国家地下水监测工程（水利部分）系统建设思考与实践

刘庆涛，张淑娜，周政辉，严宇红

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水资源勘测局，河南 漯河 462000）



国家地下水监测工程（水利部分）系统建设思考与实践

刘庆涛1，张淑娜1，周政辉2，严宇红1

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水资源勘测局，河南 漯河 462000）

摘 要：分析地下水监测现状及面临的问题，提出国家地下水监测工程（水利部分）系统建设的目标和任务要求，基于新形势下地下水监测的需求，从系统的总体构架、部署构架及各组成部分内容等方面给出国家地下水监测工程（水利部分）系统的建设构想。

关键词：水利；地下水监测；信息系统；系统构架

0　引言

地下水是水资源的重要组成部分，是我国重要的供水水源，也是维系良好生态环境的重要因素，在水资源管理和地质环境保护等方面，都要依靠地下水信息数据。地下水监测是认识和掌握地下水动态变化特征、分析评价地下水资源、制定合理开发利用与有效保护措施、减轻和防治地下水污染及其相关生态环境等问题的重要基础，以及实行最严格的水资源管理制度对地下水信息的基本需求。但是，目前的地下水监测工作仍比较滞后，全国性的地下水监测能力严重不足，不能满足经济社会发展。

目前，水利系统现有地下水监测站网主要集中在我国北方地区，南方地区还存在大量监测空白区。现有监测井多借用生产井和民用井监测，专用监测井较少；监测方法主要依靠人工观测，信息采集、传输手段落后，不能实时掌握地下水动态信息；地下水监测信息的接收存储、交换共享和综合服务严重落后。为改变此局面，开展国家地下水监测工程项目建设，完善地下水监测站网，将国内外先进的监测技术与仪器设备用于地下水监测工作，有效提高地下水信息的自动采集能力、共享服务能力及信息采集传输的时效性，大幅提高地下水监测与信息服务能力，为经济社会发展和生态环境保护提供可靠的技术支撑，经国家发改委批准由水利和国土资源部门共同建设国家地下水监测工程。2015年6月，国家地下水监测工程初步设计投资概算由国家发改委核定后，由水利部和国土资源部联合审批，标志着国家地下水监测工程正式启动［1］。

1　建设目标和任务

1.1建设目标

在现有的地下水监测站网基础上，通过进一步优化补充监测站，建设相对完善的国家级地下水监测站网。以先进的地下水监测技术与设备为支撑，充分利用现有的通信网络和设施，构建一个集地下水信息采集、传输、处理、分析及信息服务为一体的信息系统，基本实现对大型平原、盆地、岩溶山区、重要水源地和超采区为重点的全国地下水动态监测体系，为合理开发利用、优化配置、科学管理、地下水环境保护、水资源可持续利用提供基础数据［2］。

1.2建设任务

基于国家、流域、省、地市级监测体系支撑的分布式系统，主要完成地下水监测数据的接收处理、交换共享、存储管理、统计分析、成果发布和信息服务等工作，建设目标为 1 个国家地下水监测中心（与国土资源部共同购置）、7 个流域监测中心、32 个省级（含新疆生产建设兵团）监测中心、280 个地市级监测分中心，新（改）建 10 298 个地下水监测站、相应配套地下水水位、水温、泉流量、水质等信息自动采集传输处理设备等。系统信息流程如图 1 所示。

图1　信息流程图

1）监测中心。开展地下水监测信息处理、存储、共享和服务的地下水数据库和信息系统建设，配备相应的软硬件设备。省级监测中心将监测站监测的数据存入本地数据库，同时通过国家防汛抗旱指挥系统计算机网络分别共享到国家地下水监测中心、流域监测中心和地市级分中心；并实现与国家地下水监测工程国土资源部门监测信息的共享。

2）监测站。分布于全国的地下水监测站通过监测仪器设备，自动采集地下水水位、水温信息、泉流量及水质参数，再通过 GPRS/SMS 信道将监测信息传输至省级监测中心。

