水资源质量信息共享服务系统设计与开发

彭 辉，毛学文，高俊杰

（水利部水文局，北京 100053）

0 引言

随着经济社会的不断发展，水资源短缺和水污染将越来越成为水资源可持续利用和经济社会可持续发展的重要制约因素，与此同时，城乡居民的饮用水水源水质面临着不断恶化的危险，如 2005 年的松花江重大水污染和 2007 年太湖蓝藻水华事件，不仅对居民饮水造成极大困难，甚至在国际上也造成了严重不良影响。作为经济社会发展的基础性、资源性、公益性信息，水质监测信息的及时性和准确性，直接关系到千家万户的生命安全和生活水平。如何快速有效地利用水质监测信息，更好地为水资源保护和管理服务，促进水资源的可持续利用，是水质监测业务部门的迫切需要。

针对目前全国水利系统水质监测业务部门计算机软硬件环境，水利部水文局于 2008 年启动了全国水资源质量信息共享服务系统建设项目。项目建设范围涵盖了水利部水文局，长江、黄河水利委员会水文局，各流域水环境监测中心及其分中心和各省（自治区、直辖市）水环境监测中心等 55 个信息系统节点。建设任务包括各信息系统节点软硬件基础平台建设，配置 Web 和数据库服务器及相应软件；统一开发实验室信息管理、数据传输与信息管理、分析评价、共享服务与信息发布、水质预测等子系统，以及水质测站、水功能区与排污口 GIS 信息处理。

1 系统总体设计

系统的建设目标是通过规范化的信息管理，实现区域水质监测数据的共享和传输，科学、高效地完成水质监测和评价工作的日常业务，提高对突发、恶性水质污染事故的预警预报及快速反应能力，判断发展趋势及成因分析；对决策及常规管理提供信息支持，达到能够及时全面反映区域主要江河水质变化动态，满足区域水功能区管理和水资源开发利用与保护的需要，以及区域内各级水行政主管部门及社会公众对水质信息的需要，在全国范围内初步建成水资源质量信息共享服务系统。

依据建设目标和全国水质监测行业的业务现状及信息流程，水质信息系统依托水利信息化基础或公共通信等网络环境，实现水质信息在各级不同信息节点之间的传输汇总，并在各级节点实现水资源质量信息的管理、分析评价和信息发布，为各级水行政主管部门和社会各阶层提供决策信息支持及服务。

按工作需要和实施的要求，系统划分为实验室信息、数据传输与信息管理系统，以及水功能区信息和用户应用（水质信息分析评价、发布服务和水质预测系统）。系统总体结构如图1 所示。

系统对应着水利部、流域、省（自治区、直辖市）3 级水质监测体系，需要根据不同级别监测体系的业务应用与管理要求，制定相应的协议与接口协议，在服务、构件和信息等层次实现基于网络的资源共享与协同操作，使系统在全国范围内实现优势互补、资源共享、维护方便、应用灵活的目标。

图1 系统总体结构

2 系统主要功能

水质信息系统在开发过程中紧密结合水质监测业务部门的日常工作，在突出监测站网管理、水资源质量评价和监测资料整编[1]等功能设计的同时，考虑了水功能区水质监测评价工作和今后水质监测业务发展的需要。在系统框架中，只需将新的水质评价方法和模型编制成 JavaBean，系统通过统一的XML 配置文件设置[2]，新方法、模型就扩充到系统中了。由于良好的系统框架设计，从而实现系统的健壮性、可维护性、可升级性。

2.1 水质评价地图

水质地图是利用 WebGIS（Web 地理信息系统）的方式，将水质评价结果进行可视化的展现，让用户更直观、形象地看到水质评价结果。

水质地图界面主要由图层控制窗口、评价时间、地图工具栏、切换按钮、地图区组成。图层控制窗口由水质地图菜单下的图层显示控制打开，主要控制地图图层的显示和隐藏；地图工具栏主要包括地图操作的漫游和量算功能；切换按钮主要完成评价和对象查询 2 种地图模式的切换。

在评价地图模式下，用户可以通过选择水质地图菜单下的评价对象查询水质评价结果，也可以通过改变评价时间查看不同时间的水质评价结果。

系统实现的水质地图包括：地表水、地下水、排污口水质，水功能区达标、湖泊水库营养状态等评价结果图，行政区划和水资源分区等水质评价结果统计图。

2.2 水质评价

水质评价是系统的核心功能，根据目前水资源质量评价的实际工作情况，系统以监测站网为基础，提供了按流域、水系、河流，行政区划，水资源分区等 3 种查询统计口径，评价标准可选并可定制，评价结果包括月、季度、半年、全年、汛期、非汛期、任意时段内和指定时间序列内的一系列结果，而且在列出单个水质站超标项目的超标倍数和最差值的同时，可按选择的统计口径汇总测站评价结果，并与前期统计结果进行比较。系统还预先定制了各种水质评价报告模板，可将水质评价结果以报告的形式表现，用户可直接或简单修改后以 HTML 发布在本系统的水质评价报告栏目中，或以 Word 格式导出，然后以附件方式发布。此外，通过系统的配置文件，系统可以无缝引入新的水质评价方法和模型，方便快捷，能够满足水资源质量评价工作今后发展的需要。

