水资源质量分析评价系统构建与效益分析

高鸣远，刘俊杰

（江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

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水资源质量分析评价系统构建与效益分析

高鸣远，刘俊杰

（江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

在构建统一水质数据中心的基础上开发建设功能全面的水资源质量分析评价系统平台，系统采用三层体系架构，具有 8 个功能模块，用户可直接通过浏览器访问表现层。同时根据水资源分析评价行业的特点，完善相关规范，建成适用于行业实际需求的业务体系。经过实际应用，水资源质量分析评价系统具有良好的扩展性，有较长的生命周期，可大幅度提升日常工作效率，基本实现水质分析统计业务的自动化。

水资源质量；评价系统；数据库；效益

0 引言

水资源质量评价是水资源保护及管理的重要组成部分，也是水资源管理机构业务流程的一项重要工作，通过充分利用历史数据，形成各类统计分析报表和图形，用于指导各项业务，是各级水资源管理机构的重要技术手段。江苏省水文水资源勘测局水质部门在实际工作中需要评价、统计、分析处理大量的水质监测数据以获得相关信息，会占用大量的时间与人力资源。这种人工计算、评价、统计的模式已难以适应新形势下水质工作的要求，工作效率亟待提高。

为此结合江苏省水文水资源勘测局“水资源分析评价系统”构建与应用的具体实践，分析多测点、多参数、不同时期、多模式的评价分析模块功能及数据信息处理的方法。经过实际应用，基本实现水资源质量分析统计业务的自动化，大幅提高了工作效率。

1 系统构建

1.1 实施背景

江苏省水利部门水环境监测行业自 20 世纪就依托 DOS 系统平台，设计了水质监测数据采集软件，以零散的文本文件形式，积累了全省部分历史资料。21 世纪初根据工作需要，开发了单机版的地表水水质数据库管理软件，将文本数据文件转为数据库结构，同时集合了简单的统计功能，一定程度上提高了汇总统计的工作效率。经过多年的运行，尤其在水资源质量评价分析及数据源的统一性、唯一性方面提出解决问题的目标后，原有软件功能已不能满足现有需求。

1.2 设计思想

开发的水资源质量分析评价系统以大幅度提升工作效率为出发点，以贴合实际工作的数据分析、统计为基础，动态生成多种分析、统计报表，大量减轻日常统计工作；同时增加关注信息分析对比、GIS 展示，具有良好的扩展性，有较长的生命周期。

鉴于需求及工作目标，设计开发并构建了适用于江苏省的水质专题数据库及水资源质量分析评价应用系统，设计指导思想如下：

1）采用基于 B/S 的体系结构；

2）在水文水资源勘测局信息中心构建统一的专题数据库，梳理整合相关基础信息、历史数据，保障数据的唯一性、准确性和安全性；

3）采用 Oracle11 和 Jetty 集中部署平台，增强服务器端运算效率，同时提高平台的稳定性。

4）采用成熟可靠的 Java EE 技术，在浏览器下，不依赖客户端插件，实现数据查询、多维图形和报表生成、图文混合报告自动生成、GIS 专题图展示、数据录入和维护等功能。

1.3 系统架构

良好的架构是系统建设重点，通过详细分析，采用三层体系，用户可直接通过浏览器访问表现层，以获取信息资源。系统架构图如图 1 所示。

图1 江苏省水资源质量分析评价系统架构图

评价系统架构分为以下几个基础层级：

1）基础设施层。遵循跨平台的设计原则，支持主流的服务器、网络等硬件和 Windows/Linux/Unix等操作系统，数据库采用 Oracle 关系型数据库，应用中间件支持 Jboss/Tomcat 技术标准和主流产品。

2）资源框架层。采用 SOA 架构，基于 J2EE技术规范，构建各类应用资源的基础构件和标准引擎，实现系统的可持续性、可扩展性、高复用性，充分满足当期需求和保障未来应用。

3）应用服务层。通过调用基础公共构件和标准引擎，实现并满足不同的业务功能；采用统一的标准通信协议，如 JSON/XML/SOAP/REST，实现应用间通信的高效、稳定、可靠。

4）业务表现层。客户端采用浏览器，设计上尽量采用纯 JAVA 代码，不依赖客户端插件，实现用户操作和信息展示 GUI （图形用户界面）功能。

1.4 数据梳理

对于水资源质量分析评价应用系统，各项功能需依赖完善的数据库结构及大量基础信息和准确的历史监测成果设计。为避免新系统成为空壳，无法支持实际业务工作，在系统实施初期，数据的组织、梳理成为初期工作的重点。

任何信息化系统都需要一个数据组织的层次体系，层次体系包括位、字符、数据元、记录、文件和数据库。在数据的层次体系中，数据元作为一个逻辑单位，由若干位和字节组合在一起。合理的数据元设计可作为上下文流转或数据库字段[1]。

基础数据收集的质量，直接关系到系统实施效益能否得到充分发挥。完整准确的数据，是保证系统上线后稳定运行的关键。因此，数据准备和梳理工作，是整个系统实施过程中头绪最多，工作量最大，耗时最长，涉及面最广，最容易失误且错误代价极大的工作，必须尽早进行和认真对待。

