国家地下水监测综合成果分析应用系统建设成果

刘 杰 ，孙 龙 ，杨春生 ，沈 强 ，杨桂莲

（1. 北京金水信息技术发展有限公司，北京 100053；2. 水利部信息中心，北京 100053；3. 天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

1 建设背景

水是生命之源、生产之要、生态之基，是保障国家经济社会可持续发展的战略性、基础性资源。地下水是水资源的重要组成部分，是北方地区和许多城市重要的供水水源，其作用无可替代。为解决我国地下水监测站网布设不足、信息采集与传输技术手段落后、信息服务能力低等突出问题，2015 年6 月，国家发改委批复了国家地下水监测工程初步设计概算，水利部、自然资源部（原国土资源部）联合批复了工程初步设计报告。工程总投资约为22 亿元，其中水利部门投资约为 11 亿元。

依托国家地下水监测工程，水利部信息中心组织开发了地下水监测综合成果分析应用系统，在工程初步设计的基础上，充分考虑地下水日常工作的管理分析需要，实现地下水监测数据深加工、地下水分析评价产品自动化生成及地下水超采区水位滚动预警等功能，为提升地下水监控水平，加强地下水压采、限采管理提供决策依据。

2 设计与实现

国家地下水监测综合成果分析应用系统的总体设计思想是：开发综合分析系统，将水文、气象、水资源等相关数据与地下水自动分析成果进行融合，在公里网格尺度内进行叠加分析。从以下几个方面客观分析采补变化原因，辅助地下水资源管理决策[1]：

1）测站。地下水监测站网的分析，包括站网分布和密度分析，实现对地下水站网分布的全面掌握，为后期站网规划提供科学依据[2]。

2）补给。降雨、河道来水、水库蓄水等多种地下水补给来源分析，实现对年地下水来水、补给情况进行监控。

4）排泄。地下水开采利用分析，实现对多年地下水开采利用情况进行分析，辅助判别超采主体。

5）水质。地下水水质分析，实现对全国地下水水质情况进行监控和评价。

6）工况。地下水自动监测站的工况分析，实现对影响数据传输的网络条件、平台运行情况、测站运行工况等信息的监控和分析。

3 主要应用场景

国家地下水监测综合成果分析应用系统主要由水利部国家地下水监测工程项目建设办公室组织建设，是国家地下水监测工程（水利部分）信息系统的重要组成部分。

系统为国家地下水监测中心、7 个流域分中心、32 个省级分中心和 280 个地市级分中心的地下水业务，技术，管理等人员提供支撑[3]。

主要适用场景包括：实时地下水动态分析评价，河湖地下水回补计算、南水北调工程生态评估。严格地下水资源管理，华北地下水超采区治理、抗旱减灾，地下水饮水安全保障等。

4 解决的关键问题

系统解决的关键问题及解决方法具体如下：

1.2.2 样品的制备与测定。参考行业标准方法《YC/T 380—2010 烟草及烟草制品铬、镍、砷、硒、镉、铅的测定 电感耦合等离子体质谱仪法》[12]进行分析测试。准确称取0.2 g(精确至0.000 1 g)烟草样品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%双氧水，旋紧密封后进行微波消解。消解程序如表1所示。冷却至室温后，将消解罐内的试样溶液用超纯水冲洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超纯水定容至50 mL，混合摇匀。用同样的方法制备试剂空白溶液。

1）地下水水位、埋深分析成果自动绘制，拼接，形成全国主要平原区实时地下水监测分析产品一张图。

问题描述：人工监测时代，地下水埋深等值线面图由业务人员通过 GIS 或其他专业应用软件手工绘制，每月绘制 1 次。自动监测站建设以后，数据的量和应用需求剧增，人工绘制显然不满足需求，有必要加快地下水埋深等值线面图的绘制频率。

解决方法：系统每日自动对收到的数据进行简单质控后，自动绘制全国主要平原区的地下水埋深等值线（面）分析图，并以动画播放的方式方便管理人员快速浏览分析成果。正在绘制的产品包括：水位/埋深等值线（面）分析成果（日、月、年尺度），水位/埋深变幅等值线（面）分析成果（与昨日、上月、去年、年初对比）等。

