塔里木河流域地下水监测管理系统设计与实现

2013-09-04阿迪力艾则孜

地下水 2013年4期

周红，阿迪力·艾则孜

(新疆水文水资源局，新疆乌鲁木齐 830000)

地下水是一项重要的水资源，是自然界循环的重要组成部分。有些地区不合理的地下水过度开采，形成了漏斗区，使得地下水在水位、水质、水量等方面遭到了严重的破坏，生态环境日益恶化。为了及时掌握和了解地下水监测系统的动态变化过程及趋势，对于干旱缺水的喀什地区，地下水自动监测是一项迫切需求。该地区共建设了79个地下水监测站点分布于11个辖区县，实现了数据的采集、传输、接收处理等。其中采集层主要负责完成监测数据远程实时自动采集的水位埋深、水温等信息的自动采集、存贮及传输的任务。传输层主要负责信息的传输，由于监测井点的位置分布范围广，在区域内都有GPRS信号覆盖，选择 GPRS主信道的组网通讯方式，在专门通信软件的支持下，依托移动公网完成测站至中心的数据上报。数据处理中心主要负责各种监测数据的接收、存贮、分析处理等工作。

1 信息系统设计

1.1 系统总体结构设计

通过建立塔里木河流域地下水信息管理系统，实现对区域内的地下水水位埋深、水温、开采量等数据监测、管理与评价分析。通过对地下水信息的综合分析处理，为地下水信息管理、预测预报、调度配置提供信息服务和技术保障，从而有效的提高地下水应用服务水平［1］。

系统采用B/S结构开发，系统的物理结构采用数据层、逻辑层、表现层三层结构模式。

数据层目前主要指数据库，存储和管理地下水监测数据保存、读取和检索等功能。数据库系统为决策支持系统提供统一的地下水水位埋深、水温、开采量数据等专业数据库的结构、编码分类，运行与管理环境。数据采用分布式结构。

逻辑层也是应用层，主要负责实现软件逻辑的处理过程，所有的应用逻辑都在这里进行。该层从数据层获取数据，然后根据业务逻辑对数据进行加工处理，随后将加工过的数据传送给表现层。主要模块有地下水数据管理(包括基础信息服务)、地下水统计分析系统、系统管理。

表现层也是客户服务层，主要是人机交互提供数据接口。提供给用户一个自然的、人性化的图形用户界面来发出请求、输入信息和获取数据。

1.2 数据库系统设计

地下水信息数据库的作用非常重要，它包含了大量的地下水信息，既有历史数据，也有实时数据，既有数据也有图像。因此在设计数据库结构时，既要使其总体结构具有较高的灵活性、可扩充性、可维护性，又要保证数据的可靠、有效、完整、完全［2］。功能结构先进合理、操作使用灵活方便。数据库设计是以《地下水监测规范(SL 183－2005)》数据库表结构为基础，在规范中能满足应用要求的，严格按规范中表结构实行。不能满足要求的，则根据需求自行设计。在设计时要求既要符合数据库规范设计标准，又要保证与实际需要相结合，避免冗余数据。可以高效地对数据进行规范化、标准化、系统化管理［3］。

数据库设计是将基础数据统一在关系型数据库系统SqlServer中，由其统一管理。地下水资源管理系统数据库由水文地质基本信息表、测站关系表、地下水原始数据表、地下水整编数据表及用户管理表等组成。见图1。

图1 数据库设计

1.3 系统软件设计

管理信息系统软件采用.NET技术路线，结合微软Visual Studio 2008和SQL2008进行系统的软件开发和设计;地理信息系统部分采用WebGis框架进行设计和开发。前端为IE浏览器，发送客户请求，请求通过集成的Web服务器进行处理，并与后端SQL数据库结合处理数据的存取，完成请求任务，并将结果页面返回给客户端。

