韩 枫 王 威 魏 磊

（河南省水文水资源局 河南 郑州450003）

1 引言

研究建设水质监测与信息服务系统是水利信息化的基本要求。《全国水利信息化规划》（“金水工程”规划）[1]将水质监测信息系统列为水利信息化重点发展的七大信息系统之一。《全国水利信息化发展“十二五”规划》[2]明确要求利用先进的信息技术，通过规范化的信息管理，对各类水资源监测数据进行统计分析，并促进信息资源在水资源管理和保护中的有效利用。水质监测与评价信息服务系统集水质业务于一体，将给水质监测评价工作带来根本改变，有效解决一些严重困扰水质工作者的难题。满足各级水行政主管部门进行水功能区管理、地下水管理、水资源保护、开发利用和保障饮用水安全的需要，为贯彻落实“最严格水资源管理制度”，完成全省水功能区达标考核工作提供强有力的数据保障。

2 开发目标

利用现有的软硬资源，结合河南省水质业务的实际情况，建立一套标准的、统一的数据体系。在此基础上，实现水质数据的信息化采集、处理、传输、存储到大量数据信息的集中管理、统计分析、预警预报以及信息发布等，达到准确、及时地进行水质评价，判断水质变化趋势及成因分析，全面反映水质变化动态及提高对突发性水污染事故的预警预报应急能力，最终建成一个对常规管理和决策支持提供高效水质信息服务的系统平台，满足各级水行政主管部门进行水功能区管理、水资源保护、开发利用和保障饮用水安全的需要[3]。系统网络结构图见图1。

图1 系统网络结构图

3 结构设计与系统关键技术

整个系统采用JAVA语言开发，符合J2EE开发规范，使整个系统具备跨平台的能力。采用MVC模式开发，应用Struts和Hibernate成熟框架[3]，有效提高系统灵活性和可维护性[4-5]。系统分为客户层、Web层、业务层、数据层。系统架构见图2。客户层作为系统程序逻辑入口点，用户在客户端启动浏览器后，从WEB服务器中下载WEB层中的静态HTML页面或由JSP或Servlet动态生成的HTML页面，客户层使用的技术主要有Javascript、HTML、XML、JavaApplet等。Web层由JSP页面、Servlets等构成，这些基本元素在组装过程中通过打包来创建Web组件。业务层主要用于原始数据处理，是系统中业务逻辑的核心。主要通过构建Enterprise JavaBean（EJB）组件来实现。数据层主要分为数据访问层和数据存储层。数据访问层主要用来为业务规则层提供其运算所必须的各类水质业务数据。数据存储层是整个系统的基础，该层中的表格或视图往往对应于数据库中的各类数据表或具体业务中的各类对象。数据层的作用主要是为业务规则层提供各类数据的实体，以方便业务规则层进行各类业务数据的计算。数据的存储结构使用中华人民共和国水利行业标准《水质数据库表结构与标识符规定》（SL325－2014）[6]，建立全省统一的标准数据体系，改变以往数据碎片化、标准杂乱的弊端。为未来与全国系统的对接奠定了基础。

图2 系统架构图

3.1 WebGIS平台Seemap

是一种典型的GISApplet，GIS Applet是新一代WebGIS的解决方案，采用Java语言开发。系统构造主要由三部分组成：浏览器端系统，Servlet，后台服务管理程序。可以做到和浏览器无缝集成，并且根据需要自动从服务器下载到客户的浏览器端运行，真正实现客户端零安装。Seemap的地图数据格式支持空间数据标准规范，平台支持显示兼容第三方主流Gis平台数据格式。浏览器端以页面的形式运行在浏览器中。界面主要由功能区、地图工具条按钮以及地图区构成，地图区是以java小应用程序（Applet）的方式嵌入到页面中，由java虚拟机解释执行，Applet中的数据库请求操作是通过隧道通信，连接服务器端的Servlet，由Servlet完成数据库的请求。后台服务管理程序是一个java的应用程序，常通过配置ODBC，以ODBC-JDBC桥的形式连接数据库，Servlet采用J2EE技术，运行在J2EE容器中，采用Apache Tomcat做为Web服务器。

作为一种非传统地理信息系统，Seemap运行程序小巧，数据存储效率高并可让数据自动分割，解决互联网海量数据传输问题；SeeMap对后台服务器的性能无特殊要求，能很好地支持多用户并发访问；有自己的图形存储格式，目的是提高图形传输速度；客户端有丰富的网页开发接口；多条路径访问数据库，增强数据库访问的灵活性和安全性；后台有在线数据制作和维护系统，建立地图动态发布机制。

3.2 系统开发工具

使用BIRT（百灵报表）作为系统报表工具，报表格式为标准XML文件交换格式，引擎基于OSGI框架。采用PowerDesigner11作为数据库设计工具。使用Eclipse开发应用服务器上的所有的java类程序。采用Together Edition 6.1作为UML建模工具。用SOA技术架构作为系统整体实现的技术模式。使用XML作为与外系统的交换格式和内部关键数据的描述格式。

