高鳴遠，劉俊杰

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

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水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)構(gòu)建與效益分析

高鳴遠，劉俊杰

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

在構(gòu)建統(tǒng)一水質(zhì)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)功能全面的水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)采用三層體系架構(gòu)，具有 8 個功能模塊，用戶可直接通過瀏覽器訪問表現(xiàn)層。同時根據(jù)水資源分析評價行業(yè)的特點，完善相關(guān)規(guī)范，建成適用于行業(yè)實際需求的業(yè)務(wù)體系。經(jīng)過實際應(yīng)用，水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)具有良好的擴展性，有較長的生命周期，可大幅度提升日常工作效率，基本實現(xiàn)水質(zhì)分析統(tǒng)計業(yè)務(wù)的自動化。

水資源質(zhì)量；評價系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；效益

0 引言

水資源質(zhì)量評價是水資源保護及管理的重要組成部分，也是水資源管理機構(gòu)業(yè)務(wù)流程的一項重要工作，通過充分利用歷史數(shù)據(jù)，形成各類統(tǒng)計分析報表和圖形，用于指導(dǎo)各項業(yè)務(wù)，是各級水資源管理機構(gòu)的重要技術(shù)手段。江蘇省水文水資源勘測局水質(zhì)部門在實際工作中需要評價、統(tǒng)計、分析處理大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以獲得相關(guān)信息，會占用大量的時間與人力資源。這種人工計算、評價、統(tǒng)計的模式已難以適應(yīng)新形勢下水質(zhì)工作的要求，工作效率亟待提高。

為此結(jié)合江蘇省水文水資源勘測局“水資源分析評價系統(tǒng)”構(gòu)建與應(yīng)用的具體實踐，分析多測點、多參數(shù)、不同時期、多模式的評價分析模塊功能及數(shù)據(jù)信息處理的方法。經(jīng)過實際應(yīng)用，基本實現(xiàn)水資源質(zhì)量分析統(tǒng)計業(yè)務(wù)的自動化，大幅提高了工作效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 實施背景

江蘇省水利部門水環(huán)境監(jiān)測行業(yè)自 20 世紀就依托 DOS 系統(tǒng)平臺，設(shè)計了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件，以零散的文本文件形式，積累了全省部分歷史資料。21 世紀初根據(jù)工作需要，開發(fā)了單機版的地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理軟件，將文本數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，同時集合了簡單的統(tǒng)計功能，一定程度上提高了匯總統(tǒng)計的工作效率。經(jīng)過多年的運行，尤其在水資源質(zhì)量評價分析及數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一性、唯一性方面提出解決問題的目標后，原有軟件功能已不能滿足現(xiàn)有需求。

1.2 設(shè)計思想

開發(fā)的水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)以大幅度提升工作效率為出發(fā)點，以貼合實際工作的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計為基礎(chǔ)，動態(tài)生成多種分析、統(tǒng)計報表，大量減輕日常統(tǒng)計工作；同時增加關(guān)注信息分析對比、GIS 展示，具有良好的擴展性，有較長的生命周期。

鑒于需求及工作目標，設(shè)計開發(fā)并構(gòu)建了適用于江蘇省的水質(zhì)專題數(shù)據(jù)庫及水資源質(zhì)量分析評價應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計指導(dǎo)思想如下：

1）采用基于 B/S 的體系結(jié)構(gòu)；

2）在水文水資源勘測局信息中心構(gòu)建統(tǒng)一的專題數(shù)據(jù)庫，梳理整合相關(guān)基礎(chǔ)信息、歷史數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的唯一性、準確性和安全性；

3）采用 Oracle11 和 Jetty 集中部署平臺，增強服務(wù)器端運算效率，同時提高平臺的穩(wěn)定性。

4）采用成熟可靠的 Java EE 技術(shù)，在瀏覽器下，不依賴客戶端插件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、多維圖形和報表生成、圖文混合報告自動生成、GIS 專題圖展示、數(shù)據(jù)錄入和維護等功能。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

良好的架構(gòu)是系統(tǒng)建設(shè)重點，通過詳細分析，采用三層體系，用戶可直接通過瀏覽器訪問表現(xiàn)層，以獲取信息資源。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 江蘇省水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)架構(gòu)圖

