基于WebGIS的地下水水質監測與評價系統設計實現

關琴 馬雪瑩 柳浩然 姜曉芬 韓旭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-3511

摘? 要：地下水既是重要的城市供水水源，也是重要的旱期農業灌溉水源，然而地下水面臨著來自農業、工業和城市排放污染的威脅，因此地下水水質監測和評價對于公眾健康和糧食安全具有重要意義。研究以GIS平臺為基礎，綜合使用計算機Web技術和網絡技術，通過構建等值線和熱力圖等多種地下水質評價方式，完成對區域內地下水水質的監測和分析評價。監測系統可以提供面板數據監測、地下水水質查詢、水質分析與評價、系統管理四大功能，為地下水水質異常變化提供前期的預警，為保障群眾用水安全和水資源管理部門決策給予保障支持。

關鍵詞：地下水? 水質監測? 評價? WebGIS

中圖分類號：P641.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0087-05

The Realization of Design of Groundwater Quality Monitoring and Evaluation System based on WebGIS

GUAN Qin1? MA Xueying1? LIU Haoran1? JIANG Xiaofen1? HAN Xu2

（1. No.801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade of Shandong Exploration Bureau of Gelolgy and Mineral Resources， Ji'nan， Shandong Province， 250014 China; 2. Ji'nan Zhong An Digital Technology Co.， Ltd.， Ji'nan， Shandong Province， 250000 China）

Abstract： Groundwater is not only an important urban water supply source， but also an important dry-period agricultural irrigation water source. However， groundwater faces the threat of pollution from agriculture， industry and cities. Therefore， groundwater quality monitoring and evaluation is of great significance to public health and food security. The research is based on the GIS platform， comprehensively using computer Web technology and network technology， and completing the monitoring， analysis and evaluation of groundwater quality in the region by constructing multiple groundwater quality evaluation methods such as contour lines and heat maps. The monitoring system can provide four functions： panel data monitoring， groundwater quality inquiry， water quality analysis and evaluation， and system management. It provides early warning for abnormal changes in groundwater quality， and guarantees support for public water safety and decision-making by water resources management departments.

Key Words： Groundwater; Water quality monitoring; Assessment; WebGIS

地下水作為水資源系統的重要組成部分，在保障城鄉生活用水、農業用水、工業用水，維系生態平衡等方面具有重要作用。為了保障地下水安全，做好地下水的污染防治工作，必須對地下水環境作出客觀有效的評價。

地下水水質監測與評價系統的建設，主要通過對地下水資料的監測、數據的采集與分析，了解地下水的分布情況以及質量情況，可以充分、合理利用現有的有限的地下水資源。近年來，孫永芳等[1]基于布置的地下水質監測點，在分析化驗后，利用現有標準科學的對地下水質進行評估。張磊等[2]通過設計全自動的在線水質監測器，建設完成地下水水質監測系統，在對地下水數據進行提取、傳輸和分析之后，得出全面的水質分析報告，為地下水管理部門的環境治理提供了依據。孫巍等[3]優化了地下水自動監測系統，減少了地下水監測評價過程中的不確定性，提供了地下水可持續開采量的建議。地下水監測與評價系統采用最新且穩定的傳感器，在成熟的網絡硬件支持下，可以整合數據收集、傳輸、標準化、導入和評價輸出等工作，便利了工作流程并且提高了準確度[4-10]。

本文將以地下水監測數據中心為基礎，以網絡為主要媒介，以數據采集、數據存儲、數據分析、動態數據監測、專題圖生成、等值線生成等服務為主要功能模塊，在保證信息準確、及時、高效、安全的情況下，建設基于WebGIS的地下水水質監測與評價系統，能夠向有關部門提供權威科學的數據資料，為服務決策提供數據支撐和保障。

1? 系統建設關鍵技術

1.1 監測數據集成

由于地下水監測由各地市監測站分別管理，監測設備由不同廠商進行供應，導致數據存儲分散在不同數據庫，因此需要將數據庫進行集成，地下水監測數據庫集成方案主要有以下四種，需要與每個設備廠商進行溝通對接，選擇合適的集成方式。在集成過程中，需要重點考慮：（1）監測設備數據實時傳輸，即監測數據直接傳送到系統數據庫;（2）不定期被動接收推送數據，由設備廠商不定期的將監測數據推送到已建立好的系統數據庫;（3）定期自動采集與存儲，定期的從廠商數據庫中采集數據，時間可調整;（4）數據實時共享，在網絡互連互通的前提下，以接口開發的方式實現數據的實習共享。