1.4 系统安全性设计

系统安全性设计主要从网络安全、数据安全和应用安全等方面进行考虑，使系统在运行的每个环节都有可靠的安全性。

网络安全性设计:系统在网络层的安全措施主要采取防火墙保护和入侵检测系统技术。通过使用不同型号的防火墙保护系统，保护web服务器与后台数据库的连接。网络入侵检测系统通过全面检测可能的入侵行为，及时识别各种攻击性行为，生成入侵检测报告。通过采取有效措施实现网络的安全。

数据安全性设计:通过对数据库用户、数据库管理者、应用程序开发者等不同的数据使用者进行了设计要求，这样就保证了在各个环节都使数据的安全性得到了充分保证。

应用安全性设计:通过对应用服务器、应用服务、系统监控和日志等安全性进行设置，除采用安全技术确保系统安全外，还在应用服务、系统监控和日志管理等方面保证了系统的安全运行。

1.5 系统功能设计

塔里木河流域地下水信息管理系统是以喀什地区地下水监测站实时数据和整编数据为基础，实现地下水数据管理、地下水统计分析及系统管理。具有数据处理、报表生成，测站地理信息及整编成果管理、水文要素相关性分析等功能为目的的软件系统。见图2。

在设计功能时，要求系统的功能清楚、逻辑清晰、设计合理［3］;各功能模块相互独立，具备独立的处理功能，且模块的稳定性好，操作可靠，数据处理方法力求科学、实用［4］。

1.5.1 数据的统一管理

采用统一的数据库管理图形数据、属性数据与基础数据。此外还需设计高效的数据结构，优化组织数据，方便数据的管理，同时实现数据库的访问安全控制及数据备份［5］。

1.5.2 图形的显示、编辑、查询

实现属性、图形图像、数据的管理，能够进行测站点的增加、删除、修改、编辑、信息查询等功能操作;实现监测站点的空间和属性的管理及查询功能;实现统计分析及相关曲线的绘制。

1.5.3 专业分析功能

主要包括地下水水位、水温原始数据、整编数据、统测站数据等专业数据处理、分析功能;并能通过多种图形(如折线图、柱状图、饼状图等)来展示相关的地下水数据，以期发现其中的变化规律。

1.5.4 业务报表的设计与输出

根据《地下水监测规范(SL 183－2005)》中业务报表的格式要求，从原始数据、整编数据表中读取相应的数据，通过业务逻辑计算形成整编表。数据格式以年鉴刊印本的格式要求为准，同时也可输出相应的 XLS文件格式，并且可以打印这些报表成果。

1.5.5 统计分析图示

可以图形和表格的形式实现埋深趋势分析和埋深对比分析。需地下水的单站动态分析、多站动态分析及区域动态分析。

1.5.6 系统管理

主要实现用户管理、权限分配、日志管理、数据库管理和系统框架管理。

2 信息管理系统功能实现

2.1 系统功能实现

在系统的实现过程中，地下水信息管理系统软件采用 B/S模式设计，基于.Net架构集成技术。.Net平台是一种功能完备，稳定可靠，安全快速的企业级计算平台。支持多数据库的适配，提供开放的、平台级的应用编程接口和管理工具，系统在集成新的应用时，具有良好的可扩展性。使用了C#语言编程技术，并且采用了直观的图形用户界面技术，信息的表达形象、直观、简洁明了;数据库平台采用 Microsoft SQL Server 2008，系统的实时监控能够实现地下水观测井的实时数据同步，并且可以对实时数据进行查询、分析以及统计的功能，地下水时空分析图和地下水动态分析图(等值线生成)，使地下水数据成果直接获得了应用，增强了地下水信息管理的高效性和准确性。

通过地下水信息管理系统，使地下水的监测信息得到及时的分析处理。主要内容包括地下水数据管理系统、地下水统计分析系统、及系统管理三个方面。

图2 系统功能设计

2.1.1 地下水数据管理系统功能

地下水数据管理是地下水信息管理系统的基础，它负责原始数据的管理、整编数据管理、业务报表及基本信息管理。除在每张表中有浏览、增加、修改、删除、查询等功能外，还根据需求增加了导入、导出、打印等功能。用户可以根据权限对表进行操作。

