趋势分析在塔里木河水资源监管系统中的应用

安 东，吴宝国，宋 倍，李 琦

（黄河水利委员会 信息中心，河南郑州450003）

1 背 景

水资源具有时空变化特性，随着人类活动和全球气候变化的影响，极端水事件频发，水资源短缺问题日益严重，水资源开发利用管理面临严峻考验，必须实行最严格水资源管理制度[1]。与传统的水资源管理相比，严格化、精细化和系统化是最严格水资源管理的三大基本特征，必须从时间和空间上进行水资源精细化管理[2]，根据水资源情势变化及时响应、动态调度，从自然、社会、市场多方面获取信息，这就要求实时、动态、精准、全面、细致地掌握水资源情势变化。

对水资源的时空变化趋势进行分析，是水资源情势分析和预测的关键手段，在水资源趋势分析学术研究中被广泛使用。但是其在水资源管理部门实际业务工作中的应用与普及遇到了很多难题，主要包括：①数据资料收集整理不便，趋势分析需要大量、多专业的历史数据和不断更新的实时数据以保证分析的时效性和准确性；②算法、工具的专业性强，且相对独立和分散，应用普及难度大；③缺乏全面、系统的趋势分析业务梳理。

在塔里木河流域水资源信息化整合项目的建设过程中，为了解决全流域综合水资源情势分析的需求，基于信息化技术和水资源管理要求，建设了一套独立的通用趋势分析应用系统，能够方便地融合到水资源业务应用平台，易于推广应用。

2 需求分析

2.1 塔里木河流域水资源管理概况

塔里木河是我国最大的内陆河，承担着新疆5个地州的供水重任。塔里木河流域由九大水系组成，其中地表直接汇入塔里木河干流的源流包括阿克苏河、叶尔羌河、和田河、开都-孔雀河[3]，称为“四源一干”。目前塔里木河流域“四源一干”已基本建成采集、传输、存储、分析、调度为一体的水联网体系，以及服务于全流域水量统一调度的塔里木河流域管理局（简称塔管局）综合业务应用平台。塔管局从管理体制和信息化手段上均已实现全流域统一调度和管理。

2.2 趋势分析需求

水资源管理包括对水资源供、用、耗、排各个环节的统一管理，在水资源合理开发利用的同时，还要保障水资源可持续利用，降低对生态环境的影响。在进行流域水资源统一管理与调度时，需要掌握水资源各环节的现状特征及变化趋势。从发生变化的水文水资源情势中分析自然水循环水文特征的自然规律，准确把握人工水文循环供、用、耗、排机理，揭示水资源供需变化和生态环境变化，是水资源合理配置和生态环境保护的依据，也是对实行最严格水资源管理、水生态文明建设效果的直观反映[4-6]。

2.3 趋势分析分类

针对塔管局的水资源管理需求，具体到水资源管理部门，可以将趋势分析需求划分为来水和供水、需水和取用水、用水效益、生态环境4类（见表1）。

表1 趋势分析内容分类

（1）来水和供水趋势分析，主要对降水、径流、水库蓄水等因素的长序列和动态实时变化趋势进行分析。

（2）需水和取用水趋势分析，从需用水用途、水源两方面进行分析，从而严格用水总量控制，合理安排生产布局，与水资源条件相适应。

（3）用水效益趋势分析，包括万元国内生产总值用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉有效利用系数3个方面，是最严格水资源管理的重要考核指标。

（4）生态环境趋势分析，从地下水情、生态输水、水域面积、植被覆盖率等方面进行综合分析。

3 通用趋势分析系统设计

3.1 总体设计

该系统依托水联网体系提供强大的数据资源，利用成熟的水文序列趋势分析方法，搭建数据库层通用趋势分析算法库，提供多对象、多要素、多尺度的水资源综合趋势分析服务，建立趋势分析专用图库实现水资源情势分析的可视化表达，结合实际的水资源业务应用系统，实现简洁、实用、灵活的趋势分析功能。通用趋势分析系统的总体结构包括业务应用、分析服务、外部数据源和数据库4部分（见图1）。

图1 通用趋势分析系统总体结构

（1）业务应用。通用趋势分析系统以Web方式，提供自定义趋势分析、预定义趋势分析、可视化趋势分析组件3种标准化应用。

（2）分析服务。通用趋势分析系统提供趋势分析处理服务，进行定时或人工趋势分析处理。该服务分别调用趋势分析定义服务（定义趋势分析的数据范围、分析算法）、数据抓取服务（从外部数据源中获取数据）和算法调用服务来实现功能处理。