2）以地下水资源管理业务为主线，构建地下水主题数据仓库，融合展示气象、水文、水资源等多源异构数据[4]。

问题描述：地下水监测只能反映地下水资源的分布情况，需了解降雨、河道等水体对地下水的补给作用，以及地下水开采利用情况需要接入气象、水情、水资源利用等外部数据。

解决方法：按照补给、径流、排泄的关系，系统整合 7 类数据资源，包括气象、水情、地下水开采量、水利一张图、夜间亮光、土地利用影像、植被覆盖影像等信息，为深入分析地下水动态变化原因、监控地下水超采区形成和发展过程，提供支撑。

3）为地下水超采区发展形势评估提供手段，实现滚动预警。

问题描述：实现对地下水超采区当前发展形势进行在线评估，解决由于地下水超采区评价周期长，无法及时了解超采区现状的问题。

评估方法：用实时超采区的站点水位监测数据，依据 GB/T 34968—2017《地下水超采区评价导则》对严重超采区的分级判断原则，以 2015 年划定的超采区边界为评价基础，判断当前超采区是一般还是严重超采区。如果原来是严重超采区，当前是一般超采区，即认为向好。如果原来是一般超采区，当前是严重超采区，即认为恶化。

5 建设特点

系统以国家地下水监测工程（水利部分）项目收集的基础和监测数据、历史分析成果为基础，以“严格水资源管理，加强华北地区超采区治理”为落脚点，充分利用水利部信息中心的数据优势，挖掘数据价值，为地下水管理者提供决策支撑。主要特点如下：

1）围绕地下水业务，从昨天、今天和明天 3 个时间维度分析和展示地下水资源动态变化过程。

a. 昨天。系统收集整理了北方 17 个省份 2000—2016 年地下水埋深等值线面分析成果 6 000 余幅，按照统一的分级标准进行拼接，首次将 20 a 黄淮海和松辽等主要平原区 240 幅逐月等值线面入库动态展示，为摸清华北地区地下水超采区形成原因提供分析基础。

b. 今天。系统接入了国家地下水监测工程建设的 20 269 个自动监测站的实时地下水监测数据（其中水利部建设 10 298 个测站，自然资源部建设10 171 个测站[5]），监测内容覆盖水位、埋深、水温、泉流量、水质等多项指标，为实时分析和监控全国主要平原区地下水动态变化情况提供数据依据。

c. 明天。系统采用实时监测数据，依据 GB/T 34968—2017《地下水超采区评价导则》对严重超采区的分级定义，对全国主要地下水超采区的分级进行实时评估，为华北地区地下水超采区的监控和发展形势评估提供技术支撑[6]。

2）从点、线、面 3 个空间维度对地下水动态变化，超采区形成和发展等过程进行全方位刻画。

a. 点。系统依托国家地下水监测工程（水利部分）建设了 10 298 个监测井，收集整理了每个监测井的基本、岩性、钻孔、抽水试验、筛分试验等基础信息，并提供“六采一发”监测的水位、埋深、水温、水质等信息的地图，图表，过程线等多维度展示方式。

b. 线。以河段为单元，可自定义查询 21 条生态河湖和南水北调沿线等重点区域的地下水资源分布、地下水动态变化情况，以及可按照河段进行沿程回补评价等。

c. 面。系统以全国主要平原区、主要超采区、南水北调受水区为研究对象，实现逐日全国地下水一张图展示，突破南方空白；实现对超采区的实时监控；实现任意区域、观测井等值线面距平分析。

6 结语

本系统的实施充分利用现代化的信息技术，极大地减少了地下水工作人员的工作量，可按照业务需要自动或人工在线制作各类地下水分析专题图。制作时效短，产品丰富，要素全，适用多场景，可为全国及各级管理人员地下水动态监测评估、资源开采利用、超采区的监管和治理等业务提供支撑。

系统目前上线 1 a 多除了水利部信息中心、国家地下水监测工程项目办公室等业主单位外，用户遍及水利部机关相关司局及直属事业单位，注册用户数达 100 多人，在水利部水文司“华北地下水超采综合治理评估”“水利部地下水河湖补水试点”“西辽河量水而行”等工作中广泛应用，在省份及流域地下水管理工作中也有较好的应用。软件自上线以来，受到行业内多位专家的好评。