劉慶濤，張淑娜，周政輝，嚴宇紅

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水資源勘測局，河南 漯河 462000）

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國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）系統(tǒng)建設(shè)思考與實踐

劉慶濤1，張淑娜1，周政輝2，嚴宇紅1

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水資源勘測局，河南 漯河 462000）

摘 要：分析地下水監(jiān)測現(xiàn)狀及面臨的問題，提出國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）系統(tǒng)建設(shè)的目標和任務(wù)要求，基于新形勢下地下水監(jiān)測的需求，從系統(tǒng)的總體構(gòu)架、部署構(gòu)架及各組成部分內(nèi)容等方面給出國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）系統(tǒng)的建設(shè)構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：水利；地下水監(jiān)測；信息系統(tǒng)；系統(tǒng)構(gòu)架

0　引言

地下水是水資源的重要組成部分，是我國重要的供水水源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的重要因素，在水資源管理和地質(zhì)環(huán)境保護等方面，都要依靠地下水信息數(shù)據(jù)。地下水監(jiān)測是認識和掌握地下水動態(tài)變化特征、分析評價地下水資源、制定合理開發(fā)利用與有效保護措施、減輕和防治地下水污染及其相關(guān)生態(tài)環(huán)境等問題的重要基礎(chǔ)，以及實行最嚴格的水資源管理制度對地下水信息的基本需求。但是，目前的地下水監(jiān)測工作仍比較滯后，全國性的地下水監(jiān)測能力嚴重不足，不能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展。

目前，水利系統(tǒng)現(xiàn)有地下水監(jiān)測站網(wǎng)主要集中在我國北方地區(qū)，南方地區(qū)還存在大量監(jiān)測空白區(qū)?，F(xiàn)有監(jiān)測井多借用生產(chǎn)井和民用井監(jiān)測，專用監(jiān)測井較少；監(jiān)測方法主要依靠人工觀測，信息采集、傳輸手段落后，不能實時掌握地下水動態(tài)信息；地下水監(jiān)測信息的接收存儲、交換共享和綜合服務(wù)嚴重落后。為改變此局面，開展國家地下水監(jiān)測工程項目建設(shè)，完善地下水監(jiān)測站網(wǎng)，將國內(nèi)外先進的監(jiān)測技術(shù)與儀器設(shè)備用于地下水監(jiān)測工作，有效提高地下水信息的自動采集能力、共享服務(wù)能力及信息采集傳輸?shù)臅r效性，大幅提高地下水監(jiān)測與信息服務(wù)能力，為經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供可靠的技術(shù)支撐，經(jīng)國家發(fā)改委批準由水利和國土資源部門共同建設(shè)國家地下水監(jiān)測工程。2015年6月，國家地下水監(jiān)測工程初步設(shè)計投資概算由國家發(fā)改委核定后，由水利部和國土資源部聯(lián)合審批，標志著國家地下水監(jiān)測工程正式啟動［1］。

1　建設(shè)目標和任務(wù)

1.1建設(shè)目標

在現(xiàn)有的地下水監(jiān)測站網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過進一步優(yōu)化補充監(jiān)測站，建設(shè)相對完善的國家級地下水監(jiān)測站網(wǎng)。以先進的地下水監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備為支撐，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，構(gòu)建一個集地下水信息采集、傳輸、處理、分析及信息服務(wù)為一體的信息系統(tǒng)，基本實現(xiàn)對大型平原、盆地、巖溶山區(qū)、重要水源地和超采區(qū)為重點的全國地下水動態(tài)監(jiān)測體系，為合理開發(fā)利用、優(yōu)化配置、科學(xué)管理、地下水環(huán)境保護、水資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2］。

1.2建設(shè)任務(wù)

基于國家、流域、省、地市級監(jiān)測體系支撐的分布式系統(tǒng)，主要完成地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收處理、交換共享、存儲管理、統(tǒng)計分析、成果發(fā)布和信息服務(wù)等工作，建設(shè)目標為 1 個國家地下水監(jiān)測中心（與國土資源部共同購置）、7 個流域監(jiān)測中心、32 個省級（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團）監(jiān)測中心、280 個地市級監(jiān)測分中心，新（改）建 10 298 個地下水監(jiān)測站、相應(yīng)配套地下水水位、水溫、泉流量、水質(zhì)等信息自動采集傳輸處理設(shè)備等。系統(tǒng)信息流程如圖 1 所示。

圖1　信息流程圖

1）監(jiān)測中心。開展地下水監(jiān)測信息處理、存儲、共享和服務(wù)的地下水?dāng)?shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)建設(shè)，配備相應(yīng)的軟硬件設(shè)備。省級監(jiān)測中心將監(jiān)測站監(jiān)測的數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫，同時通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)分別共享到國家地下水監(jiān)測中心、流域監(jiān)測中心和地市級分中心；并實現(xiàn)與國家地下水監(jiān)測工程國土資源部門監(jiān)測信息的共享。

