资料整编作为地下水监测工作的一项基础工作，是对地下水监测资料去伪存真的数据处理过程，能保证地下水资料的完整性和连续性，是一项长期的基础性、公益性事业。为满足最严格水资源管理的需求，及时向水利部门和社会提供及时、准确、可靠的地下水资料的要求，水利部办公厅发布《关于做好2018年度全国水文资料整编工作的通知(办水文[2018]68号)》，要求将水文资料整编的工作方式转变为即时整编，并将年度资料整编工作纳入年度目标管理和绩效考核。本文在分析宁夏地下水整编工作现状的基础上，对国家地下水整编软件主要功能和特点进行了阐述，并对宁夏进行本地化定制研发，能满足水文资料时效性要求，大幅提升宁夏地下水整编效率，实现了宁夏地下水整编资料的“日清月结”，能为最严格水资源管理制度等考核机制、地下水资源动态管理与优化配置、国家重大战略决策提供基础数据支撑。

1 宁夏地下水整编工作概况

宁夏地下水监测资料整编工作经历了人工整编、计算机整编、应用软件系统整编三个阶段。2000年以前宁夏地下水资料处于人工整编阶段。2004年，宁夏水文局使用Visual Basic 6.0 开发了地下水资料整编程序，标志着宁夏地下水资料整编工作由人工整编进入了计算机整编阶段，有效提高了整编效率和水平，对于促进宁夏地下水整编规范化、电算化具有重要意义；截至2017年宁夏水文局使用该程序共整编完成8017站年资料，整编成果为一井四表，即基本情况表、水位成果表(分逐日、五日、十日)、埋深成果表(分逐日、五日、十日)和埋深过程线图。2018年，为进一步加强地下水整编工作的统一性、全面性和规范性，结合水利信息化发展的趋势，正式启用国家地下水监测工程整编软件，并对国控地下水监测井、省控地下水监测井以及人工地下水监测井年度原始资料进行初编，整编成果有地下水基本情况考证一览表(按行政区统计)、地下水水位成果表(分逐日、五日)、地下水水位年特征值统计表(按行政区统计)以及地下水水位过程线图。2019年，在国家地下水监测工程整编程序进一步完善的情况下，增加地下水水温监测成果表、地下水埋深监测成果表(分逐日、五日)。

借助信息化手段，目前，宁夏地下水监测资料整编工作主要分为月度整编、年度初编以及审查刊印三大阶段。其中月度整编为每月5日前，各地市水文分局于根据工作安排自行开展上月实时在线数据整编工作；年度初编为每年10月中旬，对当年1-9月地下水监测资料(含人工)进行资料初编，主要包括过程线合理性分析、异常数据处理等内容；各分局于次年1月份完成上一年度的地下水资料整编(主要整编10-12月资料)；审查刊印为次年1月中旬，由自治区水文中心集中组织召开年度地下水监测资料整编情况审查会，并将审查整改后的数据进行刊印。

2 地下水整编系统

国家地下水整编系统是按照《地下水监测工程技术规范》(GB/T 51040-2014)[3](以下简称《规范》)、《地下水数据库表结果及标识符标准》(SL 586-2012)[4]和其他相关的标准，利用数据库技术、GIS技术、数据交换技术等，实现地下水监测数据的校核、处理、入库、成果输出、年鉴刊印、统计分析等，能实现中央、流域、省级、地市各级水文部门之间的数据即时共享，解决因测站增加、数据大幅提升而导致的整编工作任务重、人员紧张、数据上报不及时、数据准确率不高等难题。

2.1 地下水整编软件主要功能

地下水整编系统主要包括GIS展示、基础信息管理、原始监测数据管理、预处理、数据同步、合理性分析、成果输出、年鉴刊印、查询统计、系统管理等功能，其系统功能结构图如图1所示。

GIS展示主要结合GIS技术展示全省站点信息，并依据用户权限展示相应的测站信息。基础信息主要包括监测站信息、泉流量站信息、雨量站信息、沿革信息等。监测数据管理主要指原始数据管理，包括人工监测、自动监测两部分。预处理是整编软件的第一个核心功能，其主要是运用数据表格和图形化两种方式展现地下水相关数据及其动态变化过程。数据同步是实现由预处理数据到整编数据的清洗、计算过程。合理性分析是在预处理功能的基础上提供更精细化的多种分析方式，比如单站分析、多站分析、综合分析、时空动态分析等。在此基础上，依据《规范》要求，统计生成成果表，并根据《地下水监测资料年鉴刊印大纲》的要求，自动生成封面式样、封脊式样、单位及人员及目录样式。此外，该系统还支持查询统计、系统管理等功能。

图1 “国家地下水整编系统”软件功能结构图

2.2 地下水整编系统主要特点

2.2.1 原始数据同步入库，出错率小

国家地下水监测工程采用监测站采集数据后直接发送至省服务器，由省服务器接收系统直接译码后录入数据库，数据一般不修改。在整编时把只需将数据同步到整编库中即可，不用人工录入，出错率较小。

2.2.2 自动检查数据完整性及异常数据

通过数据校核中的预处理功能，可检查资料的完整性和进行异常数据初步筛选，并对缺失资料进行插补，对异常数据进行标黄。异常数据修正是资料整编工作的常用功能，也是比较复杂的功能，根据业务可以分为三种类型：第一类是通过现场运维记录、抽水记录、现场比测记录、水质采样记录发现问题的数据修正处理；第二类是根据阈值条件筛选出超阈值范围的数据修正处理；第三类是整编人员通过观察长系列数据、过程线及工况信息发现的数据异常。针对这三类情况，系统提供偏移量修正、加减常量、前数替补、过程线拖动等数据修正功能。

