趨勢分析在塔里木河水資源監(jiān)管系統(tǒng)中的應用

安 東，吳寶國，宋 倍，李 琦

（黃河水利委員會 信息中心，河南鄭州450003）

1 背 景

水資源具有時空變化特性，隨著人類活動和全球氣候變化的影響，極端水事件頻發(fā)，水資源短缺問題日益嚴重，水資源開發(fā)利用管理面臨嚴峻考驗，必須實行最嚴格水資源管理制度[1]。與傳統(tǒng)的水資源管理相比，嚴格化、精細化和系統(tǒng)化是最嚴格水資源管理的三大基本特征，必須從時間和空間上進行水資源精細化管理[2]，根據水資源情勢變化及時響應、動態(tài)調度，從自然、社會、市場多方面獲取信息，這就要求實時、動態(tài)、精準、全面、細致地掌握水資源情勢變化。

對水資源的時空變化趨勢進行分析，是水資源情勢分析和預測的關鍵手段，在水資源趨勢分析學術研究中被廣泛使用。但是其在水資源管理部門實際業(yè)務工作中的應用與普及遇到了很多難題，主要包括：①數(shù)據資料收集整理不便，趨勢分析需要大量、多專業(yè)的歷史數(shù)據和不斷更新的實時數(shù)據以保證分析的時效性和準確性；②算法、工具的專業(yè)性強，且相對獨立和分散，應用普及難度大；③缺乏全面、系統(tǒng)的趨勢分析業(yè)務梳理。

在塔里木河流域水資源信息化整合項目的建設過程中，為了解決全流域綜合水資源情勢分析的需求，基于信息化技術和水資源管理要求，建設了一套獨立的通用趨勢分析應用系統(tǒng)，能夠方便地融合到水資源業(yè)務應用平臺，易于推廣應用。

2 需求分析

2.1 塔里木河流域水資源管理概況

塔里木河是我國最大的內陸河，承擔著新疆5個地州的供水重任。塔里木河流域由九大水系組成，其中地表直接匯入塔里木河干流的源流包括阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、開都-孔雀河[3]，稱為“四源一干”。目前塔里木河流域“四源一干”已基本建成采集、傳輸、存儲、分析、調度為一體的水聯(lián)網體系，以及服務于全流域水量統(tǒng)一調度的塔里木河流域管理局（簡稱塔管局）綜合業(yè)務應用平臺。塔管局從管理體制和信息化手段上均已實現(xiàn)全流域統(tǒng)一調度和管理。

2.2 趨勢分析需求

水資源管理包括對水資源供、用、耗、排各個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一管理，在水資源合理開發(fā)利用的同時，還要保障水資源可持續(xù)利用，降低對生態(tài)環(huán)境的影響。在進行流域水資源統(tǒng)一管理與調度時，需要掌握水資源各環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀特征及變化趨勢。從發(fā)生變化的水文水資源情勢中分析自然水循環(huán)水文特征的自然規(guī)律，準確把握人工水文循環(huán)供、用、耗、排機理，揭示水資源供需變化和生態(tài)環(huán)境變化，是水資源合理配置和生態(tài)環(huán)境保護的依據，也是對實行最嚴格水資源管理、水生態(tài)文明建設效果的直觀反映[4-6]。

2.3 趨勢分析分類

針對塔管局的水資源管理需求，具體到水資源管理部門，可以將趨勢分析需求劃分為來水和供水、需水和取用水、用水效益、生態(tài)環(huán)境4類（見表1）。

表1 趨勢分析內容分類

（1）來水和供水趨勢分析，主要對降水、徑流、水庫蓄水等因素的長序列和動態(tài)實時變化趨勢進行分析。

（2）需水和取用水趨勢分析，從需用水用途、水源兩方面進行分析，從而嚴格用水總量控制，合理安排生產布局，與水資源條件相適應。

（3）用水效益趨勢分析，包括萬元國內生產總值用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農田灌溉有效利用系數(shù)3個方面，是最嚴格水資源管理的重要考核指標。