評價系統(tǒng)架構(gòu)分為以下幾個基礎(chǔ)層級：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。遵循跨平臺的設(shè)計原則，支持主流的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等硬件和 Windows/Linux/Unix等操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用 Oracle 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用中間件支持 Jboss/Tomcat 技術(shù)標準和主流產(chǎn)品。

2）資源框架層。采用 SOA 架構(gòu)，基于 J2EE技術(shù)規(guī)范，構(gòu)建各類應(yīng)用資源的基礎(chǔ)構(gòu)件和標準引擎，實現(xiàn)系統(tǒng)的可持續(xù)性、可擴展性、高復(fù)用性，充分滿足當(dāng)期需求和保障未來應(yīng)用。

3）應(yīng)用服務(wù)層。通過調(diào)用基礎(chǔ)公共構(gòu)件和標準引擎，實現(xiàn)并滿足不同的業(yè)務(wù)功能；采用統(tǒng)一的標準通信協(xié)議，如 JSON/XML/SOAP/REST，實現(xiàn)應(yīng)用間通信的高效、穩(wěn)定、可靠。

4）業(yè)務(wù)表現(xiàn)層?？蛻舳瞬捎脼g覽器，設(shè)計上盡量采用純 JAVA 代碼，不依賴客戶端插件，實現(xiàn)用戶操作和信息展示 GUI （圖形用戶界面）功能。

1.4 數(shù)據(jù)梳理

對于水資源質(zhì)量分析評價應(yīng)用系統(tǒng)，各項功能需依賴完善的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及大量基礎(chǔ)信息和準確的歷史監(jiān)測成果設(shè)計。為避免新系統(tǒng)成為空殼，無法支持實際業(yè)務(wù)工作，在系統(tǒng)實施初期，數(shù)據(jù)的組織、梳理成為初期工作的重點。

任何信息化系統(tǒng)都需要一個數(shù)據(jù)組織的層次體系，層次體系包括位、字符、數(shù)據(jù)元、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)的層次體系中，數(shù)據(jù)元作為一個邏輯單位，由若干位和字節(jié)組合在一起。合理的數(shù)據(jù)元設(shè)計可作為上下文流轉(zhuǎn)或數(shù)據(jù)庫字段[1]。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量，直接關(guān)系到系統(tǒng)實施效益能否得到充分發(fā)揮。完整準確的數(shù)據(jù)，是保證系統(tǒng)上線后穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。因此，數(shù)據(jù)準備和梳理工作，是整個系統(tǒng)實施過程中頭緒最多，工作量最大，耗時最長，涉及面最廣，最容易失誤且錯誤代價極大的工作，必須盡早進行和認真對待。

1.5 系統(tǒng)優(yōu)化

在水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)開發(fā)前，制定了明確的項目任務(wù)書，防止在實際實施中，出現(xiàn)開發(fā)人員無法準確理解部分細節(jié)，造成設(shè)計偏差、計算錯誤等情況。在整個項目執(zhí)行過程中，先采用原型設(shè)計，完成主體框架及功能；經(jīng)綜合評估后，詳細設(shè)計編程，上線試運行；然后在試運行過程中，不斷修正、完善功能業(yè)務(wù)流程。穩(wěn)步推進，循序漸進，使系統(tǒng)最大程度地貼合建設(shè)單位實情。

2 系統(tǒng)功能分析

水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)分為 8 個子系統(tǒng)和功能模塊，如圖 2 所示。

2.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括用戶和角色管理、公共方案維護及系統(tǒng)日志。角色管理可配置不同的用戶角色，通過資源分配模塊，賦予角色不同的資源，實現(xiàn)不同用戶個性化設(shè)置及功能配置；用戶管理可增加、修改、刪除用戶基本信息，設(shè)定用戶對應(yīng)的角色；擁有公共方案維護權(quán)限的用戶，可對首頁圖表、報表報告進行維護；系統(tǒng)日志記錄用戶操作的重要信息，如對基礎(chǔ)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等的增刪，以便原始數(shù)據(jù)源的追溯。