系统实现的水质评价功能如下：地表水水质、湖库营养状态、水功能区水质达标、水源地水质指数、水功能区纳污能力达标、地下水监测站单项组分、地下水监测站综合、地表水天然水化学特征、地表水监测站底质污染等评价，地表水监测站污染物通量及超标、排污口监测站污染物通量等计算，水质变化趋势分析。

2.3 水质预警预测

水质预警预测采用预先设定的交互接口，将水质预测模型库和数据库及水文数据库有机组织起来，按照水质预测模型的定义输入模型计算所需的原始数据，系统将这些数据传送给模型，模型完成计算后，把计算结果返回系统，以实现系统对水污染状况的分析与预测，最后以多种方式给出模拟结果。水质模型参数的选取是否合理将会在很大程度上影响模型计算的精确性，故在进行水质预警预报和纳污能力计算之前要先对相关模型参数进行率定，系统提供了参数率定和交互修正 2 种模块，通过与用户交互可实现这一功能，在进行污染物预测之前，可对 13 种主要污染物的各个模型参数分别进行参数率定计算。

系统实现的水质预警预测功能如下：参数率定，参数交互修正，水质预警预测模型库建立，水域纳污能力计算方法库建立。

2.4 综合查询

综合查询主要针对水质监测管理的查询工作需要，按 3 种查询口径，管理和监测单位、测站功能、水域类型等查询选项，对各类水质监测测站（地表水、地下水、大气降水、入河排污口）、水功能区、湖泊水库的基本信息，各时间段的水质评价结果和监测数据进行查询，并将查询结果输出为 Excel 或 XML 文件，方便上下级单位之间的测站汇总与管理。系统还根据 GB/T 23598-2009《水资源公报编制规程》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，大大减轻了每年《中国水资源公报》编制的工作量，提高了工作效率与时效性。

系统实现的综合查询功能如下：测站、水功能区、湖泊水库的基本信息查询，水质评价结果查询，水质监测数据查询，《中国水资源公报》涉及的各种水质报表的生成。

2.5 信息发布

信息发布是系统授权的用户通过在线编辑的方式，把水质监测评价信息编制成水质评价月报、年报等各种报告，然后以网页的形式发布到系统的主页面上，也可发布水质常识、技术规范、公示公告等日常管理信息，满足水质监测部门行业日常管理的需要。

系统实现的信息发布功能包括：水质动态和报告、工作动态、水质常识、技术规范和公示公告的发布。

2.6 数据传输

数据传输是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基本及其监测评价信息。下级单位可根据测站所属流域来配置测站，向不同的流域机构上报不同的测站及其监测评价信息。在系统各信息节点网络互联互通的情况下，通过用户鼠标点击可实现数据的在线实时传输，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。

系统实现的数据传输功能包括：上报单位和对象配置，测站（水功能区）基本信息、评价结果、监测数据的传输。

2.7 数据维护

数据维护主要是水质数据库日常使用过程中，水质测站、水功能区、水资源分区、行政区划等基本信息，水质评价结果，监测数据的创建、读取、更新和删除等数据库基本访问操作，以及批量导入基本信息和监测数据的水质数据库建库工作。系统提供了数据验证功能，只有符合水质数据库表要求的数据才能入库，不符合要求的数据，系统会给出错误位置和出错原因，方便用户修改和维护。

系统实现的数据维护功能包括：基本信息维护，水质评价结果、监测数据、数据导入。

2.8 系统管理

系统管理主要是系统的一些配置选项、评价标准及项目管理、用户及用户权限管理等，一般由系统管理员管理这些功能。除了系统管理员，系统管理功能菜单对一般用户是不可见的。系统管理员有权设置系统用户、用户权限及其所能使用的系统功能。系统增加新功能后，通过系统菜单的动态增加，用户就可以访问系统新功能，具有良好的可维护性。

系统管理的主要功能包括用户和角色管理，评价项目和标准、监测项目、汛期等设置。

3 系统关键技术

3.1 Struts 框架

Struts 是基于 J2EE 平台的 MVC 框架[3]，主要采用 Servlet 和 JSP 技术实现。Struts 框架可分为以下 4 个主要部分（其中 3 个与 MVC 模式紧密相关）：