1.5 系统优化

在水资源质量分析评价系统开发前，制定了明确的项目任务书，防止在实际实施中，出现开发人员无法准确理解部分细节，造成设计偏差、计算错误等情况。在整个项目执行过程中，先采用原型设计，完成主体框架及功能；经综合评估后，详细设计编程，上线试运行；然后在试运行过程中，不断修正、完善功能业务流程。稳步推进，循序渐进，使系统最大程度地贴合建设单位实情。

2 系统功能分析

水资源质量分析评价系统分为 8 个子系统和功能模块，如图 2 所示。

2.1 系统管理

系统管理包括用户和角色管理、公共方案维护及系统日志。角色管理可配置不同的用户角色，通过资源分配模块，赋予角色不同的资源，实现不同用户个性化设置及功能配置；用户管理可增加、修改、删除用户基本信息，设定用户对应的角色；拥有公共方案维护权限的用户，可对首页图表、报表报告进行维护；系统日志记录用户操作的重要信息，如对基础信息、监测数据等的增删，以便原始数据源的追溯。

图2 江苏省水资源质量分析评价系统功能模块图

2.2 管理驾驶舱展示

以管理驾驶舱页面形式展示是本系统的一个重点，通过不同类型且主题可进行切换的图表，展示用户重点关注的查询及统计分析结果。

水源地水质状况以仪表盘形式展现；水质站次类别分布以饼图形式展示，可切换为国家级、省级、全覆盖、政府考核水功能区的不同统计结果；湖库富营养化状况以饼图的形式展示，包括省管湖泊、大型水库、太湖、洪泽湖及骆马湖；水功能区达标率以柱状图的形式展示，可在国家级、省级、全覆盖、政府考核水功能区之间切换；重点断面水质变化趋势是针对重点测站不同评价项目，随时间变化的曲线图。

2.3 GIS 专题图展示

基于 Web GIS 的专题图模块，充分利用已建的ArcGIS 服务发布平台，结合部门业务特色，构建全省测站和水功能区专题图。测站专题图可根据用户选项直接在地图上按区域标注出站点的地理位置，同时可查看各测站的基础信息及最新监测成果。

水功能区专题图分为以下 2 个专题：1）区划专题，可在地图上标识出各个水功能区，支持用户选择一级或二级水功能区分类和分类检索功能，查看基础信息；2）水质专题，按对应方案中测站、评价项目评价出该水功能区的水质类别，并在地图上即时渲染。

2.4 综合查询

综合查询包含以下几种查询：1）基础信息查询，包含全省的地表水、地下水、入河排污口监测站、水功能区、水资源分区基本信息；2）监测数据查询，包含理化指标、非金属无机物、金属无机物、酚类有机物、有机农药类、苯类有机物、卤代烷醛胺类有机物、金属及其他有机物、水体卫生、水生生物群落与毒性、水生生物污染物残留量、水体沉降物、省控项目等监测数据，以及入河排污口排污量统计、水文要素数据的查询；3）数据综合查询，可由用户自定义需要查询的水质监测站和监测项目要素；4）评价体系查询，包含监测项目和湖库营养状态评价标准。

2.5 数据维护

数据维护提供系统基础信息和监测数据的在线数据维护功能，所有维护操作均记录于用户的重要操作日志。

2.6 数据录入

数据录入用于下属分局上报数据及数据的录入与审核，包括水质数据录入、审核，以及自定义方案维护功能。用户可在自定义方案维护页面中定义1 个录入方案，用于录入需上报的测站及项目监测数据，并通过二次录入机制确保录入数据的正确性，同时支持 Excel 文件直接导入。数据审核用户，可根据上报数据用户及批次进行数据审核，经审核通过后，该批次数据会自动记录至水质专题数据库中。

2.7 评价分析

评价分析模块涵盖了众多实际工作中的业务功能，如成果统计表、评价分析表、汇总统计表、水体富营养化评价、水功能区评价表等。用户通过自建方案，定义不同的评价分析的测站和项目，进行业务工作报表的汇总统计[2]。统计分析成果可在线导出 Excel 文件，提高了工作效率。

2.8 报表报告

报表报告包含江苏省水文系统水质部门常用的监测成果、水源地和水功能区的图文报告及水资源公报报表 4 大类。其中图文报告包含水功能区通报、水文情报，由用户按期进行维护，支持 Web 页面预览，可直接导出 Word 文档；水资源公报报表主要用于导出 Excel 后进行水资源公报编制。

3 系统效益分析

3.1 完善数据库设计

数据库是所有信息系统的核心和基础，合理的数据库表结构设计是信息化系统实现的重要因素。水资源质量分析评价主要包括地表水、地下水、入河排污口的各类基础和地理信息及监测数据。根据相关规定，参照 SL 325—2005 《水质数据库表结构和标识符标准》，构建水质中心数据库。但在实际工作中，该标准无法满足水环境监测行业的实际情况，需要在此基础上进行扩展设计[3]。在实施过程中，通过不断验证，使数据库满足系统要求，同时为未来的扩展和升级奠定基础。