2.2.3 对比分析方便快捷

通过资料整编中水位过程线可看出数据是否异常或合理，异常数据可直接在表中修改或拖动过程线来修改。数据合理性主要通过程序提供的单站分析(单个测站不同时段数据对比)、多站分析(相邻测站相同时段数据对比)、综合分析(相邻雨量站和水位站在相同时段的数据对比)、时空动态分析(区域内时段内埋深、水位等信息对比变化的过程)等功能进行判读。此外，还可以根据叠加过程线对比的结果，完成数据分析校核工作。

3 地下水整编系统在宁夏的应用及成效

3.1 宁夏地下水整编软件优化

宁夏地下水整编软件是在国家地下水资料整编系统基础上进行优化与升级，采用B/S架构，在宁夏自治区部署，各分局调用统一地址进行访问，通过地下水统一用户身份认证进行登录。系统构建统一的业务中心，将各类监测数据的查询统计、业务分析、数据管理、数据处理等业务以Rest的方式进行业务接口发布，为数据的统计分析、展示提供业务支撑。该系统不仅具备水利部国家地下水监测工程整编的所有功能，能生成符合国家规范的地下水整编资料成果，还具有监测站沿革信息、区域平均值计算、整编进度统计等新功能。

其中，监测站沿革信息主要包括地面高程、固定点高程、现井深、绝对基面名称、冻结基面名称、井台高、绝对基面与冻结基面高差等。监测站在运行过程中不可避免地会产生变更记录，系统支持权限控制以显示沿革信息，并记录沿革信息，使修改记录有据可查，并支持按时间轴倒序展示。在计算水位数据时，可依据当时地面高程的沿革记录进行计算，能保留水位数据的连续性。2020年宁夏水文水资源监测预警中心对全区169眼省控地下水监测站进行了高程校测，随后通过监测站沿革信息功能完成了省控地下水监测站地面高程、固定点高程更新工作，有效的保障了历史水位数据与现状水位数据的连续性。

区域平均值统计功能主要提供按区域、时间段、测站等多种查询条件，对符合要求的整编数据进行统计，完成时段内区域平均值的计算，能及时动态掌握各区域地下水埋深动态变化情况，节省了人工计算时间，提高了工作效率，为区域地下水水位埋深月度管控奠定了坚实的基础。

整编进度统计功能主要是按市县、时段及测站统计监测数据入库成果的完整性，有助于及时控制整编的质量，保障成果的准确性以及便于省级水文部门对全区各地市监测站“日清月结”工作情况进行管理。

此外，系统还结合宁夏实际情况，通过调查监测站周边实际用水情况、历史监测数据、抽水试验数据等，并进行多因素综合分析，对每个监测站分别设置不同的水位变化阈值。针对年水位变化幅度不大的监测站，以枯水年份可靠的人工观测水位数据为基础，选择静水位期任意两个4 h间隔的最大变幅作为阈值；针对新建监测站，可以通过监测站运行数据，并结合水位等值线图大致判断阈值的取值范围；针对使用频繁的生产井，由于开采抽水对其水位影响较大，可以结合不同季度的地下水开采情况，设置不同的埋深阈值，以动态反映地下水埋深的变化情况。

3.2 地下水整编系统在宁夏的成效

3.2.1 提高了数据的准确性、时效性和完整性

异常数据识别和修正是地下水资料整编的关键。国家地下水整编系统支持对数据的异常性、合理性、完整性进行甄别，能自动过滤异常数据，保证数据的准确性和时效性。当监测站存在跨多个时段的连续抽水时，会造成水位下降跨越多个时段，使传感器悬空或超出量程，这种情况监测数据明显错误，采用上个时段数据没有意义，故可将该异常数据直接剔除，保留为空白，标记为动水位。此外，宁夏还定期对监测站的阈值进行人工校核，以确保异常数据的及时识别、插补和修正，保证数据的完整性。

3.2.2 大幅提升宁夏地下水整编效率

地下水整编系统能通过阈值设置等方法自动识别异常值，依据地下水整编技术规范的相关要求，提供内插法、趋势法、相关法等多种数据插补方法，加减常量、偏移修正、人工输入、前数替补等多种数据修正方法对数据进行预处理，并提供参考的改正和插补数据，能够自动添加和修正相应数据及标识。同时，结合人工值班值守，能够及时对异常值进行审核，大幅减少人力资源的投入，大大提升地下水资料整编效率，同时提高资料整编的质量，以2020年资料整编工作为例，此前宁夏地下水年度资料整编审查刊印工作一般历时5～7 d。2020年宁夏年度资料整编审查刊印工作于2021年1月11日开始，采用新整编软件开展工作，于13日结束，共历时3 d，较之前工作效率提升了一倍，同时宁夏也是全国第一个完成2020年年度地下水监测资料整编成果审查的省区。

3.2.3 便于及时开展异常数据调查分析

较之前的整编软件，在无法开展监测资料“日清月结”的情况下，年底资料整编工作时发现异常情况只能通过推测来判断异常情况原因，而采用新整编软件，通过开展监测资料“日清月结”，能够及时开展异常情况外业调查，为地下水监测数据的合理性、可靠性提供了保障。

4 结语

国家地下水整编软件能对地下水原始数据进行预处理，并通过数据同步、合理性分析，确保监测数据的完整性、合理性，进而生成水位、埋深、水温、泉流量等多种成果表。宁夏在国家地下水整编软件的基础上进行优化，添加了监测站沿革信息、区域平均值统计、整编进度统计等功能，并对监测站阈值设置进行了分析，进一步保障了宁夏地下水整编数据的准确性、时效性和完整性，通过实现地下水整编资料的“日清月结”，大幅提升宁夏地下水整编效率。