4 主要功能设计

水质监测与评价信息服务系统紧密结合水质业务工作，主要着眼于提高水质业务工作的效率，提高水资源管理决策的准确性和实效性。同时考虑水质业务工作的日益复杂和繁琐，强化了系统的可维护性和功能延展扩充。系统主要有以下几种功能。

4.1 水质评价分析

水质评价是本系统的核心部分，主要完成对各种评价对象的水质评价。评价对象分为基本评价对象和区域统计评价对象，基本评价对象有地表水监测站、地下水监测站、入河排污口监测站、水功能区、湖库和水源地等，区域统计评价对象有流域水系、水资源分区和行政区划。水质评价主要依据现行国家标准对水资源质量状况进行评价分析。评价类型主要包括单因子评价、水源地指数评价、水功能区水质达标评价、水功能区纳污能力达标评价、湖库营养化评价、地下水监测站单项组分评价、地下水监测站综合评价、地表水天然水化学特征评价、地表水监测站污染物通量计算、入河排污口监测站污染物通量计算及达标计算、地表水监测站底质污染评价、地表水监测站监测项目趋势分析、水质数据同比环比分析等。水质评价流程见图3。

用户可根据需要选择单个评价对象或者区域评价对象输出评价结果，也可自定义评价对象范围，自由选择评价群组。系统可输出旬、月度、双月、季度、半年、全年、汛期、非汛期以及任意时段内评价结果。水质测站评价输出主要超标项目、最大值超标倍数和极值；频次法评价水功能区时输出主要超标项目、超标率和极值；平均值法评价水功能区时输出主要超标项目、最大值超标倍数和极值；湖库富营养化评价输出营养状态分数；入河排污口评价结果输出排污量结果等等。所有评价结果可以以excel格式导出。分析子系统数据流分析见图3。

4.2 数据服务与信息发布

主要由评价结果信息发布、各种定制报表和报告的输出、新闻及其他信息发布、基本评价对象的修改和查询、评价结果查询、原始监测数据添加、校核和查询、水质数据整编以及数据传输等功能组成。

系统定制报表包含水质公报报表、水质通报报表和水质业务常用报表三类。水质公报报表根据GB/T 23598-2009《水资公报编制规程》中各种水质报表格式要求，对各年水质评价结果进行统计汇总，直接生成满足《中国水资源公报》编制要求的水质报表。水质通报报表用于河南省水资源质量状况通报的编制。常用报表可输出监测站特征值表、水质监测成果表、排污口达标状况统计表、水功能区监测成果表等；以上报表可以根据需要自由界定输出区域范围，自由选择是否输出水资源分区、行政分区、流域水系等信息。水质评价报告是指系统根据评价结果和统计结果，按水质报告模板自动生成的文档，按照用户选择的范围和方式进行生成。

新闻及其他信息发布主要是由管理员通过在线编辑的方式发布水质动态、行业规范等其他行业信息。信息发布主要分为6个栏目：水质动态、水质报告、工作动态、水质常识、技术规范、公示公告。

少量基本信息和检测数据的添加修改和校核可以使用直观对话框模式进行，对监测数据的录入系统提供人工校核功能，并对人工校核过的数据做记录。数据整编主要用于批量处理数据，主要实现基本信息和监测数据的excel表格校核和入以及数据维护日志记录、数据库错误修订等功能。系统设置有辅助排错模块，用于数据辅助纠错并对用户发出警示，主要包括数据有效位数校验、数据格式校验、同比值校验、环比值校验、水体化学组分关系校验等。关键信息缺失的数据表格不能导入系统。

数据传输模块用于通过数据加密的方式实现水质监测下级向上级单位上报测站监测数据，主要完成上报数据文件的生成，生成的文件放在特定的目录下，数据传输程序监控这个特定的目录，完成数据上报过程。同时系统也提供数据导出为交换文件，离线传输数据，保证了系统运行的兼容性。

4.3 WebGIS地图

图3 系统水质评价流程

系统中的WebGIS，包含3个主要部分：平台、二次开发以及基础地图数据。地图数据以矢量图为主，以图层的方式组织，分为基本图层和业务图层。WebGIS采用Seemap平台。用户可以使用的地图操作主要有漫游地图、距离测量、面积测量、鹰眼地图显示、隐藏显示指定图层、显示各种不同的效果图、定位地物对象查看属性、按不同方式查询地物对象属性、网状数据的分析和查询等。系统提供各种类型的专题地图，包括地表水监测站、水源地监测站、省界监测站、地下水监测站、水功能区、湖库营养化、达标考核水功能区等专题地图。各专题地图根据测站等级或者水功能区等级又划分为子地图，用户可以直接查看不同等级的测站或水功能区水质状况。

