韓 楓 王 威 魏 磊

（河南省水文水資源局 河南 鄭州450003）

1 引言

研究建設水質(zhì)監(jiān)測與信息服務系統(tǒng)是水利信息化的基本要求。《全國水利信息化規(guī)劃》（“金水工程”規(guī)劃）[1]將水質(zhì)監(jiān)測信息系統(tǒng)列為水利信息化重點發(fā)展的七大信息系統(tǒng)之一?！度珖畔⒒l(fā)展“十二五”規(guī)劃》[2]明確要求利用先進的信息技術，通過規(guī)范化的信息管理，對各類水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并促進信息資源在水資源管理和保護中的有效利用。水質(zhì)監(jiān)測與評價信息服務系統(tǒng)集水質(zhì)業(yè)務于一體，將給水質(zhì)監(jiān)測評價工作帶來根本改變，有效解決一些嚴重困擾水質(zhì)工作者的難題。滿足各級水行政主管部門進行水功能區(qū)管理、地下水管理、水資源保護、開發(fā)利用和保障飲用水安全的需要，為貫徹落實“最嚴格水資源管理制度”，完成全省水功能區(qū)達標考核工作提供強有力的數(shù)據(jù)保障。

2 開發(fā)目標

利用現(xiàn)有的軟硬資源，結合河南省水質(zhì)業(yè)務的實際情況，建立一套標準的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體系。在此基礎上，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的信息化采集、處理、傳輸、存儲到大量數(shù)據(jù)信息的集中管理、統(tǒng)計分析、預警預報以及信息發(fā)布等，達到準確、及時地進行水質(zhì)評價，判斷水質(zhì)變化趨勢及成因分析，全面反映水質(zhì)變化動態(tài)及提高對突發(fā)性水污染事故的預警預報應急能力，最終建成一個對常規(guī)管理和決策支持提供高效水質(zhì)信息服務的系統(tǒng)平臺，滿足各級水行政主管部門進行水功能區(qū)管理、水資源保護、開發(fā)利用和保障飲用水安全的需要[3]。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

3 結構設計與系統(tǒng)關鍵技術

整個系統(tǒng)采用JAVA語言開發(fā)，符合J2EE開發(fā)規(guī)范，使整個系統(tǒng)具備跨平臺的能力。采用MVC模式開發(fā)，應用Struts和Hibernate成熟框架[3]，有效提高系統(tǒng)靈活性和可維護性[4-5]。系統(tǒng)分為客戶層、Web層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)架構見圖2?？蛻魧幼鳛橄到y(tǒng)程序邏輯入口點，用戶在客戶端啟動瀏覽器后，從WEB服務器中下載WEB層中的靜態(tài)HTML頁面或由JSP或Servlet動態(tài)生成的HTML頁面，客戶層使用的技術主要有Javascript、HTML、XML、JavaApplet等。Web層由JSP頁面、Servlets等構成，這些基本元素在組裝過程中通過打包來創(chuàng)建Web組件。業(yè)務層主要用于原始數(shù)據(jù)處理，是系統(tǒng)中業(yè)務邏輯的核心。主要通過構建Enterprise JavaBean（EJB）組件來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)層主要分為數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)訪問層主要用來為業(yè)務規(guī)則層提供其運算所必須的各類水質(zhì)業(yè)務數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲層是整個系統(tǒng)的基礎，該層中的表格或視圖往往對應于數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)表或具體業(yè)務中的各類對象。數(shù)據(jù)層的作用主要是為業(yè)務規(guī)則層提供各類數(shù)據(jù)的實體，以方便業(yè)務規(guī)則層進行各類業(yè)務數(shù)據(jù)的計算。數(shù)據(jù)的存儲結構使用中華人民共和國水利行業(yè)標準《水質(zhì)數(shù)據(jù)庫表結構與標識符規(guī)定》（SL325－2014）[6]，建立全省統(tǒng)一的標準數(shù)據(jù)體系，改變以往數(shù)據(jù)碎片化、標準雜亂的弊端。為未來與全國系統(tǒng)的對接奠定了基礎。

