寧夏水資源量評價系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳 丹 ，張海濤 ，李萌萌 ，司建寧 ，杜軍凱 ，鄧錦輝

（1．寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預警中心，寧夏 銀川 750001；2．中國水利水電科學研究院，北京 100038；3．北京瀚禹信息科技有限公司，北京 102308）

0 引言

水資源是萬物賴以生存的基礎[1]。水資源評價主要是對地表和地下水資源進行的評價，是人們了解水資源數(shù)量、質量及其時空分布規(guī)律的重要手段，是合理分配和開發(fā)利用水資源的重要基礎[2]。我國分別于 20 世紀 80 年代初、2001 年及 2017 年相繼開展了 3 次全國范圍的水資源調查評價工作，隨著水文數(shù)據(jù)量的不斷增多、計算復雜度的不斷加大，傳統(tǒng)的工作模式已經(jīng)不適應新的需求。信息、數(shù)據(jù)分析等技術的快速發(fā)展，使跨平臺的分析在技術上成為可能，有利于推動水資源量評價快速發(fā)展。

許多學者對水資源量評價開展了相關研究，總結了水資源量評價的理論與方法，形成了一整套科學而合理的評價模型，大大加快了水資源量評價工作的進度，提高了水資源量評價工作的效率[3]。地表水資源量的評價方法主要有成因分析法[4]、投影尋蹤法[5]、數(shù)理統(tǒng)計法[6]等，地下水資源量的評價方法主要有區(qū)域性均衡法[7-8]、解析法[9]、模擬法[10]、相關分析法[11]等。近年來，在水資源量評價中引入了一些新的技術方法和手段，在流域地表水資源量評價中應用水文模型，如降水-徑流模型[12]、分布式水文模型[13]、月水量平衡模型[14]等得到了廣泛應用。在評價技術上，有限元模擬[15]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）[16]和同位素示蹤技術[17]，以及 GIS[18]和RS[19]等得到了廣泛應用。

2019 年水利部按照“實用、安全”的水利網(wǎng)信發(fā)展總要求，通過深化水利業(yè)務需求分析，落實水利網(wǎng)絡安全任務細化實化方案，推進智慧水利，實施水利網(wǎng)信水平提升行動方案（2019—2021 年）；通過整合共享信息資源，完善基礎數(shù)據(jù)庫和水利一張圖，強化遙感應用。智慧水利是水利信息化發(fā)展的新階段，也是水利現(xiàn)代化的具體體現(xiàn)[20]。為此，本研究采用在 ArcgGIS 的基礎上第 2 次開發(fā)搭建的GIS 平臺，設計開發(fā)覆蓋寧夏全境的水資源量評價系統(tǒng)，以推動全區(qū)水資源量評價工作邁向新臺階。

1 寧夏水資源量評價需求和目的

新形勢下，寧夏水資源管理工作對水資源公報編制和定期水資源評價工作提出了更高的要求，同時也為跨越式發(fā)展提供了以下必要條件：

1）寧夏水資源監(jiān)督考核工作迫切需要提升公報編制的科學性、全面性、準確性和時效性，寧夏水行政主管部門對其有著十分迫切的需求。

2）變化環(huán)境下寧夏水資源量評價難度日益加大，由于氣候變化的影響和人類社會取用水量的增大，對水循環(huán)過程產(chǎn)生了強烈擾動，增加了寧夏水資源量評價的難度。

3）愈加豐富的基礎數(shù)據(jù)對原有寧夏評價體系形成新的補充，近年來不斷建設的各類監(jiān)測站（雨情、工情、水位、蒸發(fā)、流量、地下水位等）客觀上可為寧夏水資源量評價工作提供大批翔實可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4）高新技術手段為解決寧夏業(yè)務痛點提供了重要助力，使寧夏水資源量評價的流程化、主動化、系統(tǒng)化成為可能。

