宁夏水资源量评价系统的设计与实现

陈 丹 ，张海涛 ，李萌萌 ，司建宁 ，杜军凯 ，邓锦辉

（1．宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏 银川 750001；2．中国水利水电科学研究院，北京 100038；3．北京瀚禹信息科技有限公司，北京 102308）

0 引言

水资源是万物赖以生存的基础[1]。水资源评价主要是对地表和地下水资源进行的评价，是人们了解水资源数量、质量及其时空分布规律的重要手段，是合理分配和开发利用水资源的重要基础[2]。我国分别于 20 世纪 80 年代初、2001 年及 2017 年相继开展了 3 次全国范围的水资源调查评价工作，随着水文数据量的不断增多、计算复杂度的不断加大，传统的工作模式已经不适应新的需求。信息、数据分析等技术的快速发展，使跨平台的分析在技术上成为可能，有利于推动水资源量评价快速发展。

许多学者对水资源量评价开展了相关研究，总结了水资源量评价的理论与方法，形成了一整套科学而合理的评价模型，大大加快了水资源量评价工作的进度，提高了水资源量评价工作的效率[3]。地表水资源量的评价方法主要有成因分析法[4]、投影寻踪法[5]、数理统计法[6]等，地下水资源量的评价方法主要有区域性均衡法[7-8]、解析法[9]、模拟法[10]、相关分析法[11]等。近年来，在水资源量评价中引入了一些新的技术方法和手段，在流域地表水资源量评价中应用水文模型，如降水-径流模型[12]、分布式水文模型[13]、月水量平衡模型[14]等得到了广泛应用。在评价技术上，有限元模拟[15]、人工神经网络（ANN）[16]和同位素示踪技术[17]，以及 GIS[18]和RS[19]等得到了广泛应用。

2019 年水利部按照“实用、安全”的水利网信发展总要求，通过深化水利业务需求分析，落实水利网络安全任务细化实化方案，推进智慧水利，实施水利网信水平提升行动方案（2019—2021 年）；通过整合共享信息资源，完善基础数据库和水利一张图，强化遥感应用。智慧水利是水利信息化发展的新阶段，也是水利现代化的具体体现[20]。为此，本研究采用在 ArcgGIS 的基础上第 2 次开发搭建的GIS 平台，设计开发覆盖宁夏全境的水资源量评价系统，以推动全区水资源量评价工作迈向新台阶。

1 宁夏水资源量评价需求和目的

新形势下，宁夏水资源管理工作对水资源公报编制和定期水资源评价工作提出了更高的要求，同时也为跨越式发展提供了以下必要条件：

1）宁夏水资源监督考核工作迫切需要提升公报编制的科学性、全面性、准确性和时效性，宁夏水行政主管部门对其有着十分迫切的需求。

2）变化环境下宁夏水资源量评价难度日益加大，由于气候变化的影响和人类社会取用水量的增大，对水循环过程产生了强烈扰动，增加了宁夏水资源量评价的难度。

3）愈加丰富的基础数据对原有宁夏评价体系形成新的补充，近年来不断建设的各类监测站（雨情、工情、水位、蒸发、流量、地下水位等）客观上可为宁夏水资源量评价工作提供大批翔实可靠的数据支撑。

4）高新技术手段为解决宁夏业务痛点提供了重要助力，使宁夏水资源量评价的流程化、主动化、系统化成为可能。

开展宁夏水资源量评价的目的是摸清宁夏水资源状况和特点，系统分析宁夏水资源演变规律。常规宁夏水资源量评价主要包括基础资料收集整理，数据补充监测，资料复核、分析、检验、检查，协调平衡与结果修正，方法与机理研究等环节。

宁夏水资源量评价常规业务流程如下：确定评价范围、汇总和计算单元；确定水资源量评价统一的工作底图；确定水资源量的评价内容、项目、时期和数据系列；确定水资源量和综合评价的评价方法、采用的参数及标准；收集、整理、统计、汇编各评价项目的基础资料；对水资源量评价项目开展逐一评价；对相互关联的评价内容进行复核、协调，修正评价结果；对评价结果与已有评价成果进行比对、论证，判定并调整评价结果；形成成果表格、图件和文字报告。