圖2 系統(tǒng)架構圖

3.1 WebGIS平臺Seemap

是一種典型的GISApplet，GIS Applet是新一代WebGIS的解決方案，采用Java語言開發(fā)。系統(tǒng)構造主要由三部分組成：瀏覽器端系統(tǒng)，Servlet，后臺服務管理程序。可以做到和瀏覽器無縫集成，并且根據(jù)需要自動從服務器下載到客戶的瀏覽器端運行，真正實現(xiàn)客戶端零安裝。Seemap的地圖數(shù)據(jù)格式支持空間數(shù)據(jù)標準規(guī)范，平臺支持顯示兼容第三方主流Gis平臺數(shù)據(jù)格式。瀏覽器端以頁面的形式運行在瀏覽器中。界面主要由功能區(qū)、地圖工具條按鈕以及地圖區(qū)構成，地圖區(qū)是以java小應用程序（Applet）的方式嵌入到頁面中，由java虛擬機解釋執(zhí)行，Applet中的數(shù)據(jù)庫請求操作是通過隧道通信，連接服務器端的Servlet，由Servlet完成數(shù)據(jù)庫的請求。后臺服務管理程序是一個java的應用程序，常通過配置ODBC，以ODBC-JDBC橋的形式連接數(shù)據(jù)庫，Servlet采用J2EE技術，運行在J2EE容器中，采用Apache Tomcat做為Web服務器。

作為一種非傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)，Seemap運行程序小巧，數(shù)據(jù)存儲效率高并可讓數(shù)據(jù)自動分割，解決互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)傳輸問題；SeeMap對后臺服務器的性能無特殊要求，能很好地支持多用戶并發(fā)訪問；有自己的圖形存儲格式，目的是提高圖形傳輸速度；客戶端有豐富的網(wǎng)頁開發(fā)接口；多條路徑訪問數(shù)據(jù)庫，增強數(shù)據(jù)庫訪問的靈活性和安全性；后臺有在線數(shù)據(jù)制作和維護系統(tǒng)，建立地圖動態(tài)發(fā)布機制。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)工具

使用BIRT（百靈報表）作為系統(tǒng)報表工具，報表格式為標準XML文件交換格式，引擎基于OSGI框架。采用PowerDesigner11作為數(shù)據(jù)庫設計工具。使用Eclipse開發(fā)應用服務器上的所有的java類程序。采用Together Edition 6.1作為UML建模工具。用SOA技術架構作為系統(tǒng)整體實現(xiàn)的技術模式。使用XML作為與外系統(tǒng)的交換格式和內(nèi)部關鍵數(shù)據(jù)的描述格式。

4 主要功能設計

水質(zhì)監(jiān)測與評價信息服務系統(tǒng)緊密結合水質(zhì)業(yè)務工作，主要著眼于提高水質(zhì)業(yè)務工作的效率，提高水資源管理決策的準確性和實效性。同時考慮水質(zhì)業(yè)務工作的日益復雜和繁瑣，強化了系統(tǒng)的可維護性和功能延展擴充。系統(tǒng)主要有以下幾種功能。

4.1 水質(zhì)評價分析

水質(zhì)評價是本系統(tǒng)的核心部分，主要完成對各種評價對象的水質(zhì)評價。評價對象分為基本評價對象和區(qū)域統(tǒng)計評價對象，基本評價對象有地表水監(jiān)測站、地下水監(jiān)測站、入河排污口監(jiān)測站、水功能區(qū)、湖庫和水源地等，區(qū)域統(tǒng)計評價對象有流域水系、水資源分區(qū)和行政區(qū)劃。水質(zhì)評價主要依據(jù)現(xiàn)行國家標準對水資源質(zhì)量狀況進行評價分析。評價類型主要包括單因子評價、水源地指數(shù)評價、水功能區(qū)水質(zhì)達標評價、水功能區(qū)納污能力達標評價、湖庫營養(yǎng)化評價、地下水監(jiān)測站單項組分評價、地下水監(jiān)測站綜合評價、地表水天然水化學特征評價、地表水監(jiān)測站污染物通量計算、入河排污口監(jiān)測站污染物通量計算及達標計算、地表水監(jiān)測站底質(zhì)污染評價、地表水監(jiān)測站監(jiān)測項目趨勢分析、水質(zhì)數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析等。水質(zhì)評價流程見圖3。