原始数据管理:是对原始数据进行管理，在这个管理系统中既包含了对遥测数据的管理，也包含了对人工观测数据的管理。有原始水位人工数据管理、原始水位自动数据管理、统测站原始数据管理、原始水温人工数据管理、原始水温自动数据管理、原始开采量数据管理。

整编数据管理:是将原始表中的数据转入到整编表中，使原始数据与整编数据分离，有利于数据的管理。同时也可增加或导入进行数据入库。

业务报表:主要是根据地下水监测规范要求，从整编数据表中读取相应的数据生成整编的业务成果报表，并可打印业务报表。实现了入库数据的自动整编。根据规范要求生成了13种成果表。地下水监测站基本情况考证成果一览表、地下水水位自动监测资料摘录成果表、地下水水位逐日监测成果表、地下水埋深逐日监测成果表、地下水水位5日监测成果表、地下水埋深5日监测成果表、地下水水位10日监测成果表、地下水埋深10日监测成果表、地下水水位年特征值统计表、地下水开采量监测成果表、地下水水温监测成果表、地下水统测站考证成果一览表、地下水水位统测成果表。

基本信息包括:主要完成基本信息管理，对基本监测站信息、统测站基本信息、基本站和统测站的沿革信息、监测站成井时的钻孔信息、岩性信息、井壁管信息、过滤管信息、成井时的抽水试验信息、成井时的筛分试验数据、地貌类型区信息、对水文地质单元名称的管理、对水源地、超采区等特殊地貌类型区的管理、对监测站所属的特殊类型区的管理。

2.1.2 地下水统计分析系统

地下水统计分析系统主要是通过图形对地下水信息进行监测、查询及统计图形的绘制。使图形具有刷新、放大、缩小、移动地图、复原按钮等功能。主要有地下水动态 GIS、地下水查询、地下水分析。

地下水动态GIS:是通过地图对地下水基本信息进行查询。可以点选或框选查询选定的测站信息及监测数据。并通过所选监测站点可查询某条河流、流域、水位观测井在GIS图中的位置，并显示相关属性。地图具有刷新、放大、缩小、移动地图、复原按钮。可以进行图层控制、图例控制等管理。根据成井信息、岩性信息、井管信息、过滤管信息以及抽水试验和筛分试验等形成机井柱状图，从图中能够显示该井的岩性、井管等信息。同时可以在图形上进行地下水位、水温实时监控。

地下水查询实现了对监测站全方位的统计查询，主要包括:监测站分布统计、监测站基本信息查询、监测水位埋深数据查询。通过条件选择实现监测水位数据的查询，监测站编码、监测站名称、原编码支持模糊查询，根据添加的监测时间显示选择条件范围的测站的监测数据。

地下水分析主要有地下水时空分析和地下水动态分析。地下水时空分析从时间和空间两个方面，分别对单站、多站及区域地下水水位埋深数据开展趋势分析和对比分析。地下水动态分析是对区域地下水进行等值线(面)和变幅等值线(面)的绘制以及变幅分析

2.1.3 系统管理

系统管理主要是对系统框架管理、用户管理、权限分配、日志管理、数据库管理。

系统框架管理主要是对系统栏目进行管理。主要有系统栏目定制、系统权限维护、权限类型管理。系统栏目定制实现系统栏目的管理，可以添加服务子项目，对服务项目资源进行添加、删除、排序等。系统权限维护实现对系统权限的维护管理，对于系统中每个项目资源所有的权限类型可以进行重新设置。权限类型管理实现对权限类型的管理，可以对所有的权限类型进行具体操作。

用户管理主要是对用户及其权限进行管理。主要有部门及人员管理，实现对部门及人员信息的管理，角色管理对人员的角色进行管理。主要包括添加角色、角色成员管理、修改、删除、排序等5个功能。

权限分配分别对角色权限分配和用户权限进行分配管理。

日志管理实现对信息系统进行操作日志的管理，具有浏览、查询功能。

数据库管理是对数据备份和数据恢复。