1）模型。是在对用户请求的整个控制过程中，真正处理用户请求并保存处理结果的对象，由实现业务逻辑的 JavaBean 或 EJB 组件构成。在 MVC 框架中，模型是应用程序的核心。在应用中，通过 struts-config.xml 配置文件，一般是 1 个模型对象和 1 个视图对象对应的关系，但也可以 1 个模型对象对应多个视图请求。

2）视图。是 1 组 JSP 文件，在这些 JSP 文件中没有业务逻辑，也没有模型信息，视图与业务逻辑的分离，网页的改版不需要重新修改业务模型，业务模型的维护与升级也不会影响网页的外观，简化了Web 应用程序的开发。另外，Struts 还提供大量的标签库方便开发者将 JSP 整合到 Struts 框架中。

3）控制器。由 ActionServlet 类和 Action 类来实现。ActionServlet 类是 Struts 框架中的核心组件，继承自 javax.servlet.http.HttpServlet。本质上 Action Servlet 是 1 个 Servlet，用于接受客户端 HTTP 请求信息，然后根据配置文件struts-config.xml 中的配置信息，将请求转发到适当的 Action 对象。如果该 Action 对象不存在，ActionServlet 会先创建这个Action 对象。

Action 类负责调用模型的方法，更新模型的状态，并帮助控制应用程序的流程。对于小型简单的应用，Action 类本身也可以完成一些实际的业务逻辑。对水质信息管理系统，Action 类充当了用户请求和业务逻辑模型之间的适配器，根据用户请求来选择调用有关的业务逻辑模型。通过将业务逻辑放在单独的 JavaBean 或 EJB 中，可以提高应用程序的灵活性和可重用性。

4）XML 文件解析的工具包。在 Struts 中，所有的用户请求路径和 Action 映射关系都存储在特定的 XML 文件 struts-config.xml 中。此外 Struts 还利用 XML 文件描述在国际化应用中的用户提示信息，通过 Struts 可以快速地在应用系统中实现多语言支持。

3.2 Spring Frame 框架

Spring 是轻量级的 J2EE 应用程序框架[4]。Spring 的核心是 1 个 IoC（Inversion of Control）/DI（Dependency Injection）的容器，它可以帮程序设计人员完成组件之间的依赖关系注入，使得组件之间的依赖达到最小，进而提高组件的重用性。Spring 是低侵入性的框架，Spring 中的组件并不会意识到它正置身于 Spring 中，这使得组件可以轻易地从框架中脱离，几乎不用任何修改；反过来说，组件也可以简单的方式加入到框架中，使得组件甚至框架的整合变得容易。在全国水资源质量信息共享服务系统中，业务逻辑（水质评价方法和模型等）以组件的形式存在，通过 Spring 框架，只需修改Spring 配置文件，新模型、评价方法可以方便地放入系统中，无需修改系统代码，系统的可维护性、可升级性得到了显著提高。

4 系统运行环境

全国水资源质量信息共享服务系统基于 B/S 的模式和 Seemap WebGIS 平台运行，系统部署到应用服务器后，客户端以浏览器的方式访问和使用系统，系统支持 IE6.0 及以上版本访问，系统的水质地图是以 Java 的 Applet 方式运行在浏览器中，客户端需要安装 JVM（Java 虚拟机）。

5 结语

水质监测与评价工作涉及的水质监测项目多，评价标准多样，各种评价统计繁杂，具体有地表水和地下水水质、水源地综合指数、湖库营养状态、水功能区水质达标等评价，对水质信息评价系统的设计与开发提出了较高要求。水资源质量信息共享服务系统通过采用 Spring Framework 系统框架，将各种评价方法与模型模块化，通过配置文件组织，有效解决了日常管理工作中水质评价新标准、方法的接入问题，实现了系统良好的健壮性、可维护性、可升级性。

目前，水资源质量信息共享服务系统正进一步在水利系统全国范围内推广应用。该项目的实施，将通过规范化的信息管理，利用先进的计算机手段，实现全国水资源质量监测数据的共享和传输，科学、高效地完成水质监测和评价工作的日常业务，提高对突发、恶性水质污染事故的预警预报及快速反应，更好地为水功能区管理和水资源开发利用与保护服务。

[1]水利部水文局. SL325-2005 水质数据库表结构与标识符规定[S]. 北京：水利部，2005: 6-40.

[2]孙卫琴. 精通 Struts: 基于 MVC 的 Java Web 设计与开发[M]. 北京：电子工业出版社， 2004: 9-13.

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

[4]SpringSource.About Spring [OL]. [2010-11-02].http://www.springframework.org/about.