開展寧夏水資源量評價的目的是摸清寧夏水資源狀況和特點，系統(tǒng)分析寧夏水資源演變規(guī)律。常規(guī)寧夏水資源量評價主要包括基礎資料收集整理，數(shù)據(jù)補充監(jiān)測，資料復核、分析、檢驗、檢查，協(xié)調平衡與結果修正，方法與機理研究等環(huán)節(jié)。

寧夏水資源量評價常規(guī)業(yè)務流程如下：確定評價范圍、匯總和計算單元；確定水資源量評價統(tǒng)一的工作底圖；確定水資源量的評價內(nèi)容、項目、時期和數(shù)據(jù)系列；確定水資源量和綜合評價的評價方法、采用的參數(shù)及標準；收集、整理、統(tǒng)計、匯編各評價項目的基礎資料；對水資源量評價項目開展逐一評價；對相互關聯(lián)的評價內(nèi)容進行復核、協(xié)調，修正評價結果；對評價結果與已有評價成果進行比對、論證，判定并調整評價結果；形成成果表格、圖件和文字報告。

2 寧夏水資源量評價系統(tǒng)總體設計

2.1 架構設計

2.1.1 內(nèi)部架構設計

寧夏水資源量評價系統(tǒng)內(nèi)部架構描述了系統(tǒng)內(nèi)部的運作模式，具體架構如圖 1 所示，系統(tǒng)采用以下軟件分層模式構成：

1）數(shù)據(jù)層。將數(shù)據(jù)庫、文件、緩存等數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的接口封裝起來，為邏輯層提供服務。

2）邏輯層。與業(yè)務相關的各系統(tǒng)、服務、模塊統(tǒng)一設計為邏輯層，并以服務的方式發(fā)布接口，校驗通過的請求才能調用。邏輯層不僅對外有接口，在邏輯層內(nèi)部系統(tǒng)也存在服務的相互調用過程，但對外的接口只提供給表現(xiàn)層。

3）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層也稱為視圖層或者客戶端，目的是將輸入輸出結果通過人機界面的方式提供給用戶。

圖 1 寧夏水資源量評價系統(tǒng)架構圖

2.1.2 界面架構設計

寧夏水資源量評價系統(tǒng)主要包括以下 6 個部分：

1）系統(tǒng)管理。包括以下 3 個導航欄：角色權限，規(guī)定了當前角色擁有系統(tǒng)模塊的操作權限，即被賦予相關權限的角色才可對相應模塊進行權限賦予的相關操作；用戶管理，規(guī)定用戶的權限由被賦予的權限及角色共同決定；日志管理，記錄登錄用戶操作系統(tǒng)的日志。

2）基礎管理。包括單元、測站管理 2 個導航欄，其中單元管理分為地表水和地下水 2 個單元。

3）數(shù)據(jù)管理。包括降水量、徑流量、埋深水位、礦化度等數(shù)據(jù)的管理。

4）工作任務。包括地表和地下水資源量及總量的計算。工作任務以流程的形式進行（即只能在完成上一項子任務后才可以進行下一項子任務），而且各個子任務之間是有聯(lián)系的，如只有完成了分區(qū)降水量計算才可以進行降水入滲補給量計算。

5）成果查詢。完成計算后，可對地表、地下水資源量及總量，以及公報的成果進行查詢。

6）統(tǒng)計報表。分為水利部統(tǒng)計表、黃河水利委員會附表，以及寧夏各分區(qū)地表、地下水資源量相關表格。

2.2 存儲及組成設計

寧夏水資源量評價系統(tǒng)在存儲服務器上完成關系數(shù)據(jù)庫、文件存儲和緩存系統(tǒng)的部署，在應用服務器上安裝應用、專業(yè)計算和 GIS 服務等系統(tǒng)。專業(yè)計算系統(tǒng)提供微服務，應用系統(tǒng)整體作為單體系統(tǒng)，內(nèi)部采用輕量級 SOA 架構應用，電腦瀏覽器作為客戶端。專業(yè)計算系統(tǒng)與關系數(shù)據(jù)庫進行交互，應用系統(tǒng)與電腦，以及存儲、專業(yè)計算和 GIS 服務等系統(tǒng)交互，GIS 服務系統(tǒng)與文件存儲系統(tǒng)交互。水資源量評價系統(tǒng)組成如圖 2 所示。