1.2 系統總體設計

地下水水質監測與評價系統采用面向服務架構思想進行設計，通過空間數據引擎和數據庫管理地下水空間數據和非空間數據，并結合地下水相關工作的實際需求，以GIS平臺為支撐建立一個綜合性的應用平臺，實現地下水水質監測與評價應用的平臺，在整個系統設計時遵循“可擴展性原則、安全性原則、實用性、高可靠性、標準性、經濟性、靈活性”等七大原則，平臺架構設計具體如圖1所示。

1.3 系統安全控制

系統的安全控制主要從管理記錄用戶的操作記錄、用戶的權限分配、數據庫備份機制以及用戶的賬號分配來控制。操作日志自動記錄系統用戶操作痕跡，記錄用戶除查詢外的任何相關操作記錄，如增加、修改和刪除等操作。操作日志存檔在配置文件LogInfo文件夾下，每天生成一個文檔，具體記錄操作時間、操作形式（如登錄）、操作人用戶名、操作人權限。系統管理員可通過此日志查看每日用戶操作，增加系統的安全性。

數據庫平臺用戶角色及權限設置靈活，分類較細，對系統內用戶采用分權管理的形式，系統提供多種不同的用戶權限，根據不同級別用戶提供不同的角色權限控制，各級別下的用戶權限僅可查看所管轄范圍內的地下水監測點、水質監測數據以及相應的水質評價分析情況。

1.4 數據庫建設

基于Web GIS的地下水水質監測與評價系統以地理數據為基礎，實現水質數據的地圖可視化，數據庫包括空間數據庫和屬性數據庫，其中空間數據庫包括基礎地形數據庫、專題成果圖數據庫、等值線數據庫;屬性數據庫主要包括各監測點的基本信息、水質監測數據等，并對不同實體進行編碼，利用編碼對屬性和空間信息關聯，使其可以在地圖上進行展示。

數據建設過程中，主要包含有：（1）基礎空間數據，采用基于天地圖的地圖數據服務;（2）地下水動態監測數據，主要包括地下水質監測數據，一般每個監測井每年豐水期測一次水質、枯水期測一次水質;（3）歷史成果數據，主要包括各類地下水監測統計信息以及相關的綜合研究成果數據等。

2? 系統應用實現

地下水水質監測與評價系統主要包括數據監測、地下水水質查詢、水質分析與評價、系統管理四大功能模塊（見圖2），將水質監測數據定期導入到系統中進行地下水水質不同區域、不同時間的展示、評價。水質評價選用國家制定的地下水質量標準（GB/T 14848-2017）為依據，將地下水質量進行定量評價，最后將定量的結果劃分Ⅰ-Ⅴ類，以表明地下水水質的質量等級。

從系統功能結構來看，本系統主要實現了以下功能：①地下水監測點、水質監測數據的管理;②水質監測點一張圖展示;③地下水水質監測曲線分析;④地下水質量評價;⑤水質單離子等值線的生成;⑥水質熱力圖的生成，系統功能結構如圖1所示。

2.1 水質數據監測

對區域內地下水水質進行定期的監測，水質監測點每年豐水期和枯水期各監測一次，系統提供水質監測點數據、水質監測數據動態高效的批量一鍵式導入功能，以數據表文件的形式批量導入，同時提供單條數據添加、編輯、刪除、瀏覽、導出。

基于WebGIS的地下水質監測系統可以實現：（1）地下水水質監測，對地下水水質監測點進行現場調查并取樣，收集相關水質離子的監測數據;（2）根據收集到的數據關聯監測點進行數據的整理，將監測數據數字化、標準化、統一整理成導入模板要求的格式;（3）從地下水水質監測與評價系統中對已經整理好的監測數據進行一鍵式的批量導入，進入系統數據庫中并參與后續的地下水質量評價，以列表的形式在系統上進行展示;（4）對已經進入數據庫的監測數據，提供數據的查詢，可按照監測點編號、行政區劃、埋藏條件、含水介質、所屬水系分區等信息項進行組合查詢，并在系統上進行展示;（5）可提供監測點數據和監測數據的編輯、刪除、導出功能，提供可選字段和數據條數進行數據的批量導出，導出格式可選Excel文件和csv文件。

2.2 地下水水質查詢

基礎地理的操作。實現GIS的基礎地理功能，該部分基于天地圖、地理信息平臺二次開發，主要功能包括地圖基本操作、地圖查詢、地圖分析等。地下水監測點及水質展示基于B/S架構，在天地圖的基礎上將地下水監測點進行疊加顯示，統一采用中國大地2000坐標系，可以實現復位、測距、測量面積、清空測量和縮放功能。