用戶可根據(jù)需要選擇單個評價對象或者區(qū)域評價對象輸出評價結果，也可自定義評價對象范圍，自由選擇評價群組。系統(tǒng)可輸出旬、月度、雙月、季度、半年、全年、汛期、非汛期以及任意時段內(nèi)評價結果。水質(zhì)測站評價輸出主要超標項目、最大值超標倍數(shù)和極值；頻次法評價水功能區(qū)時輸出主要超標項目、超標率和極值；平均值法評價水功能區(qū)時輸出主要超標項目、最大值超標倍數(shù)和極值；湖庫富營養(yǎng)化評價輸出營養(yǎng)狀態(tài)分數(shù)；入河排污口評價結果輸出排污量結果等等。所有評價結果可以以excel格式導出。分析子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析見圖3。

4.2 數(shù)據(jù)服務與信息發(fā)布

主要由評價結果信息發(fā)布、各種定制報表和報告的輸出、新聞及其他信息發(fā)布、基本評價對象的修改和查詢、評價結果查詢、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)添加、校核和查詢、水質(zhì)數(shù)據(jù)整編以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芙M成。

系統(tǒng)定制報表包含水質(zhì)公報報表、水質(zhì)通報報表和水質(zhì)業(yè)務常用報表三類。水質(zhì)公報報表根據(jù)GB/T 23598-2009《水資公報編制規(guī)程》中各種水質(zhì)報表格式要求，對各年水質(zhì)評價結果進行統(tǒng)計匯總，直接生成滿足《中國水資源公報》編制要求的水質(zhì)報表。水質(zhì)通報報表用于河南省水資源質(zhì)量狀況通報的編制。常用報表可輸出監(jiān)測站特征值表、水質(zhì)監(jiān)測成果表、排污口達標狀況統(tǒng)計表、水功能區(qū)監(jiān)測成果表等；以上報表可以根據(jù)需要自由界定輸出區(qū)域范圍，自由選擇是否輸出水資源分區(qū)、行政分區(qū)、流域水系等信息。水質(zhì)評價報告是指系統(tǒng)根據(jù)評價結果和統(tǒng)計結果，按水質(zhì)報告模板自動生成的文檔，按照用戶選擇的范圍和方式進行生成。

新聞及其他信息發(fā)布主要是由管理員通過在線編輯的方式發(fā)布水質(zhì)動態(tài)、行業(yè)規(guī)范等其他行業(yè)信息。信息發(fā)布主要分為6個欄目：水質(zhì)動態(tài)、水質(zhì)報告、工作動態(tài)、水質(zhì)常識、技術規(guī)范、公示公告。

少量基本信息和檢測數(shù)據(jù)的添加修改和校核可以使用直觀對話框模式進行，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入系統(tǒng)提供人工校核功能，并對人工校核過的數(shù)據(jù)做記錄。數(shù)據(jù)整編主要用于批量處理數(shù)據(jù)，主要實現(xiàn)基本信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的excel表格校核和入以及數(shù)據(jù)維護日志記錄、數(shù)據(jù)庫錯誤修訂等功能。系統(tǒng)設置有輔助排錯模塊，用于數(shù)據(jù)輔助糾錯并對用戶發(fā)出警示，主要包括數(shù)據(jù)有效位數(shù)校驗、數(shù)據(jù)格式校驗、同比值校驗、環(huán)比值校驗、水體化學組分關系校驗等。關鍵信息缺失的數(shù)據(jù)表格不能導入系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊用于通過數(shù)據(jù)加密的方式實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測下級向上級單位上報測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要完成上報數(shù)據(jù)文件的生成，生成的文件放在特定的目錄下，數(shù)據(jù)傳輸程序監(jiān)控這個特定的目錄，完成數(shù)據(jù)上報過程。同時系統(tǒng)也提供數(shù)據(jù)導出為交換文件，離線傳輸數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)運行的兼容性。

