国家地下水监测工程（水利部分）信息化成果

刘 杰 ，朱静苹 ，沈 强 ，王 锋 ，张 宁

（1. 北京金水信息技术发展有限公司，北京 100053；2. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；3. 天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061；4. 水利部机关服务局，北京 100053；5. 中国康复研究中心，北京 100083）

0 引言

近年来，随着我国经济社会的快速发展、地下水的长期不合理开发利用及人类活动对自然环境影响的加剧，引发了地下水位下降、河道断流趋势加重、湖泊湿地萎缩、泉水干涸、海水入侵、水质污染等一系列生态环境问题。但是，我国目前的地下水监测工作仍比较落后，不能满足经济社会发展及实行最严格的水资源管理制度对地下水信息的基本需求。为此，开展国家地下水监测工程建设，完善地下水监测站网，将国内外先进的监测技术与仪器设备用于地下水监测工作，有效提高地下水信息的自动采集能力、共享服务能力及信息采集传输的时效性，不仅必要，而且十分迫切。

为贯彻落实党和国家重要治水思路，实施最严格的水资源管理制度，2014 年 7 月，国家发展和改革委员会批复了由水利部和国土资源部共同完成的《国家地下水监测工程可行性研究报告》，要求国家地下水监测工程按照“联合规划、统一布局、分工协作、避免重复、信息共享”的原则，由水利部和国土资源部联合实施[1]。其中，水利部分建设任务为建设 1 个国家地下水监测中心（与国土资源部共同购置）、7 个流域监测中心、32 个省级（含新疆生产建设兵团）监测中心、280 个地市级分中心，新建改建 10 298 个地下水监测站、相应配套地下水水位信息自动采集传输处理设备等[2-3]。

1 信息化建设目标

国家地下水监测工程项目（水利部分）信息化建设的总体建设目标是：“制定一套信息化标准指导建设，构建四级交换共享体系汇集数据，建设统一信息化应用平台支撑业务”[4]，具体内容如图 1所示。

1.1 制定一套标准规范体系

国家地下水监测工程项目涉及中央、流域、省（自治区、直辖市）、地市 4 个建设层级，涉及的内容包括信息采集与传输、计算机网络、数据汇集和管理、应用支撑平台、业务应用系统、地下水监测中心和信息安全体系等多个部分。项目层次和结构复杂，信息采集点众多，数据量大，规范性和安全性要求很高，各级系统之间存在大量的数据交换。统一的标准规范建设，是项目能顺利实施和运行的重要基础，是保障中央、流域、省、地市等各级信息平台之间互联互通和信息共享的重要基础。本工程以国家和行业标准为基础，基于本工程的实际情况和要求，制定了 5 类标准规范，涵盖采集传输、交换共享、数据存储、技术管理、成果管理等方面。

图 1 平台总体集成框架

1.2 构建四级交换共享体系

四级数据交换共享是指数据在地市、省、流域、水利部 4 个层级之间传输交换的过程。各级节点之间贯通交互的流程包括省-流域、省-水利部、水利部-流域、省-地市及水利部分与自然资源部分的交互流程。

各级节点之间地下水数据的传输主要依托水利政务外网。其中，结构化的监测类、基础类及业务类的数据通过地下水交换适配器，结合水利统一数据交换软件提供的数据传输交换实现。四级贯通集成内容主要包括：1）监测类数据四级交换。完成地下水水位、水温、水量及水质等数据在四级之间的交换。2）基础类数据。完成基本类、分区类及用户类等信息在四级之间的交换。3）业务类数据四级交换是指整编类、试验类和分析评价类等业务应用数据的上报与下发，实现四级之间地下水监测业务成果数据的交换。

1.3 建设统一的信息化应用平台

国家地下水监测工程项目（水利部分）按照统一的标准建设了国家地下水信息化应用平台，并在国家、流域、省、地市分中心等约 300 个节点进行部署实施，具体包含如下内容：

1）统一的基础环境资源。整个项目的基础环境由项目组统一购置。主要包括以下 2 个部分：a.基础软件。主要包括：J2EE 应用服务器，数据库管理，消息中间件、GIS 等软件。b. 基础硬件。主要包括：数据采集工作站、核心应用服务器、核心数据库服务器等。地下水项目基于已建成的水利部防汛抗旱指挥系统骨干网，以及本地节点的网络、服务器、安全管理等外部网络及硬件环境，根据地下水业务应用的需要，按照统一的标准搭建了各节点地下水业务应用运行的软硬件环境。

2）统一的数据资源库。国家地下水监测工程新建改建了 20 469 个地下水监测井，其中水利部分建设 10 298 个自动监测站，自然资源部建设 10 171 个自动监测站。按照两部共享交换办法，目前已实现基本和整编成果信息共享。

