劉 杰 ，孫 龍 ，楊春生 ，沈 強(qiáng) ，楊桂蓮

（1. 北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100053；2. 水利部信息中心，北京 100053；3. 天津市水文水資源勘測(cè)管理中心，天津 300061）

1 建設(shè)背景

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性資源。地下水是水資源的重要組成部分，是北方地區(qū)和許多城市重要的供水水源，其作用無(wú)可替代。為解決我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)不足、信息采集與傳輸技術(shù)手段落后、信息服務(wù)能力低等突出問(wèn)題，2015 年6 月，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)了國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程初步設(shè)計(jì)概算，水利部、自然資源部（原國(guó)土資源部）聯(lián)合批復(fù)了工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告。工程總投資約為22 億元，其中水利部門投資約為 11 億元。

依托國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程，水利部信息中心組織開發(fā)了地下水監(jiān)測(cè)綜合成果分析應(yīng)用系統(tǒng)，在工程初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，充分考慮地下水日常工作的管理分析需要，實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深加工、地下水分析評(píng)價(jià)產(chǎn)品自動(dòng)化生成及地下水超采區(qū)水位滾動(dòng)預(yù)警等功能，為提升地下水監(jiān)控水平，加強(qiáng)地下水壓采、限采管理提供決策依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)綜合成果分析應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是：開發(fā)綜合分析系統(tǒng)，將水文、氣象、水資源等相關(guān)數(shù)據(jù)與地下水自動(dòng)分析成果進(jìn)行融合，在公里網(wǎng)格尺度內(nèi)進(jìn)行疊加分析。從以下幾個(gè)方面客觀分析采補(bǔ)變化原因，輔助地下水資源管理決策[1]：

1）測(cè)站。地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的分析，包括站網(wǎng)分布和密度分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水站網(wǎng)分布的全面掌握，為后期站網(wǎng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[2]。

2）補(bǔ)給。降雨、河道來(lái)水、水庫(kù)蓄水等多種地下水補(bǔ)給來(lái)源分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)年地下水來(lái)水、補(bǔ)給情況進(jìn)行監(jiān)控。

4）排泄。地下水開采利用分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)多年地下水開采利用情況進(jìn)行分析，輔助判別超采主體。

5）水質(zhì)。地下水水質(zhì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)地下水水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)價(jià)。

6）工況。地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的工況分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)條件、平臺(tái)運(yùn)行情況、測(cè)站運(yùn)行工況等信息的監(jiān)控和分析。

3 主要應(yīng)用場(chǎng)景

國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)綜合成果分析應(yīng)用系統(tǒng)主要由水利部國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目建設(shè)辦公室組織建設(shè)，是國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）信息系統(tǒng)的重要組成部分。

系統(tǒng)為國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)中心、7 個(gè)流域分中心、32 個(gè)省級(jí)分中心和 280 個(gè)地市級(jí)分中心的地下水業(yè)務(wù)，技術(shù)，管理等人員提供支撐[3]。

主要適用場(chǎng)景包括：實(shí)時(shí)地下水動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)，河湖地下水回補(bǔ)計(jì)算、南水北調(diào)工程生態(tài)評(píng)估。嚴(yán)格地下水資源管理，華北地下水超采區(qū)治理、抗旱減災(zāi)，地下水飲水安全保障等。

4 解決的關(guān)鍵問(wèn)題

系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法具體如下：

1.2.2 樣品的制備與測(cè)定。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法《YC/T 380—2010 煙草及煙草制品鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測(cè)定 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法》[12]進(jìn)行分析測(cè)試。準(zhǔn)確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%雙氧水，旋緊密封后進(jìn)行微波消解。消解程序如表1所示。冷卻至室溫后，將消解罐內(nèi)的試樣溶液用超純水沖洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超純水定容至50 mL，混合搖勻。用同樣的方法制備試劑空白溶液。

1）地下水水位、埋深分析成果自動(dòng)繪制，拼接，形成全國(guó)主要平原區(qū)實(shí)時(shí)地下水監(jiān)測(cè)分析產(chǎn)品一張圖。

問(wèn)題描述：人工監(jiān)測(cè)時(shí)代，地下水埋深等值線面圖由業(yè)務(wù)人員通過(guò) GIS 或其他專業(yè)應(yīng)用軟件手工繪制，每月繪制 1 次。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)以后，數(shù)據(jù)的量和應(yīng)用需求劇增，人工繪制顯然不滿足需求，有必要加快地下水埋深等值線面圖的繪制頻率。

解決方法：系統(tǒng)每日自動(dòng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單質(zhì)控后，自動(dòng)繪制全國(guó)主要平原區(qū)的地下水埋深等值線（面）分析圖，并以動(dòng)畫播放的方式方便管理人員快速瀏覽分析成果。正在繪制的產(chǎn)品包括：水位/埋深等值線（面）分析成果（日、月、年尺度），水位/埋深變幅等值線（面）分析成果（與昨日、上月、去年、年初對(duì)比）等。

2）以地下水資源管理業(yè)務(wù)為主線，構(gòu)建地下水主題數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，融合展示氣象、水文、水資源等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[4]。

問(wèn)題描述：地下水監(jiān)測(cè)只能反映地下水資源的分布情況，需了解降雨、河道等水體對(duì)地下水的補(bǔ)給作用，以及地下水開采利用情況需要接入氣象、水情、水資源利用等外部數(shù)據(jù)。