4.3 WebGIS地圖

圖3 系統(tǒng)水質(zhì)評價流程

系統(tǒng)中的WebGIS，包含3個主要部分：平臺、二次開發(fā)以及基礎地圖數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)以矢量圖為主，以圖層的方式組織，分為基本圖層和業(yè)務圖層。WebGIS采用Seemap平臺。用戶可以使用的地圖操作主要有漫游地圖、距離測量、面積測量、鷹眼地圖顯示、隱藏顯示指定圖層、顯示各種不同的效果圖、定位地物對象查看屬性、按不同方式查詢地物對象屬性、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)的分析和查詢等。系統(tǒng)提供各種類型的專題地圖，包括地表水監(jiān)測站、水源地監(jiān)測站、省界監(jiān)測站、地下水監(jiān)測站、水功能區(qū)、湖庫營養(yǎng)化、達標考核水功能區(qū)等專題地圖。各專題地圖根據(jù)測站等級或者水功能區(qū)等級又劃分為子地圖，用戶可以直接查看不同等級的測站或水功能區(qū)水質(zhì)狀況。

地圖提供地圖對象渲染接口。通過改變測站、湖庫、水功能區(qū)等對象的顏色，來直觀的表示該對象的狀態(tài)。如：通過當前監(jiān)測站或水功能區(qū)水質(zhì)評價結果改變監(jiān)測站圖標或水功能區(qū)顏色，來表示該監(jiān)測站或水功能區(qū)當前的水質(zhì)等級；根據(jù)當前湖庫營養(yǎng)化評價等級改變湖庫顏色，來表示湖庫當前的營養(yǎng)化程度。在水庫藍藻水華預警系統(tǒng)中，通過湖庫顏色變化，來實時預警水庫藍藻水華事件。

地圖提供時間選擇功能，在不同的專題地圖中有不同的展現(xiàn)，當選擇一個時間后，當前的專題地圖就會展現(xiàn)當前專題、時間的水質(zhì)情況。以相應水質(zhì)等級類別為依據(jù)，系統(tǒng)地圖提供了兩種形式的統(tǒng)計顯示圖，餅圖側重顯示統(tǒng)計面積比重，列表直觀顯示統(tǒng)計數(shù)據(jù)。點擊不同專題地圖下任意站點，可彈出對話框，顯示該站點的歷史水質(zhì)曲線變化圖、相關基礎信息顯示和最新水質(zhì)評價信息。

4.4 水質(zhì)預測與趨勢分析

本系統(tǒng)水質(zhì)預測與趨勢分析模塊主要包含利用水質(zhì)模型進行水質(zhì)預測分析；利用水質(zhì)模型進行納污能力計算；季節(jié)性肯達爾趨勢檢驗；水質(zhì)站點水質(zhì)時間變化曲線；水質(zhì)站點沿程變換曲線等。系統(tǒng)內(nèi)置了常用水質(zhì)模型，主要有河道零維、一維、二維模型，湖庫均勻和非均勻混合模型、湖庫富營養(yǎng)化狄龍模型和合田健模型，河口一維模型等?？梢阅M河流、湖庫、河口3類水域水質(zhì)狀況,也可以進行相應水域的納污能力計算。此外，還可建立水質(zhì)線性回歸方程和指數(shù)方程等，用于缺少調(diào)查資料時的灰色預測。