圖2 江蘇省水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)功能模塊圖

2.2 管理駕駛艙展示

以管理駕駛艙頁面形式展示是本系統(tǒng)的一個重點，通過不同類型且主題可進行切換的圖表，展示用戶重點關(guān)注的查詢及統(tǒng)計分析結(jié)果。

水源地水質(zhì)狀況以儀表盤形式展現(xiàn)；水質(zhì)站次類別分布以餅圖形式展示，可切換為國家級、省級、全覆蓋、政府考核水功能區(qū)的不同統(tǒng)計結(jié)果；湖庫富營養(yǎng)化狀況以餅圖的形式展示，包括省管湖泊、大型水庫、太湖、洪澤湖及駱馬湖；水功能區(qū)達標率以柱狀圖的形式展示，可在國家級、省級、全覆蓋、政府考核水功能區(qū)之間切換；重點斷面水質(zhì)變化趨勢是針對重點測站不同評價項目，隨時間變化的曲線圖。

2.3 GIS 專題圖展示

基于 Web GIS 的專題圖模塊，充分利用已建的ArcGIS 服務(wù)發(fā)布平臺，結(jié)合部門業(yè)務(wù)特色，構(gòu)建全省測站和水功能區(qū)專題圖。測站專題圖可根據(jù)用戶選項直接在地圖上按區(qū)域標注出站點的地理位置，同時可查看各測站的基礎(chǔ)信息及最新監(jiān)測成果。

水功能區(qū)專題圖分為以下 2 個專題：1）區(qū)劃專題，可在地圖上標識出各個水功能區(qū)，支持用戶選擇一級或二級水功能區(qū)分類和分類檢索功能，查看基礎(chǔ)信息；2）水質(zhì)專題，按對應(yīng)方案中測站、評價項目評價出該水功能區(qū)的水質(zhì)類別，并在地圖上即時渲染。

2.4 綜合查詢

綜合查詢包含以下幾種查詢：1）基礎(chǔ)信息查詢，包含全省的地表水、地下水、入河排污口監(jiān)測站、水功能區(qū)、水資源分區(qū)基本信息；2）監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，包含理化指標、非金屬無機物、金屬無機物、酚類有機物、有機農(nóng)藥類、苯類有機物、鹵代烷醛胺類有機物、金屬及其他有機物、水體衛(wèi)生、水生生物群落與毒性、水生生物污染物殘留量、水體沉降物、省控項目等監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及入河排污口排污量統(tǒng)計、水文要素數(shù)據(jù)的查詢；3）數(shù)據(jù)綜合查詢，可由用戶自定義需要查詢的水質(zhì)監(jiān)測站和監(jiān)測項目要素；4）評價體系查詢，包含監(jiān)測項目和湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準。

2.5 數(shù)據(jù)維護

數(shù)據(jù)維護提供系統(tǒng)基礎(chǔ)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線數(shù)據(jù)維護功能，所有維護操作均記錄于用戶的重要操作日志。

2.6 數(shù)據(jù)錄入

數(shù)據(jù)錄入用于下屬分局上報數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的錄入與審核，包括水質(zhì)數(shù)據(jù)錄入、審核，以及自定義方案維護功能。用戶可在自定義方案維護頁面中定義1 個錄入方案，用于錄入需上報的測站及項目監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過二次錄入機制確保錄入數(shù)據(jù)的正確性，同時支持 Excel 文件直接導(dǎo)入。數(shù)據(jù)審核用戶，可根據(jù)上報數(shù)據(jù)用戶及批次進行數(shù)據(jù)審核，經(jīng)審核通過后，該批次數(shù)據(jù)會自動記錄至水質(zhì)專題數(shù)據(jù)庫中。

2.7 評價分析

評價分析模塊涵蓋了眾多實際工作中的業(yè)務(wù)功能，如成果統(tǒng)計表、評價分析表、匯總統(tǒng)計表、水體富營養(yǎng)化評價、水功能區(qū)評價表等。用戶通過自建方案，定義不同的評價分析的測站和項目，進行業(yè)務(wù)工作報表的匯總統(tǒng)計[2]。統(tǒng)計分析成果可在線導(dǎo)出 Excel 文件，提高了工作效率。