實時信息查詢。主要包括地下水監測數據的列表展示、圖形展示、詳細信息展示等功能，掌握各行政轄區內地下水監測點的分布情況，可以通過目錄樹選擇行政區劃下對應的監測點編號，在右側顯示對應的監測點信息及水質監測數據信息。展示時根據監測點級別、地下水類型等屬性的不同，為不同屬性的監測點設置不同的地圖符號。通過此方式，直觀的展示監測點的分布和屬性信息，了解監測點以及水質監測信息。平臺根據檢索條件，得出檢索結果后，采用列表展示和地圖展示兩種方式展示監測點信息。列表展示是指根據檢索條件以樹形目錄列表的形式展示地下水監測點信息、地下水監測信息基本信息。單擊列表某一條記錄實現地下水監測點信息、地下水監測信息的詳細展示。地圖展示是指在列表中點擊某一監測點，即可在地圖視圖上定位到該監測點的具體位置。在地圖上點擊監測點彈出的TIP框。詳細信息展示具體在地圖上，以標注點的形式顯示監測點，點擊此監測點彈出TIP框，展示監測點的概要信息，點擊TIP框上的相關鏈接，可展示出該監測點的詳細信息。監測曲線分析主要是生成水質在某一段時間段內的動態曲線圖，可同時進行不同監測點之間的數據對比。

2.3 水質分析與評價

水質評價包含三部分：一是質量評價，二是等值線生成，三是熱力圖生成。等值線生成包含單離子等值線圖、離子變幅圖。

在水質質量評價界面（圖3），接入天地圖實現空間和時間上的水質等級評價，以綠藍黃橙紅不同圖標表示Ⅰ-Ⅴ類水，通過天地圖上的監測井圖標可以查看該監測井的基本信息、超標離子、超標離子倍數以及單離子動態曲線圖（從古至今的變化曲線圖），還可以查看水質歷史評價圖以及水質指標等級圖，可以明顯查看影響因子，并可進一步查看單離子質量曲線圖，掌握數據的監測數值。

系統選擇國家地下水質量標準（GB/T 14848-2017），該標準適用于地下水質量調查與監測，地下水質量評價等內容，根據我國地下水質量狀況和人體健康風險，參照生活飲用水、工業、農業等用水質量要求，根據各組分含量高低，分為五類水，系統根據用戶錄入的水質數據、水質評價標準進行對比，來判斷水質質量等級、地下水水質單離子指標評價，按離子指標值的限值范圍確定地下水質量等級，不同地下水水質類別的指標限值相同時，從優不從劣。地下水水質綜合評價，按單離子指標評價結果的最高類別確定，并指出最高類別的指標。

2.4 等值線生成

水質評價中還可以進行等值線（圖4）的生成，根據實際通過行政區劃、水文分區、流域分區組合查詢從空間上具體篩選出參與生成等值線的監測井，并選擇離子、時間（年份以及枯水期或豐水期）生成等值線，疊加至天地圖顯示，本次評價的離子包括：pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物等99個離子。

離子變幅圖的生成根據行政區劃、水文分區、流域分區組合查詢，篩選出生成離子變幅圖所需要的監測井，通過“專題圖制作”界面，選擇“離子變幅圖”標簽頁，選擇變化前的時間和變化后的時間以及時期（枯水期和豐水期），生成離子變幅圖。水質熱力圖（圖5）是根據水質評價等級來生成的，通過查詢，篩選出生成水質熱力圖所需要的監測井，生成水質熱力圖，并可設置光圈半徑大小和模糊等級。

2.5 系統管理

系統管理實現個人信息、用戶管理、權限管理、圖層管理功能，具體如圖6所示。該子模塊具有個人信息編輯和展示功能;用戶查詢、編輯、刪除等管理功能、權限查詢、編輯、刪除等管理功能。個人信息功能是用戶登錄后，能夠顯示用戶的基本信息情況，并且能夠對個人信息進行修改，并保存入庫，修改的內容主要包括用戶基本信息、以及用戶名密碼。用戶管理主要包括用戶信息的查看、編輯、刪除，用戶關鍵詞查詢、用戶列表展示等功能。該模塊只有管理員才有該權限對系統添加新用戶，編輯用戶信息、以及刪除用戶信息。權限管理主要是對系統進行關鍵字查詢、添加權限、編輯、刪除功能，該模塊只有管理員才有該權限，管理員能夠對系統添加新權限，也能夠編輯修改權限信息、以及刪除權限信息，權限管理模塊的數據以列表分頁的形式進行展示。圖層管理主要是對系統內各專題的成果圖件進行發布、添加、編輯、刪除等操作。

3? 結語

基于WebGI的地下水水質監測與評價系統實現地下水水質的有效監測和科學合理的評價，能夠滿足城鄉的生產生活所需的水質要求。系統實現了地下水水質監測、查詢、評價、分析以及管理，能夠掌握地下水質變化，加強了地下水水質管理，為區域的水資源管理部門的科學評價提供技術和數據支撐，有利于加強監測和監管能力和實現地下水的信息化。

參考文獻

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