2）監(jiān)測站。分布于全國的地下水監(jiān)測站通過監(jiān)測儀器設(shè)備，自動采集地下水水位、水溫信息、泉流量及水質(zhì)參數(shù)，再通過 GPRS/SMS 信道將監(jiān)測信息傳輸至省級監(jiān)測中心。

2　建設(shè)構(gòu)想

2.1總體架構(gòu)

本系統(tǒng)是覆蓋地下水監(jiān)測管理全過程、是地下水監(jiān)測信息交換、共享平臺，是水利信息化建設(shè)的重要組成部分，因此，總體架構(gòu)應(yīng)與水利信息化總體架構(gòu)保持一致［3］。本系統(tǒng)總體框架由“七個層面結(jié)構(gòu)、兩大保障體系、五類服務(wù)對象、四級管理單位”共同構(gòu)成，系統(tǒng)的總體框架如圖 2 所示。

2.2具體組成

2.2.1七個層面結(jié)構(gòu)

“七個層面結(jié)構(gòu)”包括采集傳輸、計算機網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用和應(yīng)用交互等 7 層：

1）采集傳輸層。是采集、傳輸?shù)叵滤?、水文、泉流量、水質(zhì)等各類監(jiān)測信息的基礎(chǔ)設(shè)施，分為直接和間接監(jiān)測信息采集。

直接監(jiān)測信息采集根據(jù)信息來源情況分為在線自動采集和人工錄入 2 種方式：在線自動采集方式是指監(jiān)測站采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過移動、有線、光纖等通信方式通過數(shù)據(jù)接收層到省級監(jiān)測中心，進入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源層；人工錄入方式則是由工作人員將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)應(yīng)用各層級的客戶端導(dǎo)入或錄入系統(tǒng)，直接進入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源層。

間接監(jiān)測信息采集采用信息交換的方式進行，即數(shù)據(jù)資源層依托應(yīng)用支撐層的交換中間件直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集任務(wù)。

2）計算機網(wǎng)絡(luò)層。是各種業(yè)務(wù)的運行平臺，為各級管理機構(gòu)之間數(shù)據(jù)、圖像等各種信息提供高速可靠的傳輸通道。為支撐地下水業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)的正常運行，同時按照統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)、計算資源和存儲資源的思路［4］，計算機網(wǎng)絡(luò)在已有水利政務(wù)外網(wǎng)基礎(chǔ)上進行擴展，覆蓋水利部、流域機構(gòu)、省、地市四級管理機構(gòu)。

3）硬件設(shè)備層。為整個信息化系統(tǒng)提供服務(wù)器、存儲等硬件資源。各級監(jiān)測中心配置信息系統(tǒng)硬件設(shè)備及附屬設(shè)備若干。

4）應(yīng)用支撐層。提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運行環(huán)境，為地下水業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供通用應(yīng)用和集成服務(wù)，為資源整合和信息共享提供運行平臺，主要由各類商用和開發(fā)類通用支撐軟件共同組成。

商用支撐軟件作為應(yīng)用支撐層的基礎(chǔ)，為地下水應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與運行提供基礎(chǔ)軟件環(huán)境。主要包括：應(yīng)用服務(wù)器軟件（Java EE Application Server）、服務(wù)總線（ESB）、業(yè)務(wù)流程管理（BPM）、消息服務(wù)（MOM）、工作流引擎（Workflow）、目錄服務(wù)（Directory Server）、認證服務(wù)（CA）、共享文件系統(tǒng)、內(nèi)容管理（CMS）、報表制作工具、空間數(shù)據(jù)引擎、GIS 工具等構(gòu)件，提供信息系統(tǒng)構(gòu)架軟件支撐。

在商用支撐軟件的基礎(chǔ)上構(gòu)建開發(fā)類通用支撐軟件，將各個地下水應(yīng)用系統(tǒng)所共同需要使用的軟件模塊進行統(tǒng)一的設(shè)計與開發(fā)，并以服務(wù)的形式提供給各個應(yīng)用系統(tǒng)使用，最終實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的統(tǒng)一，更便于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務(wù)功能、系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)協(xié)同與互聯(lián)互通。主要包括：數(shù)據(jù)匯集交換、統(tǒng)一用戶管理與認證、元數(shù)據(jù)管理等子系統(tǒng)。

5）數(shù)據(jù)資源層。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲與管理的體系，主要包括數(shù)據(jù)和存儲管理等部分，并對綜合及元數(shù)據(jù)庫等 2 類數(shù)據(jù)進行存儲。

圖2　國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)管理主要包括建庫管理、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)查詢輸出、數(shù)據(jù)維護管理、代碼維護、數(shù)據(jù)庫安全管理、數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫外部接口等數(shù)據(jù)庫管理功能。綜合數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測、業(yè)務(wù)、基礎(chǔ)、空間和多媒體等多個邏輯子數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)種類分別存儲于 RDBMS 與文件系統(tǒng)中；元數(shù)據(jù)庫將綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分類及抽取，形成數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)，并存儲在 RDBMS 中。