2 宁夏水资源量评价系统总体设计

2.1 架构设计

2.1.1 内部架构设计

宁夏水资源量评价系统内部架构描述了系统内部的运作模式，具体架构如图 1 所示，系统采用以下软件分层模式构成：

1）数据层。将数据库、文件、缓存等数据通过统一的接口封装起来，为逻辑层提供服务。

2）逻辑层。与业务相关的各系统、服务、模块统一设计为逻辑层，并以服务的方式发布接口，校验通过的请求才能调用。逻辑层不仅对外有接口，在逻辑层内部系统也存在服务的相互调用过程，但对外的接口只提供给表现层。

3）表现层。表现层也称为视图层或者客户端，目的是将输入输出结果通过人机界面的方式提供给用户。

图 1 宁夏水资源量评价系统架构图

2.1.2 界面架构设计

宁夏水资源量评价系统主要包括以下 6 个部分：

1）系统管理。包括以下 3 个导航栏：角色权限，规定了当前角色拥有系统模块的操作权限，即被赋予相关权限的角色才可对相应模块进行权限赋予的相关操作；用户管理，规定用户的权限由被赋予的权限及角色共同决定；日志管理，记录登录用户操作系统的日志。

2）基础管理。包括单元、测站管理 2 个导航栏，其中单元管理分为地表水和地下水 2 个单元。

3）数据管理。包括降水量、径流量、埋深水位、矿化度等数据的管理。

4）工作任务。包括地表和地下水资源量及总量的计算。工作任务以流程的形式进行（即只能在完成上一项子任务后才可以进行下一项子任务），而且各个子任务之间是有联系的，如只有完成了分区降水量计算才可以进行降水入渗补给量计算。

5）成果查询。完成计算后，可对地表、地下水资源量及总量，以及公报的成果进行查询。

6）统计报表。分为水利部统计表、黄河水利委员会附表，以及宁夏各分区地表、地下水资源量相关表格。

2.2 存储及组成设计

宁夏水资源量评价系统在存储服务器上完成关系数据库、文件存储和缓存系统的部署，在应用服务器上安装应用、专业计算和 GIS 服务等系统。专业计算系统提供微服务，应用系统整体作为单体系统，内部采用轻量级 SOA 架构应用，电脑浏览器作为客户端。专业计算系统与关系数据库进行交互，应用系统与电脑，以及存储、专业计算和 GIS 服务等系统交互，GIS 服务系统与文件存储系统交互。水资源量评价系统组成如图 2 所示。

图 2 宁夏水资源量评价系统组成

2.3 业务流程设计

宁夏水资源量评价系统基于地表、地下水基础数据，开发空间展布算法模型，实现分区图、等值线图的自动绘制；研发空间地理分析与运算模型，采用等值线算法实现各分区地表、地下水资源量的自动计算，基于联合平衡分析评价模块，综合地表水评价成果、水文地质参数、水资源开发利用情况等实现地下水资源量的自动计算与平衡分析；在地表和地下水资源量评价基础上，实现对分区水资源总量的分析评价；对常规业务运行流程进行规范，实现对各类评价成果（数据产品、图件产品、报表、文本、图件）的高效管理；根据业务部门的需求，将关键信息主动推送给相关技术人员与决策者。宁夏水资源量评价系统业务流程设计及主要功能总体包括数据处理、水资源量计算、成果查询及报表统计 3 个部分。

2.3.1 数据处理

宁夏水资源量评价系统数据以预设、接入、导入、人工录入的方式输入系统，以自动生成的方式输出成果，数据类型如表 1 所示。对于基础数据的奇异值、错误值需要进行修正，对于各种原因造成的数据不完整性[21]需要进行清理。对于数据系列的插补与延长，须考虑以下 2 种机制：