2.8 報表報告

報表報告包含江蘇省水文系統(tǒng)水質(zhì)部門常用的監(jiān)測成果、水源地和水功能區(qū)的圖文報告及水資源公報報表 4 大類。其中圖文報告包含水功能區(qū)通報、水文情報，由用戶按期進行維護，支持 Web 頁面預(yù)覽，可直接導(dǎo)出 Word 文檔；水資源公報報表主要用于導(dǎo)出 Excel 后進行水資源公報編制。

3 系統(tǒng)效益分析

3.1 完善數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是所有信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，合理的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計是信息化系統(tǒng)實現(xiàn)的重要因素。水資源質(zhì)量分析評價主要包括地表水、地下水、入河排污口的各類基礎(chǔ)和地理信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，參照 SL 325—2005 《水質(zhì)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)和標識符標準》，構(gòu)建水質(zhì)中心數(shù)據(jù)庫。但在實際工作中，該標準無法滿足水環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的實際情況，需要在此基礎(chǔ)上進行擴展設(shè)計[3]。在實施過程中，通過不斷驗證，使數(shù)據(jù)庫滿足系統(tǒng)要求，同時為未來的擴展和升級奠定基礎(chǔ)。

本次研究對水環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的標準、規(guī)范進行了補充完善，并在實際工作中成功建立了應(yīng)用，更適應(yīng)于江蘇省水環(huán)境監(jiān)測行業(yè)工作的實際情況，同時貼合下屬各分局的工作特性。部分擴展說明如表 1所示。

3.2 實現(xiàn)報表及圖文報告快速生成

水利部門在日常工作中需要大量的不同類別的統(tǒng)計報表和圖文混編報告，如評價分析、統(tǒng)計報表、通報公報等。這些報表及報告，形式多樣，計算復(fù)雜，如明細匯總、分類聚合統(tǒng)計等，極為耗費時間和人力，因此是系統(tǒng)設(shè)計上的一個難點，同時又是系統(tǒng)的重要組成。

3.2.1 報表生成

水質(zhì)評價工作中，對水功能區(qū)的統(tǒng)計分析，不僅需要按不同行政區(qū)、各水功能區(qū)綜合評價，對各項目加權(quán)或均值評價，還需列出水功能區(qū)所屬監(jiān)測斷面計算結(jié)果。某水功能區(qū)斷面河長加權(quán)統(tǒng)計計算明細表如圖 3 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表擴展設(shè)計說明

圖3 水功能區(qū)斷面河長加權(quán)統(tǒng)計計算明細

本研究從實際工作需求出發(fā)，開發(fā)了大量工作報表，涵蓋了監(jiān)測成果數(shù)據(jù)、水質(zhì)類別評價分析、水體營養(yǎng)狀態(tài)、水資源分區(qū)等統(tǒng)計，可以針對監(jiān)測頻次、月度、年度及自定義時段進行查詢和分析。在各類計算分析中可選擇不同評價體系，進行水質(zhì)評價[4]。系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了用戶對較高自由度評價、分析、計算的需求，節(jié)約了大量的人工計算、統(tǒng)計時間，提高了工作效率。

3.2.2 報告生成

水功能區(qū)通報反映全省當(dāng)月水質(zhì)情況，內(nèi)容包含水質(zhì)斷面類別統(tǒng)計，省級、國家級、全覆蓋、政府考核水功能區(qū)達標評價，重要水域、省管湖泊水質(zhì)分析等。從水質(zhì)資料收集到數(shù)據(jù)分析評價、成果統(tǒng)計，圖文并茂，但編制過程繁瑣，且編制頻率較高（每月 1 期），產(chǎn)生大量重復(fù)勞動，占用了過多的工作時間。

圖文混編報告的動態(tài)生成是一種較為復(fù)雜的技術(shù)，如水功能區(qū)通報，不僅包含圖表、數(shù)據(jù)標簽及文字信息，還包含 20 多個不同運算過程[5]。系統(tǒng)運用開源 jqGrid 顯示網(wǎng)格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)前端頁面與后臺數(shù)據(jù)的 Ajax 異步通信，可兼容目前所有流行的 Web瀏覽器；通過 Ajax 分頁，可以控制每頁顯示的記錄數(shù)；支持 XML 和 JSON 數(shù)組形式的數(shù)據(jù)源；支持表格排序，支持拖動、隱藏列；支持子表格及樹形表格。系統(tǒng)采用 JasperReport + JFreeChart 制作報告模板，使用 100% Java 語言編寫，通過 JasperDesign 編輯 XML 模版文件，運用 JavaBeans 獲取數(shù)據(jù)源，最后提交上層的定制模板和報告頁面使用[6]。經(jīng)不斷調(diào)試驗證，輸出后可轉(zhuǎn)換成 PDF，HTML，XML 等多種格式。