（4）生態(tài)環(huán)境趨勢分析，從地下水情、生態(tài)輸水、水域面積、植被覆蓋率等方面進行綜合分析。

3 通用趨勢分析系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

該系統(tǒng)依托水聯(lián)網體系提供強大的數(shù)據資源，利用成熟的水文序列趨勢分析方法，搭建數(shù)據庫層通用趨勢分析算法庫，提供多對象、多要素、多尺度的水資源綜合趨勢分析服務，建立趨勢分析專用圖庫實現(xiàn)水資源情勢分析的可視化表達，結合實際的水資源業(yè)務應用系統(tǒng)，實現(xiàn)簡潔、實用、靈活的趨勢分析功能。通用趨勢分析系統(tǒng)的總體結構包括業(yè)務應用、分析服務、外部數(shù)據源和數(shù)據庫4部分（見圖1）。

圖1 通用趨勢分析系統(tǒng)總體結構

（1）業(yè)務應用。通用趨勢分析系統(tǒng)以Web方式，提供自定義趨勢分析、預定義趨勢分析、可視化趨勢分析組件3種標準化應用。

（2）分析服務。通用趨勢分析系統(tǒng)提供趨勢分析處理服務，進行定時或人工趨勢分析處理。該服務分別調用趨勢分析定義服務（定義趨勢分析的數(shù)據范圍、分析算法）、數(shù)據抓取服務（從外部數(shù)據源中獲取數(shù)據）和算法調用服務來實現(xiàn)功能處理。

（3）外部數(shù)據源。通用趨勢分析系統(tǒng)進行趨勢分析的數(shù)據來源于所嵌入系統(tǒng)的水資源業(yè)務數(shù)據源。通過趨勢分析服務定義的數(shù)據從外部數(shù)據源中獲取。對于水調管理業(yè)務，主要包括來水水情、需水水情、取用水水情、下泄水情、水費及社會效益、用水效益等水調業(yè)務數(shù)據庫。

（4）數(shù)據庫。通用趨勢分析系統(tǒng)數(shù)據庫包括算法庫和成果庫。其中：算法庫包括各類算法函數(shù)、算法參數(shù)基礎表等，成果庫存儲趨勢分析結果公式及系數(shù)、計算結果時序數(shù)組等。系統(tǒng)趨勢分析的原始數(shù)據來源于外部數(shù)據源。

3.2 業(yè)務應用功能

針對水資源趨勢分析業(yè)務需求，充分考慮系統(tǒng)的易操作性、靈活性和可擴展性，設計了3個主要功能模塊。

（1）自定義趨勢分析方案模塊。提供可自定義時間尺度、時間范圍和統(tǒng)計對象及要素的趨勢分析服務，以滿足水資源情勢分析涉及多對象、多要素、多尺度的分析要求。自定義設置的趨勢分析方案可作為模板保存，以方便后續(xù)使用。

（2）預定義趨勢分析方案模塊。該系統(tǒng)在分析水文水資源要素對流域水資源情勢影響的基礎上，預定義多種服務于水資源情勢分析的常用趨勢分析方案。方案中對趨勢分析的對象、要素、時間尺度、時間范圍均進行了常規(guī)設定，選擇相應方案即可查看來水趨勢分析、用水趨勢分析、下泄趨勢分析、生態(tài)趨勢分析、綜合趨勢分析等的結果。

（3）可視化趨勢分析模塊。將趨勢分析與水資源管理常用功能緊密結合，如在面向決策層的水資源綜合信息概覽功能中嵌入流域歷年來水變化趨勢圖，以及作為生態(tài)修復成效重要考核指標的生態(tài)輸水量歷年變化趨勢圖和地下水位歷年變化趨勢圖等，為綜合決策提供直觀的水資源情勢分析。

3.3 處理流程

通用趨勢分析系統(tǒng)在處理流程設計上充分考慮用戶體驗，提供操作簡單、結果明確的功能界面，其前后臺交互處理流程見圖2。

圖2 趨勢分析處理流程

（1）設置趨勢分析方案。提供簡單明確的功能界面，用戶根據需求選擇預定義的趨勢分析方案模板，或者自定義設置趨勢分析的對象要素類型、參與統(tǒng)計計算的時序數(shù)據的時間范圍以及時間粒度。