2　建设构想

2.1总体架构

本系统是覆盖地下水监测管理全过程、是地下水监测信息交换、共享平台，是水利信息化建设的重要组成部分，因此，总体架构应与水利信息化总体架构保持一致［3］。本系统总体框架由“七个层面结构、两大保障体系、五类服务对象、四级管理单位”共同构成，系统的总体框架如图 2 所示。

2.2具体组成

2.2.1七个层面结构

“七个层面结构”包括采集传输、计算机网络、硬件设备、数据资源、应用支撑、业务应用和应用交互等 7 层：

1）采集传输层。是采集、传输地下水水位、水文、泉流量、水质等各类监测信息的基础设施，分为直接和间接监测信息采集。

直接监测信息采集根据信息来源情况分为在线自动采集和人工录入 2 种方式：在线自动采集方式是指监测站采集相关数据后，通过移动、有线、光纤等通信方式通过数据接收层到省级监测中心，进入系统的数据资源层；人工录入方式则是由工作人员将监测数据通过系统应用各层级的客户端导入或录入系统，直接进入系统的数据资源层。

间接监测信息采集采用信息交换的方式进行，即数据资源层依托应用支撑层的交换中间件直接实现数据的汇集任务。

2）计算机网络层。是各种业务的运行平台，为各级管理机构之间数据、图像等各种信息提供高速可靠的传输通道。为支撑地下水业务服务系统的正常运行，同时按照统一网络、计算资源和存储资源的思路［4］，计算机网络在已有水利政务外网基础上进行扩展，覆盖水利部、流域机构、省、地市四级管理机构。

3）硬件设备层。为整个信息化系统提供服务器、存储等硬件资源。各级监测中心配置信息系统硬件设备及附属设备若干。

4）应用支撑层。提供统一的技术架构和运行环境，为地下水业务应用系统建设提供通用应用和集成服务，为资源整合和信息共享提供运行平台，主要由各类商用和开发类通用支撑软件共同组成。

商用支撑软件作为应用支撑层的基础，为地下水应用系统的开发与运行提供基础软件环境。主要包括：应用服务器软件（Java EE Application Server）、服务总线（ESB）、业务流程管理（BPM）、消息服务（MOM）、工作流引擎（Workflow）、目录服务（Directory Server）、认证服务（CA）、共享文件系统、内容管理（CMS）、报表制作工具、空间数据引擎、GIS 工具等构件，提供信息系统构架软件支撑。

在商用支撑软件的基础上构建开发类通用支撑软件，将各个地下水应用系统所共同需要使用的软件模块进行统一的设计与开发，并以服务的形式提供给各个应用系统使用，最终实现各应用系统技术架构的统一，更便于实现系统内部的业务功能、系统间的业务协同与互联互通。主要包括：数据汇集交换、统一用户管理与认证、元数据管理等子系统。

5）数据资源层。对数据进行统一存储与管理的体系，主要包括数据和存储管理等部分，并对综合及元数据库等 2 类数据进行存储。

图2　国家地下水监测工程（水利部分）信息系统总体结构图

数据管理主要包括建库管理、数据输入、数据查询输出、数据维护管理、代码维护、数据库安全管理、数据库备份恢复、数据库外部接口等数据库管理功能。综合数据库包括监测、业务、基础、空间和多媒体等多个逻辑子数据库，根据数据种类分别存储于 RDBMS 与文件系统中；元数据库将综合数据库中的数据进行分类及抽取，形成数据集、数据元数据，并存储在 RDBMS 中。

数据存储管理主要是完成对存储和备份设备、数据库服务器及网络基础设施的管理，实现对数据的物理存储和安全管理。

6）业务应用层。业务应用层是系统应用的核心，构建地下水监测信息接收处理、监测资料整编、业务应用、资源信息发布等功能应用系统，为各级水行政部门、水文部门和社会机构提供及时、准确、全面的地下水动态信息。