由于水質(zhì)模型參數(shù)的選取在很大程度上影響模型計算的精確性，因此對于水質(zhì)模型的參數(shù)率定功能是十分必要的，本系統(tǒng)提供水質(zhì)模型參數(shù)率定和參數(shù)交互修正模塊，對于河流模型參數(shù)的率定主要采用經(jīng)驗公式優(yōu)選法。湖庫參數(shù)率定主要采用遺傳算法對湖庫模型參數(shù)進行優(yōu)選。河口水質(zhì)模型的相關參數(shù)亦采用經(jīng)驗公式優(yōu)選進行單獨率定。參數(shù)交互修正功能是對上部分參數(shù)率定功能的補充，當用戶對參數(shù)經(jīng)驗公式率定結果不滿意時，交互修正功能使得用戶可以根據(jù)水域?qū)嶋H情況直接修改模型參數(shù)，并與系統(tǒng)交互同步看到參數(shù)模擬效果，不斷修改參數(shù)值，直到取得較好的模擬效果為止。

4.5 用戶與系統(tǒng)管理

系統(tǒng)用戶管理功能主要維護用戶的增加、刪除、修改和查詢，可以給用戶設定密碼和分配角色，一個用戶可以有多種角色。系統(tǒng)提供角色的增加、刪除、修改等功能，可對不同角色所具有的權限進行刪改，也可以建立新的角色。系統(tǒng)提供三種默認的角色，分別是超級管理員、管理員和評價人員。系統(tǒng)用戶按權限可以劃分為超級管理員用戶、管理員用戶、水質(zhì)評價用戶、普通用戶。

系統(tǒng)管理主要進行一些初始化配置，或者對系統(tǒng)進行一些相應的設置。用戶可根據(jù)需要設定水質(zhì)評價所需的標準，也可自建標準；可根據(jù)需要設定參與水質(zhì)評價的項目；可自建評價對象和評價項目群組；可對一些系統(tǒng)參數(shù)進行設置，如水質(zhì)評價汛期設置、內(nèi)置評價指標設置和修改等。此外系統(tǒng)還具備登陸日志查詢、數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)庫備份等功能，方便對軟件系統(tǒng)的維護。

5 系統(tǒng)建設體會及展望

該系統(tǒng)基本上覆蓋了水利部門水質(zhì)業(yè)務工作，信息化、自動化程度高，數(shù)據(jù)庫和圖表遵循水質(zhì)技術標準，大大減輕了工作人員的負擔，提高了數(shù)據(jù)分析處理的時效性和準確性，有效減少了水質(zhì)數(shù)據(jù)碎片化的可能；豐富的查詢功能可滿足不同評價范圍和評價類別的結果輸出；WebGIS地圖系統(tǒng)響應速度快,圖表分析豐富,可快速查找指定區(qū)域的水質(zhì)信息；應用軟件采用模塊化構造和成熟的技術，系統(tǒng)配置簡單易上手，使得系統(tǒng)擁有較強的擴展性和可維護性。

在使用過程中,為適應水質(zhì)工作的新要求,系統(tǒng)功能需不斷改進和升級。例如,在使用過程中發(fā)現(xiàn),水資源管理部門對數(shù)據(jù)的需求層級越來越多,需要對不同范圍的測站進行評價,要求參與評價的項目也不盡相同,針對這一需求,補充開發(fā)了分組評價模塊,用戶可以自由對參與評級的測站或評價項目分別組建不同的群組，從而滿足不同的需求。針對目前水利部門開展的“水功能區(qū)達標考核工作”，為水質(zhì)測站屬性增加了是否列入國家考核目錄屬性，增加了原來系統(tǒng)不具備的“雙指標評價”方法，增加了水功能區(qū)全年評價結果輸出極值功能。

［1］中華人民共和國水利部.全國水利信息化規(guī)劃［R］.2003.

［2］中華人民共和國水利部.全國水利信息化發(fā)展“十二五”規(guī)劃［R］.2012.

［3］Apache軟 件基金.ApacheStruts［OL］.［2010-11-02］.http://struts.apache.org/#Welcome.

［4］彭輝，毛學文，高俊杰.水資源質(zhì)量信息共享服務系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.水利信息化，2011（5）:52-55.

［5］曲朝陽，田雨，王富森.基于Struts+Hibernate架構的應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.東北電力大學學報，2006（8）：18-22.

［6］SL325-2014.水質(zhì)數(shù)據(jù)庫表結構與標識符規(guī)定［S］.