（2）獲取原始數(shù)據。根據用戶選擇的趨勢分析方案，從業(yè)務數(shù)據庫中獲取參與分析計算的原始時間序列數(shù)據。

（3）數(shù)據預處理。對原始時序數(shù)據進行數(shù)據一致性和完整性預處理，包括異常數(shù)據檢查、缺漏數(shù)據處理、數(shù)據精度一致性處理等，降低因數(shù)據質量參差不齊而導致的數(shù)據分析結果不可靠的概率。

（4）運行算法進行計算。將預處理后的中間數(shù)據輸入到選定的算法計算程序，運行算法進行趨勢分析計算。

（5）生成計算結果。趨勢分析算法的直接計算結果是趨勢線公式的系數(shù)。為實現(xiàn)計算結果的可視化展示，趨勢分析計算程序將輸出一組時刻與數(shù)值對應的時序數(shù)。

（6）可視化展示分析結果。在前端功能界面中嵌入趨勢圖庫中封裝的趨勢圖組件，將趨勢分析計算結果用專業(yè)的趨勢分析圖直觀地展示給用戶。

3.4 典型算法實現(xiàn)

趨勢分析的方法有很多，大體分為參數(shù)統(tǒng)計法和非參數(shù)統(tǒng)計法兩類。參數(shù)統(tǒng)計法是對原始數(shù)據直接統(tǒng)計分析，研究其整體變化趨勢，如線性滑動平均法、累計距平法、線性回歸法等。非參數(shù)統(tǒng)計法是對基于原始數(shù)據獲得的秩進行統(tǒng)計分析，其優(yōu)點是避免受少數(shù)異常值和缺失數(shù)據的影響，而且比參數(shù)統(tǒng)計法更適用于非正態(tài)分布，具體方法有Spearman秩相關系數(shù)法、Mann-Kendall趨勢分析法、小波分析法等[7-8]。根據塔管局綜合業(yè)務應用平臺的數(shù)據情況和趨勢分析需求，在系統(tǒng)中采用了線性回歸最小二乘法。

最小二乘法回歸方程式為

式中：i為參與趨勢分析計算的原始數(shù)據個數(shù)；（Xi，Yi）為一組原始時序數(shù)據；、為方程的參數(shù)；ei為樣本（ Xi，Yi）的誤差。

在算法運行中將原始數(shù)據的時間序列代入Xi、相應時間對應的原始數(shù)據代入Yi，即可求出趨勢線的標準方程。最后將時間序列代入趨勢線標準方程中，即可求得趨勢線上與時間序列對應的趨勢線數(shù)值，該數(shù)據與時間序列對應組成一組時間與數(shù)值對應的時序數(shù)組，即繪制趨勢圖所需的結果數(shù)據。

4 塔管局綜合業(yè)務應用平臺趨勢分析功能開發(fā)

4.1 系統(tǒng)總體結構及趨勢分析功能

塔管局綜合業(yè)務應用平臺（以下簡稱應用平臺）主要由數(shù)據資源層、應用支撐層、業(yè)務應用層、數(shù)據交換平臺和應用安全等部分組成（見圖3）。將趨勢分析系統(tǒng)的數(shù)據庫、服務層和應用層分別部署到數(shù)據資源層、應用支撐層、業(yè)務應用層中。趨勢分析系統(tǒng)以內嵌的方式與應用平臺進行整合，提供無縫的應用集成。

圖3 塔管局綜合業(yè)務應用平臺總體結構

（1）數(shù)據資源層。趨勢分析系統(tǒng)的數(shù)據庫主要包括趨勢分析算法庫和分析結果庫，在應用平臺的數(shù)據庫服務器中直接部署和初始化數(shù)據庫；趨勢分析系統(tǒng)所需要的水資源業(yè)務數(shù)據源直接使用應用平臺的數(shù)據庫，通過數(shù)據訪問接口獲取數(shù)據。

（2）應用支撐層。趨勢分析服務模塊部署在應用支撐層的業(yè)務應用服務中，使用與平臺兼容的服務協(xié)議。

（3）業(yè)務應用層。趨勢分析應用功能采用Web方式實現(xiàn)，根據應用平臺的應用需求，在應用平臺中實現(xiàn)歷年來水下泄趨勢分析、歷年用水趨勢分析、生態(tài)斷面地下水情趨勢分析、歷次生態(tài)輸水趨勢分析、土地覆被變化趨勢分析、來水實時統(tǒng)計分析、用水實時統(tǒng)計分析等7個定制的數(shù)據統(tǒng)計和趨勢分析功能并嵌入到綜合監(jiān)控監(jiān)測和水資源管理模塊中。同時，采用Web組件方式的趨勢分析組件，內嵌到綜合展示與服務信息系統(tǒng)的相關界面中。