其中，水利部建设成果基于项目收集整理了全套基础信息，包括地下水监测井、抽水试验、土壤筛分试验、综合成井图等信息。实时监测数据（水位、埋深、水温、泉流量、水质等）通过统一开发的接收处理软件及地下水四级交换体系按照“六采一发”（每天采集 6 次，分别是 12：00，16：00，20：00，0：00，4：00，次日早 8：00；每天 8：00 发送此 6 组数据）的模式，于次日早晨 8：00 上报至中央。长系列地下水位人工监测资料主要包括2000 年以来各省人工监测的历史地下水埋深等值面分析成果。

3）统一的应用软件。国家地下水监测工程（水利部分）共开发 14 套业务应用软件。

按照业务类别可分为以下 4 类：a. 业务应用软件。地下水监测信息接收处理、信息交换与共享、资源业务应用、水质分析、监测资料整编、信息查询与维护、资源信息发布、移动客户端软件。b. 典型示范应用软件。主要包括关中平原典型区地下水资源模型、海河流域典型平原区地下水模拟与应用平台。c. 综合分析类软件，包括综合成果分析应用、运维及绩效考核保障等软件。d. 政务应用类软件，包括资产和档案管理软件。

2 主要建设成果

目前，国家地下水监测项目整体工程已完成全部建设任务，建成了功能完善，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。系统自上线运行以来，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、西辽河流域“量水而行”水文监测分析评价、三江平原地下水压采方案制定等工作中发挥了积极作用，取得了显著的社会效益，将为我国水资源合理开发利用与优化配置、农业结构调整、工业发展布局、城市发展规划、生态环境保护等提供重要支撑和服务。

2.1 建成国家级地下水自动监测系统

1）1 套国家级地下水自动监测站网。按照“区域控制和重点布设相结合”的原则建成 10 298 个国家级自动监测站，地下水水位（埋深）、水温等信息采集频率为 “六采一发”。10 298 个监测站建站资料通过信息源建设进行了电子化入库，包括测站基本情况、综合成井、物探钻孔、设备安装调试、抽水试验、土样筛分试验、水质分析等信息共计 139 万 余条。

2）1 套国家级地下水数据交换体系。按照“横向共享，纵向交换”的原则，基于水利统一交换平台，建设了国家-流域-省-地市四级地下水共享交换体系。

3）14 套业务应用软件。按照“统一开发、分级部署”的原则，开发了 14 套业务应用软件，涵盖数据接收处理、传输交换、管理查询、分析应用、数据整编、信息发布等日常监测分析管理。

2.2 反演主要平原区长系列地下水动态过程

1）绘制北方 17 省 2000 年以来历史地下水埋深分析成果。项目收集了北方 17 个省份 2000 年以来地下水人工监测历史整编资料 2 000 余万条，采用克里金插值方法，绘制了 6 000 余幅省级历史地下水月平均埋深等值线分析图。

2）基于网格实现主要平原区历史地下水埋深制作与反演。以各省历史等值线（面）分析成果为基础，绘制了黄淮海、松辽平原区历史地下水月平均埋深等值线（面）204 幅。按照网格距离最近的方法，实现了黄淮海、松辽平原区历史资料与 10 298 个自动监测站的融合，反演形成了国家地下水长系列的动态分析成果。

2.3 建成全国主要平原区地下水分析评价参数空间数据库

项目收集了主要平原区地下水给水度、降雨入渗、蒸发分区及参数，并将参数展布在 1 km×1 km网格内，为全国主要平原区地下水分析评价提供数据支撑。

3 结语

目前，国家地下水监测工程（水利部分）基本可以支撑 20 469 个测站日常的采集、监测、传输、分析等业务。实现了对以全国主要平原区、盆地、岩溶山区、重要水源地和超采区为重点地区地下水动态监测。但是随着系统上线使用，用户对系统的依赖也逐渐增加，所以还需要进一步持续投入，逐步细化管理业务，提升系统对业务的支撑能力，具体如下：

1）进一步完善数据交换体系的建设。a. 通过加强对数据交换各环节的统计，形成更加精准的数据交换监控，为数据交换的运维提供依据。例如，针对到报率，原来只是粗略地统计测站到中央的到报情况，随着管理的精细化，需要将到报率区分为测站到省里的到报率和测站从省里交换到中央的交换率，并实现按照政区、厂家、设备的多角度评估和深层次的问题挖掘。b. 优化数据交换流程，缩短上报周期。例如，本项目中的四级交换体系，每一级都有 1 个中间库，是设备厂商与平台厂商之间工作的边界。当项目建设完成后，达到稳定运行后，可以考虑将该中间库环节删减，以缩短数据上报周期。

2）进一步加强各级系统的运行维护。国家地下水监测项目目前已经进入运行维护阶段。为保障整套系统能够持续发挥效益，做出以下努力：a. 积极申请全额运行维护费用，确保运维工作的资金支持；b. 加强对运行维护效果的监管和考核，确保运维工作落到实处，见到效益；c. 定期举办对系统的操作使用培训，让更多的人能够借助系统提升工作效能，也让整套系统能在真实、复杂的应用场景中进一步深化、发展。