（3）外部数据源。通用趋势分析系统进行趋势分析的数据来源于所嵌入系统的水资源业务数据源。通过趋势分析服务定义的数据从外部数据源中获取。对于水调管理业务，主要包括来水水情、需水水情、取用水水情、下泄水情、水费及社会效益、用水效益等水调业务数据库。

（4）数据库。通用趋势分析系统数据库包括算法库和成果库。其中：算法库包括各类算法函数、算法参数基础表等，成果库存储趋势分析结果公式及系数、计算结果时序数组等。系统趋势分析的原始数据来源于外部数据源。

3.2 业务应用功能

针对水资源趋势分析业务需求，充分考虑系统的易操作性、灵活性和可扩展性，设计了3个主要功能模块。

（1）自定义趋势分析方案模块。提供可自定义时间尺度、时间范围和统计对象及要素的趋势分析服务，以满足水资源情势分析涉及多对象、多要素、多尺度的分析要求。自定义设置的趋势分析方案可作为模板保存，以方便后续使用。

（2）预定义趋势分析方案模块。该系统在分析水文水资源要素对流域水资源情势影响的基础上，预定义多种服务于水资源情势分析的常用趋势分析方案。方案中对趋势分析的对象、要素、时间尺度、时间范围均进行了常规设定，选择相应方案即可查看来水趋势分析、用水趋势分析、下泄趋势分析、生态趋势分析、综合趋势分析等的结果。

（3）可视化趋势分析模块。将趋势分析与水资源管理常用功能紧密结合，如在面向决策层的水资源综合信息概览功能中嵌入流域历年来水变化趋势图，以及作为生态修复成效重要考核指标的生态输水量历年变化趋势图和地下水位历年变化趋势图等，为综合决策提供直观的水资源情势分析。

3.3 处理流程

通用趋势分析系统在处理流程设计上充分考虑用户体验，提供操作简单、结果明确的功能界面，其前后台交互处理流程见图2。

图2 趋势分析处理流程

（1）设置趋势分析方案。提供简单明确的功能界面，用户根据需求选择预定义的趋势分析方案模板，或者自定义设置趋势分析的对象要素类型、参与统计计算的时序数据的时间范围以及时间粒度。

（2）获取原始数据。根据用户选择的趋势分析方案，从业务数据库中获取参与分析计算的原始时间序列数据。

（3）数据预处理。对原始时序数据进行数据一致性和完整性预处理，包括异常数据检查、缺漏数据处理、数据精度一致性处理等，降低因数据质量参差不齐而导致的数据分析结果不可靠的概率。

（4）运行算法进行计算。将预处理后的中间数据输入到选定的算法计算程序，运行算法进行趋势分析计算。

（5）生成计算结果。趋势分析算法的直接计算结果是趋势线公式的系数。为实现计算结果的可视化展示，趋势分析计算程序将输出一组时刻与数值对应的时序数。

（6）可视化展示分析结果。在前端功能界面中嵌入趋势图库中封装的趋势图组件，将趋势分析计算结果用专业的趋势分析图直观地展示给用户。

3.4 典型算法实现

趋势分析的方法有很多，大体分为参数统计法和非参数统计法两类。参数统计法是对原始数据直接统计分析，研究其整体变化趋势，如线性滑动平均法、累计距平法、线性回归法等。非参数统计法是对基于原始数据获得的秩进行统计分析，其优点是避免受少数异常值和缺失数据的影响，而且比参数统计法更适用于非正态分布，具体方法有Spearman秩相关系数法、Mann-Kendall趋势分析法、小波分析法等[7-8]。根据塔管局综合业务应用平台的数据情况和趋势分析需求，在系统中采用了线性回归最小二乘法。

最小二乘法回归方程式为

式中：i为参与趋势分析计算的原始数据个数；（Xi，Yi）为一组原始时序数据；、为方程的参数；ei为样本（ Xi，Yi）的误差。

在算法运行中将原始数据的时间序列代入Xi、相应时间对应的原始数据代入Yi，即可求出趋势线的标准方程。最后将时间序列代入趋势线标准方程中，即可求得趋势线上与时间序列对应的趋势线数值，该数据与时间序列对应组成一组时间与数值对应的时序数组，即绘制趋势图所需的结果数据。