本次研究对水环境监测行业的标准、规范进行了补充完善，并在实际工作中成功建立了应用，更适应于江苏省水环境监测行业工作的实际情况，同时贴合下属各分局的工作特性。部分扩展说明如表 1所示。

3.2 实现报表及图文报告快速生成

水利部门在日常工作中需要大量的不同类别的统计报表和图文混编报告，如评价分析、统计报表、通报公报等。这些报表及报告，形式多样，计算复杂，如明细汇总、分类聚合统计等，极为耗费时间和人力，因此是系统设计上的一个难点，同时又是系统的重要组成。

3.2.1 报表生成

水质评价工作中，对水功能区的统计分析，不仅需要按不同行政区、各水功能区综合评价，对各项目加权或均值评价，还需列出水功能区所属监测断面计算结果。某水功能区断面河长加权统计计算明细表如图 3 所示。

表1 数据库表扩展设计说明

图3 水功能区断面河长加权统计计算明细

本研究从实际工作需求出发，开发了大量工作报表，涵盖了监测成果数据、水质类别评价分析、水体营养状态、水资源分区等统计，可以针对监测频次、月度、年度及自定义时段进行查询和分析。在各类计算分析中可选择不同评价体系，进行水质评价[4]。系统的应用实现了用户对较高自由度评价、分析、计算的需求，节约了大量的人工计算、统计时间，提高了工作效率。

3.2.2 报告生成

水功能区通报反映全省当月水质情况，内容包含水质断面类别统计，省级、国家级、全覆盖、政府考核水功能区达标评价，重要水域、省管湖泊水质分析等。从水质资料收集到数据分析评价、成果统计，图文并茂，但编制过程繁琐，且编制频率较高（每月 1 期），产生大量重复劳动，占用了过多的工作时间。

图文混编报告的动态生成是一种较为复杂的技术，如水功能区通报，不仅包含图表、数据标签及文字信息，还包含 20 多个不同运算过程[5]。系统运用开源 jqGrid 显示网格数据，实现前端页面与后台数据的 Ajax 异步通信，可兼容目前所有流行的 Web浏览器；通过 Ajax 分页，可以控制每页显示的记录数；支持 XML 和 JSON 数组形式的数据源；支持表格排序，支持拖动、隐藏列；支持子表格及树形表格。系统采用 JasperReport + JFreeChart 制作报告模板，使用 100% Java 语言编写，通过 JasperDesign 编辑 XML 模版文件，运用 JavaBeans 获取数据源，最后提交上层的定制模板和报告页面使用[6]。经不断调试验证，输出后可转换成 PDF，HTML，XML 等多种格式。

结合软件、评价术、统计、图文混排等技术，水资源分析评价系统实现了主要工作报告的快速生成。相比原先的手工编制，提高了工作效率，值得在国内行业内进行推广。

3.3 多种展示方式体现工作成果

常见的展示形式有曲线图、柱状图、线状图、饼图、仪表盘等，本研究结合 GIS 和动态生成技术，即时计算，实时渲染，提出 GIS 专题图展示，对各区域水质类别以不同颜色进行标识，丰富了展示效果，实现了水质站点、水功能区水质等水资源信息的空间展示，示意图如图 4 所示。对水功能区水质类别的计算、渲染改变了传统的 Mapinfo 的制图方法，可通过系统维护操作定制展示方式，直观展示用户所关注的重要监测、评价分析成果及统计数据等。

4 结语

新构建的水质专题数据库重新整合了零散的历史监测资料，形成了统一、准确的水质数据中心，为水行政部门掌握江苏省水质的现状与变化趋势提供了有力的数据支撑。同时，新建的水资源质量分析评价系统应用平台从水质部门实际工作需求着手，设计并拓展了多系列实用的评价方式与展现形式，减少了手工评价分析工作量，极大地提高了水质评价工作的效率，取得较好的效益。

随着新形势下水质工作要求的不断提高，江苏省水资源质量分析评价系统在运行速度、结构优化、功能覆盖性方面仍有一定提升空间，将在下一步工作中逐渐完善。

图4 水功能区水质类别示意图

[1] 中华人民共和国水利部. SL 325—2005 水质数据库表结构与标识符规定[S]. 北京：中国水利水电出版社，2005: 6-22.

[2] 国家环境保护总局. GB 3838—2002 地表水环境质量标准[S]. 北京：中国环境科学出版社，2002: 1-6.

[3] David M.Kroenke. 数据库处理：基础、设计与实现[M].北京：电子工业出版社，1998: 31-41.

[4] 徐业平. 河流水质水量综合评价方法研究综述[J]. 水资源保护，2005，21 (4): 34-36.

[5] Dirk Krafzig, Karl Banke, Dirk Slama. Enterprise SOA 中文版[M]. 北京：清华大学出版社，2006: 41-48.

[6] 关鑫. 基于 J2EE 的通用报表系统的研究与实现[D]. 成都：成都理工大学，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

高鸣远（1981－），男，江苏淮安人，工程师，主要从事水环境评价分析、水质信息化工作。