結(jié)合軟件、評價術(shù)、統(tǒng)計、圖文混排等技術(shù)，水資源分析評價系統(tǒng)實現(xiàn)了主要工作報告的快速生成。相比原先的手工編制，提高了工作效率，值得在國內(nèi)行業(yè)內(nèi)進行推廣。

3.3 多種展示方式體現(xiàn)工作成果

常見的展示形式有曲線圖、柱狀圖、線狀圖、餅圖、儀表盤等，本研究結(jié)合 GIS 和動態(tài)生成技術(shù)，即時計算，實時渲染，提出 GIS 專題圖展示，對各區(qū)域水質(zhì)類別以不同顏色進行標識，豐富了展示效果，實現(xiàn)了水質(zhì)站點、水功能區(qū)水質(zhì)等水資源信息的空間展示，示意圖如圖 4 所示。對水功能區(qū)水質(zhì)類別的計算、渲染改變了傳統(tǒng)的 Mapinfo 的制圖方法，可通過系統(tǒng)維護操作定制展示方式，直觀展示用戶所關(guān)注的重要監(jiān)測、評價分析成果及統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)語

新構(gòu)建的水質(zhì)專題數(shù)據(jù)庫重新整合了零散的歷史監(jiān)測資料，形成了統(tǒng)一、準確的水質(zhì)數(shù)據(jù)中心，為水行政部門掌握江蘇省水質(zhì)的現(xiàn)狀與變化趨勢提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。同時，新建的水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)應(yīng)用平臺從水質(zhì)部門實際工作需求著手，設(shè)計并拓展了多系列實用的評價方式與展現(xiàn)形式，減少了手工評價分析工作量，極大地提高了水質(zhì)評價工作的效率，取得較好的效益。

隨著新形勢下水質(zhì)工作要求的不斷提高，江蘇省水資源質(zhì)量分析評價系統(tǒng)在運行速度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能覆蓋性方面仍有一定提升空間，將在下一步工作中逐漸完善。

圖4 水功能區(qū)水質(zhì)類別示意圖

[1] 中華人民共和國水利部. SL 325—2005 水質(zhì)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符規(guī)定[S]. 北京：中國水利水電出版社，2005: 6-22.

[2] 國家環(huán)境保護總局. GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標準[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002: 1-6.

[3] David M.Kroenke. 數(shù)據(jù)庫處理：基礎(chǔ)、設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998: 31-41.

[4] 徐業(yè)平. 河流水質(zhì)水量綜合評價方法研究綜述[J]. 水資源保護，2005，21 (4): 34-36.

[5] Dirk Krafzig, Karl Banke, Dirk Slama. Enterprise SOA 中文版[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006: 41-48.

[6] 關(guān)鑫. 基于 J2EE 的通用報表系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 成都：成都理工大學(xué)，2010: 21-26.

Research about Construction and Benefit of Water Quality Analyzing System

GAO Mingyuan, LIU Junjie
(Hydrology and Water resources Surveying Office of Jiangsu Province, Nanjing 210029, China)

The analysis and evaluation platform is developed based on the unified data center of water quality. The system uses three-tiered architecture and consists of eight modules. Presentation layer can be accessed through the browser directly. Meanwhile, according to the characteristics of the industry, a professional system is built by improving the industry standard. In application, the system has excellent scalability, provides long-term support, and achieves automation of the water quality evaluation by improving work efficiency. It mainly realizes the automation of water quality analysis and statistics business.

water quality; evaluation system; database; efficiency

TV21

A

1674-9405(2015)04-0011-06

2015-04-15

高鳴遠（1981－），男，江蘇淮安人，工程師，主要從事水環(huán)境評價分析、水質(zhì)信息化工作。