河南省水質監測與評價信息服務系統開發與應用

韓 楓 王 威 魏 磊

（河南省水文水資源局 河南 鄭州450003）

1 引言

研究建設水質監測與信息服務系統是水利信息化的基本要求?！度珖畔⒒巹潯罚ā敖鹚こ獭币巹潱1]將水質監測信息系統列為水利信息化重點發展的七大信息系統之一?！度珖畔⒒l展“十二五”規劃》[2]明確要求利用先進的信息技術，通過規范化的信息管理，對各類水資源監測數據進行統計分析，并促進信息資源在水資源管理和保護中的有效利用。水質監測與評價信息服務系統集水質業務于一體，將給水質監測評價工作帶來根本改變，有效解決一些嚴重困擾水質工作者的難題。滿足各級水行政主管部門進行水功能區管理、地下水管理、水資源保護、開發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”，完成全省水功能區達標考核工作提供強有力的數據保障。

2 開發目標

利用現有的軟硬資源，結合河南省水質業務的實際情況，建立一套標準的、統一的數據體系。在此基礎上，實現水質數據的信息化采集、處理、傳輸、存儲到大量數據信息的集中管理、統計分析、預警預報以及信息發布等，達到準確、及時地進行水質評價，判斷水質變化趨勢及成因分析，全面反映水質變化動態及提高對突發性水污染事故的預警預報應急能力，最終建成一個對常規管理和決策支持提供高效水質信息服務的系統平臺，滿足各級水行政主管部門進行水功能區管理、水資源保護、開發利用和保障飲用水安全的需要[3]。系統網絡結構圖見圖1。

圖1 系統網絡結構圖

3 結構設計與系統關鍵技術

整個系統采用JAVA語言開發，符合J2EE開發規范，使整個系統具備跨平臺的能力。采用MVC模式開發，應用Struts和Hibernate成熟框架[3]，有效提高系統靈活性和可維護性[4-5]。系統分為客戶層、Web層、業務層、數據層。系統架構見圖2?？蛻魧幼鳛橄到y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HTML頁面或由JSP或Servlet動態生成的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建Web組件。業務層主要用于原始數據處理，是系統中業務邏輯的核心。主要通過構建Enterprise JavaBean（EJB）組件來實現。數據層主要分為數據訪問層和數據存儲層。數據訪問層主要用來為業務規則層提供其運算所必須的各類水質業務數據。數據存儲層是整個系統的基礎，該層中的表格或視圖往往對應于數據庫中的各類數據表或具體業務中的各類對象。數據層的作用主要是為業務規則層提供各類數據的實體，以方便業務規則層進行各類業務數據的計算。數據的存儲結構使用中華人民共和國水利行業標準《水質數據庫表結構與標識符規定》（SL325－2014）[6]，建立全省統一的標準數據體系，改變以往數據碎片化、標準雜亂的弊端。為未來與全國系統的對接奠定了基礎。

圖2 系統架構圖

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。系統構造主要由三部分組成：瀏覽器端系統，Servlet，后臺服務管理程序。可以做到和瀏覽器無縫集成，并且根據需要自動從服務器下載到客戶的瀏覽器端運行，真正實現客戶端零安裝。Seemap的地圖數據格式支持空間數據標準規范，平臺支持顯示兼容第三方主流Gis平臺數據格式。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、地圖工具條按鈕以及地圖區構成，地圖區是以java小應用程序（Applet）的方式嵌入到頁面中，由java虛擬機解釋執行，Applet中的數據庫請求操作是通過隧道通信，連接服務器端的Servlet，由Servlet完成數據庫的請求。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橋的形式連接數據庫，Servlet采用J2EE技術，運行在J2EE容器中，采用Apache Tomcat做為Web服務器。

作為一種非傳統地理信息系統，Seemap運行程序小巧，數據存儲效率高并可讓數據自動分割，解決互聯網海量數據傳輸問題；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；客戶端有豐富的網頁開發接口；多條路徑訪問數據庫，增強數據庫訪問的靈活性和安全性；后臺有在線數據制作和維護系統，建立地圖動態發布機制。

3.2 系統開發工具

使用BIRT（百靈報表）作為系統報表工具，報表格式為標準XML文件交換格式，引擎基于OSGI框架。采用PowerDesigner11作為數據庫設計工具。使用Eclipse開發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技術架構作為系統整體實現的技術模式。使用XML作為與外系統的交換格式和內部關鍵數據的描述格式。

4 主要功能設計

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

4.1 水質評價分析

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

用戶可根據需要選擇單個評價對象或者區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評價結果。水質測站評價輸出主要超標項目、最大值超標倍數和極值；頻次法評價水功能區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時輸出主要超標項目、最大值超標倍數和極值；湖庫富營養化評價輸出營養狀態分數；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。分析子系統數據流分析見圖3。

4.2 數據服務與信息發布

主要由評價結果信息發布、各種定制報表和報告的輸出、新聞及其他信息發布、基本評價對象的修改和查詢、評價結果查詢、原始監測數據添加、校核和查詢、水質數據整編以及數據傳輸等功能組成。