地图提供地图对象渲染接口。通过改变测站、湖库、水功能区等对象的颜色，来直观的表示该对象的状态。如：通过当前监测站或水功能区水质评价结果改变监测站图标或水功能区颜色，来表示该监测站或水功能区当前的水质等级；根据当前湖库营养化评价等级改变湖库颜色，来表示湖库当前的营养化程度。在水库蓝藻水华预警系统中，通过湖库颜色变化，来实时预警水库蓝藻水华事件。

地图提供时间选择功能，在不同的专题地图中有不同的展现，当选择一个时间后，当前的专题地图就会展现当前专题、时间的水质情况。以相应水质等级类别为依据，系统地图提供了两种形式的统计显示图，饼图侧重显示统计面积比重，列表直观显示统计数据。点击不同专题地图下任意站点，可弹出对话框，显示该站点的历史水质曲线变化图、相关基础信息显示和最新水质评价信息。

4.4 水质预测与趋势分析

本系统水质预测与趋势分析模块主要包含利用水质模型进行水质预测分析；利用水质模型进行纳污能力计算；季节性肯达尔趋势检验；水质站点水质时间变化曲线；水质站点沿程变换曲线等。系统内置了常用水质模型，主要有河道零维、一维、二维模型，湖库均匀和非均匀混合模型、湖库富营养化狄龙模型和合田健模型，河口一维模型等。可以模拟河流、湖库、河口3类水域水质状况,也可以进行相应水域的纳污能力计算。此外，还可建立水质线性回归方程和指数方程等，用于缺少调查资料时的灰色预测。

由于水质模型参数的选取在很大程度上影响模型计算的精确性，因此对于水质模型的参数率定功能是十分必要的，本系统提供水质模型参数率定和参数交互修正模块，对于河流模型参数的率定主要采用经验公式优选法。湖库参数率定主要采用遗传算法对湖库模型参数进行优选。河口水质模型的相关参数亦采用经验公式优选进行单独率定。参数交互修正功能是对上部分参数率定功能的补充，当用户对参数经验公式率定结果不满意时，交互修正功能使得用户可以根据水域实际情况直接修改模型参数，并与系统交互同步看到参数模拟效果，不断修改参数值，直到取得较好的模拟效果为止。

4.5 用户与系统管理

系统用户管理功能主要维护用户的增加、删除、修改和查询，可以给用户设定密码和分配角色，一个用户可以有多种角色。系统提供角色的增加、删除、修改等功能，可对不同角色所具有的权限进行删改，也可以建立新的角色。系统提供三种默认的角色，分别是超级管理员、管理员和评价人员。系统用户按权限可以划分为超级管理员用户、管理员用户、水质评价用户、普通用户。

系统管理主要进行一些初始化配置，或者对系统进行一些相应的设置。用户可根据需要设定水质评价所需的标准，也可自建标准；可根据需要设定参与水质评价的项目；可自建评价对象和评价项目群组；可对一些系统参数进行设置，如水质评价汛期设置、内置评价指标设置和修改等。此外系统还具备登陆日志查询、数据清除、数据库备份等功能，方便对软件系统的维护。

5 系统建设体会及展望

该系统基本上覆盖了水利部门水质业务工作，信息化、自动化程度高，数据库和图表遵循水质技术标准，大大减轻了工作人员的负担，提高了数据分析处理的时效性和准确性，有效减少了水质数据碎片化的可能；丰富的查询功能可满足不同评价范围和评价类别的结果输出；WebGIS地图系统响应速度快,图表分析丰富,可快速查找指定区域的水质信息；应用软件采用模块化构造和成熟的技术，系统配置简单易上手，使得系统拥有较强的扩展性和可维护性。

在使用过程中,为适应水质工作的新要求,系统功能需不断改进和升级。例如,在使用过程中发现,水资源管理部门对数据的需求层级越来越多,需要对不同范围的测站进行评价,要求参与评价的项目也不尽相同,针对这一需求,补充开发了分组评价模块,用户可以自由对参与评级的测站或评价项目分别组建不同的群组，从而满足不同的需求。针对目前水利部门开展的“水功能区达标考核工作”，为水质测站属性增加了是否列入国家考核目录属性，增加了原来系统不具备的“双指标评价”方法，增加了水功能区全年评价结果输出极值功能。

［1］中华人民共和国水利部.全国水利信息化规划［R］.2003.

［2］中华人民共和国水利部.全国水利信息化发展“十二五”规划［R］.2012.

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

［4］彭辉，毛学文，高俊杰.水资源质量信息共享服务系统设计与开发［J］.水利信息化，2011（5）:52-55.

［5］曲朝阳，田雨，王富森.基于Struts+Hibernate架构的应用系统设计与实现［J］.东北电力大学学报，2006（8）：18-22.

［6］SL325-2014.水质数据库表结构与标识符规定［S］.