7）应用交互层。是直接与用户交互的层面，主要包括面向水行政主管部门、科院机构，以及地下水相关的业务管理人员、社会公众等。

2.2.2两个保障体系

“两个保障体系”包括标准规范和安全保障体系：

1）标准规范体系。本系统管理层级和组成结构复杂、信息采集点众多、数据量大，各级系统之间存在大量的数据交换，需要严格的规范性和安全性要求，因此统一、规范的标准体系建设是支撑国家地下水监测工程建设和运行，保障应用协同和信息共享的重要基础。建设内容主要包括：数据通信规约、数据库表结构及标识符、软件文档管理类标准、软件技术类标准等。

2）安全保障体系。是保障系统安全应用的基础，包括物理、网络和信息安全及安全管理等。

2.2.3五类服务对象

“五类服务对象”包括水行政主管部门、科研规划设计中介机构、社会公众、管理对象和政府相关职能部门等服务对象。

2.2.4四级管理单位

“四级管理单位”包括国家监测中心（水利部）、7 个流域机构监测中心、32 个省级（含新疆生产建设兵团）监测中心、280 个地市级监测分中心等。

2.3部署架构

除信息采集传输层以外的其他 6 个层面和 2 个保障体系的建设内容，按其归属分别部署在国家监测中心（水利部）、7 个流域机构监测中心、32 个省级（含新疆生产建设兵团）监测中心，信息采集传输层主要部署在地市监测分中心。

在实施过程中，按照 Java EE 技术架构，结合当前物联网最新理念和云技术进行设计、开发。系统建设中其标准体系制定、信息交换共享软件开发及系统总集成这 3 个部分是重点和难点环节，具体情况将另行择文阐述。

3　结语

2016年3月，经“两会”审议通过的“十三五”规划纲要第四十五章中明确提出“完善国家地下水监测系统，开展地下水超采区综合治理”，将国家地下水监测系统上升到国家战略高度。党和国家都高度重视国家地下水监测工程项目建设，水利部水文局多措并举，大力推进项目建设，自 2014年开展项目前期工作，2015年已全面启动监测井的建设工程，2016年年中启动监测仪器设备招投标工作，年底安装各类仪器设备，2017年系统将投入在线试运行。

系统建成后，将实现对全国地下水动态的有效监测，以及对大型平原、盆地及岩溶山区地下水动态的区域性监控和地下水监测点的实时监控；为相关部门和社会机构提供及时、准确、全面的地下水动态信息，满足科学研究和社会公众对地下水信息的基本需求，为优化配置、科学管理地下水资源，防治地质灾害，保护生态环境提供优质服务，为水资源可持续利用和国家重大战略决策提供基础支撑，实现经济社会的可持续发展。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国水利部，中华人民共和国国土资源部.水利部 国土资源部关于国家地下水监测工程初步设计报告的批复（水总［2015］ 250 号）［S］. 北京：中华人民共和国水利部，2015:1-3.

［2］ 河南黄河水文勘测设计院. 国家地下水监测工程（水利部分）初步设计报告［R］. 郑州：河南黄河水文勘测设计院，2015: 1-10.

［3］ 詹全忠，蔡阳. 水利财务管理信息系统建设的思考与实践［J］. 水利信息化，2015 （2）: 12-13.

［4］ 付静，詹全忠. 水利信息化基础设施整合共享研究与实践［J］. 水利信息化，2014 （6）: 28-29.

Thinking and Practice on System Building of National Groundwater Monitoring Project （ Water Conservancy Department）

LIU Qingtao1，ZHANG Shuna1，ZHOU Zhenghui2，YAN Yuhong1
（1. Water Resources Information Center，the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China）2. Luohe Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Henan Province，Luohe 462000，China）

Abstract:The article analyzes present situation and problems of groundwater monitoring，puts forward the construction goals，task requirements of national groundwater monitoring project（water conservancy department）. Based on the demand of groundwater monitoring in the new situation，it gives building ideas of the system from the overall system architecture，deployment architecture，the content of each part of the system and etc.

Key words:water resources；groundwater monitoring；information system；system architecture

中图分类号：P641.8

文献标识码：A

文章编号：1674-9405（2016）03-0052-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.012

收稿日期：2016-04-13

作者简介：刘庆涛（1976-），男，吉林松原人，高级工程师，主要从事水利信息化、通信运行维护工作。