圖 2 寧夏水資源量評價系統(tǒng)組成

2.3 業(yè)務流程設計

寧夏水資源量評價系統(tǒng)基于地表、地下水基礎數(shù)據(jù)，開發(fā)空間展布算法模型，實現(xiàn)分區(qū)圖、等值線圖的自動繪制；研發(fā)空間地理分析與運算模型，采用等值線算法實現(xiàn)各分區(qū)地表、地下水資源量的自動計算，基于聯(lián)合平衡分析評價模塊，綜合地表水評價成果、水文地質參數(shù)、水資源開發(fā)利用情況等實現(xiàn)地下水資源量的自動計算與平衡分析；在地表和地下水資源量評價基礎上，實現(xiàn)對分區(qū)水資源總量的分析評價；對常規(guī)業(yè)務運行流程進行規(guī)范，實現(xiàn)對各類評價成果（數(shù)據(jù)產(chǎn)品、圖件產(chǎn)品、報表、文本、圖件）的高效管理；根據(jù)業(yè)務部門的需求，將關鍵信息主動推送給相關技術人員與決策者。寧夏水資源量評價系統(tǒng)業(yè)務流程設計及主要功能總體包括數(shù)據(jù)處理、水資源量計算、成果查詢及報表統(tǒng)計 3 個部分。

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

寧夏水資源量評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)以預設、接入、導入、人工錄入的方式輸入系統(tǒng)，以自動生成的方式輸出成果，數(shù)據(jù)類型如表 1 所示。對于基礎數(shù)據(jù)的奇異值、錯誤值需要進行修正，對于各種原因造成的數(shù)據(jù)不完整性[21]需要進行清理。對于數(shù)據(jù)系列的插補與延長，須考慮以下 2 種機制：

表 1 基礎數(shù)據(jù)

1）對于待插補站點 A，系統(tǒng)在同一直角坐標系下尋找與站點 A 直線距離最近且無缺測的站點 B，利用站點 B 的時間分布實現(xiàn)插補。

2）考慮用戶有更豐富的處理經(jīng)驗或更高的要求，設置人工干預方案，即在此處提供 Excel 數(shù)據(jù)導入模板，導入用戶插補后的資料。

計算前須準備基礎圖件、監(jiān)測數(shù)據(jù)、計算參數(shù)集等基礎數(shù)據(jù)，其中站點監(jiān)測數(shù)據(jù)需要審核，準備完成即可進行水資源量計算。

2.3.2 水資源量計算

2.3.2.1 地表水資源量計算

主要包括以下 2 種計算：

1）分區(qū)降水量計算。分區(qū)降水量計算流程如圖3 所示。具體計算時，將表 1 中有關分區(qū)降水量的基礎數(shù)據(jù)輸入計算流程圖進行調整計算，直到結果滿意，則結束流程，輸出年降水量等值線圖、距平圖，以及不同范圍降水深度和降水量的列表數(shù)據(jù)。

2）分區(qū)徑流量計算。分區(qū)徑流量計算流程與分區(qū)降水量計算流程一致，主要在以下方面有所區(qū)別：10 余個實測徑流站的日、月、季、年數(shù)據(jù)，站點、經(jīng)驗點、多年平均徑流量，分區(qū)面雨量成果，徑流站代表區(qū)域面積及形心位置，徑流深大小范圍，等值線基本線值參數(shù)。計算結束后輸出年徑流深等值線圖、分區(qū)不同范圍徑流深、徑流量及輔助的降水深列表數(shù)據(jù)（可通過不同分區(qū)視角切換查看）。