系統定制報表包含水質公報報表、水質通報報表和水質業務常用報表三類。水質公報報表根據GB/T 23598-2009《水資公報編制規程》中各種水質報表格式要求，對各年水質評價結果進行統計匯總，直接生成滿足《中國水資源公報》編制要求的水質報表。水質通報報表用于河南省水資源質量狀況通報的編制。常用報表可輸出監測站特征值表、水質監測成果表、排污口達標狀況統計表、水功能區監測成果表等；以上報表可以根據需要自由界定輸出區域范圍，自由選擇是否輸出水資源分區、行政分區、流域水系等信息。水質評價報告是指系統根據評價結果和統計結果，按水質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。

新聞及其他信息發布主要是由管理員通過在線編輯的方式發布水質動態、行業規范等其他行業信息。信息發布主要分為6個欄目：水質動態、水質報告、工作動態、水質常識、技術規范、公示公告。

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

數據傳輸模塊用于通過數據加密的方式實現水質監測下級向上級單位上報測站監測數據，主要完成上報數據文件的生成，生成的文件放在特定的目錄下，數據傳輸程序監控這個特定的目錄，完成數據上報過程。同時系統也提供數據導出為交換文件，離線傳輸數據，保證了系統運行的兼容性。

4.3 WebGIS地圖

圖3 系統水質評價流程

系統中的WebGIS，包含3個主要部分：平臺、二次開發以及基礎地圖數據。地圖數據以矢量圖為主，以圖層的方式組織，分為基本圖層和業務圖層。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、網狀數據的分析和查詢等。系統提供各種類型的專題地圖，包括地表水監測站、水源地監測站、省界監測站、地下水監測站、水功能區、湖庫營養化、達標考核水功能區等專題地圖。各專題地圖根據測站等級或者水功能區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水質狀況。

地圖提供地圖對象渲染接口。通過改變測站、湖庫、水功能區等對象的顏色，來直觀的表示該對象的狀態。如：通過當前監測站或水功能區水質評價結果改變監測站圖標或水功能區顏色，來表示該監測站或水功能區當前的水質等級；根據當前湖庫營養化評價等級改變湖庫顏色，來表示湖庫當前的營養化程度。在水庫藍藻水華預警系統中，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，當選擇一個時間后，當前的專題地圖就會展現當前專題、時間的水質情況。以相應水質等級類別為依據，系統地圖提供了兩種形式的統計顯示圖，餅圖側重顯示統計面積比重，列表直觀顯示統計數據。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曲線變化圖、相關基礎信息顯示和最新水質評價信息。

4.4 水質預測與趨勢分析

本系統水質預測與趨勢分析模塊主要包含利用水質模型進行水質預測分析；利用水質模型進行納污能力計算；季節性肯達爾趨勢檢驗；水質站點水質時間變化曲線；水質站點沿程變換曲線等。系統內置了常用水質模型，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、湖庫富營養化狄龍模型和合田健模型，河口一維模型等。可以模擬河流、湖庫、河口3類水域水質狀況,也可以進行相應水域的納污能力計算。此外，還可建立水質線性回歸方程和指數方程等，用于缺少調查資料時的灰色預測。

由于水質模型參數的選取在很大程度上影響模型計算的精確性，因此對于水質模型的參數率定功能是十分必要的，本系統提供水質模型參數率定和參數交互修正模塊，對于河流模型參數的率定主要采用經驗公式優選法。湖庫參數率定主要采用遺傳算法對湖庫模型參數進行優選。河口水質模型的相關參數亦采用經驗公式優選進行單獨率定。參數交互修正功能是對上部分參數率定功能的補充，當用戶對參數經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水域實際情況直接修改模型參數，并與系統交互同步看到參數模擬效果，不斷修改參數值，直到取得較好的模擬效果為止。

4.5 用戶與系統管理

系統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。系統用戶按權限可以劃分為超級管理員用戶、管理員用戶、水質評價用戶、普通用戶。

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

5 系統建設體會及展望

該系統基本上覆蓋了水利部門水質業務工作，信息化、自動化程度高，數據庫和圖表遵循水質技術標準，大大減輕了工作人員的負擔，提高了數據分析處理的時效性和準確性，有效減少了水質數據碎片化的可能；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地圖系統響應速度快,圖表分析豐富,可快速查找指定區域的水質信息；應用軟件采用模塊化構造和成熟的技術，系統配置簡單易上手，使得系統擁有較強的擴展性和可維護性。

在使用過程中,為適應水質工作的新要求,系統功能需不斷改進和升級。例如,在使用過程中發現,水資源管理部門對數據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“水功能區達標考核工作”，為水質測站屬性增加了是否列入國家考核目錄屬性，增加了原來系統不具備的“雙指標評價”方法，增加了水功能區全年評價結果輸出極值功能。

［1］中華人民共和國水利部.全國水利信息化規劃［R］.2003.

［2］中華人民共和國水利部.全國水利信息化發展“十二五”規劃［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.水資源質量信息共享服務系統設計與開發［J］.水利信息化，2011（5）:52-55.

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

［6］SL325-2014.水質數據庫表結構與標識符規定［S］.