解決方法：按照補(bǔ)給、徑流、排泄的關(guān)系，系統(tǒng)整合 7 類數(shù)據(jù)資源，包括氣象、水情、地下水開采量、水利一張圖、夜間亮光、土地利用影像、植被覆蓋影像等信息，為深入分析地下水動(dòng)態(tài)變化原因、監(jiān)控地下水超采區(qū)形成和發(fā)展過(guò)程，提供支撐。

3）為地下水超采區(qū)發(fā)展形勢(shì)評(píng)估提供手段，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)預(yù)警。

問(wèn)題描述：實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水超采區(qū)當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行在線評(píng)估，解決由于地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)周期長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)了解超采區(qū)現(xiàn)狀的問(wèn)題。

評(píng)估方法：用實(shí)時(shí)超采區(qū)的站點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù) GB/T 34968—2017《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》對(duì)嚴(yán)重超采區(qū)的分級(jí)判斷原則，以 2015 年劃定的超采區(qū)邊界為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，判斷當(dāng)前超采區(qū)是一般還是嚴(yán)重超采區(qū)。如果原來(lái)是嚴(yán)重超采區(qū)，當(dāng)前是一般超采區(qū)，即認(rèn)為向好。如果原來(lái)是一般超采區(qū)，當(dāng)前是嚴(yán)重超采區(qū)，即認(rèn)為惡化。

5 建設(shè)特點(diǎn)

系統(tǒng)以國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）項(xiàng)目收集的基礎(chǔ)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史分析成果為基礎(chǔ)，以“嚴(yán)格水資源管理，加強(qiáng)華北地區(qū)超采區(qū)治理”為落腳點(diǎn)，充分利用水利部信息中心的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，為地下水管理者提供決策支撐。主要特點(diǎn)如下：

1）圍繞地下水業(yè)務(wù)，從昨天、今天和明天 3 個(gè)時(shí)間維度分析和展示地下水資源動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

a. 昨天。系統(tǒng)收集整理了北方 17 個(gè)省份 2000—2016 年地下水埋深等值線面分析成果 6 000 余幅，按照統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拼接，首次將 20 a 黃淮海和松遼等主要平原區(qū) 240 幅逐月等值線面入庫(kù)動(dòng)態(tài)展示，為摸清華北地區(qū)地下水超采區(qū)形成原因提供分析基礎(chǔ)。

b. 今天。系統(tǒng)接入了國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)的 20 269 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（其中水利部建設(shè) 10 298 個(gè)測(cè)站，自然資源部建設(shè)10 171 個(gè)測(cè)站[5]），監(jiān)測(cè)內(nèi)容覆蓋水位、埋深、水溫、泉流量、水質(zhì)等多項(xiàng)指標(biāo)，為實(shí)時(shí)分析和監(jiān)控全國(guó)主要平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

c. 明天。系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù) GB/T 34968—2017《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》對(duì)嚴(yán)重超采區(qū)的分級(jí)定義，對(duì)全國(guó)主要地下水超采區(qū)的分級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，為華北地區(qū)地下水超采區(qū)的監(jiān)控和發(fā)展形勢(shì)評(píng)估提供技術(shù)支撐[6]。

2）從點(diǎn)、線、面 3 個(gè)空間維度對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化，超采區(qū)形成和發(fā)展等過(guò)程進(jìn)行全方位刻畫。

a. 點(diǎn)。系統(tǒng)依托國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）建設(shè)了 10 298 個(gè)監(jiān)測(cè)井，收集整理了每個(gè)監(jiān)測(cè)井的基本、巖性、鉆孔、抽水試驗(yàn)、篩分試驗(yàn)等基礎(chǔ)信息，并提供“六采一發(fā)”監(jiān)測(cè)的水位、埋深、水溫、水質(zhì)等信息的地圖，圖表，過(guò)程線等多維度展示方式。

b. 線。以河段為單元，可自定義查詢 21 條生態(tài)河湖和南水北調(diào)沿線等重點(diǎn)區(qū)域的地下水資源分布、地下水動(dòng)態(tài)變化情況，以及可按照河段進(jìn)行沿程回補(bǔ)評(píng)價(jià)等。

c. 面。系統(tǒng)以全國(guó)主要平原區(qū)、主要超采區(qū)、南水北調(diào)受水區(qū)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)逐日全國(guó)地下水一張圖展示，突破南方空白；實(shí)現(xiàn)對(duì)超采區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域、觀測(cè)井等值線面距平分析。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的實(shí)施充分利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，極大地減少了地下水工作人員的工作量，可按照業(yè)務(wù)需要自動(dòng)或人工在線制作各類地下水分析專題圖。制作時(shí)效短，產(chǎn)品豐富，要素全，適用多場(chǎng)景，可為全國(guó)及各級(jí)管理人員地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估、資源開采利用、超采區(qū)的監(jiān)管和治理等業(yè)務(wù)提供支撐。

系統(tǒng)目前上線 1 a 多除了水利部信息中心、國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目辦公室等業(yè)主單位外，用戶遍及水利部機(jī)關(guān)相關(guān)司局及直屬事業(yè)單位，注冊(cè)用戶數(shù)達(dá) 100 多人，在水利部水文司“華北地下水超采綜合治理評(píng)估”“水利部地下水河湖補(bǔ)水試點(diǎn)”“西遼河量水而行”等工作中廣泛應(yīng)用，在省份及流域地下水管理工作中也有較好的應(yīng)用。軟件自上線以來(lái)，受到行業(yè)內(nèi)多位專家的好評(píng)。