表 1 基础数据

1）对于待插补站点 A，系统在同一直角坐标系下寻找与站点 A 直线距离最近且无缺测的站点 B，利用站点 B 的时间分布实现插补。

2）考虑用户有更丰富的处理经验或更高的要求，设置人工干预方案，即在此处提供 Excel 数据导入模板，导入用户插补后的资料。

计算前须准备基础图件、监测数据、计算参数集等基础数据，其中站点监测数据需要审核，准备完成即可进行水资源量计算。

2.3.2 水资源量计算

2.3.2.1 地表水资源量计算

主要包括以下 2 种计算：

1）分区降水量计算。分区降水量计算流程如图3 所示。具体计算时，将表 1 中有关分区降水量的基础数据输入计算流程图进行调整计算，直到结果满意，则结束流程，输出年降水量等值线图、距平图，以及不同范围降水深度和降水量的列表数据。

2）分区径流量计算。分区径流量计算流程与分区降水量计算流程一致，主要在以下方面有所区别：10 余个实测径流站的日、月、季、年数据，站点、经验点、多年平均径流量，分区面雨量成果，径流站代表区域面积及形心位置，径流深大小范围，等值线基本线值参数。计算结束后输出年径流深等值线图、分区不同范围径流深、径流量及辅助的降水深列表数据（可通过不同分区视角切换查看）。

2.3.2.2 地下水资源量计算

分区地下水资源量计算流程与分区降水量计算流程基本一致，不同的是某一步的详细内容。基于地下水埋深、水位、矿化度等基础数据，自动实现分布图和等值线图的绘制；基于地表水计算成果、水文地质参数、地下水基础数据，实现地下水资源量的自动计算。

图 3 分区降水量计算流程

1）分区地下水埋深（水位）计算。分区地下水埋深（水位）模块计算与分区降水量计算流程一致，主要在以下方面有所区别：地下水埋深、水位、矿化度的日，月，季，年数据，地下水埋深大小范围、等值线基本线值参数。计算结束后输出地下水埋深分区图、水位等值线图，以及分区不同范围地下水埋深列表数据（可通过不同分区视角切换查看）。

2）分区地下水矿化度计算。分区地下水矿化度模块计算与分区降水量计算流程一致，主要在以下方面有所区别：站点、经验点、年平均矿化度，矿化度大小范围、等值线基本线值参数。计算结束后输出地下水矿化度分区图、分区不同范围地下水矿化度列表数据。

3）分区地下水各项参数计算。主要采用基础数据，使用各参数的计算公式计算，从而得出各项参数的计算结果。

2.3.2.3 水资源总量计算

设置一个灵活组合的模块，按照用户选择生成评价结果，行政分区和水资源分区通过 2 个控件分开控制：如选中三级区和地市选项，可以实现三级区套地市成果；选中三级区和县选项，可以实现三级区套县成果；也可以不选择水资源分区，仅单独统计全自治区的结果。

将计算得到并确认的计算单元地表和地下水资源量评价成果，统一到四级区套县的尺度，按照表格式计算分区水资源总量，供操作人员查看和确认：如确认，则进入下一个流程；如需修改，则提供引导窗口帮助操作员回到地表、地下水资源计算并进行相应调整，直到满足需求。

2.3.3 成果查询及报表统计

宁夏水资源量业务流程图如图 4 所示，完成水资源量计算即可进行计算成果的查询与导出，以及相应报表的统计和导出。结合水资源公报相关文字与表格模板自动输出相关公报内容素材，以便工作人员直接编辑、修改，提高公报制作效率。成果产出包括图件成果（各类等值线图），数据报表成果（面雨量、地表和地下水资源量），以及文档成果。

图 4 宁夏水资源量业务流程图

3 结语

本研究进行了宁夏水资源量评价系统的设计与实现，探讨了宁夏水资源管理中的应用技术，初步搭建了 ArcgGIS 基础上第 2 次开发的 GIS 平台，实现了水资源量的智能化计算。宁夏水资源量评价系统可以提升公报编制的科学性、全面性、准确性和时效性，减少宁夏水资源评价、规划、管理、监督考核等业务的工作量。

本研究仅对水资源量在宁夏水资源评价的应用进行初步探讨，后续还要结合地表、地下水的质量和开发利用量进行开发建设水资源调查评价，更大地提高评价工作效率。