數(shù)據(jù)存儲管理主要是完成對存儲和備份設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的管理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的物理存儲和安全管理。

6）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用的核心，構(gòu)建地下水監(jiān)測信息接收處理、監(jiān)測資料整編、業(yè)務(wù)應(yīng)用、資源信息發(fā)布等功能應(yīng)用系統(tǒng)，為各級水行政部門、水文部門和社會機構(gòu)提供及時、準確、全面的地下水動態(tài)信息。

7）應(yīng)用交互層。是直接與用戶交互的層面，主要包括面向水行政主管部門、科院機構(gòu)，以及地下水相關(guān)的業(yè)務(wù)管理人員、社會公眾等。

2.2.2兩個保障體系

“兩個保障體系”包括標準規(guī)范和安全保障體系：

1）標準規(guī)范體系。本系統(tǒng)管理層級和組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息采集點眾多、數(shù)據(jù)量大，各級系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，需要嚴格的規(guī)范性和安全性要求，因此統(tǒng)一、規(guī)范的標準體系建設(shè)是支撐國家地下水監(jiān)測工程建設(shè)和運行，保障應(yīng)用協(xié)同和信息共享的重要基礎(chǔ)。建設(shè)內(nèi)容主要包括：數(shù)據(jù)通信規(guī)約、數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標識符、軟件文檔管理類標準、軟件技術(shù)類標準等。

2）安全保障體系。是保障系統(tǒng)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括物理、網(wǎng)絡(luò)和信息安全及安全管理等。

2.2.3五類服務(wù)對象

“五類服務(wù)對象”包括水行政主管部門、科研規(guī)劃設(shè)計中介機構(gòu)、社會公眾、管理對象和政府相關(guān)職能部門等服務(wù)對象。

2.2.4四級管理單位

“四級管理單位”包括國家監(jiān)測中心（水利部）、7 個流域機構(gòu)監(jiān)測中心、32 個省級（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團）監(jiān)測中心、280 個地市級監(jiān)測分中心等。

2.3部署架構(gòu)

除信息采集傳輸層以外的其他 6 個層面和 2 個保障體系的建設(shè)內(nèi)容，按其歸屬分別部署在國家監(jiān)測中心（水利部）、7 個流域機構(gòu)監(jiān)測中心、32 個省級（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團）監(jiān)測中心，信息采集傳輸層主要部署在地市監(jiān)測分中心。

在實施過程中，按照 Java EE 技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)最新理念和云技術(shù)進行設(shè)計、開發(fā)。系統(tǒng)建設(shè)中其標準體系制定、信息交換共享軟件開發(fā)及系統(tǒng)總集成這 3 個部分是重點和難點環(huán)節(jié)，具體情況將另行擇文闡述。

3　結(jié)語

2016年3月，經(jīng)“兩會”審議通過的“十三五”規(guī)劃綱要第四十五章中明確提出“完善國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)，開展地下水超采區(qū)綜合治理”，將國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)上升到國家戰(zhàn)略高度。黨和國家都高度重視國家地下水監(jiān)測工程項目建設(shè)，水利部水文局多措并舉，大力推進項目建設(shè)，自 2014年開展項目前期工作，2015年已全面啟動監(jiān)測井的建設(shè)工程，2016年年中啟動監(jiān)測儀器設(shè)備招投標工作，年底安裝各類儀器設(shè)備，2017年系統(tǒng)將投入在線試運行。

系統(tǒng)建成后，將實現(xiàn)對全國地下水動態(tài)的有效監(jiān)測，以及對大型平原、盆地及巖溶山區(qū)地下水動態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測點的實時監(jiān)控；為相關(guān)部門和社會機構(gòu)提供及時、準確、全面的地下水動態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會公眾對地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，防治地質(zhì)災(zāi)害，保護生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

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Thinking and Practice on System Building of National Groundwater Monitoring Project （ Water Conservancy Department）

LIU Qingtao1，ZHANG Shuna1，ZHOU Zhenghui2，YAN Yuhong1
（1. Water Resources Information Center，the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China）2. Luohe Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Henan Province，Luohe 462000，China）

Abstract:The article analyzes present situation and problems of groundwater monitoring，puts forward the construction goals，task requirements of national groundwater monitoring project（water conservancy department）. Based on the demand of groundwater monitoring in the new situation，it gives building ideas of the system from the overall system architecture，deployment architecture，the content of each part of the system and etc.

Key words:water resources；groundwater monitoring；information system；system architecture

中圖分類號：P641.8

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9405（2016）03-0052-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.012

收稿日期：2016-04-13

作者簡介：劉慶濤（1976-），男，吉林松原人，高級工程師，主要從事水利信息化、通信運行維護工作。