4 塔管局综合业务应用平台趋势分析功能开发

4.1 系统总体结构及趋势分析功能

塔管局综合业务应用平台（以下简称应用平台）主要由数据资源层、应用支撑层、业务应用层、数据交换平台和应用安全等部分组成（见图3）。将趋势分析系统的数据库、服务层和应用层分别部署到数据资源层、应用支撑层、业务应用层中。趋势分析系统以内嵌的方式与应用平台进行整合，提供无缝的应用集成。

图3 塔管局综合业务应用平台总体结构

（1）数据资源层。趋势分析系统的数据库主要包括趋势分析算法库和分析结果库，在应用平台的数据库服务器中直接部署和初始化数据库；趋势分析系统所需要的水资源业务数据源直接使用应用平台的数据库，通过数据访问接口获取数据。

（2）应用支撑层。趋势分析服务模块部署在应用支撑层的业务应用服务中，使用与平台兼容的服务协议。

（3）业务应用层。趋势分析应用功能采用Web方式实现，根据应用平台的应用需求，在应用平台中实现历年来水下泄趋势分析、历年用水趋势分析、生态断面地下水情趋势分析、历次生态输水趋势分析、土地覆被变化趋势分析、来水实时统计分析、用水实时统计分析等7个定制的数据统计和趋势分析功能并嵌入到综合监控监测和水资源管理模块中。同时，采用Web组件方式的趋势分析组件，内嵌到综合展示与服务信息系统的相关界面中。

4.2 趋势分析功能设计

在应用平台中，基于趋势分析系统的预定义趋势分析模块，以独立功能的方式提供了以下7种趋势分析功能。

（1）历年来水下泄趋势分析。对任意历史年份各源流的上游来水情况及流域出口断面的下泄情况进行趋势计算，呈现来水下泄的变化趋势。

（2）历年用水趋势分析。对任意历史年份地州、兵团、市（县）等各级用水单位的用水情况进行趋势分析。

（3）生态断面地下水情趋势分析。对任意时段生态断面的地下水相关监测指标（如地下水位、埋深、矿化度、电导率等）进行变化趋势分析。

（4）历次生态输水趋势分析。对任意历史年份生态输水情况进行趋势分析。

（5）土地覆被变化趋势分析。对多年遥感影像解译的土地覆被结果进行趋势分析计算，分析土地覆被变化情况。

（6）来水实时统计分析。根据每日实时更新的来水数据，进行短期来水趋势分析，及时掌握来水情势，以便动态响应。

（7）用水实时统计分析。对实时采集的取水口取水数据、每日更新的用水单位用水量数据进行趋势分析，及时掌握用水情势，以便开展实时调度。

4.3 典型功能介绍

4.3.1 来水下泄趋势分析

流域来水变化趋势是流域水资源情势分析的关键因素，历年来水变化趋势分析是对流域当前水资源量进行评估以及对今后水资源量进行预测的重要手段。来水下泄趋势分析功能将流域来水变化趋势和下泄变化趋势分析结果呈现在同一个时间维度上，为流域水资源综合情势分析提供了更丰富的数据依据。根据用户选择的流域、时间范围，从数据库中获取相应的数据进行趋势分析计算，分析结果以统计表和折线图的形式进行展示（见图4，图中数据为测试数据）。

图4 综合趋势分析结果展示

4.3.2 生态输水历年变化趋势

塔里木河向下游生态输水是流域生态文明建设的重要内容之一，对恢复其尾闾台特玛湖生态环境至关重要。生态输水量的逐年变化趋势是生态修复工作成效的重要体现。生态输水历年变化趋势分析功能根据用户所选择的年份时段查询生态输水断面的逐年下泄量，继而对历年生态输水下泄量进行趋势分析计算，以统计表和折线图的形式直观地呈现趋势分析结果（见图5，图中数据为测试数据）。

图5 生态输水历年变化趋势分析结果展示

5 结 语

基于本研究开发的趋势分析系统在塔管局综合业务应用平台中得到了实际验证，取得了良好的应用效果。系统应用将趋势分析方法与水资源情势分析业务相结合，增强了水资源管理的科学性，提升了对水资源管理过程及变化情况的监管能力；实现了趋势分析功能通用性和灵活性的有机统一，降低了应用系统的设计开发难度；实现了与水联网和大数据处理技术的结合，解决了趋势分析应用中数据获取难、质量差、总量小的问题，增强了水资源情势趋势分析的实时性和准确性。