2.3.2.2 地下水資源量計算

分區(qū)地下水資源量計算流程與分區(qū)降水量計算流程基本一致，不同的是某一步的詳細內(nèi)容?；诘叵滤裆?、水位、礦化度等基礎數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)分布圖和等值線圖的繪制；基于地表水計算成果、水文地質參數(shù)、地下水基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地下水資源量的自動計算。

圖 3 分區(qū)降水量計算流程

1）分區(qū)地下水埋深（水位）計算。分區(qū)地下水埋深（水位）模塊計算與分區(qū)降水量計算流程一致，主要在以下方面有所區(qū)別：地下水埋深、水位、礦化度的日，月，季，年數(shù)據(jù)，地下水埋深大小范圍、等值線基本線值參數(shù)。計算結束后輸出地下水埋深分區(qū)圖、水位等值線圖，以及分區(qū)不同范圍地下水埋深列表數(shù)據(jù)（可通過不同分區(qū)視角切換查看）。

2）分區(qū)地下水礦化度計算。分區(qū)地下水礦化度模塊計算與分區(qū)降水量計算流程一致，主要在以下方面有所區(qū)別：站點、經(jīng)驗點、年平均礦化度，礦化度大小范圍、等值線基本線值參數(shù)。計算結束后輸出地下水礦化度分區(qū)圖、分區(qū)不同范圍地下水礦化度列表數(shù)據(jù)。

3）分區(qū)地下水各項參數(shù)計算。主要采用基礎數(shù)據(jù)，使用各參數(shù)的計算公式計算，從而得出各項參數(shù)的計算結果。

2.3.2.3 水資源總量計算

設置一個靈活組合的模塊，按照用戶選擇生成評價結果，行政分區(qū)和水資源分區(qū)通過 2 個控件分開控制：如選中三級區(qū)和地市選項，可以實現(xiàn)三級區(qū)套地市成果；選中三級區(qū)和縣選項，可以實現(xiàn)三級區(qū)套縣成果；也可以不選擇水資源分區(qū)，僅單獨統(tǒng)計全自治區(qū)的結果。

將計算得到并確認的計算單元地表和地下水資源量評價成果，統(tǒng)一到四級區(qū)套縣的尺度，按照表格式計算分區(qū)水資源總量，供操作人員查看和確認：如確認，則進入下一個流程；如需修改，則提供引導窗口幫助操作員回到地表、地下水資源計算并進行相應調整，直到滿足需求。

2.3.3 成果查詢及報表統(tǒng)計

寧夏水資源量業(yè)務流程圖如圖 4 所示，完成水資源量計算即可進行計算成果的查詢與導出，以及相應報表的統(tǒng)計和導出。結合水資源公報相關文字與表格模板自動輸出相關公報內(nèi)容素材，以便工作人員直接編輯、修改，提高公報制作效率。成果產(chǎn)出包括圖件成果（各類等值線圖），數(shù)據(jù)報表成果（面雨量、地表和地下水資源量），以及文檔成果。

圖 4 寧夏水資源量業(yè)務流程圖

3 結語

本研究進行了寧夏水資源量評價系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，探討了寧夏水資源管理中的應用技術，初步搭建了 ArcgGIS 基礎上第 2 次開發(fā)的 GIS 平臺，實現(xiàn)了水資源量的智能化計算。寧夏水資源量評價系統(tǒng)可以提升公報編制的科學性、全面性、準確性和時效性，減少寧夏水資源評價、規(guī)劃、管理、監(jiān)督考核等業(yè)務的工作量。

本研究僅對水資源量在寧夏水資源評價的應用進行初步探討，后續(xù)還要結合地表、地下水的質量和開發(fā)利用量進行開發(fā)建設水資源調查評價，更大地提高評價工作效率。