4.2 趨勢分析功能設計

在應用平臺中，基于趨勢分析系統(tǒng)的預定義趨勢分析模塊，以獨立功能的方式提供了以下7種趨勢分析功能。

（1）歷年來水下泄趨勢分析。對任意歷史年份各源流的上游來水情況及流域出口斷面的下泄情況進行趨勢計算，呈現(xiàn)來水下泄的變化趨勢。

（2）歷年用水趨勢分析。對任意歷史年份地州、兵團、市（縣）等各級用水單位的用水情況進行趨勢分析。

（3）生態(tài)斷面地下水情趨勢分析。對任意時段生態(tài)斷面的地下水相關監(jiān)測指標（如地下水位、埋深、礦化度、電導率等）進行變化趨勢分析。

（4）歷次生態(tài)輸水趨勢分析。對任意歷史年份生態(tài)輸水情況進行趨勢分析。

（5）土地覆被變化趨勢分析。對多年遙感影像解譯的土地覆被結果進行趨勢分析計算，分析土地覆被變化情況。

（6）來水實時統(tǒng)計分析。根據每日實時更新的來水數(shù)據，進行短期來水趨勢分析，及時掌握來水情勢，以便動態(tài)響應。

（7）用水實時統(tǒng)計分析。對實時采集的取水口取水數(shù)據、每日更新的用水單位用水量數(shù)據進行趨勢分析，及時掌握用水情勢，以便開展實時調度。

4.3 典型功能介紹

4.3.1 來水下泄趨勢分析

流域來水變化趨勢是流域水資源情勢分析的關鍵因素，歷年來水變化趨勢分析是對流域當前水資源量進行評估以及對今后水資源量進行預測的重要手段。來水下泄趨勢分析功能將流域來水變化趨勢和下泄變化趨勢分析結果呈現(xiàn)在同一個時間維度上，為流域水資源綜合情勢分析提供了更豐富的數(shù)據依據。根據用戶選擇的流域、時間范圍，從數(shù)據庫中獲取相應的數(shù)據進行趨勢分析計算，分析結果以統(tǒng)計表和折線圖的形式進行展示（見圖4，圖中數(shù)據為測試數(shù)據）。

圖4 綜合趨勢分析結果展示

4.3.2 生態(tài)輸水歷年變化趨勢

塔里木河向下游生態(tài)輸水是流域生態(tài)文明建設的重要內容之一，對恢復其尾閭臺特瑪湖生態(tài)環(huán)境至關重要。生態(tài)輸水量的逐年變化趨勢是生態(tài)修復工作成效的重要體現(xiàn)。生態(tài)輸水歷年變化趨勢分析功能根據用戶所選擇的年份時段查詢生態(tài)輸水斷面的逐年下泄量，繼而對歷年生態(tài)輸水下泄量進行趨勢分析計算，以統(tǒng)計表和折線圖的形式直觀地呈現(xiàn)趨勢分析結果（見圖5，圖中數(shù)據為測試數(shù)據）。

圖5 生態(tài)輸水歷年變化趨勢分析結果展示

5 結 語

基于本研究開發(fā)的趨勢分析系統(tǒng)在塔管局綜合業(yè)務應用平臺中得到了實際驗證，取得了良好的應用效果。系統(tǒng)應用將趨勢分析方法與水資源情勢分析業(yè)務相結合，增強了水資源管理的科學性，提升了對水資源管理過程及變化情況的監(jiān)管能力；實現(xiàn)了趨勢分析功能通用性和靈活性的有機統(tǒng)一，降低了應用系統(tǒng)的設計開發(fā)難度；實現(xiàn)了與水聯(lián)網和大數(shù)據處理技術的結合，解決了趨勢分析應用中數(shù)據獲取難、質量差、總量小的問題，增強了水資源情勢趨勢分析的實時性和準確性。